北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

何永前 林新榮

(湛江航保修理廠 湛江 524002)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

何永前 林新榮

(湛江航保修理廠 湛江 524002)

論文介紹了國外北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀,概述波束形成抗干擾方法與自適應(yīng)零陷抗干擾方法的原理與實(shí)現(xiàn)方法,通過仿真對這兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析。最后給出了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。

北斗; 抗干擾; 仿真; 自適應(yīng)零陷; 波束形成

Class Number V448

1 國外抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成和使用,國內(nèi)對衛(wèi)星制導(dǎo)精確打擊武器的研究不斷深化,但由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號自身易于被干擾,因此在復(fù)雜電磁環(huán)境下,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)極其重要。

在衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾方面,美軍分別對濾波、波束形成技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,并進(jìn)行了應(yīng)用。

1.1 濾波技術(shù)

濾波抗干擾技術(shù)主要包括基于單天線的濾波技術(shù)和基于陣列天線的濾波技術(shù)兩種。基于單天線的濾波包括時(shí)域?yàn)V波與頻域?yàn)V波兩種,基于陣列天線的濾波包括純空域?yàn)V波與空時(shí)二維濾波技術(shù)。

1) 時(shí)域?yàn)V波

時(shí)域?yàn)V波運(yùn)用數(shù)字信號處理方法實(shí)現(xiàn)可編程IIR/FIR濾波器。五月花通信公司(Mayflower)開發(fā)的單天線GPS抗干擾產(chǎn)品即采用了時(shí)域自適應(yīng)ATF(Mayflower Adaptive Temporal Filter)濾波器,它對大于30dB的窄帶干擾源能有效抑制。時(shí)域處理技術(shù)通常能處理多個(gè)窄帶干擾,但對寬帶干擾效果不佳。

2) 頻域?yàn)V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(jìn)行處理。與時(shí)域技術(shù)相比,頻域處理方法具有濾波過程簡單、動態(tài)范圍大、能夠提供更大的零陷深度等特點(diǎn)。通常,頻域?yàn)V波對窄帶干擾抑制可達(dá)35dB以上,但對寬帶噪音干擾及多個(gè)掃頻瞄準(zhǔn)式噪聲干擾無效。

3) 空域?yàn)V波

空域?yàn)V波實(shí)質(zhì)是自適應(yīng)零陷抗干擾,它采用包括多個(gè)陣元的天線陣,陣中各天線與微波網(wǎng)絡(luò)相連,而微波網(wǎng)絡(luò)又與處理器相連,處理器對從天線經(jīng)微波網(wǎng)絡(luò)送來的信號進(jìn)行處理后反過來調(diào)節(jié)微波網(wǎng)絡(luò),使對各陣元的增益和相位發(fā)生改變,從而在天線陣的方向圖中產(chǎn)生對著干擾源方向的零點(diǎn),以降低干擾機(jī)的效能。缺點(diǎn)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(shù)量等于天線陣元數(shù)減1。例如,天線陣元數(shù)為7,則最多可抵消來自不同方向的6個(gè)干擾。在理想情況下,空域?yàn)V波技術(shù)能使接收機(jī)的抗干擾能力提高40dB～50dB。

但這種美軍早期的GPS抗干擾系統(tǒng)是通過模擬電路來控制GPS天線的接收方向圖的,它使用輻射方向圖可控的天線和電路實(shí)現(xiàn),它在干擾方向形成零陷,從而消除干擾。模擬系統(tǒng)通常由模擬移相器實(shí)現(xiàn),自適應(yīng)改變每個(gè)天線陣元的輸出僅值。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(quán)值必須使用迭代算法計(jì)算,因此在高動態(tài)場景中性能有損失。

