一种GPS接收机冷启动抗干扰方法

王江安¹，吴笑峰²

(1. 长安大学 信息工程学院，陕西 西安，710064；

2. 湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭，411201)

摘要：针对现代战争复杂作战环境对卫星导航接收机的应用需求，研究实现GPS抗干扰接收机的关键技术。其步骤为：分析空时零陷和数字波束形成的抗干扰技术，阐述空时零陷与波束形成自适应选择的过程以及天线的布阵策略；对空时零陷和数字波束形成的抗干扰技术分别进行仿真，得出天线增益的3D立体方向图；针对接收机在冷启动时无法获得导航卫星信号的来波方向的问题，提出使用导航卫星历书和惯导模块在接收机启动时进行来波方向估计的方案，实现接收机启动时更强的抗干扰性能。研究结果表明：已知来波方向时，数字波束形成可以比空时零陷获得更强的抗干扰能力；与传统接收机相比，在冷启动时，采用空时零陷坑干扰技术的抗干扰能力至少增加8 dB。

关键词：GPS；空时零陷；波来；抗干扰

中图分类号：TN914.53          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)08-3240-06

An anti-jamming method of GPS Receiver in cold-start mode

WANG Jiangan¹, WU Xiaofeng²

(1. School of Information Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China;

2. School of Information and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract: Based on the fact that the robust of satellite navigation receiver in complex electromagnetic environment is very important in military application, the key technology of GPS anti-jamming receiver was proposed. The procedures were as follows: Space-time nulling and digital beam-forming anti-jamming methods were analyzed, then digital space-time nulling and beam-forming adaptive selection process and the antenna array were explained. Space-time nulling and digital beam-forming anti-jamming methods were simulated separately, so 3D antenna gain patterns of the two methods were obtained. Because the receiver cannot get the direction of arrival wave in cold start mode, a method used navigation satellite almanac and inertial navigation module was proposed, which estimates the direction of arrival wave that can make receiver get stronger anti-jamming ability at the initial start time. The results show that if the wave direction is known, digital beam-forming can get a stronger anti-jamming ability than space-time nulling. The method lets receiver using digital beam-forming at the start time increase more than 8 dB anti-jamming capability than the original receiver which only starts with nulling technology.

Key words: GPS; space-time nulling; beam; anti-jamming

由于卫星导航系统可以提供连续、实时、高精度的位置、速度、时间以及姿态等信息，现代战争对卫星导航系统的依赖性越来越强，但导航信号非常微弱，小功率的干扰就能使卫星导航接收机丧失作用。GPS卫星导航系统^[1-2]以及我国自主研制的北斗卫星导航^[3-4]系统的抗干扰问题引起军方和工业界的高度重视。卫星导航接收机的抗干扰研究经历了时域/频域滤波技术^[5-6]、空域滤波技术的发展，在21世纪初形成了最新的空时自适应抗干扰技术(space-time adaptive processing，STAP)^[7-8]。与前2种技术相比，在不增加阵元的前提下，STAP提高了阵的自由度，同时也增加了抗窄带干扰数目，被认为是GPS抗干扰技术的重大突破。美国海军办公室与加利福尼亚大学电子和计算机工程系合作，早在2000年把STAP算法嵌入GPS接收机的DLL，使捕获和跟踪过程具有更强的抗干扰能力^[9]。美国五月花通信公司(Mayflower Communications Company Inc)研制了GAF(GPS anti-jam filter)，这是一种7个阵元的空时处理器，装备于F-14， F-15，F-18和 F-22战斗/攻击机^[10-11]。国内多家科研院所开展了抗干扰接收机技术方面的研究，但多数停留在仿真实验阶段，量产并列装的成品设备并不多^[12-16]。当已知导航卫星信号来波方向(direction of arrival,DOA)时，使用波束形成技术可以得到比空时零陷更高的抗干扰增益。获得卫星的DOA需要知道卫星星历，而卫星星历必须在捕获和跟踪导航卫星信号后才能得到，若在开机阶段就有非常强的干扰，则无法进行捕获和跟踪。为此，本文作者通过本地惯性导航模块(inertial navigation system,INS)得到接收机姿态和初始位置，并通过事先加载星历，实现开机冷启动时较强的抗干扰能力。

