針對GPS接收機自適應天線調零抗干擾的對抗方法研究*

毛 虎,吳德偉,盧 虎

(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

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針對GPS接收機自適應天線調零抗干擾的對抗方法研究*

毛 虎,吳德偉,盧 虎

(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

自適應天線調零是GPS接收機最主要的抗干擾措施之一。為了迫使自適應調零“失效”,在分析GPS接收機采取功率倒置(power inverse,PI)算法進行自適應調零適用性的基礎上,針對PI算法在實現時所需的先驗信息相對較少、收斂速度相對較慢以及在低干噪比(jamming-to-noise ratio,JNR)下產生零陷角域相對較寬的特點,提出了強干擾“掩護”下的弱干擾進入、強干擾同步開關下的弱干擾間隙“填充”以及干擾俯仰方向逼近等對抗方法。通過仿真分析驗證了對抗方法的可行性和有效性。

自適應調零;PI算法;協同干擾;開關干擾;逼近干擾

0 引言

導航對抗對于能否奪取現代戰爭中的制信息權起著重要作用。針對GPS下行鏈路易受干擾的弱點,美軍作戰武器上安裝的GPS接收機普遍具有自適應天線調零抗干擾措施[1],提升GPS接收機自適應天線調零抗干擾的有效性成為研究熱點[2-5],而針對其的對抗方法較少探討。文獻[6]根據空域濾波理論上最多產生的零陷數為陣元數減1,簡要的提及可采取空中布撒多干擾源的策略來對抗自適應天線調零,未能進一步研究具體實施過程,另外,對于空時聯合濾波的自適應調零,僅僅利用干擾源數量優勢會受到極大限制。文獻[7]提出在增加干擾源數量的同時,可進一步采用升空逼近的方法來對抗自適應天線調零,但未能進行定量的仿真驗證。文獻[8]借鑒雷達對抗中的交叉眼干擾,利用不同空間位置的干擾源交替發射干擾信號來產生快變的非平穩環境,從而延緩自適應調零濾波器的收斂過程,但一方面交替發射的時機和頻率難以協調控制,另一方面濾波器最終仍是會維持于收斂狀態。文獻[9]根據仿真實驗結果得出:可通過增加分布式干擾源數量、運動速度以及在確定衛星信號方位參數后集中投放干擾源等途徑來抑制自適應天線調零的抗干擾效果,但未能依據所采取的自適應濾波算法在實現時的具體特性來設置干擾模擬條件和場景,因此,所得結論的實際指導意義有限。

文中在討論GPS接收機適合采用PI算法進行自適應調零的基礎上,通過分析PI算法在工作條件、收斂速度和實現復雜度等方面的特性,提出強弱協同、同步開關和來向逼近等方法對其進行對抗,仿真分析結果驗證了對抗方法的可行性和有效性,為后續的壓制/欺騙雙模干擾效果提供了保證。

1 GPS接收機自適應天線調零抗干擾的實現

自適應天線調零采用某種自適應算法按照特定的優化準則調整各天線陣元的權向量,以用來跟蹤期望或干擾信號的變化。在單純的空域濾波中,各種不同優化準則的最優權值都收斂于維納解[4];而在空時聯合濾波中,對于窄帶信號,各準則間的等價關系也是成立的,對于寬帶信號,各準則下的穩態信干噪比(SINR)僅相差不超過十幾分之一分貝,也可認為是基本等價的[4]。因此,采用的自適應算法成為決定自適應天線調零抗干擾性能的關鍵。

1.1 PI算法的適用性分析

在實際的工程應用中,具有代表性的自適應算法包括[10]:最小均方(LMS)算法、遞歸最小二乘(RLS)算法、直接/采樣矩陣求逆(DMI/SMI)算法、HA(Howells-Applebaum)算法等。其中:LMS算法容易實現,運算量小,但收斂速度較慢;RLS算法的突出優點是收斂速度快,而且算法性能對陣列信號協方差矩陣的病態程度敏感性不強,但結構復雜,需要的計算量較大;DMI/SMI算法克服了輸入信號自相關矩陣特征值分散時對權矢量收斂速度的影響,其最快收斂速度與特征值散布無關,但同樣也存有計算量大的問題,而且有時會出現數值計算的不穩定;HA算法則需要對信號的準確來向已知。

