自适应调零接收机抗干扰能力分析及其对抗方法*

徐煦，曾芳玲，卢振耀

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自适应调零接收机抗干扰能力分析及其对抗方法*

徐煦1，曾芳玲1，卢振耀2

（1.国防科技大学 电子对抗学院，安徽 合肥 230031； 2.中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116021）

自适应调零抗干扰技术能够很大程度改善卫星导航接收机的抗干扰能力，被广泛运用于精确制导武器中，是当前卫星导航对抗问题研究的重点。针对多阵元自适应调零接收机，分别模拟了不同数目干扰源，以及干扰源在入射方位角和俯仰角不同条件下的干扰效果，分析得到接收机抗干扰能力量化值，并提出针对性的对抗方法。结合实验结果和数据得出结论，发现通过调整干扰源数量、以及设置角度，可以有效抑制接收机的抗干扰能力的发挥，从而实现对干扰资源的合理配置，以上结论对进一步研究干扰源布设的优化方法具有较强的实践指导意义。

自适应调零接收机；抗干扰能力；对抗方法；精确制导武器；仿真实验；量化分析

0　引言

卫星导航系统为现代战场提供了精确武器制导和战场态势感知2种主要的位置引导功能，在军事领域的典型运用之一，是在精确制导武器导航制导中的运用，而卫星导航系统特性决定了系统在面对干扰时的脆弱性。以GPS信号在地面接收的信号功率为例，L1频段C/A码预期最大值为-153 dBW，而通常热噪声功率约-140 dBW，天线接收到的C/A码信号强度低于环境噪声基地近20 dB，其微弱程度使其极易受到干扰信号影响，因此卫星抗干扰问题，成为各军事强国的研究热点。目前，在用户接收部分采取多阵元的自适应调零天线技术是比较有效的一种手段，也是卫星导航接收机抗干扰的主要技术，如美军“战斧”巡航导航即采用了雷声公司研制的5阵元自适应调零天线，F-16战机则是装配了7阵元的GPS天线阵来提升抗干扰能力；随着“导航战”概念的提出与发展，针对自适应调零接收机抗干扰能力的研究成为卫星导航对抗双方共同关注的重点。

目前，针对自适应调零接收机的抗干扰研究主要在于对阵列信号处理技术、自适应算法设计的研究，以求提升阵列天线自适应抗干扰能力，如文献［1-7］；而围绕自适应调零接收机对抗方法展开的抗干扰能力研究目前还很少，多在于定性研究，部分定量仿真则缺乏一定的数值分析，不足以形成具体可参考的结论。文献［7］研究了不同阵型自适应调零接收机应对干扰的零陷能力，文献［8-9］探究了针对4阵元自适应调零接收机的干扰源布设角度的影响，综合来看，以上研究结论仍限于干扰源个数小于阵列天线自由度的情况，且缺乏量化数值分析。文献［10-11］较为细致地分析了基于功率倒置（power inversion，PI）算法的多阵元自适应调零接收机应对多干扰源的情况，并提出了具体的对抗策略，研究思路及方法具有重要参考价值。本文以5阵元、7阵元自适应调零接收机为研究对象，将仿真实验与数据分析相结合，考察不同干扰源布设情况下的多阵元自适应调零接收机的抗干扰能力，并给出干扰数量设置和干扰角度建议，以形成更具针对性和实践价值的对抗方法。

1　自适应调零接收机模型分析

1.1　自适应调零接收机基本原理概述

自适应调零接收机基于自适应阵列处理技术，其核心问题是通过调整各阵元的权值，实现对有用信号的有效接收［12］。此处提到的有效接收包含2方面：①使阵列方向主瓣对准期望的信号方向；②实现对干扰信号方向的有效抑制。围绕2方面结合应用，进而诞生了自适应调零技术。目前，主要有3种最常用的最优波束形成准则：最小均方误差准则（minimum mean squared error，MMSE），最大信干噪比准则（maximum signal to interference and noise ratio，MSINR），最小噪声方差准则（minimum noise variance，MNV），在不同准则下可以求得相应的最优权矢量［13］。其中，最小均方误差准则需要已知参考信号，最大信干噪比准则需要已知干扰及噪声自相关矩阵以及期望信号方向，最小噪声方差准则需要已知期望信号方向。本文考虑在实际卫星导航对抗运用场景中，通常难以准确获知参考信号信息，选择基于最小噪声方差准则的自适应调零接收机进行仿真实验。

