張英杰

（中華通信系統(tǒng)有限公司 河北分公司，河北 石家莊 050081）

0 引 言

衛(wèi)星導航抗干擾天線通常是由3個部分共同構(gòu)成，包括自適應(yīng)處理單元、方向圖形成網(wǎng)絡(luò)以及陣列天線[1,2]。信號處理單元可接收多路衛(wèi)星所發(fā)出的信號，由通道電路將其輸入至方向圖形成網(wǎng)絡(luò)以及自適應(yīng)處理單元，由方向圖形成網(wǎng)絡(luò)加權(quán)、疊加各路衛(wèi)星信號，使其能夠被用于抗干擾天線輸出。其中自適應(yīng)處理單元能夠抽樣處理陣列天線發(fā)出的信號，并實現(xiàn)自適應(yīng)權(quán)處理計算，為方向圖形成網(wǎng)絡(luò)提供加權(quán)量，反之也可加權(quán)調(diào)整各路衛(wèi)星信號，從一定程度上改變各陣元相位及增益，能夠在天線陣的方向圖中形成多個干擾源方向零點，以抵消干擾信號，實現(xiàn)衛(wèi)星導航抗干擾效果。然而在具體應(yīng)用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)干擾天線抗干擾性能不穩(wěn)定、存在較大抖動、魯棒性相對較差等問題。由于直接將自適應(yīng)處理單元計算后的權(quán)值提供給方向圖形成網(wǎng)絡(luò)，在具體工程應(yīng)用中自適應(yīng)處理單元所出的結(jié)果并不是平滑結(jié)果，甚至還會產(chǎn)生數(shù)值跳變，因此會從一定程度上影響抗干擾天線的性能[3]。為解決這一問題，在本次研究中提出利用自適應(yīng)處理單元計算權(quán)值之后，不能進行直接更新，需通過多項式平滑處理，以修正濾波器權(quán)值，進而更新自適應(yīng)處理單元，顯著提升抗干擾天線性能。

1 衛(wèi)星導航接收天線

1.1 寬波束天線

寬波束天線主要針對天線波束寬度大于某規(guī)定角度的天線而言，對于不同載體平臺和應(yīng)用系統(tǒng)來說，其對于天線波束寬度要求也會存在差異。針對本次研究中衛(wèi)星導航系統(tǒng)天線極化為圓極化方式，要求接收天線波束寬度應(yīng)大于120°，能夠使用戶端可接收來自不同方向衛(wèi)星所發(fā)射的信號。

（1）寬波束天線通常為十字交叉對稱振子以及四臂螺旋天線兩種方式，其中后者可交叉放置且能夠運用正交法實現(xiàn)饋電的線偶極子與環(huán)偶極子，通過兩個偶極子方向圖疊加獲得定向?qū)挷ㄊ鴪A極化天線[4]。

（2）加載金屬背腔的設(shè)計方法，針對波束相對較窄的圓極化天線可進行金屬錐臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，比如將金屬錐臺嵌入到圓極化微帶天線背面，能夠?qū)⑻炀€后向輻射電磁波反射至遠場低仰角，通過參數(shù)調(diào)整使前向輻射電磁波與反射電磁波進行疊加，從一定程度上拓展天線波束寬度。除此之外，可借助寄生結(jié)構(gòu)，充分利用寄生結(jié)構(gòu)與天線主輻射區(qū)域之間的耦合效應(yīng)，可改變天線表面電流分布方向，同時也可拓展天線波束寬度。

（3）采用合成方向圖拓展波束。通過整合多個天線輻射方向圖，使其能夠化為不同區(qū)域，針對不同輻射區(qū)域饋電相位和幅度進行合理分配，利用遠場方向上輻射電場疊加獲得寬波束輻射方向圖。

1.2 有源接收天線

天線是由介質(zhì)以及基礎(chǔ)導體共同構(gòu)成，不含有源器件，因此可將其作為無源天線，反之如果天線中含有有源器件，如晶體三極管、隧道二極管等，則可將其作為有源天線。在無源天線中嵌入有源器件，能夠?qū)⑻炀€作為有源器件輸入輸出回路中的重要構(gòu)成。有源天線可采用兩種運行模式，包括非線性及線性模式。天線在運行過程中如果存在有源器件特性曲線的線性部分，則仍能夠適用收發(fā)天線的互易原理，同時其運行模式與無源天線一致，可將其稱為線性模式。如果天線作用于特性曲線的非線性部分，這種情況下會使信號相位和振幅出現(xiàn)非線性變化，無法使用收發(fā)天線互易原理，因此可將其稱為非線性模式[5]。結(jié)合天線的實際應(yīng)用情況，有源天線分為有源發(fā)射天線以及有源接收天線兩種，一般在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用有源接收天線，其由接收射頻電路以及無源接收天線共同構(gòu)成，相比無源接收天線來說，具備寬頻帶、高增益和小型化特點。