LMS、RLS和DMI/SMI算法都屬于基于參考信號的自適應算法,對于GPS接收機,其在同一時刻會接收到多顆衛星導航信號,接收衛星信號的數目和具體形式都是不確定的,因此,要產生穩定的參考信號比較困難;HA算法需要已知信號準確來向,由于載體移動造成接收機相對衛星位置在不斷變化,而且干擾來向也無法實時預知,因此,HA算法也不適合應用于GPS接收機的自適應天線調零中。

GPS信號到達地球表面時的功率極其微弱,完全被接收機內部噪聲所淹沒,在無干擾或干擾較小的情況下,接收機能夠利用擴頻增益從噪聲中對有用信號進行提取,從而完成導航定位功能,而當干噪比(JNR)過大時,接收機就無法正常工作。對于這種強干擾環境下的弱信號接收,采用PI算法進行自適應天線調零是比較適合的選擇。PI算法是建立在單線性約束最小方差(LCMV)準則之上的自適應算法[11],其通過自適應調整陣元權值而使加權后的陣列輸出功率達到最小,常用的約束條件是確保天線陣元對期望信號的增益為常數,權向量的遞推更新是依據最陡梯度下降法而得到。信號功率越強,PI算法形成的零陷深度越大,因此,會在強干擾方向上形成較深的零陷,而在弱GPS信號方向上無法形成有效零陷,從而達到抑制干擾,提高輸出SINR的目的。

1.2 PI算法的特性分析

自適應算法的性能可從跟蹤性能、收斂速度以及穩健性三個方面來衡量。基于參考信號和基于波達方向(DOA)估計的自適應調零算法的基本特性如表1所示。

表1 兩類自適應天線調零算法的基本特性

PI算法適合被GPS接收機采用進行自適應調零的重要原因就是可降低實現自適應調零時的工作條件,即所需要的先驗信息相對較少,但這同時也減弱了在信道環境發生變化時算法自適應跟蹤信道的能力;PI算法在本質上屬于基于DOA估計的自適應調零算法,但其陣元權值的更新過程又可看作是LMS算法的變形,因而與一般的基于DOA估計的自適應調零算法相比,盡管運算量減小,但收斂速度減慢,僅略快于LMS算法;PI算法實現復雜度簡單,只需強干擾、弱信號即可,但在JNR較小的情況下,PI算法的穩健性較差,即產生零陷的角域相對較寬。

2 PI自適應調零算法對抗方法

以典型的7陣元均勻圓陣作為GPS接收機自適應調零的天線布陣形式,陣元間距取半個波長,對不同干擾條件下的PI算法性能進行仿真分析,從而提出針對其的對抗方法。

2.1 強弱協同對抗

利用PI算法在信道變化環境中自適應跟蹤性能下降的特性,可以考慮強、弱干擾協同對抗。設干擾數量為5,干擾來向的俯仰角向量為[30°,30°,30°,30°,30°],方位角向量為[60°,120°,180°,240°,300°],GPS衛星信號已完全被接收機內部噪聲所淹沒,數據采樣點數量為6 000,JNR取40 dB,權值初始化向量設置為[1,0,0,0,0,0,0],步長因子取0.02,PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖1所示。

圖1 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖1可以看出,在5個功率相同的不同方位來向干擾下,7陣元均勻圓陣陣列輸出能夠在干擾方向上形成準確零陷。此時將第5個干擾來向設置為[60°,300°],功率設置為高出其它干擾10 dB,其它仿真條件同圖1,則PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖2所示。

圖2 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

將圖2仿真參數中的第5個干擾來向變為[80°,300°],其它仿真條件不變,則PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖3所示。

圖3 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

將圖2仿真參數中的第5個干擾的功率設置為高出其它干擾20 dB,其它仿真條件不變,則PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖4所示。

