基于單天線的GNSS合成孔徑技術研究進展

基于單天線的GNSS合成孔徑技術研究進展

何國鋒,聶俊偉,伍微,王飛雪

(國防科學技術大學電子科學與工程學院衛星導航定位技術工程研究中心,長沙 410073)

摘要：本文主要介紹了合成孔徑的基本原理及合成孔徑技術在國內外的發展研究進展,以及合成陣列的模型和信號模型,并且介紹了合成孔徑技術在導航領域的基本應用，但現階段由于技術不成熟以及硬件條件等的限制,此技術還未真正得到廣泛應用，但基于單天線的合成孔徑技術具有先天的優勢,未來將有很大的發展前景．

關鍵詞：單天線;合成孔徑;導航系統

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.008

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)05-0041-05

收稿日期：2015-08-26

作者簡介

Abstract:Tis paper describes the basic principles and synthetic aperture synthetic aperture technology research development status at home and abroad, as well as model and signal model in synthetic array and introduces synthetic aperture technology in the field of basic applications in navigation. But at this stage due to technical immaturity and hardware conditions, etc., this technology has not yet been widely used. But based on synthetic aperture single antenna technology has inherent advantages, the future will have great prospects for development.

0引言

衛星導航系統已經成為了當今發達國家國防及經濟基礎的重要組成部分,衛星導航系統也是國家綜合國力及科學技術水平的重要標志之一。世界各主要大國都在爭相發展和完善衛星導航系統,其中包括最早建設的美國全球定位系統(GPS),俄羅斯的全球導航衛星系統(GLONASS),歐盟國家的伽利略(Galileo)系統,以及我國正在積極建設的北斗二號全球衛星導航系統(簡稱為北斗全球系統)[1]。

基于單天線的動態天線合成陣列概念在近幾十年已經應用到雷達領域,近幾年已經應用到了導航領域。傳統的天線陣在同一時刻對不同陣元信號進行采樣,而在合成孔徑方式下,同一陣元在不同時刻進行空間采樣,因此,與傳統陣列信號相比存在明顯差異。在應用領域中,傳統的抗寬帶干擾,需要采用多個陣元、多路射頻通道的天線陣接收機,設備硬件復雜,體積功耗等都要求較高，很多場合不具備安裝陣列接收機的條件,如何利用單天線接收機進行寬帶干擾抑制,具有重要的理論與工程意義，與此同時,單天線不存在天線互耦、通道失配等非理想因素的影響,另外,虛擬陣元數目不受限制,可抑制的干擾數目可大幅增加,從這一方面講,單天線合成孔徑具有一定的先天優勢。

合成孔徑技術在近些年開始運用在導航領域,國外的Broumandan、 Draganovet、 Pany等人已經有一些研究,并且公開發表了文章。早期的這些文章描述了單天線合成孔徑GPS信號處理和合成圓陣的相控天線技術。卡爾加里大學的Broumandan和Tao Lin的文章中,合成孔徑天線運用于干擾消除,他們研究了基于合成孔徑天線陣的GNSS信號的DOA估計[2];而Pany研究了圓陣合成天線來抑制多徑[3];Draganovet則研究了GNSS/INS組合后運用合成孔徑技術來消除多徑;還有佛羅里達大學的Soloviev等人研究了單天線移動形成的一維天線陣和多天線移動形成了二維天線陣的GNSS信號處理技術[4-5],但這些研究都停留于理論階段,并未實際運用到導航系統中來。國內已有學者提出了利用天線動態特性以合成孔徑進行導航信號處理及干擾抑制等,但相關研究還處于起步階段。

1導航信號合成孔徑原理

導航系統中,GNSS合成孔徑的基本原理是利用單天線的旋轉、平動等運動特性,通過在不同時刻的信號采樣來實現虛擬陣元空間采樣的等效結果，其核心過程是隨著天線移動從時域接收采樣變成空間采樣的轉換。

