徐煦，曾芳玲，盧振耀

?導航、制導與控制?

自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力分析及其對抗方法*

徐煦1，曾芳玲1，盧振耀2

（1.國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥 230031； 2.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116021）

自適應(yīng)調(diào)零抗干擾技術(shù)能夠很大程度改善衛(wèi)星導航接收機的抗干擾能力，被廣泛運用于精確制導武器中，是當前衛(wèi)星導航對抗問題研究的重點。針對多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機，分別模擬了不同數(shù)目干擾源，以及干擾源在入射方位角和俯仰角不同條件下的干擾效果，分析得到接收機抗干擾能力量化值，并提出針對性的對抗方法。結(jié)合實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)得出結(jié)論，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整干擾源數(shù)量、以及設(shè)置角度，可以有效抑制接收機的抗干擾能力的發(fā)揮，從而實現(xiàn)對干擾資源的合理配置，以上結(jié)論對進一步研究干擾源布設(shè)的優(yōu)化方法具有較強的實踐指導意義。

自適應(yīng)調(diào)零接收機；抗干擾能力；對抗方法；精確制導武器；仿真實驗；量化分析

0　引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)為現(xiàn)代戰(zhàn)場提供了精確武器制導和戰(zhàn)場態(tài)勢感知2種主要的位置引導功能，在軍事領(lǐng)域的典型運用之一，是在精確制導武器導航制導中的運用，而衛(wèi)星導航系統(tǒng)特性決定了系統(tǒng)在面對干擾時的脆弱性。以GPS信號在地面接收的信號功率為例，L1頻段C/A碼預期最大值為-153 dBW，而通常熱噪聲功率約-140 dBW，天線接收到的C/A碼信號強度低于環(huán)境噪聲基地近20 dB，其微弱程度使其極易受到干擾信號影響，因此衛(wèi)星抗干擾問題，成為各軍事強國的研究熱點。目前，在用戶接收部分采取多陣元的自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)是比較有效的一種手段，也是衛(wèi)星導航接收機抗干擾的主要技術(shù)，如美軍“戰(zhàn)斧”巡航導航即采用了雷聲公司研制的5陣元自適應(yīng)調(diào)零天線，F(xiàn)-16戰(zhàn)機則是裝配了7陣元的GPS天線陣來提升抗干擾能力；隨著“導航戰(zhàn)”概念的提出與發(fā)展，針對自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力的研究成為衛(wèi)星導航對抗雙方共同關(guān)注的重點。

目前，針對自適應(yīng)調(diào)零接收機的抗干擾研究主要在于對陣列信號處理技術(shù)、自適應(yīng)算法設(shè)計的研究，以求提升陣列天線自適應(yīng)抗干擾能力，如文獻［1-7］；而圍繞自適應(yīng)調(diào)零接收機對抗方法展開的抗干擾能力研究目前還很少，多在于定性研究，部分定量仿真則缺乏一定的數(shù)值分析，不足以形成具體可參考的結(jié)論。文獻［7］研究了不同陣型自適應(yīng)調(diào)零接收機應(yīng)對干擾的零陷能力，文獻［8-9］探究了針對4陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機的干擾源布設(shè)角度的影響，綜合來看，以上研究結(jié)論仍限于干擾源個數(shù)小于陣列天線自由度的情況，且缺乏量化數(shù)值分析。文獻［10-11］較為細致地分析了基于功率倒置（power inversion，PI）算法的多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機應(yīng)對多干擾源的情況，并提出了具體的對抗策略，研究思路及方法具有重要參考價值。本文以5陣元、7陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機為研究對象，將仿真實驗與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，考察不同干擾源布設(shè)情況下的多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機的抗干擾能力，并給出干擾數(shù)量設(shè)置和干擾角度建議，以形成更具針對性和實踐價值的對抗方法。

1　自適應(yīng)調(diào)零接收機模型分析

1.1　自適應(yīng)調(diào)零接收機基本原理概述

自適應(yīng)調(diào)零接收機基于自適應(yīng)陣列處理技術(shù)，其核心問題是通過調(diào)整各陣元的權(quán)值，實現(xiàn)對有用信號的有效接收［12］。此處提到的有效接收包含2方面：①使陣列方向主瓣對準期望的信號方向；②實現(xiàn)對干擾信號方向的有效抑制。圍繞2方面結(jié)合應(yīng)用，進而誕生了自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)。目前，主要有3種最常用的最優(yōu)波束形成準則：最小均方誤差準則（minimum mean squared error，MMSE），最大信干噪比準則（maximum signal to interference and noise ratio，MSINR），最小噪聲方差準則（minimum noise variance，MNV），在不同準則下可以求得相應(yīng)的最優(yōu)權(quán)矢量［13］。其中，最小均方誤差準則需要已知參考信號，最大信干噪比準則需要已知干擾及噪聲自相關(guān)矩陣以及期望信號方向，最小噪聲方差準則需要已知期望信號方向。本文考慮在實際衛(wèi)星導航對抗運用場景中，通常難以準確獲知參考信號信息，選擇基于最小噪聲方差準則的自適應(yīng)調(diào)零接收機進行仿真實驗。

