多重天線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)的GNSS接收機(jī)抗干擾方法研究.pdf

1、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）能夠?yàn)橛脩?hù)提供全天候、高精度、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了巨大作用，現(xiàn)已成為各國(guó)積極建設(shè)的國(guó)防及民用基礎(chǔ)設(shè)施，形成了GPS、Galileo、BeiDou-2、GLONASS四大系統(tǒng)并行發(fā)展的格局，并推動(dòng)了GNSS現(xiàn)代化進(jìn)程。
　　GNSS系統(tǒng)存在諸多缺陷，在現(xiàn)代化進(jìn)程中不斷得到改善，因

2、此誕生了新的導(dǎo)航信號(hào)及不同的調(diào)制方式，來(lái)提高系統(tǒng)的服務(wù)性能，但由于頻譜資源有限，越來(lái)越多的信號(hào)擁擠在 L頻段，不同的導(dǎo)航信號(hào)之間形成系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間干擾，并拓寬了接收機(jī)的接收帶寬，由單頻點(diǎn)的幾（十）MHz增加到多頻點(diǎn)的幾百M(fèi)Hz。更嚴(yán)重的是，受限于衛(wèi)星功率及高度，地面接收信號(hào)微弱，大功率的壓制式射頻干擾會(huì)使接收機(jī)無(wú)法工作，這是GNSS現(xiàn)代化無(wú)法解決的問(wèn)題，而成本低廉的壓制式干擾是昂貴的GNSS系統(tǒng)面臨的最大威脅。
　　本文從GNSS

3、信號(hào)特點(diǎn)及接收機(jī)工作原理出發(fā)，以陣列信號(hào)處理理論為基礎(chǔ)研究不同應(yīng)用環(huán)境下采用不同陣列結(jié)構(gòu)的GNSS抗干擾接收技術(shù)，針對(duì)以下問(wèn)題展開(kāi)研究并給出相應(yīng)的抗干擾算法：
　　第一：兼容性及干擾/抗干擾性能的量化度量問(wèn)題。兼容性是 GNSS接收機(jī)正常工作的基礎(chǔ)，也是互操作的前提，本文首先給出傳統(tǒng)及現(xiàn)代化信號(hào)的調(diào)制方式及信號(hào)產(chǎn)生和捕獲原理，根據(jù)信號(hào)特征分析系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間多個(gè)信號(hào)的影響，給出量化參數(shù)；接著給出常見(jiàn)壓制式干擾的信號(hào)模型，并將兼容性評(píng)

4、估方法延伸到壓制式干擾環(huán)境，給出干擾對(duì)信號(hào)影響的評(píng)估準(zhǔn)則與量化參數(shù)，結(jié)合接收機(jī)捕獲性能驗(yàn)證評(píng)估參數(shù)的有效性，作為后續(xù)抗干擾算法研究與性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。
　　第二：GNSS單頻點(diǎn)抗干擾接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用問(wèn)題。對(duì)于單頻點(diǎn)信號(hào)，以相干模型為基礎(chǔ)，根據(jù) GNSS信號(hào)特點(diǎn)研究基于天線(xiàn)陣列的自適應(yīng)波束形成（Adaptive Digital Beamforming，ADBF）相關(guān)算法在GNSS接收機(jī)上的實(shí)現(xiàn)。首先針對(duì)GNSS信號(hào)微弱難以實(shí)現(xiàn)波達(dá)角（

5、Direction of Arrival，DOA）估計(jì)的特點(diǎn)，研究無(wú)需DOA先驗(yàn)信息的全盲自適應(yīng)波束形成技術(shù)，降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)也避免由DOA估計(jì)誤差導(dǎo)致的性能降低；然后針對(duì)接收機(jī)載體的移動(dòng)、抖動(dòng)、翻轉(zhuǎn)特性，研究對(duì)干擾方向具有魯棒性的二維零陷展寬算法，當(dāng)干擾方向偏離零陷方向時(shí)依然能有效抑制；最后針對(duì)ADBF算法在硬件上實(shí)現(xiàn)需要矩陣求逆及大規(guī)模除法的問(wèn)題，給出無(wú)需除法的數(shù)值解算方法，降低系統(tǒng)復(fù)雜度與硬件成本。針對(duì)上述算法通過(guò)軟件模擬器、

6、軟件接收機(jī)、硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的半實(shí)物仿真進(jìn)行性能驗(yàn)證。
　　第三：GNSS接收機(jī)天線(xiàn)陣元受限問(wèn)題。自適應(yīng)天線(xiàn)陣列的性能主要由陣面尺寸與陣元個(gè)數(shù)決定，而GNSS接收機(jī)的移動(dòng)性決定了天線(xiàn)陣列的尺寸受限，L波段進(jìn)一步限制了陣元個(gè)數(shù)，因此與相控陣系統(tǒng)以降低計(jì)算量為目的不同的是， GNSS接收機(jī)需要以有限的陣元數(shù)達(dá)到更好的接收性能。對(duì)此提出密集重疊子陣結(jié)構(gòu)，密集重疊子陣結(jié)構(gòu)不僅充分利用每個(gè)陣元的接收信號(hào)，通過(guò)二級(jí)處理獲得額外的增益，并從結(jié)構(gòu)上避

7、免了子陣輸出的柵瓣問(wèn)題，防止性能惡化。討論兩級(jí)不同的加權(quán)模式對(duì)陣列性能的影響，針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境來(lái)確定適當(dāng)?shù)募訖?quán)方式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該陣列結(jié)構(gòu)相比常規(guī)陣元結(jié)構(gòu)在輸出性能與復(fù)雜度上具有雙重的優(yōu)越性，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了基于空域波束切換——時(shí)域碼相位搜索——頻域多普勒搜索的低復(fù)雜度GNSS抗干擾接收機(jī)。
　　第四：GNSS寬帶信號(hào)與稀布陣列的非相干接收問(wèn)題。針對(duì)多系統(tǒng)多頻點(diǎn)接收機(jī)，給出非相干陣列的寬帶信號(hào)模型，采用空時(shí)自適應(yīng)處理（Space

8、-Time Adaptive Processing，STAP）結(jié)構(gòu)，研究STAP信號(hào)模型及全盲抗干擾算法，并分析STAP結(jié)構(gòu)對(duì)期望信號(hào)的影響。接著對(duì)大尺度陣元間距的非相干稀布陣列研究波束形成方法，分析陣元間距對(duì)DOA及方向圖的影響，以STAP的時(shí)間抽頭加權(quán)補(bǔ)償信號(hào)傳播延遲，將非相干接收信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄喔尚盘?hào)，再通過(guò)相位加權(quán)消除干擾信號(hào)。然后將固定的稀布陣列推廣到動(dòng)態(tài)的多用戶(hù)多天線(xiàn)接收，研究基于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點(diǎn)協(xié)作波束形成方法，給出不