1  系统架构

本方案中，GPS自适应抗干扰接收机采用的是7阵元微带天线，并运用了数字波束形成和空时零陷技术，能够有效对抗压制式干扰。系统工作原理如图1所示。

射频前端处理模块通过7单元天线阵接收GPS卫星的信号，经低噪声放大器和前置滤波器滤波放大后，再与本机振荡器产生的本振信号进行混频而下变频成中频信号，最后经模数转换器将中频信号转变成离散时间的中频信号。数字中频信号经过数字抗干扰(A/J)处理，生成6路波束信号输入数字接收机，进行信号捕获、跟踪与导航数据解算，并将结果输出到用户界面显示。同时，经过抗干扰处理的信号也可以上变频后转发到其他不具备抗干扰能力的接收机上。

图1  GPS抗干扰接收机工作原理图

Fig. 1  Schematic of GPS anti-jamming receiver

2  关键技术设计

2.1  空时零陷抗干扰技术

卫星导航接收机空时自适应抗干扰方法通过天线阵列实现信号零陷，阵列一般为均匀圆阵或均匀线阵，其结构框图如图2所示。每个阵元通道各级延时构成FIR(finite impulse response)滤波，可以在时域去除干扰；从相同的时间延迟节点看，不同的阵元构成了空域的自适应滤波，可以分辨空间干扰源，形成空域零陷抑制空域干扰。

设阵元数为M，时间延迟单元数为P，每个时间延迟单元的时间延迟为△，干扰和噪声在阵元m上的输入为(m=1，…，M)，它在阵元m的第p个延迟节点的输入为(m=1，…，M； p=1，…，P)。定义MP×1非期望输入向量η为

     (1)

假定入射的GPS信号只有直射路径，没有散射多径。设GPS信号在阵元m上的输入为s_m(t)(m=1，…，M)，它在阵元m的第p个延迟节点的输入为(m=1，…，M；p=1，…，P)。定义MP×1期望输入向量为s：

     (2)

空时处理的MP×1输入向量x=s+η为

    (3)

图2  接收机空时自适应抗干扰结构图

Fig. 2  Structure of adaptive space-time anti-jamming receiver

在平稳条件下，空时处理的输出为y=w^Hx。其中，w为MP×1权矢量：

实现空时最优处理必须定义最优准则，在选定的准则下求解最优的权系数。本方案设计拟采用基于功率倒置算法的空时自适应滤波技术，以线性约束最小方差(LCMV)为最优准则。该准则的目的是追求天线阵输出的功率最小，即

            (4)

其中：。在实现过程中，通过多步迭代降维方法，能够及时地根据不断变化的干扰信号对权值进行更新，从而达到消除干扰的目的。

2.2基于数字波束形成的抗干扰技术

数字波束形成的基本思想是利用天线阵的阵方向函数乘积定理，通过在天线阵元上加权以控制天线方向函数，使天线阵动态地在有用信号上产生高增益窄波束。一个阵列经加权求和后，可以将阵列接收的方向增益聚焦在1个方向上，相当于形成1个波束。若要形成多个波束，则可以采用指向不同方向的导向矢量的波束形成器。由于GPS接收机工作时至少需要4颗卫星，所以，采用数字同时多个波束形成技术来增强卫星信号。图3所示为采用N阵元天线同时形成M个波束的原理。

图3  数字多波束形成原理图

Fig. 3  Schematic of digital multi-beam-forming

本方案拟采用如图4所示的圆心处放置阵元的环阵，共有N个阵元，形成M个聚焦波束，则对该阵列结构第i个波束指向的导向矢量为

     (5)

其中：i=1，2，…，M。M个波束的导向矢量矩阵为

     (6)

则波束形成后的输出为

                 (7)

