基于单天线的GNSS合成孔径技术研究进展

2016-01-12何国锋,聂俊伟,伍微等

全球定位系统 2015年5期

何国锋,聂俊伟,伍微,王飞雪

(国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航定位技术工程研究中心,长沙 410073)

摘要：本文主要介绍了合成孔径的基本原理及合成孔径技术在国内外的发展研究进展,以及合成阵列的模型和信号模型,并且介绍了合成孔径技术在导航领域的基本应用，但现阶段由于技术不成熟以及硬件条件等的限制,此技术还未真正得到广泛应用，但基于单天线的合成孔径技术具有先天的优势,未来将有很大的发展前景．

关键词：单天线;合成孔径;导航系统

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.008

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)05-0041-05

收稿日期：2015-08-26

作者简介

Abstract:Tis paper describes the basic principles and synthetic aperture synthetic aperture technology research development status at home and abroad, as well as model and signal model in synthetic array and introduces synthetic aperture technology in the field of basic applications in navigation. But at this stage due to technical immaturity and hardware conditions, etc., this technology has not yet been widely used. But based on synthetic aperture single antenna technology has inherent advantages, the future will have great prospects for development.

0引言

卫星导航系统已经成为了当今发达国家国防及经济基础的重要组成部分,卫星导航系统也是国家综合国力及科学技术水平的重要标志之一。世界各主要大国都在争相发展和完善卫星导航系统,其中包括最早建设的美国全球定位系统(GPS),俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS),欧盟国家的伽利略(Galileo)系统,以及我国正在积极建设的北斗二号全球卫星导航系统(简称为北斗全球系统)[1]。

基于单天线的动态天线合成阵列概念在近几十年已经应用到雷达领域,近几年已经应用到了导航领域。传统的天线阵在同一时刻对不同阵元信号进行采样,而在合成孔径方式下,同一阵元在不同时刻进行空间采样,因此,与传统阵列信号相比存在明显差异。在应用领域中,传统的抗宽带干扰,需要采用多个阵元、多路射频通道的天线阵接收机,设备硬件复杂,体积功耗等都要求较高，很多场合不具备安装阵列接收机的条件,如何利用单天线接收机进行宽带干扰抑制,具有重要的理论与工程意义，与此同时,单天线不存在天线互耦、通道失配等非理想因素的影响,另外,虚拟阵元数目不受限制,可抑制的干扰数目可大幅增加,从这一方面讲,单天线合成孔径具有一定的先天优势。

合成孔径技术在近些年开始运用在导航领域,国外的Broumandan、 Draganovet、 Pany等人已经有一些研究,并且公开发表了文章。早期的这些文章描述了单天线合成孔径GPS信号处理和合成圆阵的相控天线技术。卡尔加里大学的Broumandan和Tao Lin的文章中,合成孔径天线运用于干扰消除,他们研究了基于合成孔径天线阵的GNSS信号的DOA估计[2];而Pany研究了圆阵合成天线来抑制多径[3];Draganovet则研究了GNSS/INS组合后运用合成孔径技术来消除多径;还有佛罗里达大学的Soloviev等人研究了单天线移动形成的一维天线阵和多天线移动形成了二维天线阵的GNSS信号处理技术[4-5],但这些研究都停留于理论阶段,并未实际运用到导航系统中来。国内已有学者提出了利用天线动态特性以合成孔径进行导航信号处理及干扰抑制等,但相关研究还处于起步阶段。

1导航信号合成孔径原理

导航系统中,GNSS合成孔径的基本原理是利用单天线的旋转、平动等运动特性,通过在不同时刻的信号采样来实现虚拟阵元空间采样的等效结果，其核心过程是随着天线移动从时域接收采样变成空间采样的转换。

合成孔径技术近十年在雷达领域取得了巨大的成功,并且已经运用到军用民用各个领域,已经成为全球各个国家争先发展的领域,我们国家这些年的发展也取得了很大的成就。合成孔径雷达(SAR)在距离向通过发射宽带信号获取高的分辨率;在方位向通过孔径合成原理达到波束锐化的目的,从而提高方位向的角度分辨率，整个过程处理可以等效为一个二维匹配滤波过程。