合成孔徑技術近十年在雷達領域取得了巨大的成功,并且已經運用到軍用民用各個領域,已經成為全球各個國家爭先發展的領域,我們國家這些年的發展也取得了很大的成就。合成孔徑雷達(SAR)在距離向通過發射寬帶信號獲取高的分辨率;在方位向通過孔徑合成原理達到波束銳化的目的,從而提高方位向的角度分辨率，整個過程處理可以等效為一個二維匹配濾波過程。

聯系人： 何國鋒 E-mail:heguofeng100@163.com

一副天線陣由多個單元天線組成,利用多個單元天線到目標點的距離不同所產生的相位差干涉形成一狹窄的波束，把這一空域的干涉過程變為時域上的干涉過程,一副天線沿著一直線勻速運動,在運動中不停的發射信號對目標進行采樣,同時把回波儲存起來，利用這些回波做信號處理,分別給它們加上不同的相位,使之對相應的目標聚焦,從而獲得了一個等效的更狹窄的主波束，這就是合成孔徑的基本原理。

圖1　合成孔徑基本原理示意圖

合成孔徑在雷達領域最大的優勢在于提高距離向和方位向的分辨率。在探測系統中,通過脈沖能量對遠場目標的距離、速度、形狀或反射率等參數進行測量，為了使測量有效,接收脈沖必須具有足夠強的能量和足夠好的分辨率。合成孔徑雷達中,為了提高距離向分辨率,通過脈沖壓縮來實現;通過發送一個展寬脈沖,再對其進行脈沖壓縮以得到所需分辨率的技術稱為脈沖壓縮。而在頻域中,脈沖壓縮的本質就是將信號頻譜與含有二次共軛相位的頻域濾波器進行相乘，脈沖壓縮又稱為“匹配濾波”。

物理實孔徑陣列中,如果要提高增益,必須增加孔徑數量;并且設計和處理不夠靈活,不能面對各種不同的環境,而虛擬的合成孔徑陣列很好的解決了這兩點。

2GNSS合成孔徑信號模型

假設天線沿x軸做直線運動,t1時刻位于x1,t2時刻位于x2處。不難理解,t1時刻信號代表了空間x1處的采樣，也就是說,通過運動,達到了空間采樣的目的，示意圖如圖2所示。

圖2　GNSS合成孔徑模型空間采樣示意圖

導航信號的合成孔徑陣列天線中一般采用軟件接收機的結構,通過天線移動而不是增加天線的方式形成波束,因此,通過在不同時刻不同空間的采樣來形成陣列信號。圖3是單天線形成的一維合成孔徑導航信號的模型圖。

圖3　單天線合成孔徑導航信號模型

合成孔徑陣列的參數估計不是使用具有多個天線信號接收器,是通過移動一個單個天線在任意方向上的合成，數據接收器收集在不同時間不同相位的信號。如果在每個周期的數據收集的通信信道是準靜態的信道(例如AOA)的參數進行估計,AOA估計對合成陣列有一些好處,例如:它不會受信道間相位、增益和天線元件之間的相互耦合。因此,它不需要校準,這是在多天線陣列處理中必須要考慮的嚴重問題。圖4示出的合成陣列的概念:假設有分布均勻的M個實傳感器,這些傳感器收集信號的預定時間約tsynthetics.可以收集到M等份的每個傳感器所采集的數據,并且無需任何硬件的限制,如果信道狀況不會在此期間發生變化,可用于DOA估計傳感器的每一部分。合成陣列利用這種特性來創建一個天線陣列，圖4直觀地顯示了這個概念。

圖4　合成孔徑陣列天線模型

需要說明的是:

1) 整個過程,接收機必須保持跟蹤狀態;

2) 由衛星運動和偽碼相位變化引起的誤差必須進行補償;

3) 為了消除bit翻轉的影響,需要估計并剝離電文數據。

合成陣列的信號模型,假設在接收的采樣信號中只有導航信號和白高斯噪聲信號,假設本地PRN碼與接收信號是同步的,則可以得到

(1)