1.2　多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機天線陣列結(jié)構(gòu)分析

則相應(yīng)的相移為

則導向矢量可以表示為

已知5陣元、7陣元均勻圓心陣天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，依據(jù)式（2），（3）可求得各自導向矢量。

圖1 　5陣元、7陣元均勻圓心陣天線幾何結(jié)構(gòu)

Fig. 1 　Geometric structure of 5-element and 7-element uniform circular center array antenna

在目標信號個數(shù)為的情況下，可獲得導向矢量矩陣為

2　自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力及對抗方法

2.1　接收機應(yīng)對不同數(shù)量干擾源能力及對抗方法

2.1.1參數(shù)設(shè)置與仿真

圖2 　干擾源1，2分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖3 　干擾源1～3分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖4 　干擾源1～4分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖5 　干擾源1～5分別對5，7陣元接收機干擾效果

依據(jù)仿真結(jié)果，分別計算接收機抗干擾能力概略值，結(jié)果記錄如表1所示。

表1 　多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力概算值/dB

2.1.2結(jié)果分析

對于陣元的自適應(yīng)調(diào)零接收機，其原理決定了當干擾個數(shù)大于陣元自由度（-1）時，接收機將失去準確零陷的能力，該結(jié)論也可由仿真結(jié)果得出；然而在實際作戰(zhàn)運用中，往往面臨著可調(diào)配干擾資源有限的情況，此時則可以考慮通過增加干擾源個數(shù)抑制自適應(yīng)調(diào)零接收機能力的發(fā)揮。由實驗數(shù)據(jù)可得，干擾源數(shù)量的增加可在一定程度上有效抑制自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力提升程度。對于5陣元、7陣元均勻圓心陣自適應(yīng)接收機，干擾源數(shù)量由3個增加至4個時產(chǎn)生的抑制影響最為顯著，可分別使5陣元、7陣元接收機抗干擾能力減弱約34 dB，40 dB。

2.2　接收機應(yīng)對不同入射方位角的干擾源能力及對抗方法

2.2.1參數(shù)設(shè)置與仿真

圖6 　干擾源1，2入射方位角夾角為5°時分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖7 　干擾源1，2入射方位角夾角為10°時分別對5，7陣元接收機干擾效果

2.2.2結(jié)果分析

分別對比圖6～8中5陣元與7陣元的均勻圓心陣自適應(yīng)調(diào)零接收機的抗干擾能力表現(xiàn)，可以得出干擾源入射方位角夾角減小，對接收機的干擾效果增強。圖中對于5陣元接收機而言，干擾源入射方位角夾角為10°時相比于入射方位角為30°的情況下，可使得接收機抗干擾能力減弱約7 dB。同時，當干擾源入射方位角夾角小于10°時，接收機零陷能力會受到一定影響。當夾角設(shè)置在5°時，根據(jù)圖6可知各陣元接收機易出現(xiàn)不同程度的零陷位置錯誤情況，該情況在實際運用場景中一般體現(xiàn)為不同的2個干擾源被等效為同一干擾源抵消，從而造成干擾資源的浪費。

2.3　接收機應(yīng)對不同入射俯仰角的干擾源能力及對抗方法

2.3.1參數(shù)設(shè)置與仿真

圖9 　干擾源俯仰角設(shè)置為（15°，15°，15°）時分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖10 　干擾源俯仰角設(shè)置為（30°，30°，30°）時分別對5，7陣元接收機干擾效果

圖11 　干擾源俯仰角設(shè)置為（60°，60°，60°）時分別對5，7陣元接收機干擾效果

在重復實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，針對5陣元接收機，其干擾源俯仰角參數(shù)設(shè)置范圍擴展至70°時，實驗數(shù)據(jù)可對比形成結(jié)論，該設(shè)置情況下的仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 　干擾源俯仰角設(shè)置為（70°，70°，70°）時對5陣元接收機干擾效果

依據(jù)仿真結(jié)果，分別記錄目標信號接收增益、計算各接收機抗干擾能力提升水平概略值，并記錄數(shù)據(jù)。其中5陣元接收機應(yīng)對不同入射俯仰角的干擾源時，目標信號接收增益及抗干擾能力如表2所示。