联系人：何国锋 E-mail:heguofeng100@163.com

一副天线阵由多个单元天线组成,利用多个单元天线到目标点的距离不同所产生的相位差干涉形成一狭窄的波束，把这一空域的干涉过程变为时域上的干涉过程,一副天线沿着一直线匀速运动,在运动中不停的发射信号对目标进行采样,同时把回波储存起来，利用这些回波做信号处理,分别给它们加上不同的相位,使之对相应的目标聚焦,从而获得了一个等效的更狭窄的主波束，这就是合成孔径的基本原理。

图1　合成孔径基本原理示意图

合成孔径在雷达领域最大的优势在于提高距离向和方位向的分辨率。在探测系统中,通过脉冲能量对远场目标的距离、速度、形状或反射率等参数进行测量，为了使测量有效,接收脉冲必须具有足够强的能量和足够好的分辨率。合成孔径雷达中,为了提高距离向分辨率,通过脉冲压缩来实现;通过发送一个展宽脉冲,再对其进行脉冲压缩以得到所需分辨率的技术称为脉冲压缩。而在频域中,脉冲压缩的本质就是将信号频谱与含有二次共轭相位的频域滤波器进行相乘，脉冲压缩又称为“匹配滤波”。

物理实孔径阵列中,如果要提高增益,必须增加孔径数量;并且设计和处理不够灵活,不能面对各种不同的环境,而虚拟的合成孔径阵列很好的解决了这两点。

2GNSS合成孔径信号模型

假设天线沿x轴做直线运动,t1时刻位于x1,t2时刻位于x2处。不难理解,t1时刻信号代表了空间x1处的采样，也就是说,通过运动,达到了空间采样的目的，示意图如图2所示。

图2　GNSS合成孔径模型空间采样示意图

导航信号的合成孔径阵列天线中一般采用软件接收机的结构,通过天线移动而不是增加天线的方式形成波束,因此,通过在不同时刻不同空间的采样来形成阵列信号。图3是单天线形成的一维合成孔径导航信号的模型图。

图3　单天线合成孔径导航信号模型

合成孔径阵列的参数估计不是使用具有多个天线信号接收器,是通过移动一个单个天线在任意方向上的合成，数据接收器收集在不同时间不同相位的信号。如果在每个周期的数据收集的通信信道是准静态的信道(例如AOA)的参数进行估计,AOA估计对合成阵列有一些好处,例如:它不会受信道间相位、增益和天线元件之间的相互耦合。因此,它不需要校准,这是在多天线阵列处理中必须要考虑的严重问题。图4示出的合成阵列的概念:假设有分布均匀的M个实传感器,这些传感器收集信号的预定时间约tsynthetics.可以收集到M等份的每个传感器所采集的数据,并且无需任何硬件的限制,如果信道状况不会在此期间发生变化,可用于DOA估计传感器的每一部分。合成阵列利用这种特性来创建一个天线阵列，图4直观地显示了这个概念。

图4　合成孔径阵列天线模型

需要说明的是:

1) 整个过程,接收机必须保持跟踪状态;

2) 由卫星运动和伪码相位变化引起的误差必须进行补偿;

3) 为了消除bit翻转的影响,需要估计并剥离电文数据。

合成阵列的信号模型,假设在接收的采样信号中只有导航信号和白高斯噪声信号,假设本地PRN码与接收信号是同步的,则可以得到

(1)

式中: rt为t时刻的方向向量;a为信号幅度;d为导航数据;P为PRN码功率;n为白高斯噪声; Δφ为载波相位差;Tcoh为相干积分时间。

由于卫星的移动和时钟漂移,导航数据和载波相位差要得到补偿。对于波束形成,由于在基带处理器中载波相位被锁相环跟踪,需要相关器的后续补偿,存储的所有载波相位信息回到相关器,所以在补偿的相关器中会得到所有的信号信息。假设在合成阵列处理中,信号功率不会下降很快,补偿的相关器表示为

(2)

(3)

式中:ap为相关器的幅度;N为合成天线的数量。上述相关器可以被写成直线传输信号阵列多维矢量v(ks)的函数。

Pcomp(t0) =spv(ks)

(4)

式中:θ为仰角;φ为方位角;sp为阵列参考点的信号。综上所述,相关器的相关矩阵表达式为

(5)

