卫星导航抗干扰天线阵列倾角设计方法研究

师 彬

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安710068）

0 引言

接收天线是卫星导航接收机处理卫星信号的首个器件，它将接收到的卫星所发射的电磁波信号变成电压或电流信号，接收天线的性能直接影响整个接收机的定位性能[1]。

卫星接收天线天顶方向的增益最大，为捕获更多卫星信号，天线阵面普遍以水平方式安装，但是在某些特定应用平台上，不支持天线以水平方式固定，并且平台本身在运行过程中也存在一定范围的俯仰角度变化。

本文提出了一种兼顾接收机收星定位能力和抗干扰能力的天线阵列倾角设计方法，并以某导航产品为例，详细描述了天线阵列倾角的完整设计过程。

1 设计原则

天线阵列倾角设计时需遵循以下两个原则：

1.1 收星数目越多越好

平台运行过程中俯仰角不断发生变化，天线阵列相对于水平方向的倾斜角也随之不断变化，为保证平台运行全程具备稳定的收星定位能力，设计的天线阵列倾角需要保证平台运行全程接收到的卫星数越多越好。

1.2 对抗干扰性能的影响越小越好

由于卫星导航接收机整机尺寸限制，天线阵列倾角越大，天线阵面的直径会越小，天线阵子布局后各单元之间的中心间距也会变小，当天线阵子之间的中心间距小于0.4倍接收射频信号波长时，会因耦合过强从而影响到整机的抗干扰性能。因此，天线阵列倾角设计过程中，需保证天线阵面尺寸对抗干扰性能的影响越小越好。

2 设计方法

采用GNSS信号模拟源，在中国及周边区域选取若干点进行仿真试验，统计平台沿东、南、西、北四个方向飞行过程中，阵列天线在不同倾斜角度下的收星数量，分析阵列天线倾斜角度与收星数目之间的关系，确定在保证系统定位性能前提下的倾斜角度可选范围。

在卫星导航接收机整机尺寸的限制下，通过结构仿真软件，仿真阵列天线在不同倾斜角度下的阵面大小，并计算不同阵面尺寸对应的阵子中心间距，确定满足整机抗干扰性能下的倾斜角度可选范围。

综合考虑以上两个因素，确定最佳的天线倾斜角度。

3 仿真分析

3.1 天线倾角对接收卫星数目影响分析

3.1.1 仿真条件

（1）仿真地域：选取国内外多个地区进行采样；

（2）仿真时间：分别在本地时间2021年1月6日的整点时间1时、6时、11时、16时和21时进行采样；

（3）卫星频点：设置卫星导航信号源播发B1I（1561.098MHz±2.046MHz）频点信号；

（4）天线阵列倾斜角度范围：天线与平台夹角0°到60°范围内，每5°进行一个采样。

3.1.2 仿真结果

图1给出了平台在（123°E，26°N）区域运行过程中，阵列天线在不同倾斜角度下的收星情况。其中，横轴为天线相对平台的倾斜角度，纵轴为平台运行过程中的收星个数。

由图1可知：

图1 天线不同倾斜角度对应的收星情况

（1）天线相对平台倾斜角度越大，平台运行过程中收到的卫星数量越多；

（2）当天线相对平台倾斜角度超过35°，接收机在任意时刻均可接收到超过7颗卫星信号。

对国内外其他多个采样点进行仿真分析，存在相同的规律，所以，天线相对平台的倾斜角度最小值为35°，并且越大越好。

3.2 天线倾角对抗干扰能力的影响分析

天线阵面布局如图2所示，采用4阵元十字形布阵方式。

图2 天线阵面布局示意图

阵元中心间距L的计算公式如下：

其中，N表示均匀环形布阵的阵元个数，本产品中N=4；Φ表示阵面直径；r表示阵子半径，本产品选用r=15 mm。

通过结构仿真软件，仿真计算不同倾斜角度下天线阵面的大小，按照式（1）计算不同阵面对应的阵元间距，并最终换算成BDSB1频点信号波长λ（λ≈192 mm）的倍数，如表1所示。

表1 阵面倾角与波长换算关系表

由表1可知：

（1）天线阵面倾角越大，天线阵面直径越小，阵元间距也越小；

（2）当阵面倾角小于40°时，阵元间距大于0.4倍的频点信号波长，40°时已经逼近0.4倍的频点信号波长；

（3）当阵面倾角大于40°时，阵元间距小于0.4倍的频点信号波长，会因耦合过强影响抗干扰性能。

综合考虑天线倾角对接收卫星数目和抗干扰能力的影响，天线倾角最终选定为40°。

4 结语

对于必须进行抗干扰天线阵列倾斜角度设计的平台，本文提出了一种兼顾接收机收星定位能力和抗干扰能力的天线阵列倾角设计方法，为天线阵列倾角设计提供了一种可操作、可量化的设计依据。