北斗衛星導航系統抗干擾技術研究與實現*

何永前

(湛江航保修理廠 湛江 524002)

北斗衛星導航系統抗干擾技術研究與實現*

何永前

(湛江航保修理廠 湛江 524002)

論文介紹了國外北斗衛星導航系統抗干擾技術現狀,概述波束形成抗干擾方法與自適應零陷抗干擾方法的原理與實現方法,通過仿真對這兩種技術的優缺點進行了對比分析,最后給出了北斗衛星導航抗干擾系統的技術實現途徑。

北斗; 抗干擾; 仿真; 自適應零陷; 波束形成

Class Number TN967

1 國外抗干擾技術現狀

隨著我國北斗衛星導航系統的建成和使用,國內對衛星制導精確打擊武器的研究不斷深化,但由于衛星導航信號自身易于被干擾,因此在復雜電磁環境下,北斗衛星導航抗干擾技術極其重要。

在衛星導航抗干擾方面,美軍分別對濾波、波束形成技術進行了深入的研究,并進行了應用。

1.1 濾波技術

濾波抗干擾技術主要包括基于單天線的濾波技術和基于陣列天線的濾波技術?；趩翁炀€的濾波包括時域濾波與頻域濾波兩種,基于陣列天線的濾波包括純空域濾波與空時二維濾波技術。

1) 時域濾波

時域濾波運用數字信號處理方法實現可編程IIR/FIR濾波器。五月花通信公司(Mayflower)開發的單天線GPS抗干擾產品即采用了時域自適應ATF(Adaptive Temporal Filter)濾波器,它能有效抑制大于30dB的窄帶干擾源。時域處理技術通常能處理多個窄帶干擾,但對寬帶干擾效果不佳。

2) 頻域濾波

頻域處理方法則是通過離散傅立葉變換(DFT),把接收信號映射到頻域進行處理。與時域技術相比,頻域處理方法具有濾波過程簡單、動態范圍大、能夠提供更大的零陷深度等特點。通常,頻域濾波對窄帶干擾抑制可達35dB以上,但對寬帶噪音干擾及多個掃頻瞄準式噪聲干擾無效。

3) 空域濾波

空域濾波實質是自適應零陷抗干擾,它采用包括多個陣元的天線陣,陣中各天線與微波網絡相連,而微波網絡又與處理器相連,處理器對從天線經微波網絡送來的信號進行處理后反過來調節微波網絡,使各陣元的增益和相位發生改變,從而在天線陣的方向圖中產生對著干擾源方向的零點,以降低干擾機的效能。缺點是相位控制精度受限于移相器的精度。

該方法可以抵消的干擾數量等于天線陣元數減1。例如,天線陣元數為7,則最多可抵消來自不同方向的6個干擾。在理想情況下,空域濾波技術能使接收機的抗干擾能力提高40dB～50dB。

但這種美軍早期的GPS抗干擾系統是通過模擬電路來控制GPS天線的接收方向圖,它使用輻射方向圖可控的天線和電路實現,它在干擾方向形成零陷,從而消除干擾。模擬系統通常由模擬移相器實現,自適應改變每個天線陣元的輸出權值。模擬移相器的相位控制受限于移相器自身模擬器件的精度。另外,由于權值必須使用迭代算法計算,因此在高動態場景中性能有損失。

隨后美軍的GPS抗干擾系統采用數字信號處理,幾乎可以完全消除原來模擬系統中限制零陷性能的同相和正交相(I/Q)不平衡。它利用每個天線陣元的信息,在波束成形中通過精確的權值,可以提高天線方向圖的控制精度,同時獲得深的零陷和增強的波束增益。

4) 空時二維濾波

空時自適應濾波是在空域濾波的基礎上,在每個陣元上增加相同數目的延遲抽頭,從而形成空時二維處理結構。該方法在不增加陣元的前提下,大大增加了陣的自由度,對于各種干擾的抗干擾能力有質的提高。五月花通信公司在CRPA GAS-1和ATF的基礎上研制了GAF(GPS anti-jam filter),這是一種7個陣元的空時處理器,裝備于F-14、F-15、F-18、F-22戰斗機,根據測試報告,可用于干信比(J/S)為100dB～120dB干擾環境,最大可抗干擾數為20,抑制四個干擾的自適應處理收斂時間小于3ms。