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

4) 空時(shí)二維濾波

空時(shí)自適應(yīng)濾波是在空域?yàn)V波的基礎(chǔ)上,在每個(gè)陣元上增加相同數(shù)目的延遲抽頭,從而形成空時(shí)二維處理結(jié)構(gòu)。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(zhì)的提高。五月花通信公司在CRPA GAS-1和ATF的基礎(chǔ)上研制了GAF(GPS anti-jam filter),這是一種7個(gè)陣元的空時(shí)處理器,裝備于F-14、 F-15、 F-18、F-22戰(zhàn)斗機(jī),根據(jù)測試報(bào)告,可用于干信比(J/S )為100dB～120dB干擾環(huán)境,最大可抗干擾數(shù)為20,抑制4個(gè)干擾的自適應(yīng)處理收斂時(shí)間小于3ms。

1.2 波束形成技術(shù)

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

與上述濾波技術(shù)相比,波束形成技術(shù)的性能更好,它能夠減少濾波技術(shù)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(dǎo)航中更具有吸引力。

圖1 陣列天線濾波

圖2 陣列天線波束形成

圖1為采用全向陣列天線進(jìn)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(shù)所獲得的增益方向示意圖,可見零陷濾波技術(shù)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(shù)則在保持零陷的同時(shí)加強(qiáng)了指向衛(wèi)星方向的增益,具有更好的抗干擾性。

2 波束形成抗干擾方法

圖3為抗干擾自適應(yīng)波束形成方法的實(shí)現(xiàn)方式。衛(wèi)星信號和干擾通過全向天線陣列進(jìn)入大動態(tài)范圍的射頻轉(zhuǎn)換器(RF)前端。為獲得深的零陷,需要設(shè)計(jì)大動態(tài)的射頻轉(zhuǎn)換器(RF)部分。由于產(chǎn)生線性的大動態(tài)范圍不現(xiàn)實(shí),因此采用自動增益控制技術(shù),即在射頻與中頻之間設(shè)置多個(gè)程控衰減器。借助多個(gè)衰減級,可以防止敏感器件不會出現(xiàn)飽和。這種多級衰減結(jié)構(gòu)的靈活性在于,它可以精確控制進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號電平,從而優(yōu)化信噪比。

射頻轉(zhuǎn)換器(RF)將輸入信號變至中頻(IF)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,然后數(shù)字中頻信號進(jìn)入波束形成算法模塊。

同時(shí),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(tài)信息,結(jié)合衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù),最后通過波束控制模塊,產(chǎn)生波束自適應(yīng)控制權(quán)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(jìn)入GPS接收機(jī)前的信號干擾。它根據(jù)波束自適應(yīng)控制權(quán)值,對數(shù)字化的中頻信號進(jìn)行自適應(yīng)濾波。波束形成算法對天線陣元過來的數(shù)據(jù)流進(jìn)行加權(quán)組合,保證既能夠?qū)λ杞邮盏男l(wèi)星方向上增強(qiáng)增益,同時(shí)又能夠在干擾方向上產(chǎn)生深的寬帶零陷。

圖3 自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)框圖

這樣,波束形成算法模塊對輸入的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾處理后,得到所有通道的數(shù)字波束之和,進(jìn)入GPS接收機(jī)捕獲跟蹤模塊。波束形成算法模塊能夠分別控制不同衛(wèi)星方向的波束,從而使得這些輸出波束可以獨(dú)立優(yōu)化為一個(gè)特定捕獲的衛(wèi)星,或者提供多星約束條件下的最大信噪比。

最終,在衛(wèi)星受到干擾的情況下,自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)能夠在數(shù)據(jù)送到GPS接收機(jī)之前,降低或消除干擾。隨后接收機(jī)接收2-bit數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理,進(jìn)行GPS定位解算。

3 自適應(yīng)零陷抗干擾方法

當(dāng)由于外部條件所限,沒有慣導(dǎo)或微機(jī)械慣性測量單元等外部設(shè)備的輔助,那么確定天線的姿態(tài)則比較困難。在無法獲得所需衛(wèi)星方向時(shí),自適應(yīng)零陷抗干擾是比較合適的選擇。

