基于波束形成天线抗干扰接收机的测试研究

张 宁，张 霞，朱太平

（1.西北工业大学 无人机特种技术重点实验室，陕西 西安710065；2.上海卫星装备研究所 上海200240；3.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨150001）

全球卫星导航系统在军事和民用上均为社会创造了巨大效益，然而，由于卫星导航接收机接收到的卫星信号十分微弱，而且容易受到外界复杂电磁环境的干扰，导致接收机无法正常工作，因而卫星导航接收机的抗干扰研究变得日益重要。

抗干扰接收机是决定卫星导航系统性能的重要部分，在复杂电磁环境下对卫星导航抗干扰接收机的抗干扰能力的测试与评估，对提高卫星导航系统在实际应用环境下的安全性与可靠性具有重要意义[1-2]。国外对卫星导航抗干扰接收机的测试非常重视，很早就开展了卫星导航抗干扰接收机的室外测试研究。例如：美国GPS系统建设的YUMA系统、IGR系统等。这种测试方法能全面测试抗干扰接收机的性能，但是成本较高，而且可能接收到外界环境的射频干扰，影响测试的精度和可信度。而室内测试环境具有成本低、可控性好、重复性强且有利于实验信号和内容的保密，因此基于室内无线测试环境的测试技术受到越来越多的重视，并且已经成为卫星导航测试技术的发展趋势。美国空军实验室和迈阿密大学已经构建了基于微波暗室的无线抗干扰测试环境[3]，完成了抗干扰接收机性能测试。目前国内不少单位建有室内无线抗干扰测试环境，但是大多数只是针对某些指标的常规测试，不能系统地模拟卫星信号及面临的复杂干扰信号，因此研究卫星导航抗干扰接收机的测试是很有价值的。

1 抗干扰接收机

为了抑制复杂电磁环境干扰，卫星导航抗干扰接收机需实现空域自适应滤波，通过对卫星信号方向加强、干扰信号方向零陷，消除干扰对接收机的影响。卫星导航抗干扰接收机的系统框图如图1所示[4]，包括天线单元、射频前端、A/D变换、下变频、波束形成算法和导航信号处理等部分。与传统接收机相比，抗干扰接收机的核心部分为波束形成算法。

图1 卫星导航抗干扰接收机系统框图Fig.1 System diagram of GNSS anti-jamming receiver

卫星导航抗干扰接收机波束形成算法常用的最优准则包括最大信噪比准则 （Maximum Signal to Noise Ratio，MSNR）[5]、最小均方误差准则（Minimum Mean Square Error，MMSE）[6]、线性约束最小方差准则 （Linearly Constrained Minimum Variance，LCMV）[7]等。

其中，MMSE准则和LCMV准则的计算量是最小的，但是MMSE准则要求预先知道期望信号的来向，这对卫星导航抗干扰接收机来说是不现实的，所以不适合作为卫星导航抗干扰接收机测试中抗干扰算法的最优准则。本文主要研究采用基于LCMV准则的自适应抗干扰算法。LCMV准则在满足约束条件的情况下使滤波器输出功率最小，数学表达式可以表示为：

式中，ω为自适应滤波器的权矢量，C为约束矩阵，g为约束方向的响应向量，输出功率可以表示为：

式中Rxx为输入矢量X（n）的自相关矩阵，表达式为：

2 微波暗室测试场景

目前在微波暗室内进行抗干扰接收机半物理仿真测试时，卫星信号绝大部分采用单天线模拟模式，在特定场景下多星合成射频信号利用单天线从一个方向辐射。这种方法无法模拟卫星空间位置关系，与实际情况不符，同时，卫星信号单天线输出测试方法只能测试波束形成天线中的法向波束，而无法测试波束形成天线中的其他波束，不能真实反映波束形成天线抗干扰接收机的实际性能。

利用卫星信号模拟器的多天线输出方式构造一个多星座仿真环境，模拟多星座导航信号的空域特征，可逼近外部真实的导航信号场景。图2为微波暗室内抗干扰接收机测试环境示意图。

图2 抗干扰接收机测试环境示意图Fig.2 Structure diagram of anti-jamming receiver test environment

在微波暗室中模拟真实星空中八颗卫星信号及干扰信号，参数设置如表1所示。

表1 场景参数Tab.1 Scenery parameter

3 测试结果与分析

3.1 波束数目对抗干扰性能的影响

在SNR=-20 dB、ISR=60 dB情况下，四波束天线抗干扰接收机与八波束天线抗干扰接收机中信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差如表2所示。

表2 ISR=60 dB信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差Tab.2 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=60 dB

在SNR=-20 dB、ISR=80 dB情况下，四波束天线抗干扰接收机与八波束天线抗干扰接收机中信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差如表3所示。

表3 ISR=80 dB信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差Tab.3 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=80 dB

两种波束形成天线抗干扰接收机在相同情况（ISR=60dB或ISR=80dB）下，信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差仿真图如下所示，ISR=60 dB情况下，如图5所示；ISR=80 dB情况下，如图6所示。

经过比较与分析，在不同的干信比情况（ISR=60 dB或ISR=80 dB）下，四波束抗干扰接收机信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差不大于八波束抗干扰接收机信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差。结果表明：波束形成天线抗干扰接收机波束形成越多，抗干扰性能越好。

图3 ISR=60dB时不同波束信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差Fig.3 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=60dB

3.2 输入干信比对抗干扰性能的影响

四波束抗干扰接收机分别在ISR=60dB、ISR=80dB情况下进行测试，四波束抗干扰接收机中信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差如表4所示。

表4 四波束抗干扰接收机信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差Tab.4 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR of four beam anti-jamming receiver

图4 ISR=80dB时不同波束信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差Fig.4 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR when ISR=80dB

八波束抗干扰接收机分别在ISR=60 dB、ISR=80 dB情况下进行测试，八波束抗干扰接收机中信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差如表5所示。

表5 八波束抗干扰接收机信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差Tab.5 Subtraction between max SINR and vertical beam SINR of eight beams anti-jamming receiver

两种波束形成天线抗干扰接收机在不同输入干信比情况下（ISR=60 dB或ISR=80 dB），波束内信干噪比最大值与法向波束信干噪比之差仿真图如下所示，四波束如图5所示；八波束如图6所示。

经过比较与分析，无论是四波束还是八波束，ISR=60 dB情况下的波束内信干噪比最大值与法向约束信干噪比之差不小于ISR=80 dB情况下的波束内信干噪比最大值与法向约束信干噪比之差。结果表明：波束形成天线抗干扰接收机输入干信比（ISR）越小，抗干扰性能越好。

4 结束语

目前有很多种抗干扰技术及算法仅仅局限于理论研究

和数字仿真层面，无法在真实干扰环境下测试抗干扰接收机的抗干扰性能。本文在研究了抗干扰接收机原理和波束形成算法的基础上，基于微波暗室建立半物理仿真测试场景，实现卫星信号多天线输出及复杂干扰环境的模拟，完成了波束形成天线抗干扰接收机的抗干扰性能测试，具有很强的应用性。

[1]Thakar P V，Mewada H.Receiver acquisition algorithms and their comparisons for BOC modulated satellite navigation