式中: rt為t時刻的方向向量;a為信號幅度;d為導航數據;P為PRN碼功率;n為白高斯噪聲; Δφ為載波相位差;Tcoh為相干積分時間。

由于衛星的移動和時鐘漂移,導航數據和載波相位差要得到補償。對于波束形成,由于在基帶處理器中載波相位被鎖相環跟蹤,需要相關器的后續補償,存儲的所有載波相位信息回到相關器,所以在補償的相關器中會得到所有的信號信息。假設在合成陣列處理中,信號功率不會下降很快,補償的相關器表示為

(2)

(3)

式中:ap為相關器的幅度;N為合成天線的數量。上述相關器可以被寫成直線傳輸信號陣列多維矢量v(ks)的函數。

Pcomp(t0) =spv(ks)

(4)

式中:θ為仰角;φ為方位角;sp為陣列參考點的信號。綜上所述,相關器的相關矩陣表達式為

(5)

3合成孔徑在導航領域的應用現狀及發展趨勢

隨著科學技術和計算機技術的飛速發展,導航領域也在快速的擴展,而合成孔徑運用在導航領域可以說是一個全新的嘗試,在很多技術上可以有新的發展。目前合成孔徑在導航系統中主要有:1) 波束形成;2) 干擾檢測及干擾抑制;3) 多徑抑制;4)DOA估計等。

由于合成孔徑技術目前尚未成熟發展,也沒有實際應用到現存裝備中,預測近些年的發展將會有比較大的提升和突破。

3.1　合成陣列波束形成算法

許多的波束形成算法是從實陣列發展而來,但是也可以運用到合成陣列中,用來消除由于衛星移動、衛星鐘漂和接收機鐘漂引起的相位變化。下列描述的算法皆是線性的;由應用不同可以分別應用到相關前或者相關后。一般來說,干擾消除用于相關前,而多徑消除應用在相關后。

1) 延遲求和波束形成算法

這種算法是最基本的波束形成算法之一,可以認為是空間匹配濾波,高斯白噪聲通道內的陣列最大信噪比(ASNR),延遲求和算法的權值矢量w數學表達式為

(6)

式中: N為陣列中的天線數量; v(ks)為GNSS直射信號(LOS)的導向矢量。

2) MVDR/MPDR波束形成算法

MVDR(最小方差無失真響應)波束形成算法是在高斯噪聲通道中最大似然和最大陣列信噪比(ASNR)場景下的最優選擇。這里的噪聲包括干擾、多徑和白噪聲。實際上,MVDR可以看作是空域匹配濾波器,MVDR的權值矢量w可以表示為

(7)

實際中很多參數是很難獲取到的,因此可以應用MPDR(最小功率無失真響應)的方法,MPDR的權值矢量w可以表示為

(8)

式中: Rn為無用信號(噪聲、干擾、多徑)的相關矩陣; Rx為接收信號(信號、噪聲、干擾和多徑)的相關矩陣; v(ks)為GNSS直射信號(LOS)的導向矢量。

3) LCMV/LCMP波束形成算法

LCMV(線性約束最小方差)/LCMP(線性約束最小功率)是MVDR/MPDR的廣域形式。在代價函數上要求乘以一個線性約束，LCMV/LCMP的權值矢量w可以表示為

(9)

式中: Rn為無用信號(噪聲、干擾、多徑)的相關矩陣; Rx為接收信號(信號、噪聲、干擾和多徑)的相關矩陣; C為約束矩陣; g為約束矢量。

3.2　GNSS合成孔徑發展趨勢

1) 干擾檢測及干擾抑制

隨著單天線接收機抗窄帶干擾的日趨成熟,寬帶干擾的抑制能力逐漸上升為導航對抗的技術瓶頸。利用天線動態特性以合成孔徑技術進行干擾抑制,將進一步擴展現有的天線陣抗干擾性能極限,并且對于提升系統裝備、應用裝備的導航對抗能力具有重要的意義。