表2 　5陣元接收機應(yīng)對不同入射俯仰角的干擾源的能力

7陣元接收機在應(yīng)對不同入射俯仰角的干擾源時，其目標信號接收增益及抗干擾能力如表3所示。

表3 　7陣元接收機應(yīng)對不同入射俯仰角的干擾源的能力

2.3.2結(jié)果分析

當干擾源入射方位角一定時，入射俯仰角相同的情況下，干擾源對自適應(yīng)調(diào)零接收機的抗干擾能力抑制程度優(yōu)于俯仰角不同的情況，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，在上述干擾設(shè)置背景下，5陣元接收機干擾源俯仰角統(tǒng)一設(shè)置在60°，7陣元接收機干擾源俯仰角統(tǒng)一設(shè)置在30°為宜。

3　結(jié)論

本文分別考察了以干擾源數(shù)量、干擾源入射方位角以及干擾源入射俯仰角為變量時，5陣元、7陣元均勻圓心陣自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾應(yīng)對能力，并結(jié)合實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，給出干擾數(shù)量設(shè)置和干擾角度建議。經(jīng)分析得結(jié)論如下：

（1）面對干擾資源有限的情況時，可通過增加干擾源個數(shù)抑制自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力的發(fā)揮。對于5陣元、7陣元的均勻圓心陣，干擾源數(shù)量由3個增加至4個時影響最為顯著，可分別使5陣元、7陣元接收機抗干擾能力減弱約34 dB，40 dB。

（2）干擾源在設(shè)置方位角時可集中設(shè)置，適當減小夾角以增強干擾效果，但也應(yīng)當避免因角度過小，接收機出現(xiàn)零陷錯誤而造成的干擾資源浪費情況，在該仿真中針對5陣元、7陣元均勻圓心陣，干擾源入射方位角夾角設(shè)置應(yīng)不小于5°。

（3）當干擾源入射方位角一定時，俯仰角統(tǒng)一布置對自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力的抑制效果優(yōu)于分散布置情況下的效果，在該仿真實驗中，5陣元、7陣元接收機干擾源俯仰角分別統(tǒng)一設(shè)置在60°，30°為宜。

以上結(jié)論對于進一步研究針對自適應(yīng)調(diào)零接收機的多干擾源優(yōu)化布設(shè)方法具有重要參考價值。

［1］ 李成城. 導航接收機自適應(yīng)抗干擾算法研究與實現(xiàn)［D］. 西安：西安電子科技大學， 2020.

LI Chengcheng. Research and Implementation of Adaptive Anti-jamming Algorithm for Navigation Receiver ［D］. Xi′an： Xidian University，2020.

［2］ 李成城，李鵬程. 衛(wèi)星導航自適應(yīng)調(diào)零天線抗干擾技術(shù)［J］. 電子信息對抗技術(shù)， 2020，35（6）：59-63.

LI Chengcheng， LI Pengcheng. Anti-jamming Technology of Adaptive Nulling Antenna of Satellite Navigation［J］. Electronic Information Warfare Technology， 2020，35（6）：59-63.

［3］ 賈智慧. 衛(wèi)星導航天線抗干擾技術(shù)研究［D］. 西安：西安電子科技大學， 2020.

JIA Zhihui. Research on Anti-jamming Technology of Satellite Navigation Antenna ［D］. Xi′an： Xidian University，2020.

［4］ 趙常亮. 基于自適應(yīng)抗干擾陣列的智能天線研究［D］. 西安：西安電子科技大學， 2019.

ZHAO Changliang. The Research of Smart Antenna Based on Adaptive Anti-jamming Array ［D］. Xi′an： Xidian University，2019.

［5］ WANG Xinhuai， SHI Xiaowen， Li Ping， et al. Smart Antenna Design for GPS/GLONASS Anti-jamming Using Adaptive Beamforming［C］∥2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology， IEEE， 2010：1149-1152.

［6］ ?mer Can Dabak， Fatih Erdem， Tolga S?nmez， et al. Interference Suppression in a GPS Receiver with 4 Element Array Design and Implementation of Beamforming Algorithms［C］∥2016 IEEE/ION Position， Location and Navigation Symposium （PLANS）， 2016：645-652.

［7］ 張冰. 衛(wèi)星導航接收機自適應(yīng)調(diào)零天線抗干擾技術(shù)研究［D］. 西安：西安電子科技大學， 2018.

ZHANG Bing. Research on Anti-jamming About Satellite Navigation Receiver with Adaptive Nulling Antenna ［D］. Xi’an： Xidian University，2018.

