卫星导航高精度抗干扰算法研究

张 锐，徐 兵，谢斌斌

卫星导航高精度抗干扰算法研究

张 锐1,2，徐 兵3，谢斌斌1,2

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 陕西省组合与智能导航重点实验室，西安 710068；3 中国人民解放军92321部队，广西 532200）

常用的自适应调零卫星导航抗干扰算法，可以对干扰进行很好的抑制，但自适应调零算法会对卫星信号的相位产生扭曲，导致抗干扰处理后的卫星信号无法用于高精度定位。研究数字多波束抗干扰算法，通过对卫星方向信号约束，达到在抗干扰的同时保证卫星信号相位稳定，实现高精度定位。该算法经分析和实际采样数据仿真验证，可实现强干扰条件下卫星导航高精度定位。

高精度定位；数字多波束形成；抗干扰

0 引言

传统的卫星导航单点定位精度较差，无法满足高可靠、高安全、高精度的应用场景，例如飞行器的着陆/着舰，编队飞行的构型保持、重构以及防碰撞等，通常采用差分技术实现高精度定位功能[1-3]。

正常情况下使用高精度扼流圈天线和高精度差分接收机可以进行差分定位，但因卫星信号到达地面的强度只有-130 dBm，很容易被有意或无意的干扰影响，导致接收机无法进入高精度差分定位甚至无法定位。另外，在一些特殊场合，平台还需使用抗干扰卫星导航天线[4]，国内外抗干扰天线技术大多使用自适应调零算法，可以抑制空间干扰信号，但经抗干扰处理后的数据，不能满足高精度定位需求。

随着技术的进步，目前已经有采用数字多波束抗干扰的设备，采用数字多波束抗干扰技术[5-7]后，抗干扰性能及定位精度得到明显的提升。

本文主要研究数字多波束技术对卫星导航定位的影响，分析在干扰条件下的数字多波束定位性能。

1 信号模型

图1 阵列分布及信号入射示意图

抗干扰的输出为

信号相关矩阵为

2 多波束抗干扰

数字多波束方法通过数据复用方法，实现波束指向多个卫星方向，波束权值计算法方法使用最小方差无失真响应（Minimum Variance Distortionless Response，MVDR）抗干扰算法。多波束并行处理结构如图2所示。

图2 多波束并行处理结构

MVDR抗干扰算法对多路接收数据进行复用，将计算的抗干扰权值与数据同步加权输出，使每个波束都指向特定卫星方向，保证卫星信号无失真叠加。

因卫星接收天线通道的差异，在做波束形成之前需要对通道进行校正，已有相关文献可参考[8]。

计算权值使用的波束指向信息（卫星相对天线阵面的方位信息）由卫星方位信息和天线阵面姿态信息融合得到。

将导航卫星入射方向信息和天线的载体姿态信息进行解析计算，得到多颗卫星在天线坐标系下的来向信息。

卫星相对来向的计算流程图如图3所示[9]。

图3 卫星相对来向的计算流程图

因为七阵元波束指向主瓣（3 dB）宽度为63°，根据前期的测试经验，波束指向误差在5°范围之内不会对波束指向效果产生影响。为了方便应用，可使用电子磁罗盘为多波束天线提供姿态信息，电子磁罗盘的输出的载体水平数据（-倾斜，-俯仰）认为比较精确，但姿态信息中，航向数据精度受地磁环境影响较大，误差较大，如表1所示，可利用跟踪角度数据及根据卫星信息计算的地理坐标系中的指向角度数据对电子罗盘的航向输出进行校正，可以获取高精度的航向信息[10]。

表1 电子磁罗盘技术参数（单位：°）

MVDR抗干扰算法，保证波束指向方向卫星信号无失真通过，同时约束阵列总加权输出信号功率最小，MVDR算法的最优权用优化问题表示为

3 波束指向对输出相位的影响分析

接收信号与参考信号的相关函数定义为

所以式（12）可写为

由式（13）可知，经过MVDR自适应处理后GNSS接收信号与参考信号的相关函数等于原相关函数乘上一复常数。MVDR空域自适应处理只改变相关函数的幅度和初始相位，而对其波形不产生影响。所以空域自适应处理不影响GNSS信号，对GNSS接收机定位精度没有影响。