圖4 PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖2可以看出,在與其它弱干擾來向成一定夾角的強干擾“掩護”下,采用PI算法的7陣元均勻圓陣只會在強干擾方向上形成較深零陷,而對于其它弱干擾來向造成的衰減大大減小,這證明了對PI算法跟蹤性能的理論分析結論。由于PI算法在判別干擾時可利用的信息較少,若在某方向上出現有強干擾時,PI算法會將與強干擾來向有一定夾角的弱干擾視為“噪聲”進行處理。弱干擾是相對于強干擾而言的,根據圖2的仿真參數,即使在經過接收天線陣列衰減后仍要比接收機的內部噪聲高出20 dB以上,3、4個這樣的弱干擾即可對采用PI算法進行自適應調零的GPS接收機造成嚴重影響。另外,由圖3、圖4可以發現,增大強、弱干擾之間的來向夾角和功率比值,更有利于應用強干擾的“掩護”來協同弱干擾進行對抗(對于空時聯合濾波,將強、弱干擾發射信號樣式調制為寬帶信號即可)。

2.2 同步開關對抗

利用PI算法陣元權值收斂速度相對較慢的特性(對于空時聯合濾波,權值更新需要的時間會更長),可以考慮多干擾源的開關對抗。開關可分為交叉開關和同步開關:交叉開關會迫使自適應調零的零陷點交替的向不同空間角收斂,但這種零陷點的擺動,只會造成濾波器收斂速度減慢,即濾波器最終還是會處于收斂狀態[8],另外,交叉開關每次都只有一個干擾發射,作用于接收機的干擾強度不夠,若用大功率的常規連續干擾發射加以配合,則形成的強、弱干擾環境又很容易被PI算法進行自適應調零,因此,交叉開關并不是理想的對抗選擇;同步開關與交叉開關的不同之處在于,可以利用干擾的有無使濾波器一直處于一種“半”收斂狀態,但開關的同步通斷會造成干擾有效平均功率下降,因此,可用弱干擾(相對于強干擾而言)加以配合,這時自適應調零對強、弱干擾的衰減都較小,即用強干擾的同步開關來“破壞”濾波器的收斂狀態,而用弱干擾對強干擾的干擾間隙進行“填充”也是一種有效的PI算法自適應調零對抗方法。

設干擾數量為3,用干擾來向分別為[30°,60°]和[70°,180°]的強干擾(JNR=40 dB)進行同步開關干擾(通過0、1來控制接收干擾采樣數據的有無,根據在常規連續干擾下PI算法自適應調零大約在300數據點以后趨于收斂,因此將6 000采樣數據點分成20個重復周期,每個周期的占空比設為0.7),用于輔助的弱干擾來向為[50°,120°],其功率比強干擾低10 dB,PI算法下7陣元均勻圓陣陣元(2～7陣元)權值迭代曲線和陣列輸出俯視方向圖如圖5、圖6所示。

圖5 PI算法在同步開關干擾情形下的7陣元均勻圓陣陣元權值迭代變化曲線

圖6 PI算法在同步開關干擾情形下的7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖5、圖6可以看出,與常規連續干擾相比,在加入強同步開關干擾后,權值迭代的波動性明顯增加,已不能分辨出權值隨采樣數據點數的收斂過程,自適應調零在各個干擾方向都無法形成有效的零陷,對干擾的衰減大大減小(不超過-10 dB)。另外,在保證同步開關干擾重復周期小于等于陣元權值完全收斂時的采樣數據點情況下,通過對不同開關占空比下的陣列輸出方向圖進行仿真比較,發現開關占空比大小對干擾效果的影響是不敏感的,考慮到干擾通斷因素,可將開關占空比設置在0.5～0.8之間;通過對不同JNR下的陣列輸出方向圖進行仿真比較,發現此時PI算法對功率越大的干擾零陷程度越深的固有特征無法體現,因此,可盡可能采用大功率的強干擾來實施同步開關,以提高對GPS接收機的干擾有效平均功率。對于同步開關的實現可利用公用電話網中的時間信號或者利用軍用局部授時系統。

2.3 干擾來向逼近對抗

利用PI算法在JNR較小時產生零陷角域較寬的特性,若干擾與期望信號的來向夾角保持在一定范圍內,則空域或空時聯合濾波在對干擾形成零陷的同時,也會造成該方向附近的GPS信號衰減嚴重,甚至不能滿足接收機正常的捕獲跟蹤工作要求。設干擾來向為[30°,120°],JNR取25 dB,DMI算法和PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出方向圖如圖7所示。

