采用功率倒置阵列的全局最优空时抗干扰GNSS接收机抗干扰性能分析

桑怀胜

北京卫星导航中心，北京，100094



采用功率倒置阵列的全局最优空时抗干扰GNSS接收机抗干扰性能分析

桑怀胜

北京卫星导航中心，北京，100094

GNSS接收机的军事应用必须适应强干扰环境。基于全局最优空时抗干扰接收机方案，提出了采用功率倒置阵列的空时GNSS接收机抗干扰算法。仿真结果表明，与传统的空时抗干扰GNSS接收机相比，全局最优空时抗干扰GNSS接收机具有更优的抗干扰性能。

GNSS接收机；全局最优；空时抗干扰；功率倒置阵列

1 引 言

GNSS是以人造卫星作为导航台的无线电导航系统。GNSS最初由于军事应用目的而出现，“子午仪”卫星导航系统主要为美国海军服务[1，2]，GPS是美国国防部为其星球大战计划而建立的，目前世界上两个最主要的卫星导航定位系统GPS和GLONASS都是军方的产物。GNSS在军事领域的应用日益广泛，推动了导航战概念的出现。作为用户终端的GNSS接收机在导航战应用背景下必然面临强干扰环境，GNSS接收机抗干扰是导航战领域内的一个研究热点。

空时联合抗干扰技术是GNSS接收机抗干扰技术的重要研究点。空域抗干扰是指采用阵列天线技术，根据信号的空间特征信息来区分信号，有效抑制与有用信号方向不同的各种类型的有意或无意干扰，它不仅能抑制窄带干扰，还可以抑制宽带干扰。时域或变换域抗干扰技术是传统的抗干扰技术，它利用时域、频域或其他变换域的特性差异来区分有用信号和干扰信号，通常它难以抑制宽带干扰。同时采用空域和时域抗干扰技术，从空域、时域和变换域等多维空间区分有用信号和干扰，可以发挥两种抗干扰技术的优点，互相弥补不足：采用空域抗干扰技术可以抑制时域抗干扰技术不能处理的宽带干扰；利用时域抗干扰技术去抑制窄带干扰可以保留更多的天线阵自由度用于抑制宽带干扰，时域抗干扰技术还可以抑制空域难以处理的与有用信号方向相同或接近的窄带干扰。

文献[4]基于GNSS接收机抗干扰性能全局最优的观点，提出了一种新型的全局最优空时抗干扰GNSS接收机方案。本文给出了采用功率倒置阵列的全局最优空时抗干扰GNSS接收机算法，并对其抗干扰性能进行了仿真分析。

2 全局最优空时GNSS抗干扰接收机[3]

文献[4]提出：从全局最优的角度出发，利用接收机抗干扰系统输出端的信号反馈控制天线阵列加权。基于上述思路，提出了一种全局最优空时GNSS抗干扰接收机方案，如图1所示。其中ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)部分完成模拟信号到数字信号的转化工作；波束形成完成天线阵信号的加权合并工作，这个模块就是所谓的空域滤波器；时域抗干扰模块采用时域或变换域抗干扰技术进行干扰抑制，它主要用于抑制窄带干扰，这里把它统称为时域滤波器；权值生成是空域模块的算法控制器，它根据输入、输出的信号和某种算法产生天线阵加权向量送给波束形成器，权值生成模块决定了空域能够达到的抗干扰性能。

图1 全局最优空时抗干扰接收机方案示意图

文献[4]分析指出，存在多个宽带和窄带干扰信号的情况下，若干扰信号数目大于天线阵元个数，空域不能抑制所有的干扰，全局最优抗干扰接收机天线阵的权值调整与时域抗干扰模块相关，它可以协调空域和时域模块的作用，利用空域优先抑制宽带干扰，使天线阵输出端信号中残留更多的是窄带干扰，然后通过再后级的时域抗干扰模块抑制窄带干扰，使接收机的整体抗干扰性能更优。当干扰信号个数大于天线阵元个数L时，若其中包含宽带干扰且宽带干扰信号的个数少于天线阵元个数时，全局最优抗干扰接收机可以有效分离宽带干扰和窄带干扰，利用空域抑制宽带干扰，利用时域抗干扰模块抑制窄带干扰，抗干扰性能达到综合最优。因此，全局最优抗干扰接收机的优越性更多体现在干扰信号个数多于L、且其中包含少于L个的宽带干扰信号的情况。文献[3]还给出了基于LMS[3～6]算法的全局最优抗干扰接收机的空域自适应原理算法。