1.2　多阵元自适应调零接收机天线阵列结构分析

则相应的相移为

则导向矢量可以表示为

已知5阵元、7阵元均匀圆心阵天线几何结构如图1所示，依据式（2），（3）可求得各自导向矢量。

图1 　5阵元、7阵元均匀圆心阵天线几何结构

Fig. 1 　Geometric structure of 5-element and 7-element uniform circular center array antenna

在目标信号个数为的情况下，可获得导向矢量矩阵为

2　自适应调零接收机抗干扰能力及对抗方法

2.1　接收机应对不同数量干扰源能力及对抗方法

2.1.1参数设置与仿真

图2 　干扰源1，2分别对5，7阵元接收机干扰效果

图3 　干扰源1～3分别对5，7阵元接收机干扰效果

图4 　干扰源1～4分别对5，7阵元接收机干扰效果

图5 　干扰源1～5分别对5，7阵元接收机干扰效果

依据仿真结果，分别计算接收机抗干扰能力概略值，结果记录如表1所示。

表1 　多阵元自适应调零接收机抗干扰能力概算值/dB

2.1.2结果分析

对于阵元的自适应调零接收机，其原理决定了当干扰个数大于阵元自由度（-1）时，接收机将失去准确零陷的能力，该结论也可由仿真结果得出；然而在实际作战运用中，往往面临着可调配干扰资源有限的情况，此时则可以考虑通过增加干扰源个数抑制自适应调零接收机能力的发挥。由实验数据可得，干扰源数量的增加可在一定程度上有效抑制自适应调零接收机抗干扰能力提升程度。对于5阵元、7阵元均匀圆心阵自适应接收机，干扰源数量由3个增加至4个时产生的抑制影响最为显著，可分别使5阵元、7阵元接收机抗干扰能力减弱约34 dB，40 dB。

2.2　接收机应对不同入射方位角的干扰源能力及对抗方法

2.2.1参数设置与仿真

图6 　干扰源1，2入射方位角夹角为5°时分别对5，7阵元接收机干扰效果

图7 　干扰源1，2入射方位角夹角为10°时分别对5，7阵元接收机干扰效果

2.2.2结果分析

分别对比图6～8中5阵元与7阵元的均匀圆心阵自适应调零接收机的抗干扰能力表现，可以得出干扰源入射方位角夹角减小，对接收机的干扰效果增强。图中对于5阵元接收机而言，干扰源入射方位角夹角为10°时相比于入射方位角为30°的情况下，可使得接收机抗干扰能力减弱约7 dB。同时，当干扰源入射方位角夹角小于10°时，接收机零陷能力会受到一定影响。当夹角设置在5°时，根据图6可知各阵元接收机易出现不同程度的零陷位置错误情况，该情况在实际运用场景中一般体现为不同的2个干扰源被等效为同一干扰源抵消，从而造成干扰资源的浪费。

2.3　接收机应对不同入射俯仰角的干扰源能力及对抗方法

2.3.1参数设置与仿真

图9 　干扰源俯仰角设置为（15°，15°，15°）时分别对5，7阵元接收机干扰效果

图10 　干扰源俯仰角设置为（30°，30°，30°）时分别对5，7阵元接收机干扰效果

图11 　干扰源俯仰角设置为（60°，60°，60°）时分别对5，7阵元接收机干扰效果

在重复实验的过程中发现，针对5阵元接收机，其干扰源俯仰角参数设置范围扩展至70°时，实验数据可对比形成结论，该设置情况下的仿真结果如图12所示。

图12 　干扰源俯仰角设置为（70°，70°，70°）时对5阵元接收机干扰效果

依据仿真结果，分别记录目标信号接收增益、计算各接收机抗干扰能力提升水平概略值，并记录数据。其中5阵元接收机应对不同入射俯仰角的干扰源时，目标信号接收增益及抗干扰能力如表2所示。

