基于陣列天線的GPS抗干擾技術研究.pdf

1、衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠全天候為用戶提供準確的導航信息，已經(jīng)在軍用和民用領域得到了廣泛的應用。然而隨著衛(wèi)星導航接收機所處的工作環(huán)境日益復雜、人為干擾技術的不斷提高，衛(wèi)星信號非常容易受到干擾。由于空域抗干擾技術相比于時域和頻域抗干擾技術具有更好的優(yōu)勢，因此，基于陣列天線的空域抗干擾技術成為了衛(wèi)星導航抗干擾領域關注的焦點。本文以GPS為例，研究了基于自適應陣列天線的GPS抗干擾技術。由于GPS導航接收機的最終目的是為了獲得載體導航信息，因此，陣列天

2、線在抑制干擾信號的同時還需要考慮提高衛(wèi)星信號的接收質量。基于此目的，本論文研究了無先驗信息輔助的抗干擾技術、基于期望信號波形輔助的抗干擾技術、基于期望信號角度輔助的抗干擾技術以及期望信號角度失配時的穩(wěn)健抗干擾技術。本研究主要內容包括：
　?、旁跓o先驗信息輔助的抗干擾技術中，針對傳統(tǒng)的零陷形成技術只能在干擾方向形成零陷，而不能在期望信號方向形成波束的缺點，研究了基于信號循環(huán)平穩(wěn)特性的盲波束形成方法。在傳統(tǒng)頻譜自相關重構(SCORE)

3、算法，即LS-SCORE和Cross-SCORE算法的基礎上，分析了循環(huán)自適應波束形成(CAB)算法和約束類CAB算法，并指出這些算法均存在收斂速度慢的缺點。針對此問題，提出了一種基于協(xié)方差矩陣收縮的穩(wěn)健循環(huán)平穩(wěn)波束形成算法。該算法令估計的陣列協(xié)方差矩陣與真實協(xié)方差矩陣的均方誤差最小，采用自適應收縮因子形式的對角加載方法得到一個增強的陣列協(xié)方差矩陣估計值。將此增強后的協(xié)方差矩陣與CAB算法權值代入最小方法無失真響應(MVDR)波束形成器

4、中，得到收縮 CAB方法的陣列權值。仿真驗證了在低功率干擾情況下，所提方法比傳統(tǒng)循環(huán)平穩(wěn)波束形成器的收斂速度快。
　　⑵在期望信號波形輔助下的抗干擾技術中，當參考信號存在延遲時，傳統(tǒng)波束形成方法在不能在期望信號方向形成波束。針對此問題，提出了一種基于期望信號波形輔助的自適應循環(huán)平穩(wěn)波束形成方法。采用矢量跟蹤環(huán)路為循環(huán)平穩(wěn)波束形成器提供期望信號的參考信號，得到一種簡化的Cross-SCORE波束形成器。與傳統(tǒng)Cross-SCORE算

5、法相比，所提算法不需要增加本地控制權矢量，其目標函數(shù)和約束條件均得到了簡化，降低了計算復雜度。此外，在強干擾環(huán)境下，針對 Cross-SCORE算法不能在期望信號方向形成波束的缺點，提出了一種基于稀疏約束的循環(huán)平穩(wěn)波束形成方法。該方法根據(jù)衛(wèi)星信號接收角度相對于陣列天線整個接收空間具有“空域稀疏”的特點，對簡化后的Cross-SCORE算法目標函數(shù)增加陣列響應稀疏約束條件，能夠有效抑制強干擾信號，并且可以在GPS信號方向形成波束。

6、　?、窃谄谕盘柦嵌容o助下的抗干擾技術中，常用的空間譜估計方法不能估計出低信噪比信號的到達角。針對此問題，提出了一種基于慣性導航系統(tǒng)(INS)輔助的陣列天線抗干擾接收機方法。該方法首先需要建立GPS/INS緊組合導航濾波器，用來計算接收機的位置和天線陣列平臺的姿態(tài)，同時下載衛(wèi)星歷書數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的空間位置。然后將不同坐標系下的先驗信息進行轉換，推導出衛(wèi)星信號到達角和導向矢量。為了抑制寬帶干擾信號，提出一種基于期望信號無失真接收的空頻波束形

7、成方法。該方法建立了波束形成器的頻率無失真響應函數(shù)，同時對衛(wèi)星信號導向矢量及衛(wèi)星信號所占的頻帶寬度進行約束，來保證衛(wèi)星信號無失真接收。采用最小輸出功率準則，從空域和頻率域對干擾信號進行聯(lián)合抑制。為了減小空頻波束形成器的計算復雜度，采用多級維納濾波方法對陣列權值進行求解。
　　⑷在期望信號角度失配的穩(wěn)健抗干擾技術中，針對導向矢量失配時，波束形成器性能嚴重下降的問題，首先分析了基于不確定集約束條件和基于幅值響應約束條件下的穩(wěn)健波束形成

8、算法，然后提出了一種基于幅值響應與導向矢量雙約束的穩(wěn)健波束形成算法。該算法首先對衛(wèi)星信號到達角度區(qū)間增加幅值響應約束條件，估計出初始的陣列權值。再將此陣列權值代入新的目標函數(shù)估計出期望信號的導向矢量，并對其進行標準化處理。采用迭代算法更新陣列權值，設置迭代終止條件，當估計的導向矢量收斂于真實導向矢量時，即獲得最優(yōu)陣列權值。該算法避免了不確定集邊界值選取的難點及幅值響應算法中非凸約束條件的轉化問題。仿真驗證了該算法所校正的導向矢量具有較小