3合成孔径在导航领域的应用现状及发展趋势

随着科学技术和计算机技术的飞速发展,导航领域也在快速的扩展,而合成孔径运用在导航领域可以说是一个全新的尝试,在很多技术上可以有新的发展。目前合成孔径在导航系统中主要有:1) 波束形成;2) 干扰检测及干扰抑制;3) 多径抑制;4)DOA估计等。

由于合成孔径技术目前尚未成熟发展,也没有实际应用到现存装备中,预测近些年的发展将会有比较大的提升和突破。

3.1　合成阵列波束形成算法

许多的波束形成算法是从实阵列发展而来,但是也可以运用到合成阵列中,用来消除由于卫星移动、卫星钟漂和接收机钟漂引起的相位变化。下列描述的算法皆是线性的;由应用不同可以分别应用到相关前或者相关后。一般来说,干扰消除用于相关前,而多径消除应用在相关后。

1) 延迟求和波束形成算法

这种算法是最基本的波束形成算法之一,可以认为是空间匹配滤波,高斯白噪声通道内的阵列最大信噪比(ASNR),延迟求和算法的权值矢量w数学表达式为

(6)

式中: N为阵列中的天线数量; v(ks)为GNSS直射信号(LOS)的导向矢量。

2) MVDR/MPDR波束形成算法

MVDR(最小方差无失真响应)波束形成算法是在高斯噪声通道中最大似然和最大阵列信噪比(ASNR)场景下的最优选择。这里的噪声包括干扰、多径和白噪声。实际上,MVDR可以看作是空域匹配滤波器,MVDR的权值矢量w可以表示为

(7)

实际中很多参数是很难获取到的,因此可以应用MPDR(最小功率无失真响应)的方法,MPDR的权值矢量w可以表示为

(8)

式中: Rn为无用信号(噪声、干扰、多径)的相关矩阵; Rx为接收信号(信号、噪声、干扰和多径)的相关矩阵; v(ks)为GNSS直射信号(LOS)的导向矢量。

3) LCMV/LCMP波束形成算法

LCMV(线性约束最小方差)/LCMP(线性约束最小功率)是MVDR/MPDR的广域形式。在代价函数上要求乘以一个线性约束，LCMV/LCMP的权值矢量w可以表示为

(9)

式中: Rn为无用信号(噪声、干扰、多径)的相关矩阵; Rx为接收信号(信号、噪声、干扰和多径)的相关矩阵; C为约束矩阵; g为约束矢量。

3.2　GNSS合成孔径发展趋势

1) 干扰检测及干扰抑制

随着单天线接收机抗窄带干扰的日趋成熟,宽带干扰的抑制能力逐渐上升为导航对抗的技术瓶颈。利用天线动态特性以合成孔径技术进行干扰抑制,将进一步扩展现有的天线阵抗干扰性能极限,并且对于提升系统装备、应用装备的导航对抗能力具有重要的意义。

随着卫星导航定位系统在军事领域的使用越来越广泛,作用越来越重要,其必然要面临各种强干扰对抗环境,没有抗干扰能力的军用卫星导航定位系统是没有生存能力的。由于我国的卫星导航起步较晚,干扰是导航卫星接收器的位置估计误差的来源,干扰抑制技术还处于发展阶段。目前,应用于装备中的是发展较为成熟的时/频域干扰抑制技术。卫星星座和大部分军用导航接收机均装备采用时/频域抗干扰技术的接收机，而采用空域干扰抑制技术的天线阵抗干扰接收机还处于原理验证阶段,还需要较长时间才能装备部队。

如果能够在不更改硬件平台的基础上,仅通过算法更新提升现有装备的窄带干扰的抑制性能,具备常规宽带干扰的抑制将能够延长目前装备的寿命,最大化其应用价值。另外,考虑到未来导航设备的民用推广,若能够在少量增加导航接收机体积和价格的前提上提升其在复杂电磁环境中的使用体验,将对民用导航接收机的推广起到积极作用。此外,因天线阵占用面积较大、耗费较高,具备空域抗干扰技术的抗干扰接收机主要装备在舰船、坦克、导弹和飞机等大型军事设备上,且难以与雷达、通信等系统实现硬件共享。从装备发展趋势可以预知,随着装备中电子设备数量日益增加,未来不同电子系统的融合和集成将成为必要的选择，例如,美欧等正在积极研发的融合通信、导航等功能的单兵作战系统就选择通信、导航等共用天线等硬件。由于和其他电子系统复用,考虑成本和体积,单天线是非常合理的选择,而合成孔径技术可以成为单天线抗干扰提供技术支撑。在干扰检测和干扰抑制方向,合成孔径技术将成为未来的一大热门研究方向。目前技术仍不成熟,并未得到广泛推广。

