桑懷勝

北京衛(wèi)星導航中心，北京，100094

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采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)空時抗干擾GNSS接收機抗干擾性能分析

桑懷勝

北京衛(wèi)星導航中心，北京，100094

GNSS接收機的軍事應用必須適應強干擾環(huán)境?；谌肿顑?yōu)空時抗干擾接收機方案，提出了采用功率倒置陣列的空時GNSS接收機抗干擾算法。仿真結果表明，與傳統(tǒng)的空時抗干擾GNSS接收機相比，全局最優(yōu)空時抗干擾GNSS接收機具有更優(yōu)的抗干擾性能。

GNSS接收機；全局最優(yōu)；空時抗干擾；功率倒置陣列

1 引 言

GNSS是以人造衛(wèi)星作為導航臺的無線電導航系統(tǒng)。GNSS最初由于軍事應用目的而出現(xiàn)，“子午儀”衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要為美國海軍服務[1，2]，GPS是美國國防部為其星球大戰(zhàn)計劃而建立的，目前世界上兩個最主要的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GPS和GLONASS都是軍方的產(chǎn)物。GNSS在軍事領域的應用日益廣泛，推動了導航戰(zhàn)概念的出現(xiàn)。作為用戶終端的GNSS接收機在導航戰(zhàn)應用背景下必然面臨強干擾環(huán)境，GNSS接收機抗干擾是導航戰(zhàn)領域內的一個研究熱點。

空時聯(lián)合抗干擾技術是GNSS接收機抗干擾技術的重要研究點?？沼蚩垢蓴_是指采用陣列天線技術，根據(jù)信號的空間特征信息來區(qū)分信號，有效抑制與有用信號方向不同的各種類型的有意或無意干擾，它不僅能抑制窄帶干擾，還可以抑制寬帶干擾。時域或變換域抗干擾技術是傳統(tǒng)的抗干擾技術，它利用時域、頻域或其他變換域的特性差異來區(qū)分有用信號和干擾信號，通常它難以抑制寬帶干擾。同時采用空域和時域抗干擾技術，從空域、時域和變換域等多維空間區(qū)分有用信號和干擾，可以發(fā)揮兩種抗干擾技術的優(yōu)點，互相彌補不足：采用空域抗干擾技術可以抑制時域抗干擾技術不能處理的寬帶干擾；利用時域抗干擾技術去抑制窄帶干擾可以保留更多的天線陣自由度用于抑制寬帶干擾，時域抗干擾技術還可以抑制空域難以處理的與有用信號方向相同或接近的窄帶干擾。

文獻[4]基于GNSS接收機抗干擾性能全局最優(yōu)的觀點，提出了一種新型的全局最優(yōu)空時抗干擾GNSS接收機方案。本文給出了采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)空時抗干擾GNSS接收機算法，并對其抗干擾性能進行了仿真分析。

2 全局最優(yōu)空時GNSS抗干擾接收機[3]

文獻[4]提出：從全局最優(yōu)的角度出發(fā)，利用接收機抗干擾系統(tǒng)輸出端的信號反饋控制天線陣列加權?；谏鲜鏊悸罚岢隽艘环N全局最優(yōu)空時GNSS抗干擾接收機方案，如圖1所示。其中ADC(Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉換器)部分完成模擬信號到數(shù)字信號的轉化工作；波束形成完成天線陣信號的加權合并工作，這個模塊就是所謂的空域濾波器；時域抗干擾模塊采用時域或變換域抗干擾技術進行干擾抑制，它主要用于抑制窄帶干擾，這里把它統(tǒng)稱為時域濾波器；權值生成是空域模塊的算法控制器，它根據(jù)輸入、輸出的信號和某種算法產(chǎn)生天線陣加權向量送給波束形成器，權值生成模塊決定了空域能夠達到的抗干擾性能。