［8］ 王雨，林浩冬，李成，等. 基于PI算法的自適應(yīng)天線陣仿真研究［J］. 現(xiàn)代計算機， 2021（2）：14-17.

WANG Yu， LIN Haodong， LI Cheng， et al. Research of Simulation of Adaptive Antenna Array Based on PI Algorithm ［J］. Modern Computer， 2021（2）：14-17.

［9］ 張博，何相勇，趙麗華，等. 高功率壓制干擾模式下多個GPS干擾站聯(lián)合部署問題［J］. 火力與指揮控制， 2018，43（4）：32-36.

ZHANG Bo，HE Xiangyong，ZHAO Lihua， et al. Disposition Research of High-Power Jamming Jointed-Interfere Using Multiply GPS Interference Station ［J］. Fire Control & Command Control，2018，43（4）：32-36.

［10］ 魏立，何相勇，張博. 多源寬帶干擾對多陣元GPS接收機干擾效能分析［J］. 信號處理， 2017，33（12）：1631-1636.

WEI Li，HE Xiangyong，ZHANG Bo. The Jamming Efficiency Analyze of Multiply GPS Broadband Sources Interference for GPS Receiver with Multiply Module ［J］. Journal of Signal Processing，2017，33（12）：1631-1636.

［11］ 侯立志，何晶，傅玉鑫，等. 自適應(yīng)調(diào)零天線抗干擾性能影響因素研究［J］. 艦船電子工程， 2020，40（1）：193-197.

HOU Lizhi， HE Jing， FU Yuxin， et al. Study on Adaptive Nulling Antenna Affecting Factors of Antijamming Technology ［J］. Ship Electronic Engineering， 2020，40（1）：193-197.

［12］ 毛虎，吳德偉，盧虎. 針對GPS接收機自適應(yīng)天線調(diào)零抗干擾的對抗方法研究［J］. 彈箭與制導學報， 2016，36（3）：99-103.

MAO Hu， WU Dewei， LU Hu. Research on Countermeasure Scheme to Anti-jamming of Adaptive Nulling of GPS Receiver ［J］. Journal of Projectiles， Rockets， Missiles and Guidance，2016，36（3）：99-103.

［13］ 王永良，李榮鋒，丁前軍. 自適應(yīng)陣列處理［M］. 北京：清華大學出版社， 2009.

WANG Yongliang， LI Rongfeng， DING Qianjun. Adaptive Array Processing［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2009.

［14］ 羅景青. 陣列信號處理基本理論與應(yīng)用［M］. 北京：解放軍出版社， 2007.

LUO Jingqing. Array Signal Processing［M］.Beijing： Chinese People's Liberation Army Publishing House， 2007.

［15］ 何子述，夏威. 現(xiàn)代數(shù)字信號處理及其應(yīng)用［M］. 北京：清華大學出版社， 2009.

HE Zishu， XIA Wei. Modern Digital Signal Processing and Applicating［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2009.

Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver

XUXu1，ZENGFangling1，LU Zhenyao2

（1.College of Electronic Engineering， National University of Defense Technology， Hefei 230031， China； 2.PLA 91550 Troops， Dalian 116021， China）

Adaptive nulling anti-jamming technology can greatly improve the anti-jamming ability of satellite navigation receiver. It is widely used in precision guided weapons. It is the focus of current research on satellite navigation counter-measure. This paper simulates the anti-jamming performance of multi-element adaptive nulling receiver in the face of jamming sources with different numbers， different incident azimuth angles and different incident pitch angles， quantitatively analyzes the improvement of the anti-jamming ability of the receiver， and puts forward targeted counter-measure schemes. Based on the experimental results and data， it is found that by adjusting the number of interference sources and the setting angle， the anti-jamming ability of the receiver can be effectively suppressed， so as to achieve a reasonable allocation of jamming resources. The conclusion has a strong practical guiding significance for the further study of the optimization strategy of jamming source deployment.

adaptive nulling receiver；anti-jamming ability；countermeasure scheme；precision guided weapon；simulation experiment；quantitative analysis

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.003

TN973.3；TN975；TN967.1

A

1009-086X（2023）-04-0016-09

徐煦, 曾芳玲, 盧振耀.自適應(yīng)調(diào)零接收機抗干擾能力分析及其對抗方法[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2023,51(4):16-24.

XU Xu,ZENG Fangling,LU Zhenyao.Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver[J].Modern Defence Technology,2023,51(4):16-24.

2022 -06 -20 ;

2022 -11 -07

徐煦(1995-)，女，安徽淮南人。助工，碩士，研究方向為衛(wèi)星導航對抗。

230031 安徽省合肥市蜀山區(qū)黃山路460號 E-mail：bbxb4_xu@139.com