表2 　5阵元接收机应对不同入射俯仰角的干扰源的能力

7阵元接收机在应对不同入射俯仰角的干扰源时，其目标信号接收增益及抗干扰能力如表3所示。

表3 　7阵元接收机应对不同入射俯仰角的干扰源的能力

2.3.2结果分析

当干扰源入射方位角一定时，入射俯仰角相同的情况下，干扰源对自适应调零接收机的抗干扰能力抑制程度优于俯仰角不同的情况，且根据实验数据显示，在上述干扰设置背景下，5阵元接收机干扰源俯仰角统一设置在60°，7阵元接收机干扰源俯仰角统一设置在30°为宜。

3　结论

本文分别考察了以干扰源数量、干扰源入射方位角以及干扰源入射俯仰角为变量时，5阵元、7阵元均匀圆心阵自适应调零接收机抗干扰应对能力，并结合实验结果和数据，给出干扰数量设置和干扰角度建议。经分析得结论如下：

（1）面对干扰资源有限的情况时，可通过增加干扰源个数抑制自适应调零接收机抗干扰能力的发挥。对于5阵元、7阵元的均匀圆心阵，干扰源数量由3个增加至4个时影响最为显著，可分别使5阵元、7阵元接收机抗干扰能力减弱约34 dB，40 dB。

（2）干扰源在设置方位角时可集中设置，适当减小夹角以增强干扰效果，但也应当避免因角度过小，接收机出现零陷错误而造成的干扰资源浪费情况，在该仿真中针对5阵元、7阵元均匀圆心阵，干扰源入射方位角夹角设置应不小于5°。

（3）当干扰源入射方位角一定时，俯仰角统一布置对自适应调零接收机抗干扰能力的抑制效果优于分散布置情况下的效果，在该仿真实验中，5阵元、7阵元接收机干扰源俯仰角分别统一设置在60°，30°为宜。

以上结论对于进一步研究针对自适应调零接收机的多干扰源优化布设方法具有重要参考价值。

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Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver

XUXu1，ZENGFangling1，LU Zhenyao2

（1.College of Electronic Engineering， National University of Defense Technology， Hefei 230031， China； 2.PLA 91550 Troops， Dalian 116021， China）

Adaptive nulling anti-jamming technology can greatly improve the anti-jamming ability of satellite navigation receiver. It is widely used in precision guided weapons. It is the focus of current research on satellite navigation counter-measure. This paper simulates the anti-jamming performance of multi-element adaptive nulling receiver in the face of jamming sources with different numbers， different incident azimuth angles and different incident pitch angles， quantitatively analyzes the improvement of the anti-jamming ability of the receiver， and puts forward targeted counter-measure schemes. Based on the experimental results and data， it is found that by adjusting the number of interference sources and the setting angle， the anti-jamming ability of the receiver can be effectively suppressed， so as to achieve a reasonable allocation of jamming resources. The conclusion has a strong practical guiding significance for the further study of the optimization strategy of jamming source deployment.

adaptive nulling receiver；anti-jamming ability；countermeasure scheme；precision guided weapon；simulation experiment；quantitative analysis

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.003

TN973.3；TN975；TN967.1

A

1009-086X（2023）-04-0016-09

徐煦, 曾芳玲, 卢振耀.自适应调零接收机抗干扰能力分析及其对抗方法[J].现代防御技术,2023,51(4):16-24.

XU Xu,ZENG Fangling,LU Zhenyao.Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver[J].Modern Defence Technology,2023,51(4):16-24.

2022 -06 -20 ;

2022 -11 -07

徐煦(1995-)，女，安徽淮南人。助工，硕士，研究方向为卫星导航对抗。

230031 安徽省合肥市蜀山区黄山路460号 E-mail：bbxb4_xu@139.com