圖1 全局最優(yōu)空時抗干擾接收機方案示意圖

文獻[4]分析指出，存在多個寬帶和窄帶干擾信號的情況下，若干擾信號數(shù)目大于天線陣元個數(shù)，空域不能抑制所有的干擾，全局最優(yōu)抗干擾接收機天線陣的權值調整與時域抗干擾模塊相關，它可以協(xié)調空域和時域模塊的作用，利用空域優(yōu)先抑制寬帶干擾，使天線陣輸出端信號中殘留更多的是窄帶干擾，然后通過再后級的時域抗干擾模塊抑制窄帶干擾，使接收機的整體抗干擾性能更優(yōu)。當干擾信號個數(shù)大于天線陣元個數(shù)L時，若其中包含寬帶干擾且寬帶干擾信號的個數(shù)少于天線陣元個數(shù)時，全局最優(yōu)抗干擾接收機可以有效分離寬帶干擾和窄帶干擾，利用空域抑制寬帶干擾，利用時域抗干擾模塊抑制窄帶干擾，抗干擾性能達到綜合最優(yōu)。因此，全局最優(yōu)抗干擾接收機的優(yōu)越性更多體現(xiàn)在干擾信號個數(shù)多于L、且其中包含少于L個的寬帶干擾信號的情況。文獻[3]還給出了基于LMS[3～6]算法的全局最優(yōu)抗干擾接收機的空域自適應原理算法。

3 功率倒置陣列全局最優(yōu)空時抗干擾算法

功率倒置陣列[4,5]不需要預先知道有用信號特性和入射角等先驗信息，實現(xiàn)簡單，在雷達、擴頻通信等強干擾、弱信號的環(huán)境中得到了廣泛應用。Compton闡述了功率倒置的概念，并研究了功率倒置陣列的性能[5]。軍事背景下，GNSS接收機需要在弱信號、強干擾的信號接收環(huán)境下工作，適合采用功率倒置陣列提高其抗干擾能力。因此功率倒置陣列在GPS的抗干擾研究中受到了廣泛關注，目前已有一些采用功率倒置陣列的GPS接收機抗干擾的相關文獻[4,6,7,8]。

圖2 L陣元功率倒置陣列

功率倒置陣列的示意圖如圖2所示。設天線陣元個數(shù)為L，功率倒置陣列選擇加權向量w=[w1,w2,…,wL]T使陣列輸出信號的功率最小[4]。為了防止得到無意義解w1=w2=…=wL=0，引入約束條件w1=C，C為任意不為0的常數(shù)。為方便起見，通常取C=1。

把功率倒置的方法應用到全局最優(yōu)空時抗干擾接收機中，時域抗干擾采用時域自適應濾波器，其空域自適應算法原理框圖如圖3所示。

圖3 采用功率倒置陣列和ATF、空時方案的空域自適應算法框圖

采用NLMS(NormalizedLeastMeanSquare，歸一化最小均方)算法[9]，全局最優(yōu)空時GNSS抗干擾接收機的空域和時域自適應算法如下：

(1)

y(k)=x1(k)-ya(k)

(2)

令

y(i)=0,i≤0

(3)

u(k)=[y(k),y(k-1),…,y(k-M+1),y(k-M-1),…y(k-2M+1),y(k-2M)]T

(4)

y(k-2M+1),y(k-2M)]

(5)

當k≤M時

z(k)=0

(6)

wa(k+1)=wa(k)

(7)

h(k+1)=h(k)

(8)

當k>M時

z(k)=y(k-M)-hH(k)u(k)

(9)

(10)

wa(k+1)=wa(k-M)+μ1xa(k-M)Z*(k)/P1

(11)

P2=uH(k)u(k)

(12)

h(k+1)=h(k)+μ2u(k)Z*(k)/P2

(13)

其中，μ1、μ2分別為天線陣和ATF自適應NLMS算法的步長，滿足0<μ1<2，0<μ2<2。天線陣加權向量和時域濾波器系數(shù)向量的初始值可設置為

wa(1)=[0,0,…,0]T

(14)

為L-1維零值列向量。

h(1)=[0,0,…,0]T

(15)

為2M維零值列向量。

4 抗干擾性能仿真分析

下面通過仿真分析采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)GNSS接收機的抗干擾性能。全局最優(yōu)空時抗干擾接收機的基本出發(fā)點是解決多個寬帶和窄帶干擾并存的復雜干擾環(huán)境下的干擾抑制問題，下面以此為依據(jù)設置仿真場景。假設存在5個干擾，干擾信號1、2和3都是歸一化帶寬與信號帶寬相同的寬帶高斯干擾，入射角分別設為(52°,75°)、(25°,264°)和(85°,207°)；干擾信號4和5是歸一化帶寬分別為信號帶寬的0.06和0.1的窄帶高斯干擾，入射角分別設為(4°,110°)和(72°,316°)。這里選擇的是有用信號入射角和干擾信號入射角分離得比較開的情況。