其中：，为阵元的接收信号；，为波束输出；H为共轭转置。

图4  N阵元圆形阵

Fig. 4  N element circular array

2.3  空时零陷与波束形成自适应选择技术

根据以前存储的接收机位置信息或者人工进行位置信息输入以及导航卫星历书，配合惯导模块输出的接收机姿态和方向信息，可以求出导航卫星信号的来波方向。将来波方向信息输出到抗干扰模块，可以直接抑制数字波束形成的干扰，而不需要在接收机启动时先空时零陷抑制干扰，从而可以提高接收机启动时的抗干扰能力，并且在成功定位后，实时更新接收机位置信息和导航卫星历书。只有在卫星历书错误、位置信息错误或者惯导模块损坏时，才能进行空时零陷抑制干扰，只是抗干扰效果有所下降。自适应选择技术流程如图5所示。采用自适应选择技术可以增强抗干扰卫星接收机启动时的抗干扰能力，并且使系统的稳健性提高。

2.4  阵列耦合测量与校正技术

将GPS信号的实际天线阵设计为7单元均匀环阵，其中1个阵元位于圆心，其余6个阵元均匀分布于半径为半波长的圆上，如图6所示。虽然这种方式的天线之间耦合及通道的失配较小，增益达到要求，但仍然不可以忽略，对抗干扰性能会产生不良影响，因此，必须在微波暗室条件下对天线阵列和射频前端进行校正。根据前述抗干扰天线的布阵措施，通过在微波暗室条件下对天线阵列和射频前端进行测试，将存储通道信息，在抗干扰算法中进行校正，进一步提高天线抗干扰性能。

图5  自适应选择技术流程图

Fig. 5  Flowchart of adaptive selection of digital nulling and beam-forming

图6  7单元均匀环阵结构

Fig. 6  7-unit uniform ring array structure

3  性能仿真

经试验测试，调零处理可以产生干信比(即干扰与信号的功率比)48 dB的抗干扰能力，7单元波束形成可以产生大于8 dB的信号增益。下面给出数字波束形成和零陷技术的具体测试结果。卫星信号来自(30°，45°)和(180°，60°)，干扰来向为(110°，30°)。图7(a)所示为经过自适应波束形成后天线的立体方向图。为了便于观察，同时给出其顶视图和转换为(φ，θ)直角坐标的视图，分别如图7(b)和7(c)所示。

很明显，在卫星来向上形成了波束增益，而在干扰来向上形成了零陷。波束和零陷的差距超过65 dB。考虑到来波方向估计的准确性、干扰数目和分布的不确定性以及系统损耗，基本可以达到56 dB。加上卫星信号的扩频增益(27 dB)，总体的抗干扰能力可达干信比85 dB。

在同等条件下，仅采用调零算法的方向图如图8所示。从图8可见：在干扰来向上形成了零陷，其他方向不受影响，零陷的深度超过50 dB。考虑到卫星信号的扩频增益，总体的抗干扰能力达到干信比77 dB。通过对比可见：波束形成与调零的综合处理增加了卫星信号的方向增益和干扰来向的增益零陷，其抗干扰能力大大超过单一调零处理的抗干扰能力。

图7  波束形成的方向图

Fig. 7  Beam-forming pattern

图8  调零天线方向图

Fig. 8  Nulling pattern

4  结论

(1) 提出一种在接收机启动时进行导航卫星信号来波方向估计的方法，在接收机启动时即形成数字波束，可以提高接收机冷启动时的抗干扰能力。

(2) 在普通接收机冷启动时具有的77 dB干信比的抗干扰能力基础上再增加8 dB，达到85 dB干信比的抗干扰能力，为研制高性能抗干扰的卫星定位和导航设备提供了借鉴思路，具有一定启示意义。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-01-20；修回日期：2013-03-22

基金项目：航空科学基金资助项目(20100818020，20100818022)；国家自然科学基金资助项目(61101215，61274026)；中央高校基本科研业务费资助项目(CHD2011JC084)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2011JQ8014)；湖南省科学技术厅科技计划项目(2012GK3102)

通信作者：王江安(1981-)，男，陕西绥德人，博士，从事惯性导航与卫星接收机算法研究；电话：15091772930；E-mail：jawang@chd.edu.cn