基于雙極化天線的衛星導航接收機抗干擾技術

樂恒志，李樹洲，李井源，張　可，朱祥維

(1.國防科技大學電子科學學院 導航與時空技術工程研究中心，湖南 長沙 410073； 2.北京市衛星導航定位中心，北京 100094)

0　引言

衛星導航系統是人類導航史上的重要突破，能為全球各類軍民載體全天候、全天時提供高精度和高速度的導航、定位和授時信息[1-2]。特別是在軍事領域，衛星導航接收機廣泛用于各種精確打擊武器以及陸海空武器裝備和人員的導航、制導，還包括高速武器的軌道精確跟蹤測量[3]，已發展成為不可或缺的裝備。

受衛星發射功率的限制，由于衛星到地球表面的距離十分遙遠，以GPS(Global Position System)衛星為例，其星地距離在22 000 km以上，信號到達地球表面時十分微弱，且淹沒在熱噪聲以下[4-5]。微弱的信號導致了接收機在受到電磁干擾影響時極容易接收不到衛星導航信號[6-7]，從而無法實現導航定位等功能。其中，寬帶壓制式干擾是指用干擾機發射有意干擾信號，使接收機能力降低或完全失去正常工作能力，危害最大[8]。

傳統的單天線接收機可在時頻域進行干擾抑制，但僅對窄帶壓制干擾信號生效。為了對寬帶壓制干擾進行抑制，接收機抗干擾通常采用自適應天線陣技術[9]，通過天線陣的波束形成在信號方向形成主波束，在干擾方向上形成零陷，從而實現了干擾抑制[10-11]。為此，國內外學者提出了諸多的抗干擾準則，包括功率倒置(PI)準則[12]和最小均方誤差(MMSE)準則[13]等。由于極化天線的極化敏感性能，基于傳統最優陣列加權準則的極化敏感陣列抗干擾性能也吸引了大量學者進行學術研究。ALAN[14]早在1968年就提出了最小冗余陣的概念，其陣列自由度可達到N(N-1)/2；Duan[15-16]則進一步分析了最小冗余陣列優于傳統天線陣的寬帶干擾抑制性能；Fante[17]仿真了雙極化天線陣的在多干擾下的抑制性能，得出由N個陣元組成的陣列最多能抑制2N-1個干擾；文獻[18-19]分析了由1個圓極化和3個雙極化天線組成極化敏感陣列的干擾抑制性能。然而，天線陣在增加了接收機體積的同時，還導致了成本極大的提高，實現天線陣的小型化非常困難。

為了實現單天線抗寬帶壓制干擾功能，文獻[20-21]提出了運動雙極化天線陣的概念，通過單個雙圓極化天線運動合成孔徑天線陣，實現干擾抑制，但是要求對運動軌跡是精確可知的。戰永紅等人[22]提出了一種基于單個雙線極化天線的抗干擾算法，采用正交極化的2個天線分別接收信號，雙極化通道通過對消的方式進行干擾抑制，使輸出的誤差功率最小，但文中在進行權值求解時忽略了信號功率的影響，導致雙極化天線在某些俯仰角下的抗干擾性能退化。本文是在文獻[22]的基礎上，對信號和干擾進行更加完備的建模，從而推導出更為準確的權值，分析了不同極化狀態下的單孔徑雙極化天線的抗干擾能力，并且通過仿真說明了信號功率分量對抗干擾能力的影響。

1　圓極化波極化模型與雙極化天線

貼片天線因其具有小型化、易集成和易實現圓極化等優點而廣泛應用于導航接收機中。圓極化導航信號可以分解為2個正交極化信號，而采用正交饋電的貼片天線同樣具有雙極化特性，利用這些正交極化特性可以實現對干擾的抑制。

1.1　圓極化波極化模型

天線的極化方式是指其能輻射電磁波的極化情況。對于任意的完全極化波，如圖1所示，電場Ei與波的傳播方向Ki垂直，電場可分解成水平極化Eθ和垂直極化Eφ兩個正交極化分量。俯仰角θ表示電磁波傳播方向與Z軸正半軸的夾角，方位角φ表示電磁波傳播方向在XOY平面的投影與X軸正半軸的夾角。

圖1　圓極化波極化分解示意

對于任意的圓極化入射信號可表示為：

E(t)=Eθeθ+Eφeφ=

s(t)(sinγejηeθ+cosγeφ)，

(1)

式中，s(t)為調制后的包絡信號；(γ，η)表征了信號的極化狀態，γ為入射電場Ei與垂直極化分量Eφ的矢量夾角，η為垂直極化分量Eφ相對于水平極化分量Eθ的超前相位。對于理想的右旋圓極化信號，有γ=45°，η=-90°。代入式(1)可得2個正交極化分量幅度相等，僅相位相差90o。