天線陣選用1個陣元位于圓心、其余陣元均勻排列于圓周上、圓周半徑為信號載波半波長的4元圓天線陣；波束形成采用功率倒置算法；自適應時域濾波器選用具有對稱結構的31階線性插值濾波器；仿真軟件為Matlab。為便于性能對比，下面同時對全局最優(yōu)抗干擾接收機和4元圓天線陣與31階線性插值濾波器簡單級聯(lián)抗干擾接收機的性能進行仿真。

表1分別給出了全局最優(yōu)抗干擾接收機和傳統(tǒng)簡單級聯(lián)空時抗干擾接收機在空域模塊和時域模塊輸出端信號的信干噪比。這里自適應時域濾波器輸出端是整機抗干擾系統(tǒng)的輸出端。

表1 兩種接收機、不同輸出端信號的信干噪比(dB)

天線陣輸出信號的信干噪比時域濾波器輸出信號的信干噪比全局最優(yōu)抗干擾接收機簡單級聯(lián)抗干擾接收機全局最優(yōu)抗干擾接收機簡單級聯(lián)抗干擾接收機

從表中的數(shù)據(jù)可以看出：在天線陣輸出端，和簡單級聯(lián)抗干擾接收機相比，全局最優(yōu)抗干擾接收機的信干噪比低的多，說明天線陣輸出信號中全局最優(yōu)抗干擾接收機比簡單級聯(lián)抗干擾接收機殘留了更多能量的干擾信號；在自適應時域濾波器輸出端，全局最優(yōu)抗干擾接收機的信干噪比比簡單級聯(lián)抗干擾接收機大，而簡單級聯(lián)抗干擾接收機雖然天線陣輸出端的信干噪比比全局最優(yōu)抗干擾接收機大許多，但自適應時域濾波器輸出端信號的信干噪比相比于天線陣輸出端的信干噪比提高不多，使得簡單級聯(lián)抗干擾接收機的自適應時域濾波器輸出端的性能達不到系統(tǒng)正常工作的要求。上述現(xiàn)象表明：由于自適應時域濾波器只能抑制窄帶干擾，全局最優(yōu)抗干擾接收機的天線陣主要抑制的是寬帶干擾，天線陣輸出端殘留的干擾中大部分是窄帶干擾，殘留的寬帶干擾成分較少，因此，通過自適應時域濾波器抑制了窄帶干擾后，自適應時域濾波器輸出端的信號中干擾成分基本被抑制掉，輸出性能達到了系統(tǒng)要求；簡單級聯(lián)抗干擾接收機的天線陣同時抑制了寬帶和窄帶干擾，由于干擾個數(shù)多于天線陣元數(shù)目，天線陣不能很好地抑制所有的干擾，天線陣輸出端的信號中殘留了部分寬帶干擾和窄帶干擾，后級的自適應時域濾波器不能抑制殘留的寬帶干擾，使得自適應時域濾波器輸出端的信號中殘留了部分寬帶干擾，造成輸出性能不能滿足系統(tǒng)要求。

再觀察信號波形和信號頻譜。圖4畫出了全局最優(yōu)抗干擾接收機和簡單級聯(lián)抗干擾接收機的天線陣輸出端和自適應時域濾波器輸出端的輸出信號，圖5畫出了全局最優(yōu)抗干擾接收機和簡單級聯(lián)抗干擾接收機的天線陣輸出端和自適應時域濾波器輸出端信號的頻譜。由于有用信號的強度比噪聲和干擾信號弱很多，我們看到的信號圖形表征了殘余的干擾信號和噪聲的特性。

圖4 全局最優(yōu)抗干擾接收機和簡單級聯(lián)抗干擾接收機不同抗干擾模塊輸出端的信號

圖4中各小圖分別表示：(a) 全局最優(yōu)抗干擾接收機天線陣輸出端的信號；(b) 簡單級聯(lián)抗干擾接收機天線陣輸出端的信號；(c) 全局最優(yōu)抗干擾接收機的自適應時域濾波器輸出端的信號；(d) 簡單級聯(lián)抗干擾接收機的自適應時域濾波器輸出端的信號。