1.2 波束形成技術

波束形成(DBF)技術是利用陣列天線形成指向衛星方向的波束,從而提高衛星信號方向的增益,起到干擾抑制其它方向的作用。如果能夠通過慣性組件等其他手段獲得目前衛星信號的方向,就可以直接采取相控陣天線和數字多波束的方式形成波束增益;如果信號方向未知時,則可以先通過波束盲估計等方法獲取信號方向,然后再進行波束形成。

與上述濾波技術相比,波束形成技術的性能更好,它能夠減少濾波技術在濾波過程中引起的載波相位誤差和偽距誤差,從而在精確導航中更具有吸引力。

圖1為采用全向陣列天線進行零陷濾波所獲得的增益方向示意圖,圖2為采用陣列波束形成技術所獲得的增益方向示意圖。可見零陷濾波技術雖然對干擾方向形成了零陷,但同樣使得增益有所損失;而波束形成技術則在保持零陷的同時加強了指向衛星方向的增益,具有更好的抗干擾性。

圖1 陣列天線濾波

圖2 陣列天線波束形成

2 波束形成抗干擾方法

圖3為抗干擾自適應波束形成方法的實現方式。衛星信號和干擾通過全向天線陣列進入大動態范圍的射頻轉換器(RF)前端。為獲得深的零陷,需要設計大動態的射頻轉換器(RF)部分。由于產生線性的大動態范圍不現實,因此采用自動增益控制技術,即在射頻與中頻之間設置多個程控衰減器。借助多個衰減級,可以防止敏感器件不會出現飽和。這種多級衰減結構的靈活性在于,它可以精確控制進入模數轉換器的信號電平,從而優化信噪比。

圖3 自適應波束形成系統框圖

射頻轉換器(RF)將輸入信號變至中頻(IF)進行數模轉換,然后數字中頻信號進入波束形成算法模塊。

同時,在慣性測量單元(IMU)可用的情況下,能夠從IMU獲得自身的姿態信息,結合衛星的星歷數據,最后通過波束控制模塊,產生波束自適應控制權值,送至波束形成算法模塊。

波束形成算法模塊的功能是降低或消除進入GPS接收機前的信號干擾。它根據波束自適應控制權值,對數字化的中頻信號進行自適應濾波。波束形成算法對天線陣元過來的數據流進行加權組合,保證既能夠對所需接收的衛星方向上增強增益,同時又能夠在干擾方向上產生深的寬帶零陷。

這樣,波束形成算法模塊對輸入的數字中頻數據進行抗干擾處理后,得到所有通道的數字波束之和,最后進入GPS接收機捕獲跟蹤模塊。波束形成算法模塊能夠分別控制不同衛星方向的波束,從而使得這些輸出波束可以獨立優化為一個特定捕獲的衛星,或者提供多星約束條件下的最大信噪比。

最終,在衛星受到干擾的情況下,自適應波束形成系統能夠在數據送到GPS接收機之前,降低或消除干擾。隨后接收機接收2-bit數據進行相關處理,進行GPS定位解算。

3 自適應零陷抗干擾方法

當由于外部條件所限,沒有慣導或微機械慣性測量單元等外部設備的輔助時,確定天線的姿態則比較困難。在無法獲得所需衛星方向時,自適應零陷抗干擾是比較合適的選擇。

自適應零陷抗干擾方法主要是采用功率倒置算法,它在保證對期望信號的增益為常數的條件下,使輸出總功率最小。算法形成的方向圖,在各干擾方向產生對應的零陷,干擾信號越強,零陷越深。由于衛星導航信號到達地面接收機時信號電平相當微弱,比接收機噪聲還低20dB～30dB,算法對其幾乎無影響;同時算法將在強干擾方向上產生零陷,可以有效抑制干擾信號,提高了接收機輸出的信干噪比。

