基于降维空时自适应信号处理的多阵元宽带干扰抑制方法

李纯标，时小飞，杨开伟

（1.92941部队，葫芦岛 125001；2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）

技术研究

基于降维空时自适应信号处理的多阵元宽带干扰抑制方法

李纯标1，时小飞2,3，杨开伟2,3

（1.92941部队，葫芦岛 125001；2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）

为了有效抑制宽带压制干扰，本文采用降维空时自适应信号处理算法，对干扰位置固定星位置变化和星位置固定干扰位置变化进行仿真，在不增加导航接收机设计复杂度和运算量的情况下，实现宽带干扰的有效抑制。

多阵元；宽带干扰；自适应

1 引言

常见的压制式干扰分为窄带干扰和宽带干扰两类，单纯的时域或频域滤波可有效抑制窄带干扰，但对宽带干扰却无能为力；单纯的空域滤波对窄带或宽带干扰在干扰方向均产生一个整个接收机带宽的凹槽，无法同时做到频域和空域选择性滤波；2000年Fante首次较为完整地论述了空时自适应滤波（STAP）在抗干扰GPS接收机中的应用，很好地解决了频域和空域同时进行选择性滤波的问题[1]。

与其他干扰不同方向的单个窄带干扰会占据一个空域自由度。在没有剩余空域自由度的情况下，增加一个不同方向的窄带干扰就意味着需要增加一个阵元。这不仅会带来天线体积的增大，也会带来运算量的增大。

在不增加导航接收机设计复杂度的情况下，为了有效抑制宽带压制干扰，提高接收机的抗干扰性能，本文采用降维空时自适应信号处理算法，实现宽带干扰的有效抑制，实现流程如图1所示。

图1 抗宽带压制式干扰信号处理单元实现流程图

2 宽带干扰抑制原理

2.1 宽带干扰抑制算法

2.1.1 空时自适应处理结构

空时二维处理的思想是将一维的空域滤波推广到时间与空间的二维域中，形成空时二维处理的结构。Brenan首先提出了空时二维处理的思想，最早的应用是机载雷达，在高斯杂波背景加确知信号的模型下，根据似然比检测理论导出了一种空时二维处理自适应处理结构，称为“最优处理器”。

2.1.2 无约束功率对消结构

实际工作中，卫星导航接收机可能接收到的干扰数目以及干扰形式无法做到事先预知。尽管在得到有效历书及当前接收机概略位置的前提下，结合当前本地时间可以得到卫星导航信号的来向和数目，若没有惯导或微机械惯性测量单元等外部设备的辅助，确定天线的姿态也较为困难。因此，很难确定采用何种固定形式的信号作为期望信号。这种情况下无约束功率对消空时自适应算法是比较合适的选择，本系统采用无约束功率对消空时自适应算法进行宽带干扰抑制。

无约束空时自适应算法应用在无先验知识的情况下，即有用信号和干扰信号的来波方向未知。无约束空时自适应算法的最佳化准则是使滤波器输出功率最小[2]，即MwinPout=E{y(n)2}。

图2 宽带无约束功率对消结构

无约束功率对消结构见图2，天线阵共有M个阵元，第一阵元通道作为主通道，第二至M通道作为辅助通道，每个辅助通道后有一个N阶FIR滤波器，FIR滤波器各抽头输入信号如图所示。令输入信号为x1( n),...,xM(n) ，则阵元m后的FIR各抽头输入信号为xm1(n)=xm(n)，xm2(n)=xm(n−1)，…，

ξ取最小值的最佳权Wopt可由令ξ对W的梯度为零求得

3 多阵元宽带干扰抑制仿真实验

3.1 干扰位置固定星位置变化

结合项目背景，下面给出了4元和5元的均匀圆阵、圆面阵的抗干扰能力分析，采用抗干扰算法为无约束旁瓣功率对消算法。我们选择空间位置上输出SINR高于门限区域面积占电扫描空间半球总面积的百分比作为评价指标，来衡量不同阵列形式的抗干扰性能[5]。表1～表2给出了各种阵列形式的性能指标。

表1 均匀圆阵和圆面阵干扰抑制性能对比（俯仰0～90°）

由此可见，对于无约束旁瓣功率对消算法，均匀圆阵抗干扰性能要优于圆面阵。

表2 均匀圆阵和圆面阵干扰抑制性能对比（俯仰0～70°）

3.2 星位置固定干扰位置变化

图3 四颗卫星各自输出SINR都高于-33dB的重合区域（红色区域）

采用功率对消算法，各阵元通道理想，延时单元数选为10。考虑一颗卫星位置固定，俯仰角为arcsin(2/3)，方位角为45º；宽带干扰一个，俯仰角改变步长为2度，方位角改变步长为2度，从空间不同方向入射时系统输出SINR参数见结果。

图4 四颗卫星各自输出SINR都高于-32dB的重合区域（红色区域）

图5 四颗卫星各自输出SINR都高于-33dB的重合区域（红色区域）

图6 四颗卫星各自输出SINR都高于-32dB的重合区域（红色区域）

图7 四颗卫星各自输出SINR都高于-33dB的重合区域（红色区域）

图8 四颗卫星各自输出SINR都高于-32dB的重合区域（红色区域）

4 结束语

本文通过宽带干扰抑制原理分析，采用降维空时自适应信号处理方法，对干扰位置固定星位置变化和星位置固定干扰位置变化进行仿真，仿真结果表明在不增加导航接收机设计复杂度的情况下，有效抑制宽带压制干扰，提高了接收机的抗干扰性能，采用降维空时自适应信号处理算法，实现宽带干扰的有效抑制。

[1] 狄星珉．抗干扰接收技术研究[D]．国防科学技术大学博士学位论文，2006

[2] 狄星珉，张尔扬．一种多级抗干扰接收机设计．通信学报，2005.11.26(11):82-86

[3] 孙晓昶．空时抗干扰技术研究[D]．国防科学技术大学博士学位论文，2003

[4] Mohamed,E.A.，王永芳，谈展中．用于接收机的自适应算法抗干扰性能比较[J]．北京航空航天大学学报，2006.5.32(5):561-566

[5] D. S. De Lorenzo. Navigation accuracy and interference rejection for GPS adaptive antenna arrays. Ph.D. dissertation, Stanford University, Stanford, CA, 2007.

Multi Array Element Broadband Interference Suppression Method Based on Reduced-Dimension STAP

Li Chunbiao1, Shi Xiaofei2,3, Yang Kaiwei2,3
(1. Unit 92941, PLA, Huludao, 125001; 2.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang, 050081; 3. State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology, Shijiazhuang, 050081)

In order to effectively suppress the broadband suppression interference, the reduced-dimension STAP (space-time adaptive processing) algorithm is used to simulate the interference fixed position and satellite changed position, the situation of satellite fixed position and interference changed position is also concluded. The simulation shows that the effective suppression of wideband interference is achieved without increasing the complexity of the design and the computation of the navigation receiver.

Multi Array Element; broadband interference; self-adaption

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.001

TN96文献标示码：A

1672-7274（2017）03-0001-04