2 衛(wèi)星導航抗干擾天線

衛(wèi)星導航抗干擾天線系統(tǒng)是由多個單元構(gòu)成，包括采樣電路、天線陣列、波束形成網(wǎng)絡(luò)以及射頻通道等，其中關(guān)鍵構(gòu)成是天線陣列，其性能將會從一定程度上影響系統(tǒng)抗干擾性能。在設(shè)計抗干擾天線陣的過程中需解決以下問題。

（1）陣元數(shù)目。陣元數(shù)目在抗干擾天線陣列中作為重要參數(shù)，可衡量其自由度，也從一定程度上決定陣列能形成的零點方向數(shù)目和最大輻射方向。一般來說，如果假設(shè)抗干擾天線陣列元素為N，這種情況下其能夠產(chǎn)生N-1個，零點方向自由度為N-1，如果這個數(shù)目多，那么抗干擾陣列自由度高，能夠形成較多的零點方向，陣列有效口徑大，同時從一定程度上提升零點深度，但如果增加陣元數(shù)目也會導致陣列體積、重量提高等問題。綜合上述研究，可結(jié)合不同載體、平臺設(shè)計需求選擇合理陣元數(shù)目，這也是當前抗干擾天線陣列在設(shè)計過程中亟需解決的問題。

（2）陣列類型，可按照陣元排布規(guī)律將天線陣列分為兩種類型，包括直線陣以及平面陣，針對抗干擾天線陣列主要采用均勻直線陣列、均勻方形陣列、均勻圓形陣列、均勻平面圓環(huán)陣列。

（3）陣元間距。陣元間距主要指相鄰陣元的彼此距離，在設(shè)計陣列時陣元間距參數(shù)十分重要，針對輻射方向圖會受到陣元間互耦因素影響，而陣元間距是影響陣元互耦程度的重要因素，如果陣元間距較小那么會導致陣元間產(chǎn)生較大的互耦效應(yīng)。輻射方向圖柵瓣較高，會增寬零點范圍，減小零點深度。一般來說，陣元間距應(yīng)用天線工作帶寬中心頻率對應(yīng)自由空間波長的一半為宜。然而隨著抗干擾系統(tǒng)的集成度變高，在特殊載體平臺上會受安裝尺寸因素影響，因此需減小陣元間距，一般可采用小型化設(shè)計以減少陣元間距因素。

（4）陣元間互耦效應(yīng)。結(jié)合天線陣列相關(guān)理論可以發(fā)現(xiàn)，在無陣元互耦效應(yīng)的基礎(chǔ)上，陣列天線方向圖是由陣列輻射方向圖和陣因子兩者乘積進行表示的。在具體應(yīng)用中，由于受陣元互耦因素影響，因此陣中陣元會受相鄰輻射能量影響。除此之外，各陣元位于不同位置，盡管結(jié)構(gòu)一致，然而位于陣中的陣元與孤立空間中的陣元輻射特性會產(chǎn)生差異，在分析中可采用疊加方式來獲得陣列輻射方向圖。

3 平滑濾波數(shù)學模型的構(gòu)建

在具體實驗過程中，假設(shè)采樣數(shù)據(jù)實際上是濾波器輸入數(shù)據(jù)，公式為：

式中：P(i)為P階多項式，可用一組時間函數(shù)的多項式族表示；ε(i)為平穩(wěn)零均值的相互獨立且等方差的白噪聲。P(i)利用線性方式進行組合表示為：

式中：多項式族的系數(shù)可用β、j進行表示。以矩陣形式表示為：

即：

結(jié)合最小二乘法，求得多項式族的系數(shù)最小二乘估計值，可獲得以下擬合曲線。假設(shè)X(n)中一組數(shù)據(jù)為可構(gòu)造，X(i)在N+a位置上的L階最優(yōu)線性無偏估計值為：

無偏最優(yōu)估計權(quán)系數(shù) 是與L、P釆樣點中的個數(shù)a和N具有緊密聯(lián)系，在給定N、L、P的基礎(chǔ)上權(quán)系數(shù)為確定量，可將其作為窗系數(shù)，選取固定數(shù)量值設(shè)計窗后，通過移動窗，進而處理整段數(shù)據(jù)，從直觀角度上來看，是選取N個觀測值，實現(xiàn)P階多項式擬合，進而能夠獲得N個權(quán)系，將所有數(shù)值存儲之后，能夠?qū)π掠^測數(shù)據(jù)以及對應(yīng)觀測序列相乘相加，即能夠獲得下一時刻估計值，重復上述操作，直到完成所有的擬合過程。

4 抗干擾權(quán)系數(shù)平滑應(yīng)用分析

第一，選取平滑濾波原始數(shù)據(jù)。在本次研究中通過累積自適應(yīng)抗干擾權(quán)值系數(shù)原始數(shù)據(jù)，對于抗干擾天線中，自適應(yīng)處理單元需要按照線性約束最小均方差這一原則來計算自適應(yīng)權(quán)系數(shù)，進而求解空域自適應(yīng)權(quán)值，即：