自適應(yīng)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(shù)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(chǎn)生對應(yīng)的零陷,干擾信號越強(qiáng),零陷越深。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號到達(dá)地面接收機(jī)時(shí)信號電平相當(dāng)微弱,比接收機(jī)噪聲還低20～30dB,算法對其幾乎無影響；同時(shí)算法將在強(qiáng)干擾方向上產(chǎn)生零陷,可以有效抑制干擾信號,提高了接收機(jī)輸出的信干噪比。

與圖3的抗干擾自適應(yīng)波束形成方法相比,圖4失去了慣性測量數(shù)據(jù)的支持,只能利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號甚至比熱噪聲還低的功率這一特點(diǎn)進(jìn)行盲自適應(yīng)控制,但同樣能達(dá)到抗干擾的目的。

圖4 自適應(yīng)零陷抗干擾系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來講,北斗導(dǎo)航抗干擾系統(tǒng)包含兩個(gè)子模塊,一個(gè)是自適應(yīng)抗干擾模塊,另一個(gè)是接收機(jī)模塊,分別如圖5和圖6所示。

圖5 自適應(yīng)抗干擾模塊框圖

在自適應(yīng)抗干擾模塊中,7路天線數(shù)據(jù)經(jīng)12bit的A/D采集后,一方面通過FPGA的SRAM存儲器轉(zhuǎn)存送入DSP中進(jìn)行權(quán)值的計(jì)算,同時(shí)另一方面利用上一次計(jì)算的權(quán)值在FPGA中對當(dāng)前采樣的數(shù)據(jù)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(tài)信息,同時(shí)從FLASH存儲器中獲取星歷數(shù)據(jù),從而計(jì)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(tài)信息和星歷數(shù)據(jù),直接利用當(dāng)前采樣的數(shù)據(jù)計(jì)算權(quán)值。

I、Q兩路基帶信號既可以通過上變頻還原為中頻數(shù)據(jù),送給目前廣泛使用的中頻接收機(jī)進(jìn)行捕獲跟蹤和定位解算,也可以直接送入自己設(shè)計(jì)的接收機(jī)模塊中進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)的解算。

圖6 接收機(jī)模塊框圖

在圖10中的基帶接收機(jī)模塊中,FPGA對接收的I、Q兩路信號中進(jìn)行捕獲跟蹤,同時(shí)還可以結(jié)合機(jī)載CPU送來的慣組信息進(jìn)行組合導(dǎo)航,提高系統(tǒng)的性能。

RS-232接口是接收機(jī)模塊與計(jì)算機(jī)的交互接口,通過該接口,用戶可以從上位機(jī)觀測到接收機(jī)模塊的定位輸出結(jié)果。

如果將自適應(yīng)抗干擾模塊和接收機(jī)模塊分成兩個(gè)獨(dú)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(xiàn)有應(yīng)用的抗干擾模塊和接收機(jī)模塊進(jìn)行系統(tǒng)集成；如果將兩個(gè)模塊合成一個(gè)整體來設(shè)計(jì),則相當(dāng)于設(shè)計(jì)一個(gè)新的緊湊的系統(tǒng),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(shí)現(xiàn)所要求的功能,然后再將之一體化。

5 結(jié)語

由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的全球性,接收信號環(huán)境的復(fù)雜性,干擾信號的多樣性,抗干擾技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的問題,也是我們在導(dǎo)航戰(zhàn)中必須解決的問題。本文介紹了當(dāng)前國外在衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)中比較先進(jìn)并實(shí)用兩種技術(shù),通過仿真分析其優(yōu)缺點(diǎn),并給出了一種實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。該方法已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用,并取得良好的抗干擾效果。

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Research and Implementation of Beidou Satellite Navigation System Anti-jamming Technology

HE Yongqian LIN Xinrong

(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 are compared. Finally, anti-jamming technology approach of the Beidou satellite navigation system are given.

Beidou, interference, simulation, adaptive nulling, beamforming

2016年7月10日,

2016年8月19日

何永前,男,碩士研究生,高級工程師,研究方向:導(dǎo)航裝備開發(fā)與研究。林新榮,女,碩士研究生,工程師,研究方向:導(dǎo)航裝備開發(fā)與研究。

V448

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.011