與圖3的抗干擾自適應波束形成方法相比,圖4失去了慣性測量數據的支持,只能利用衛星導航信號甚至比熱噪聲還低的功率的特點進行盲自適應控制,但同樣能達到抗干擾的目的。

圖4 自適應零陷抗干擾系統框圖

4 系統實現的技術途徑

從系統的結構上來講,北斗導航抗干擾系統包含兩個子模塊,一個是自適應抗干擾模塊,另一個是接收機模塊,分別如圖5和圖6所示。

圖5 自適應抗干擾模塊框圖

在自適應抗干擾模塊中,7路天線數據經12bit的A/D采集后,一方面通過FPGA的SRAM存儲器轉存送入DSP中進行權值的計算,另一方面利用上一次計算的權值在FPGA中對當前采樣的數據做波束形成或者零陷濾波,生成最終I、Q兩路基帶信號。如果做波束形成算法,則還需要從航電總線429或1553B上獲得平臺的姿態信息,同時從FLASH存儲器中獲取星歷數據,從而計算得到波束形成所需的方向矢量。如果做零陷算法,則不需要平臺的姿態信息和星歷數據,直接利用當前采樣的數據計算權值。

I、Q兩路基帶信號既可以通過上變頻還原為中頻數據,送給目前廣泛使用的中頻接收機進行捕獲跟蹤和定位解算,也可以直接送入自己設計的接收機模塊中進行基帶數據的解算。

圖6 接收機模塊框圖

在圖6中的基帶接收機模塊中,FPGA對接收的I、Q兩路信號進行捕獲跟蹤,同時還可以結合機載CPU送來的慣組信息進行組合導航,提高系統的性能。

RS-232接口是接收機模塊與計算機的交互接口,通過該接口,用戶可以從上位機觀測到接收機模塊的定位輸出結果。

如果將自適應抗干擾模塊和接收機模塊分成兩個獨立的組件,兩者通過上變頻模塊和下變頻模塊連接,則可以直接利用現有的抗干擾模塊和接收機模塊進行系統集成;如果將兩個模塊合成一個整體來設計,則相當于設計一個新的緊湊的系統,容易遇到新的問題。一種有效的方法是先通過集成的方法實現所要求的功能,然后再將之一體化。

5 結語

由于北斗衛星導航系統應用的全球性、接收信號環境的復雜性、干擾信號的多樣性,抗干擾技術是一個復雜的問題,也是我們在導航戰中必須解決的問題。本文介紹了當前國外在衛星導航抗干擾技術中比較先進并實用的兩種技術,通過仿真分析其優缺點,并給出了一種衛星導航抗干擾系統的實現方法。該方法已經在實際中應用,并取得良好的抗干擾效果。

[1] 谷春燕.陳新富.易克初.衛星通信抗干擾技術的發展趨勢[J].系統工程與電子技術,2004,10(12):72-74.

[2] 戴賓.衛星通信中的干擾及處理措施[J].中國有線電視,2004,2(16):18-20.

[3] 王華力.陳長征.韓鋒.等.應用于衛星多波束天線的自適應波束形成算法比較[J].電子學報,2001,8(3):77-79.

[4] Sudhakar Rao K, Morin G A, Tang M Q. Evelopment of a 45GHz multiple-beam antenna for military satellite communications[J]. Antennas and Propagation,1995,43(10):1036-1047.

[5] Laster J D, Reed J H. Interference rejection in digital wireless communications[J]. Singal Processing Magzine,1997,14(3):37-62.

[6] Leon D, Balkir S, Hoffman M W. Robust chaotic PN sequence generation techniques[C]//The 2001 IEEE International Symposium,2001,4:53-56.

[7] Ezers. Rolands. Performance evaluation of commercial SATCOM modems with respect to interference and nuisance jamming[C]//Military Communications Conference, MILCOM’95, IEEE,1995,2:864-868.

[8] 陳海強.現代衛星通信中的調制技術和衛星TCP的研究[J].廣西大學,2002,4:37-41.

[9] Jain Pravin C Architectural trends in Miltary Satellite Communications Systems[J]. Proceedings of the IEEE,1990,78(7):1176-1189.

[10] 郭道省.周建兵.用于軍事衛星通信的透明轉發器特點及抗干擾研究[J].軍事通信技術,2002,3(1):25-31

Anti-jamming Technology of Beidou Satellite Navigation System

HE Yongqian

(Zhanjiang Repair Plant, Zhanjiang 524002)

This article describes the interference of foreign Beidou satellite navigation system technology status, an overview beamforming methods and interference immunity adaptive nulling principle of the method and realization, through simulation advantages and disadvantages of these two techniques were compared. Finally, the Beidou satellite navigation system, anti-jamming technology approach.

Beidou, interference, simulation, adaptive nulling, beamforming

2013年7月7日,

2013年8月17日

何永前,碩士,高級工程師,研究方向:導航裝備。

TN967

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.019