基于空域濾波的GPS抗干擾算法仿真及性能評估

張道成

(中國人民解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066000)

隨著國民經濟的發展,導航技術已經被廣泛地應用在國民經濟的各個領域和人們的日常生活中,特別是接收機的精確定位和導航性能,使其應用得到迅猛發展。現代戰爭中,指揮通信、軍事情報、兵器控制,武器發射等日益依賴于導航技術。

針對接收機發揮的作用越來越重要的現實影響,接收機的干擾技術也不斷地提高,尤其是現代戰爭中,作用將會尤為突出,如果不能達到有效的抗干擾效果,武器的精確制導,地面的單兵設備,頻率較高的電臺、航空衛星通信和機動衛星系統終端都可能被削弱導航衛星信號,使定位誤差增大甚至完全無法實現導航功能,也就無法達到干擾敵軍制導武器和不能被敵軍干擾己方的制導武器的目的,為了提高衛星導航接收機性能的可靠性,對抗各種形式的干擾,人們采用了各種抗干擾技術,如時域濾波抗干擾、頻域濾波抗干擾技術、空域濾波抗干擾技術等。

1 空域濾波抗干擾研究發展現狀

本文主要以GPS導航接收機為例,研究其空域濾波抗干擾技術。空域濾波利用陣列天線調整方向圖,在有用信號方向增益不變,在干擾方向形成凹陷。空域濾波一個重要作用是用于形成方向性波束,在接收特定區域特定方向信號的同時,干擾抑制其他方向收到的信號。當空域濾波技術和自適應技術結合后,空域濾波可以自動地調節濾波性能,達到自適應干擾置零的效果。根據陣列結構來劃分,目前,其研究主要分為單空域自適應調零天線陣、空域時域結合自適應、空域頻域聯合自適應等幾種方法[1]。

近年來,空域濾波技術得到越來越多的實際應用,在自適應抗干擾抑制技術上,有人主要從基于OFDM循環前綴特性、基于期望信號來估計、基于干擾信號導向矢量估計的干擾抑制方法進行了分析[2], 提出了基于空間投影的抗干擾方法。在相控陣雷達的重要技術空域濾波上,有人做了相關研究,解決了相控陣雷達天線的方向圖[3]的問題。有人提出了基于空域濾波的譜估計方法,提高了DOA估計的精度和抗干擾性能[4]。

2 空域濾波的基本概念和抗干擾算法

2.1 基本概念

使用空域模板進行的圖像處理,被稱為空域濾波,而模板本身被稱為空域濾波器,空域濾波的原理就是利用波束來通過有用的信號和需要方向的信號,抑制來自于其他方向的信號和無用的信號對其形成的干擾。從數學形態上可以把空域濾波分為線性濾波和非線性濾波,從處理效果上可以把空域濾波分為平滑濾波和銳化空間濾波。空域濾波處理時需要考慮圖像輪廓邊緣情況和去除離散點。

2.2 抗干擾算法

寬帶干擾信號所占頻帶與有用信號頻帶可以比擬,在GPS接收機抗干擾中,空域濾波算法就是將不同空域特征的陣列天線自動地進行調整并加權,使其在受到干擾的方向變成最弱波束,而在需要的方向形成最強的波束,使其達到最佳的抑制干擾不需要信號,在有用信號處達到最強的主波束[5],采用零陷技術即可達到對干擾的有效抑制。

目前,較為常用的抗干擾算法包括最小方差無失真響應算法、功率倒置算法、基于前相空間幅相估計的波束形成算法。基于空域濾波技術的抗干擾正是圍繞著這幾方面展開的。按照是否知道衛星導航信號的來向進行區分[6-7]。對于導航接收機,由于干擾信號方向是未知的和變化的,故第一、三種方法不適用。主要討論第二種方法,即功率倒置方法。

針對導航信號中的強干擾弱信號特點,采用功率倒置結構。功率倒置指自適應天線翻轉兩個接收信號功率比的能力,在保證一個陣元通道的信號加權值為一的前提下,自適應地選擇其他陣元加權值,使得天線陣元輸入信號的加權和的功率最小。因而,它的波束圖將在干擾方向引入零點,而且,干擾愈強,相應的最佳輸出愈小。在擴頻通信應用中,信號電平非常低,功率倒置將有效地抑制干擾。在干擾被抑制之后,解擴過程再將信號增強,就能獲得很好的信干比,使通信質量大大提高。功率倒置結構如圖1所示。

圖1 M個陣元的功率倒置陣列

設天線陣元個數為M,功率倒置陣列選擇加權向量為

wa(n)=[w2(n),w3(n),…,wM(n)]T

(1)

為使陣列輸出信號的功率最小,而又防止得到無意義解w1=w2=…wM=0,引入約束條件w1=C,C為任意不為0的常數。為方便起見,通常取C=1,如圖1。可以理解為,陣元1上的信號最為參考信號,功率倒置陣列選擇加權向量wa(n)=[w2(n),w3(n),…,wM(n)]使陣元2～L的輸出加權和與參考信號之間的誤差信號最小。記xa=[x2,x3,…xL]T,陣列的輸出信號為

(2)

為保證輸出信噪比最大,求得最優權為:

(3)

其中,

(4)

(5)

若自適應調零算法采用LMS算法,求得權值為

wa(n+1)=wa(n)+μxa(n)y*(n)

(6)

比較這兩種算法,調零方法的最優權求解過程需要對輸入信號協方差矩陣的求逆,調零方法的LMS算法求權過程不需要對協方差矩陣的求逆。

經過對陣列天線的自適應加權處理后,陣列的輸出信干噪比為

(7)

3 抗干擾算法仿真及性能評估

鑒于導航信號的特點,選定功率倒置算法。衛星信號功率-170 dBm,方位俯仰角(80°,80°);干擾為GPS偽碼調制寬帶干擾,功率-50 dBm,方位俯仰角(40°,40°),選擇7陣元陣列進行仿真。如圖2,對衛星信號的壓制:-12.106 dB,對干擾的壓制:-14.01 dB,圖中出現凹陷的方位角和俯仰角大約都是30°,為干擾出現的方向。圖3為抗干擾前后頻譜圖。該仿真驗證了空域濾波方法的有效性。

圖2 陣列天線抗干擾結果3D圖

圖3 陣列天線抗干擾頻譜圖

與無法解決GPS信號中干擾這一現狀的時域濾波和頻域濾波相比較,空域濾波可以有效地濾除寬帶干擾,空域濾波技術與單純的時域、頻域技術相比優勢明顯。主要表現就是當存在壓制式寬帶干擾時,空域濾波能更好地壓制寬帶信號的干擾,對于寬帶干擾有較好的抑制作用,捕獲概率要高得多。但是也存在一定的不足,就是干擾源離某個衛星角度間隔很近,既要考慮消除不同誤差源的影響,又要考慮盡可能接收最多的信號,導致部分信號受到影響。

4 結束語

隨著抗干擾技術的迅速發展,對空域濾波抗干擾提出了新的要求,而隨著未來戰場電磁環境的愈來愈復雜,空域濾波技術將會有著越來越廣泛的應用,空域濾波技術本身具備一定自身優勢,比如空域濾波可以有效抑制寬帶干擾等,空時聯合濾波技術在空域濾波基礎上做改進,可以增加抗干擾個數,對空域濾波進行研究后,對于實際應用有一定的意義,但是也存在部分不足之處,可以從提高自適應陣列的抗干擾能力進行展開研究。