3 功率倒置阵列全局最优空时抗干扰算法

功率倒置阵列[4,5]不需要预先知道有用信号特性和入射角等先验信息，实现简单，在雷达、扩频通信等强干扰、弱信号的环境中得到了广泛应用。Compton阐述了功率倒置的概念，并研究了功率倒置阵列的性能[5]。军事背景下，GNSS接收机需要在弱信号、强干扰的信号接收环境下工作，适合采用功率倒置阵列提高其抗干扰能力。因此功率倒置阵列在GPS的抗干扰研究中受到了广泛关注，目前已有一些采用功率倒置阵列的GPS接收机抗干扰的相关文献[4,6,7,8]。

图2 L阵元功率倒置阵列

功率倒置阵列的示意图如图2所示。设天线阵元个数为L，功率倒置阵列选择加权向量w=[w1,w2,…,wL]T使阵列输出信号的功率最小[4]。为了防止得到无意义解w1=w2=…=wL=0，引入约束条件w1=C，C为任意不为0的常数。为方便起见，通常取C=1。

把功率倒置的方法应用到全局最优空时抗干扰接收机中，时域抗干扰采用时域自适应滤波器，其空域自适应算法原理框图如图3所示。

图3 采用功率倒置阵列和ATF、空时方案的空域自适应算法框图

采用NLMS(NormalizedLeastMeanSquare，归一化最小均方)算法[9]，全局最优空时GNSS抗干扰接收机的空域和时域自适应算法如下：

(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)

当k≤M时

z(k)=0

(6)

wa(k+1)=wa(k)

(7)

h(k+1)=h(k)

(8)

当k>M时

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分别为天线阵和ATF自适应NLMS算法的步长，满足0<μ1<2，0<μ2<2。天线阵加权向量和时域滤波器系数向量的初始值可设置为

wa(1)=[0,0,…,0]T

(14)

为L-1维零值列向量。

h(1)=[0,0,…,0]T

(15)

为2M维零值列向量。

4 抗干扰性能仿真分析

下面通过仿真分析采用功率倒置阵列的全局最优GNSS接收机的抗干扰性能。全局最优空时抗干扰接收机的基本出发点是解决多个宽带和窄带干扰并存的复杂干扰环境下的干扰抑制问题，下面以此为依据设置仿真场景。假设存在5个干扰，干扰信号1、2和3都是归一化带宽与信号带宽相同的宽带高斯干扰，入射角分别设为(52°,75°)、(25°,264°)和(85°,207°)；干扰信号4和5是归一化带宽分别为信号带宽的0.06和0.1的窄带高斯干扰，入射角分别设为(4°,110°)和(72°,316°)。这里选择的是有用信号入射角和干扰信号入射角分离得比较开的情况。

天线阵选用1个阵元位于圆心、其余阵元均匀排列于圆周上、圆周半径为信号载波半波长的4元圆天线阵；波束形成采用功率倒置算法；自适应时域滤波器选用具有对称结构的31阶线性插值滤波器；仿真软件为Matlab。为便于性能对比，下面同时对全局最优抗干扰接收机和4元圆天线阵与31阶线性插值滤波器简单级联抗干扰接收机的性能进行仿真。

表1分别给出了全局最优抗干扰接收机和传统简单级联空时抗干扰接收机在空域模块和时域模块输出端信号的信干噪比。这里自适应时域滤波器输出端是整机抗干扰系统的输出端。

表1 两种接收机、不同输出端信号的信干噪比(dB)

天线阵输出信号的信干噪比时域滤波器输出信号的信干噪比全局最优抗干扰接收机简单级联抗干扰接收机全局最优抗干扰接收机简单级联抗干扰接收机

从表中的数据可以看出：在天线阵输出端，和简单级联抗干扰接收机相比，全局最优抗干扰接收机的信干噪比低的多，说明天线阵输出信号中全局最优抗干扰接收机比简单级联抗干扰接收机残留了更多能量的干扰信号；在自适应时域滤波器输出端，全局最优抗干扰接收机的信干噪比比简单级联抗干扰接收机大，而简单级联抗干扰接收机虽然天线阵输出端的信干噪比比全局最优抗干扰接收机大许多，但自适应时域滤波器输出端信号的信干噪比相比于天线阵输出端的信干噪比提高不多，使得简单级联抗干扰接收机的自适应时域滤波器输出端的性能达不到系统正常工作的要求。上述现象表明：由于自适应时域滤波器只能抑制窄带干扰，全局最优抗干扰接收机的天线阵主要抑制的是宽带干扰，天线阵输出端残留的干扰中大部分是窄带干扰，残留的宽带干扰成分较少，因此，通过自适应时域滤波器抑制了窄带干扰后，自适应时域滤波器输出端的信号中干扰成分基本被抑制掉，输出性能达到了系统要求；简单级联抗干扰接收机的天线阵同时抑制了宽带和窄带干扰，由于干扰个数多于天线阵元数目，天线阵不能很好地抑制所有的干扰，天线阵输出端的信号中残留了部分宽带干扰和窄带干扰，后级的自适应时域滤波器不能抑制残留的宽带干扰，使得自适应时域滤波器输出端的信号中残留了部分宽带干扰，造成输出性能不能满足系统要求。

