基于陣列天線的GPS抗干擾技術(shù)研究.pdf

1、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠全天候?yàn)橛脩籼峁?zhǔn)確的導(dǎo)航信息，已經(jīng)在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而隨著衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)所處的工作環(huán)境日益復(fù)雜、人為干擾技術(shù)的不斷提高，衛(wèi)星信號(hào)非常容易受到干擾。由于空域抗干擾技術(shù)相比于時(shí)域和頻域抗干擾技術(shù)具有更好的優(yōu)勢(shì)，因此，基于陣列天線的空域抗干擾技術(shù)成為了衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以GPS為例，研究了基于自適應(yīng)陣列天線的GPS抗干擾技術(shù)。由于GPS導(dǎo)航接收機(jī)的最終目的是為了獲得載體導(dǎo)航信息，因此，陣列天

2、線在抑制干擾信號(hào)的同時(shí)還需要考慮提高衛(wèi)星信號(hào)的接收質(zhì)量?；诖四康?，本論文研究了無(wú)先驗(yàn)信息輔助的抗干擾技術(shù)、基于期望信號(hào)波形輔助的抗干擾技術(shù)、基于期望信號(hào)角度輔助的抗干擾技術(shù)以及期望信號(hào)角度失配時(shí)的穩(wěn)健抗干擾技術(shù)。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴在無(wú)先驗(yàn)信息輔助的抗干擾技術(shù)中，針對(duì)傳統(tǒng)的零陷形成技術(shù)只能在干擾方向形成零陷，而不能在期望信號(hào)方向形成波束的缺點(diǎn)，研究了基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)特性的盲波束形成方法。在傳統(tǒng)頻譜自相關(guān)重構(gòu)(SCORE)

3、算法，即LS-SCORE和Cross-SCORE算法的基礎(chǔ)上，分析了循環(huán)自適應(yīng)波束形成(CAB)算法和約束類CAB算法，并指出這些算法均存在收斂速度慢的缺點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于協(xié)方差矩陣收縮的穩(wěn)健循環(huán)平穩(wěn)波束形成算法。該算法令估計(jì)的陣列協(xié)方差矩陣與真實(shí)協(xié)方差矩陣的均方誤差最小，采用自適應(yīng)收縮因子形式的對(duì)角加載方法得到一個(gè)增強(qiáng)的陣列協(xié)方差矩陣估計(jì)值。將此增強(qiáng)后的協(xié)方差矩陣與CAB算法權(quán)值代入最小方法無(wú)失真響應(yīng)(MVDR)波束形成器

4、中，得到收縮 CAB方法的陣列權(quán)值。仿真驗(yàn)證了在低功率干擾情況下，所提方法比傳統(tǒng)循環(huán)平穩(wěn)波束形成器的收斂速度快。
　?、圃谄谕盘?hào)波形輔助下的抗干擾技術(shù)中，當(dāng)參考信號(hào)存在延遲時(shí)，傳統(tǒng)波束形成方法在不能在期望信號(hào)方向形成波束。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于期望信號(hào)波形輔助的自適應(yīng)循環(huán)平穩(wěn)波束形成方法。采用矢量跟蹤環(huán)路為循環(huán)平穩(wěn)波束形成器提供期望信號(hào)的參考信號(hào)，得到一種簡(jiǎn)化的Cross-SCORE波束形成器。與傳統(tǒng)Cross-SCORE算

5、法相比，所提算法不需要增加本地控制權(quán)矢量，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件均得到了簡(jiǎn)化，降低了計(jì)算復(fù)雜度。此外，在強(qiáng)干擾環(huán)境下，針對(duì) Cross-SCORE算法不能在期望信號(hào)方向形成波束的缺點(diǎn)，提出了一種基于稀疏約束的循環(huán)平穩(wěn)波束形成方法。該方法根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)接收角度相對(duì)于陣列天線整個(gè)接收空間具有“空域稀疏”的特點(diǎn)，對(duì)簡(jiǎn)化后的Cross-SCORE算法目標(biāo)函數(shù)增加陣列響應(yīng)稀疏約束條件，能夠有效抑制強(qiáng)干擾信號(hào)，并且可以在GPS信號(hào)方向形成波束。

6、　　⑶在期望信號(hào)角度輔助下的抗干擾技術(shù)中，常用的空間譜估計(jì)方法不能估計(jì)出低信噪比信號(hào)的到達(dá)角。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)輔助的陣列天線抗干擾接收機(jī)方法。該方法首先需要建立GPS/INS緊組合導(dǎo)航濾波器，用來(lái)計(jì)算接收機(jī)的位置和天線陣列平臺(tái)的姿態(tài)，同時(shí)下載衛(wèi)星歷書(shū)數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的空間位置。然后將不同坐標(biāo)系下的先驗(yàn)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，推導(dǎo)出衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)角和導(dǎo)向矢量。為了抑制寬帶干擾信號(hào)，提出一種基于期望信號(hào)無(wú)失真接收的空頻波束形

7、成方法。該方法建立了波束形成器的頻率無(wú)失真響應(yīng)函數(shù)，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)向矢量及衛(wèi)星信號(hào)所占的頻帶寬度進(jìn)行約束，來(lái)保證衛(wèi)星信號(hào)無(wú)失真接收。采用最小輸出功率準(zhǔn)則，從空域和頻率域?qū)Ω蓴_信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合抑制。為了減小空頻波束形成器的計(jì)算復(fù)雜度，采用多級(jí)維納濾波方法對(duì)陣列權(quán)值進(jìn)行求解。
　?、仍谄谕盘?hào)角度失配的穩(wěn)健抗干擾技術(shù)中，針對(duì)導(dǎo)向矢量失配時(shí)，波束形成器性能嚴(yán)重下降的問(wèn)題，首先分析了基于不確定集約束條件和基于幅值響應(yīng)約束條件下的穩(wěn)健波束形成

8、算法，然后提出了一種基于幅值響應(yīng)與導(dǎo)向矢量雙約束的穩(wěn)健波束形成算法。該算法首先對(duì)衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)角度區(qū)間增加幅值響應(yīng)約束條件，估計(jì)出初始的陣列權(quán)值。再將此陣列權(quán)值代入新的目標(biāo)函數(shù)估計(jì)出期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用迭代算法更新陣列權(quán)值，設(shè)置迭代終止條件，當(dāng)估計(jì)的導(dǎo)向矢量收斂于真實(shí)導(dǎo)向矢量時(shí)，即獲得最優(yōu)陣列權(quán)值。該算法避免了不確定集邊界值選取的難點(diǎn)及幅值響應(yīng)算法中非凸約束條件的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。仿真驗(yàn)證了該算法所校正的導(dǎo)向矢量具有較小