圖7 DMI算法和PI算法在單干擾下7陣元均勻圓陣陣列輸出方向圖

由圖7可以明顯看出,PI算法在低JNR下的零陷角域范圍確實較寬,這就為利用升空干擾平臺(干擾發射功率有限)來進行針對GPS接收機自適應調零的方向逼近對抗提供了可能性。將干擾來向分別變為[50°,120°]和[70°,120°],PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖如圖8所示。

圖8 不同單干擾來向時PI算法下7陣元均勻圓陣陣列輸出俯視方向圖

由圖8可以看出,若衛星與干擾信號的入射俯仰夾角在20°范圍內,PI算法產生的零陷對衛星信號的衰減也很大,造成接收機無法對衛星信號可靠利用。通過進一步大量仿真發現,對于任意方位角干擾來向,PI算法下(JNR=25 dB)俯仰夾角為20°的零陷角域范圍幾乎不變。由于接收機在某一空域下的可見衛星平均數為8,因此,可在地面雷情網對干擾目標航跡的引導下,調整8個偵測站的天線分別接收干擾目標位置空域仰角范圍在30°～150°的選定衛星信號,經自動跟蹤系統處理后傳送至升空干擾平臺,通過對干擾目標的逼近,盡可能使得干擾與衛星信號的最小入射夾角保持在小于20°的范圍內,考慮到干擾目標與升空干擾平臺之間存有相對運動,即干擾來向是在不斷發生變化,這種類似于緩變的交叉干擾會延長PI算法的收斂時間,因此,采用升空平臺逼近干擾來大幅降低自適應調零獲取的抗干擾增益,擾亂衛星信號的正常接收還是比較可行的,當接收機能夠利用的衛星信號數量小于4時,就無法繼續完成導航定位功能。

3 結束語

提出采用強干擾“掩護”下的弱干擾進入、強干擾同步開關下的弱干擾間隙“填充”以及干擾俯仰方向逼近等方法對PI算法下的GPS接收機自適應調零進行對抗。在來向有一定夾角的強、弱連續干擾協同下,PI算法對弱干擾的衰減程度減小明顯,少量這樣的弱干擾即可對GPS接收機造成嚴重影響,而且增大強、弱干擾之間的來向夾角和功率比值,更有利于強干擾“掩護”協同弱干擾的自適應調零對抗;在保證同步開關干擾重復周期小于等于陣元權值完全收斂時的采樣數據點時,PI算法對功率越大的干擾零陷程度越深的固有特征無法體現,且開關占空比對干擾效果的影響不敏感,因此,可盡可能采用大功率的強干擾來實施同步開關,開關占空比可設置在0.5～0.8之間,以提高對接收機的干擾有效平均功率;PI算法在低JNR下的調零角域較寬,若衛星與干擾信號的入射俯仰夾角在20°范圍內,則很有可能造成接收機能夠利用的衛星信號數量小于4,從而無法完成定位導航。

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Research on Countermeasure Scheme to Anti-jamming of Adaptive Nulling of GPS Receiver

MAO Hu,WU Dewei,LU Hu

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

Adaptive nulling technology is one of main anti-jamming measures adopted by GPS receiver. In order to force adaptive nulling invalidation, on the basis of analysis of PI algorithm applicability for adaptive nulling of GPS receiver, in view of the characteristics of PI algorithm including less prior information required, slower convergence rate and wider nulling angular region at low JNR, countermeasure scheme proposed is that weak jamming entrance covered by strong jamming, weak jamming clearance filled under strong jamming synchronous on-off and jamming pitch direction approximation. Simulation results validate feasibility and effectiveness of the proposed countermeasure scheme.

adaptive nulling; PI algorithm; cooperative jamming; on-off jamming; direction approximation jamming

2015-01-31

國家自然科學基金(61174194)資助

毛虎(1987-),男,陜西咸陽人,博士研究生,研究方向:導航戰與導航對抗。

TN967.1;TN972

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