4 技术验证

多波束抗干扰算法的波束增益与载波相位精度是实现高精度的两个关键指标，下面就对其进行分析。

1）波束指向增益测试[4]

使用北斗接收天线，阵列布局为圆环阵，半径为0.45倍波长，阵元数为7。

七阵元无指向天线收星如表2所示，七阵元多波束收星如表3所示，对应卫星的收星载噪比变化表如表4所示。

表2 无指向时收星情况

表3 七阵元多波束收星情况

表4 七阵元波束增益测试结果

由表2可以看到，七阵元波束天线波束增益在7～9 dB。

2）多波束抗干扰跟踪精度测试

设置干扰信号到达阵面干信比为100 dB，干扰信号带宽为20 MHz，调制方式为二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），方向为（0°，15°），使用七阵元天线阵面，阵元按中心圆环阵排布，圆环半径为0.45倍波长，抗干扰完成后，信号的相关捕获结果如图4所示。

图4 波束抗单干扰后测试结果

GNSS接收机高精度定位主要取决于载波相位精度。多波束抗干扰处理后的数据进行捕获跟踪，记录抗干扰状态下的接收机载波观测量，利用高次差法进行载波相位精度分析（星间差消除钟差，历元间多次差分消除对流层、电离层等误差），结果如图5所示。

图5 载波相位精度分析图

由图5结果可以看出，在无周跳情况下，载波相位精度在0.005 m（0.02周）。

5 结语

为了解决调零抗干扰导致卫星信号相位扭曲，无法进行高精度定位问题，本文研究了数字多波束抗干扰算法，分析多波束算法设计、卫星方位相对变换和接收机捕获跟踪情况精度等。分析结果表明使用该波束抗干扰方法接收机跟踪精度可达到0.02周跟踪精度，可满足接收机高精度定位需求。由于高精度测试需要基准站，下一步工作进行抗干扰下高精度测试环境搭建，分别分析基准站无干扰移动站受干扰、基准站和移动站均受干扰以及动态场景下的高精度定位情况。

[1] 庄皓玥，原彬，张睿. 基于北斗卫星导航系统的差分定位技术性能分析[J]. 现代导航，2018（3）：172-176.

[2] 贾永军，张良，王立兵，等. 北斗高精度定位技术试验研究[J]. 现代导航，2013（6）：391-395.

[3] 房屹光. 无人机编队中的高精度抗干扰相对定位技术研究[J]. 无人系统技术，2021（5）：80-86.

[4] 何子述，夏威. 现代数字信号处理及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，2009.

[5] 章坚武，李杰，何赛灵. 卫星多波束天线对干扰源的抗干扰性能分析[J]. 浙江大学学报（工学版），2005，39（4）：483-486.

[6] 马衍秀，马忠志，李晓东，等. 一种卫星导航接收机固定多波束抗干扰方法[J]. 导航定位与授时，2020，7（1）：104-112.

[7] 张星，张昆，毕彦博，等. 卫星导航接收机中多波束抗干扰技术[J]. 全球定位系统，2012，37（5）：46-51.

[8] 金燕. 基于LMS算法的波束形成天线通道幅相校正[J]. 现代导航，2013（1）：67-72.

[9] 张朋永，车欢，张凤珊，等. 惯导辅助数字多波束指向抗干扰技术研究[C]. 第三届中国卫星导航学术年会，2012.

[10] 耿大孝. 在自动跟踪过程中校正电子罗盘的航向数据[J]. 河北省科学院学报，2005，2（22）：78-80.

Research on High Precision Anti-Jamming Algorithm

ZHANG Rui, XU Bing, XIE Binbin

The commonly used anti-jamming algorithm for adaptive zeroing satellite navigation can well suppress the interference, but the anti-jamming will distort the phase of the satellite signal, resulting in that the satellite signal after anti-jamming cannot be used for high-precision positioning. The digital multi beam anti-jamming algorithm is studied. By constraining the satellite directional signal, the anti-jamming is achieved while ensuring the phase stability of the satellite signal to achieve high-precision positioning. The algorithm analysis and actual sampling data is simulated and verified.

High Accuracy Positioning; Digital Multi-Beam Forming; Anti-Jamming

TN973

A

1674-7976-(2023)-05-339-06

2023-07-11。

张锐（1980.02—），河北曲阳人，高级工程师，主要研究方向为数字信号处理、卫星导航定位。