式中：asf=af?as；a=[1 1 1 1]T；af=[1 0 0 0]T。

第二，式（8）中，接收數(shù)據(jù)協(xié)方差陣為Rst，結(jié)合不同陣列天線所接收的數(shù)據(jù)進行協(xié)方差陣估計，公式為：

式中：M為時間快拍數(shù)；在T時刻數(shù)據(jù)向量用x(t)進行表示；共軛操作為上標H表示。

在錄取原始權(quán)系統(tǒng)中，計算自適應(yīng)抗干擾權(quán)系數(shù)，具體過程如下。

（1）計算協(xié)方差矩陣，需耗費0.64 μs；計算方差矩陣求逆的計算，需要耗費2.27 μs；計算自適應(yīng)Wa，需耗費1.45 μs；計算方向圖形成網(wǎng)絡(luò)，需耗費1.2μs；計算自適應(yīng)抗干擾權(quán)系數(shù)，需耗費5.56 μs。結(jié)合實際情況，在本次研究中選取自適應(yīng)權(quán)值間隔時間為10 ms。

（2）確定抗干擾權(quán)平滑濾波函數(shù)。結(jié)合上述研究，在給定a、N、L、P這些參數(shù)之后，則可確定抗干擾權(quán)平滑濾波函數(shù)。對于自適應(yīng)權(quán)值數(shù)據(jù)來說，僅需對其做位置平滑濾波，因此選取L＝0。為確保更新自適應(yīng)權(quán)值，其時間控制在0.1 s內(nèi)。在本次研究中，可選取自適應(yīng)權(quán)值采樣點數(shù)量，其個數(shù)N=10時，由于數(shù)據(jù)具備多樣性，綜合分析在計算過程中存在的方法誤差以及偶然誤差。在實際工程中，選取4～6階擬合多項式，由于考慮具體工程應(yīng)用的實時性，可選擇4項擬合多項式，即P=4。在確定窗的大小a、L、P、N參數(shù)之后，則可確定濾波系數(shù)，然而濾波系數(shù)從一定程度上會使實測數(shù)據(jù)縮小或放大，因此需歸一化處理權(quán)系數(shù)，采用移窗技術(shù)實現(xiàn)對整段數(shù)據(jù)的平滑濾波處理。

（3）抗干擾系數(shù)平滑處理。在上述研究中，針對天線前端所接收的數(shù)據(jù)，可按照自適應(yīng)濾波準則的方式，以計算抗干擾權(quán)系數(shù)，并進一步確定抗干擾權(quán)平滑濾波函數(shù)。

本測試處于暗室中展開，衛(wèi)星信號是由衛(wèi)星信號源先經(jīng)天線對抗干擾天線輻射，并且同時經(jīng)3個輻射線向抗干擾天線進行3個干擾輻射，這種情況下，在接收抗干擾天線信號后，進行抗干擾處理，并將信號輸出至衛(wèi)星接收機，實現(xiàn)信號解算[6]。為進一步分析抗干擾天線中平滑算法的具體應(yīng)用情況，在相同場景下可計算平滑算法，應(yīng)用前后的具體數(shù)據(jù)分別測試處于靜態(tài)和動態(tài)兩種條件下的情況。

①靜態(tài)測試。在保持干擾源和衛(wèi)星導航抗干擾天線處于靜止條件下，實現(xiàn)抗干擾測試。具體測試過程中，需在抗干擾天線中導出自適應(yīng)抗干擾權(quán)系數(shù)。

可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)平滑濾波處理之后，其平滑效果較好，且對于干擾突變，采用平滑濾波算法能夠還原具體變化中的權(quán)值。除此之外，經(jīng)過平滑濾波處理之后，通過衛(wèi)星接收機，觀察導航結(jié)果情況，其數(shù)值較為穩(wěn)定。

②動態(tài)測試。在轉(zhuǎn)臺上使用衛(wèi)星導航抗干擾天線，能夠以5°/s的速度進行運轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)動態(tài)抗干擾性能分析。在具體測試過程中，需要在抗干擾天線中導出自適應(yīng)抗干擾權(quán)系數(shù)，之后采用平滑濾波處理分析[7,8]。

可以發(fā)現(xiàn)，采用平滑濾波算法之后其平滑效果較好，能夠還原權(quán)值變化，且未出現(xiàn)失真問題。除此之外，在采用平滑濾波處理之后，利用衛(wèi)星接收機進行導航結(jié)果觀察可以發(fā)現(xiàn)，相對未處理前，抗干擾穩(wěn)定性顯著提升。

5 結(jié) 論

針對當前抗干擾天線在具體應(yīng)用中的魯棒性較差的問題，在本次研究中提出抗干擾權(quán)平滑濾波函數(shù)以及對應(yīng)濾波處理過程是切實可行的方法，且能夠針對抗干擾權(quán)值具有良好的平滑處理效果，有效解決衛(wèi)星導航抗干擾天線魯棒性問題。