1.2　單孔徑雙極化天線

利用雙極化貼片天線進行抗干擾的原理圖如圖2所示，雙極化貼片天線的2個線極化端口分別接收信號。2路信號經射頻前端放大、濾波以及下變頻后成為基帶信號，再經過ADC將模擬信號轉換為數字信號。2路數字信號經過自適應極化對消完成干擾抑制，極化對消后的輸出信號則送至GNSS接收機。

圖2　雙極化貼片天線抗干擾原理

根據原理圖，雙極化貼片天線接收的信號可表示為：

(2)

式中，右側第1項表示衛星信號分量；第2項表示干擾信號分量；第3項則是均值為零、方差為σ2的高斯白噪聲。考慮一個衛星信號的情況，有

(3)

式中，Ji(t)為第i個干擾的包絡信號；HAθi、HAφi表示A接收通道對第i個干擾的水平極化分量和垂直極化分量的響應。

故極化對消后的信號可表示為：

e=XA-ωXB=

(XAs-ωXBs)+(XAJ-ωXBJ)+(nA-ωnB)=

es+eJ+ne。

(4)

式中，es、eJ、ne分別表示對消后的殘余信號分量、干擾分量和噪聲。

2　自適應極化對消抗干擾原理

自適應極化相干對消一方面要抑制干擾信號，另一方面不能影響對正常信號的接收。由于導航信號淹沒在噪聲中，而干擾信號通常強于噪聲，故選擇最小功率輸出準則作為極化對消準則。

e=E[ee*]=E[(es+eJ+ne)(es+eJ+ne)*]。

(5)

假定信號、干擾以及噪聲互不相關，則

(6)

式中，σe表示相消后的噪聲功率；

(7)

對ε求偏導并置零，可得對權值的最佳估計表達式為：

(8)

式中，ps、pJi、σB分別為信號、干擾和通道B的噪聲功率，假定天線為電小天線，且有ka≤0.25，在此條件下，根據傳輸線理論，貼片天線可表示為2條具有復導納的縫隙。接收通道的極化響應可表示為[23]：

(9)

則有

Ci=-sinφicosφisin2γi+
cosθisin2φicosγisinγie-jηi-
cosθicos2φicosγisinγiejηi+
cos2θicosφisinφicos2γi，
Di=cos2φisin2γi-
cosθisinφicosφicosγisinγie-jηi-
cosθisinφicosφicosγisinγiejηi+
cos2θisin2φicos2γi。

(10)

利用極化對消進行抗干擾的本質是利用2路信號的不同極化特性，在最小輸出功率的準則下一路信號對另一路信號進行估計，最終通過做差達到消除干擾的目的。

對消后的信號殘留分量和干擾信號殘留分量為：

es=XAs-wXBs，
eJ=XAJ-wXBJ。

(11)

考慮一個干擾入射的情況，則

(12)

3　仿真與實驗結果

由上述分析可知，由于C0、C1的比值不同，會導致近似計算中信號功率項和干擾功率項的取舍不同，因此首先研究C0、C1比值的變化情況。考慮干擾信號為線極化信號的情況下，則有ηi=0，i=1，2…，N，此時2個通道接收的信號以及噪聲功率差異性比較大，假定在信號與干擾的來波方向相同的條件下，比較2個系數的幅值，如圖3所示。

圖3　信號與干擾同方向時的C1/C0幅度值

場景1：信號與干擾同向，信噪比-10 dB，干噪比45 dBc，方位20°，俯仰60°，在此角度下，權值主要受干擾和噪聲的影響，信號對天線方向圖的影響基本可忽略。干擾極化方向對極化對消干擾抑制的影響如圖4、圖5和圖5所示。

圖4　干擾極化方向對極化對消干擾抑制的影響(γ=0°)

圖5　干擾極化方向對極化對消干擾抑制的影響(γ=45°)

圖6　干擾極化方向對極化對消干擾抑制的影響(γ=90°)

由圖4、圖5和圖6可知，改變干擾極化方向時，在方位20°、俯仰60°條件下，干擾得到很好的抑制。

圖7　信號功率對極化對消干擾抑制的影響

由圖7可知，在信號為右旋圓極化情況下，改變信噪比的大小，干擾信號一樣得到了很好的抑制。

由以上仿真結果可知，采用自適應極化對消的方法，在方位20°、俯仰60°時使得干擾功率小于-20 dB，而信號功率不受影響，且干擾在改變極化方向時，仍能被很好地抑制。同樣，在方位50°、俯仰40°時也可達到相似效果，不同點在于，俯仰角的改變和信號功率大小的改變會導致極化對消中權值變化，進而對天線方向圖產生影響，但抗干擾性能依然良好。

4　結束語

本文對高精度衛星導航接收機的天線端抗干擾設計做了詳細的分析和論述，通過采用雙極化貼片天線，對2路接收的信號進行自適應極化對消，在衛星導航接收機天線工作的俯仰角條件下，可以實現對干擾的有效抑制，為衛星導航接收機后端的處理打下基礎。將陣列天線抗干擾的效果用極化天線進行實現，因此大大縮小了天線的體積，為衛星導航接收機的小型化開辟了新的思路。