圖5 全局最優(yōu)抗干擾接收機和簡單級聯(lián)抗干擾接收機不同抗干擾模塊輸出端信號的頻譜

圖5中各小圖分別表示：(a) 全局最優(yōu)抗干擾接收機天線陣輸出端信號頻譜；(b) 簡單級聯(lián)抗干擾接收機天線陣輸出端信號頻譜；(c) 全局最優(yōu)抗干擾接收機的自適應時域濾波器輸出端信號頻譜；(d) 簡單級聯(lián)抗干擾接收機的自適應時域濾波器輸出端信號頻譜。

比較圖4(a)和(b)可以看到，算法收斂后全局最優(yōu)抗干擾接收機天線陣輸出端的信號比簡單級聯(lián)抗干擾接收機強，說明天線陣輸出端殘留的干擾信號能量比簡單級聯(lián)抗干擾接收機多。比較圖5(a)和(b)可以看到，全局最優(yōu)抗干擾接收機天線陣輸出端信號中窄帶信號譜很強，而寬帶干擾譜被壓得很低，說明它殘留的干擾成分主要是窄帶干擾；簡單級聯(lián)抗干擾接收機天線陣輸出端信號中窄帶信號譜比全局最優(yōu)抗干擾接收機弱，而寬帶干擾信號譜卻比全局最優(yōu)抗干擾接收機強，說明雖然簡單級聯(lián)抗干擾接收機天線陣輸出端信號中的干擾總能量較小，但其中的寬帶干擾成分卻比全局最優(yōu)抗干擾接收機強。比較圖4 (c)和(d)可以看到，算法收斂后全局最優(yōu)抗干擾接收機自適應時域濾波器輸出端的信號比簡單級聯(lián)抗干擾接收機弱很多，說明全局最優(yōu)抗干擾接收機自適應時域濾波器輸出端信號中殘留的干擾信號能量比簡單級聯(lián)抗干擾接收機少；比較圖5(c)和(d)可以看到，全局最優(yōu)抗干擾接收機的自適應時域濾波器輸出端信號中的寬帶信號譜和窄帶信號譜均比簡單級聯(lián)抗干擾接收機小，因此它的抗干擾效果優(yōu)于簡單級聯(lián)抗干擾接收機。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：全局最優(yōu)抗干擾接收機的天線陣主要抑制寬帶干擾，它的天線陣輸出端信號中殘留的干擾信號成分大部分是窄帶干擾，經(jīng)過后級的自適應時域濾波器抑制窄帶干擾后達到了較好的抗干擾效果；簡單級聯(lián)抗干擾接收機的天線陣輸出端信號中殘留的干擾信號總能量雖然比全局最優(yōu)抗干擾接收機小，但其中保留的寬帶干擾成分較多，后級的自適應時域濾波器不能抑制寬帶干擾，使得它的抗干擾效果較差。

5 小 結

本文基于全局最優(yōu)空時抗干擾GNSS接收機結構，給出了采用功率倒置陣列的全局最優(yōu)空時抗干擾接收機算法，并對該算法的抗干擾性能進行了仿真分析。仿真結果表明，采用相同天線陣列和自適應時域濾波器的前提下，與簡單級聯(lián)的傳統(tǒng)空時GNSS抗干擾接收機相比，全局最優(yōu)空時抗干擾GNSS接收機具有更優(yōu)的抗干擾性能，在多個寬帶和窄帶干擾并存的復雜干擾環(huán)境下該接收機抗干擾性能更具優(yōu)勢。

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Performance Analysis of Global Optimum Space-time Interference Suppression GNSS Receiver Using Power Inversion Array

Sang Huaisheng

Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China

Military applications of GNSS receiver must adapt to the working in strong jamming environment. Based on the global optimum space-time interference suppression receiver scheme, this paper presents the space-time interference suppression receiver algorithms using power inversion array. The simulation results show that the global optimum space-time interference suppression GNSS receiver has better interference suppression performance compared with that of traditional space-time interference suppression GNSS receiver.

GNSS receiver; global optimum; space-time interference suppression; power inversion array

2014-12-01。

桑懷勝(1970—)，男，高級工程師，主要從事衛(wèi)星導航信號體制及收發(fā)處理方面的研究。

P228

A