再观察信号波形和信号频谱。图4画出了全局最优抗干扰接收机和简单级联抗干扰接收机的天线阵输出端和自适应时域滤波器输出端的输出信号，图5画出了全局最优抗干扰接收机和简单级联抗干扰接收机的天线阵输出端和自适应时域滤波器输出端信号的频谱。由于有用信号的强度比噪声和干扰信号弱很多，我们看到的信号图形表征了残余的干扰信号和噪声的特性。

图4 全局最优抗干扰接收机和简单级联抗干扰接收机不同抗干扰模块输出端的信号

图4中各小图分别表示：(a) 全局最优抗干扰接收机天线阵输出端的信号；(b) 简单级联抗干扰接收机天线阵输出端的信号；(c) 全局最优抗干扰接收机的自适应时域滤波器输出端的信号；(d) 简单级联抗干扰接收机的自适应时域滤波器输出端的信号。

图5 全局最优抗干扰接收机和简单级联抗干扰接收机不同抗干扰模块输出端信号的频谱

图5中各小图分别表示：(a) 全局最优抗干扰接收机天线阵输出端信号频谱；(b) 简单级联抗干扰接收机天线阵输出端信号频谱；(c) 全局最优抗干扰接收机的自适应时域滤波器输出端信号频谱；(d) 简单级联抗干扰接收机的自适应时域滤波器输出端信号频谱。

比较图4(a)和(b)可以看到，算法收敛后全局最优抗干扰接收机天线阵输出端的信号比简单级联抗干扰接收机强，说明天线阵输出端残留的干扰信号能量比简单级联抗干扰接收机多。比较图5(a)和(b)可以看到，全局最优抗干扰接收机天线阵输出端信号中窄带信号谱很强，而宽带干扰谱被压得很低，说明它残留的干扰成分主要是窄带干扰；简单级联抗干扰接收机天线阵输出端信号中窄带信号谱比全局最优抗干扰接收机弱，而宽带干扰信号谱却比全局最优抗干扰接收机强，说明虽然简单级联抗干扰接收机天线阵输出端信号中的干扰总能量较小，但其中的宽带干扰成分却比全局最优抗干扰接收机强。比较图4 (c)和(d)可以看到，算法收敛后全局最优抗干扰接收机自适应时域滤波器输出端的信号比简单级联抗干扰接收机弱很多，说明全局最优抗干扰接收机自适应时域滤波器输出端信号中残留的干扰信号能量比简单级联抗干扰接收机少；比较图5(c)和(d)可以看到，全局最优抗干扰接收机的自适应时域滤波器输出端信号中的宽带信号谱和窄带信号谱均比简单级联抗干扰接收机小，因此它的抗干扰效果优于简单级联抗干扰接收机。出现上述现象的原因是：全局最优抗干扰接收机的天线阵主要抑制宽带干扰，它的天线阵输出端信号中残留的干扰信号成分大部分是窄带干扰，经过后级的自适应时域滤波器抑制窄带干扰后达到了较好的抗干扰效果；简单级联抗干扰接收机的天线阵输出端信号中残留的干扰信号总能量虽然比全局最优抗干扰接收机小，但其中保留的宽带干扰成分较多，后级的自适应时域滤波器不能抑制宽带干扰，使得它的抗干扰效果较差。

5 小 结

本文基于全局最优空时抗干扰GNSS接收机结构，给出了采用功率倒置阵列的全局最优空时抗干扰接收机算法，并对该算法的抗干扰性能进行了仿真分析。仿真结果表明，采用相同天线阵列和自适应时域滤波器的前提下，与简单级联的传统空时GNSS抗干扰接收机相比，全局最优空时抗干扰GNSS接收机具有更优的抗干扰性能，在多个宽带和窄带干扰并存的复杂干扰环境下该接收机抗干扰性能更具优势。

[1]吴广华，张杏谷. 卫星导航[M]. 北京：人民交通出版社，1998.

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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。

桑怀胜(1970—)，男，高级工程师，主要从事卫星导航信号体制及收发处理方面的研究。

P228

A