在雷达领域中,合成孔径技术已经得到了广泛的应用,而在GNSS领域中刚刚起步。该技术未来的发展主要趋向于建立合成孔径信号模拟方法拓宽阵列信号的理论,结合阵列天线与合成孔径技术,进一步扩展和丰富阵列信号的理论,进一步得到广泛应用。导航领域抗干扰技术的研究领域,GNSS合成孔径应用在干扰检测和干扰抑制将是一个很有前景的研究方向。

2) 其他领域的发展趋势

国外有学者已经利用GNSS合成孔径技术实现了波束形成、多径抑制、目标成像等应用，这将对现有的雷达、导航、通信领域都将是重要的技术补充。也是GNSS合成孔径发展的重要方向。

4结束语

GNSS具有覆盖广、全天候、高精度、实时定位、多用途等特点,已成为当今国民经济和国防建设中不可缺少的重要空间基础设施。合成孔径技术在雷达领域已经成熟发展了很多年,在导航领域中近些年国内外有了一些发展,但并未形成真正的理论框架。国外文献[2]~[5]及[7]和[8]中对合成孔径技术在导航领域的DOA估计、多径抑制、波束形成等有了一定的研究,但基于硬件设备等的原因,并未真正形成实际应用的有效手段,在干扰检测与干扰抑制中也还并未达到真正的成效。但基于单天线的合成孔径技术在导航领域具有明显的优势,今后也将具有更大的发展前景。

参考文献

[1]谭述森. 卫星导航定位工程[M]. 2版. 北京:国防工业出版社,2010.

[2]BROUMANDAN A,LIN T,MOGHADDAM A . Direction of arrival estimation of ION GNSS signals based on synthetic antenna array[C].//Proceedings of GNSS,2007,Fort Worth Tx,25-25,September, 2007.

[3]PANY T,PAONNI M,EISSFELLER B. Synthetic hased array antenna for carrier/code multipath mitigation. [C].//Proceedings of ENC-GNSS08,Toulouse,2008.

[4]SOLOVIEV A F, VAN GRAAS S. GUNAWARDENA M. Synthetic aperture GPS signal processing:Concept and feasibility demonstration.[C].//Proceedings of ITM09,2009.

[5]SOLOVIEV A,GUNAWARDENA S.Synthetic aperture GPS signal processing for multi-platform antenna configurations: Flight test results and real time implementation [C].//ION GNSS 2004, Long Beach, CA, 2004:1598-1608.

[6]CUMMING I G. WONG F H. 合成孔径雷达成像:算法与实现[M].洪文等译.北京:电子工业出版社,2012.

[7]LIN T, BROUMANDAN A, NIELSEN J. Robust for GNSS synthetic antenna arrays[J].ION GNSS 2009, Session AS, Savannah, GA 22-25 September, 2005.

[8]DE L D S. Navigation accuracy and interference rejection for GPS adaptive antenna arrays[D].Stanford: Stanford University,2007.

[9]冷雪飞,刘建业,熊智.合成孔径雷达在导航系统中的应用[J].传感器技术,2004.23(10):4-7.

何国锋(1991-),男,湖南平江人,硕士生,主要从事卫星导航抗干扰研究。

聂俊伟(1983-),男,山西沂州人,博士,讲师,主要从事卫星导航抗干扰研究。

伍微(1981-),男,湖北秭归人,博士,讲师,主要研究方向为卫星导航接收机DSP实现。

王飞雪(1971-),男,福建长汀人,教授,博士生导师,主要从事卫星导航定位、导航信号体制设计、导航信号处理、电子系统抗干扰等方向的研究。

Based on the Status of Single Synthetic Aperture

Techniques GNSS Antenna

HE Guofeng,NIE Junwei,WU Wei,WANG Feixue

(SatelliteNavigationandPositioningR&DCenter,SchoolofElectronicScienceandEngineering,