隨著衛星導航定位系統在軍事領域的使用越來越廣泛,作用越來越重要,其必然要面臨各種強干擾對抗環境,沒有抗干擾能力的軍用衛星導航定位系統是沒有生存能力的。由于我國的衛星導航起步較晚,干擾是導航衛星接收器的位置估計誤差的來源,干擾抑制技術還處于發展階段。目前,應用于裝備中的是發展較為成熟的時/頻域干擾抑制技術。衛星星座和大部分軍用導航接收機均裝備采用時/頻域抗干擾技術的接收機，而采用空域干擾抑制技術的天線陣抗干擾接收機還處于原理驗證階段,還需要較長時間才能裝備部隊。

如果能夠在不更改硬件平臺的基礎上,僅通過算法更新提升現有裝備的窄帶干擾的抑制性能,具備常規寬帶干擾的抑制將能夠延長目前裝備的壽命,最大化其應用價值。另外,考慮到未來導航設備的民用推廣,若能夠在少量增加導航接收機體積和價格的前提上提升其在復雜電磁環境中的使用體驗,將對民用導航接收機的推廣起到積極作用。此外,因天線陣占用面積較大、耗費較高,具備空域抗干擾技術的抗干擾接收機主要裝備在艦船、坦克、導彈和飛機等大型軍事設備上,且難以與雷達、通信等系統實現硬件共享。從裝備發展趨勢可以預知,隨著裝備中電子設備數量日益增加,未來不同電子系統的融合和集成將成為必要的選擇，例如,美歐等正在積極研發的融合通信、導航等功能的單兵作戰系統就選擇通信、導航等共用天線等硬件。由于和其他電子系統復用,考慮成本和體積,單天線是非常合理的選擇,而合成孔徑技術可以成為單天線抗干擾提供技術支撐。在干擾檢測和干擾抑制方向,合成孔徑技術將成為未來的一大熱門研究方向。目前技術仍不成熟,并未得到廣泛推廣。

在雷達領域中,合成孔徑技術已經得到了廣泛的應用,而在GNSS領域中剛剛起步。該技術未來的發展主要趨向于建立合成孔徑信號模擬方法拓寬陣列信號的理論,結合陣列天線與合成孔徑技術,進一步擴展和豐富陣列信號的理論,進一步得到廣泛應用。導航領域抗干擾技術的研究領域,GNSS合成孔徑應用在干擾檢測和干擾抑制將是一個很有前景的研究方向。

2) 其他領域的發展趨勢

國外有學者已經利用GNSS合成孔徑技術實現了波束形成、多徑抑制、目標成像等應用，這將對現有的雷達、導航、通信領域都將是重要的技術補充。也是GNSS合成孔徑發展的重要方向。

4結束語

GNSS具有覆蓋廣、全天候、高精度、實時定位、多用途等特點,已成為當今國民經濟和國防建設中不可缺少的重要空間基礎設施。合成孔徑技術在雷達領域已經成熟發展了很多年,在導航領域中近些年國內外有了一些發展,但并未形成真正的理論框架。國外文獻[2]~[5]及[7]和[8]中對合成孔徑技術在導航領域的DOA估計、多徑抑制、波束形成等有了一定的研究,但基于硬件設備等的原因,并未真正形成實際應用的有效手段,在干擾檢測與干擾抑制中也還并未達到真正的成效。但基于單天線的合成孔徑技術在導航領域具有明顯的優勢,今后也將具有更大的發展前景。

參考文獻

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何國鋒(1991-),男,湖南平江人,碩士生,主要從事衛星導航抗干擾研究。

聶俊偉(1983-),男,山西沂州人,博士,講師,主要從事衛星導航抗干擾研究。

伍微(1981-),男,湖北秭歸人,博士,講師,主要研究方向為衛星導航接收機DSP實現。

王飛雪(1971-),男,福建長汀人,教授,博士生導師,主要從事衛星導航定位、導航信號體制設計、導航信號處理、電子系統抗干擾等方向的研究。

Based on the Status of Single Synthetic Aperture

Techniques GNSS Antenna

HE Guofeng,NIE Junwei,WU Wei,WANG Feixue

(SatelliteNavigationandPositioningR&DCenter,SchoolofElectronicScienceandEngineering,

NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

Key words: Single antenna; syntheticaperture; navigation