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武漢大學(xué) 現(xiàn)代通信實驗室
摘 要：提出了一種加強(qiáng)GPS衛(wèi)星接收機(jī)抗干擾能力的技術(shù)實現(xiàn)方案，采用自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)以及天線陣的具體實現(xiàn)方式來消除干擾。文中還對自適應(yīng)天線陣所采用的功率倒置的算法做了詳細(xì)說明，并進(jìn)行了計算機(jī)仿真。
關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；衛(wèi)星接收機(jī)；抗干擾；功率倒置算法；自適應(yīng)天線陣
一、 引言
GPS全球定位系統(tǒng)包括三大部分：空間部分GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分GPS信號接收機(jī),接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航和定位工作。GPS接收機(jī)硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成，因接收機(jī)主要依賴于GPS衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號來工作，因此它易受射頻干擾的影響。射頻干擾可能是寬帶的、窄帶的、無意的或有意的。因為射頻干擾不能預(yù)測，當(dāng)它出現(xiàn)時，無論衛(wèi)星發(fā)射的信號是否完好，它都會降低衛(wèi)星信號的完整性。因此研究GPS導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)的抗干擾技術(shù)具有重要的實際意義。本文將提出一種加強(qiáng)GPS衛(wèi)星接收機(jī)抗干擾能力的技術(shù)實現(xiàn)方案。
二、GPS衛(wèi)星接收機(jī)的抗干擾實現(xiàn)原理
圖1為GPS衛(wèi)星接收機(jī)的抗干擾技術(shù)實現(xiàn)框圖。該抗干擾設(shè)計安裝在衛(wèi)星接收機(jī)的前端，只需將接收機(jī)的原天線直接以新式天線陣替換，而不必對接收機(jī)內(nèi)部進(jìn)行變動。主要采用四元自適應(yīng)天線陣。將天線饋源送來的微波信號進(jìn)行低噪聲放大，再將微波頻率變換到中頻然后再進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)，以及A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給DSP進(jìn)行處理。通過DSP實現(xiàn)自適應(yīng)算法進(jìn)行數(shù)字增益控制，根據(jù)信號與干擾傳來方向的不同，自動調(diào)整內(nèi)部參數(shù)使方向圖主波束對準(zhǔn)信號方向，零方向?qū)?zhǔn)干擾方向，從而改變天線陣的方向圖，在干擾源方向形成零陷。天線陣的各單元在A/D變換之前均擁有獨立的接受信道，對信號采樣所得的數(shù)字信號可保留所有的空間信息。一旦選定自適應(yīng)算法，則自適應(yīng)算法的收斂速度完全取決于A/D轉(zhuǎn)換器的抽樣速度。A/D轉(zhuǎn)換器的抽樣速度可以達(dá)到幾百兆赫，這對設(shè)計解決抗干擾問題是非常有益的。
三、功率倒置算法
自適應(yīng)算法中最具代表性的是LMS算法和HA算法。為了實現(xiàn)自適應(yīng)抗干擾，LMS算法需要有參考信號，HA算法需要知道信號的準(zhǔn)確來向。用于軍事領(lǐng)域的定位導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號不可能輕易獲知，而且衛(wèi)星信號隨著衛(wèi)星的不同而不同，所需參考信號的要求也是不一致的。作為GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)要同時接收多顆衛(wèi)星的信號，由此產(chǎn)生參考信號也比較困難。另外，接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號時（比如安裝在艦上），相對衛(wèi)星的位置是不斷變化的，所以，有用信號的來向也難以確知。因此，LMS算法和HA算法都不適合衛(wèi)星接收機(jī)的抗干擾裝置。
如果直接將陣列的輸出作為誤差信號，追求均方誤差最小將導(dǎo)致陣列輸出最小，這就是功率倒置算法。功率倒置算法對輸入端的信號，無論是有用信號和干擾信號均盡可能地加以抑制，所以在有不同方向的有用信號和干擾源時，其波束圖將在有用信號及干擾源方向上產(chǎn)生零點。若信號很弱而干擾很強(qiáng)，干擾將對應(yīng)深零點，因而被大大地抑制，功率倒置算法的優(yōu)點在于不需要預(yù)先知道信號的結(jié)構(gòu)和方向就可在強(qiáng)干擾情況下獲取微弱的有用信號。所以，在衛(wèi)星接收機(jī)的抗干擾裝置設(shè)計中采用功率倒置算法。
功率倒置算法實質(zhì)上是一種具有嚴(yán)格約束條件的自適應(yīng)算法。其約束條件WＴS0=1，其中W=［W0,W１,W２,…WＮ］Ｔ即是要求自適應(yīng)天線陣在任何時候均需保證θ０方向的天線增益為1。令S0=［1,0,…,0］Ｔ,則條件WＴS0=1變成W0=1,即要求第一支路的加權(quán)系數(shù)為1。這種自適應(yīng)天線陣如圖2所示。設(shè):
為避免直接對Rxx求逆，先設(shè)置初值W(0),沿ξ減小的方向調(diào)陣W,即可找到Wopt，這是因為梯度的方向是ξ增加最快的方向，負(fù)的梯度方向就是減小最快的方向，因此，可采用以下的公式來調(diào)整W以尋求Ｗo(hù)pt：
式中 μ為一常數(shù)。
把瞬時輸出功率的梯度▽w┕Ｙ２（t)」作為均方梯度▽wE┕Ｙ２（t)」的近似值，即
四、計算機(jī)仿真
模擬中采用四元均勻平面圓陣為例，分２種情況進(jìn)行模擬仿真。陣元的平面放置圖如圖3所示。
1只存在一個干擾源
假設(shè)有用信號空間到達(dá)角為pi/3,干擾信號到達(dá)角為pi，有用信號功率為0 dBW,干擾信號功率為40 dBW，自適應(yīng)天線陣的方向圖如圖4所示。從圖上可知，功率倒置陣不論對有用信號還是干擾信號均會產(chǎn)生抑制，且信號越強(qiáng)，抑制越深。
2.存在多個干擾
假設(shè)有用信號空間到達(dá)角為0，干擾信號空間到達(dá)角為pi/3,7pi/6，有用信號功率為0 dBW，干擾信號功率為40 dBW，天線陣的方向圖如圖5所示。
3．信號信噪比的影響
當(dāng)輸入信噪比為-40 dB時，輸出信號如圖6所示。當(dāng)輸入信噪比為-60 dB時，輸出信號則如圖7所示。從圖中可知，功率倒置算法對越強(qiáng)的信號，抑制越深。所以信噪比越小，其輸出正弦信號的波形越理想。
五、結(jié)束語
本文闡述了加強(qiáng)GPS衛(wèi)星接收機(jī)抗干擾能力的技術(shù)實現(xiàn)方案，詳細(xì)說明了自適應(yīng)天線陣所采用的功率倒置的算法。從計算機(jī)仿真結(jié)果可以得出，衛(wèi)星接收機(jī)的這種抗干擾設(shè)計是可行的，自適應(yīng)天線陣采用功率倒置算法對一個或多個干擾均有較好的抑制效果，在強(qiáng)干擾下信噪比越小，輸出的有用信號越理想。
參考文獻(xiàn)
［１］李斌穎.天線原理與應(yīng)用［Ｍ］.蘭州：蘭州大學(xué)出版社，1993.
［２］張賢達(dá).現(xiàn)代信號處理［Ｍ］.北京：清華大學(xué)出版社，1994.
［３］邱力軍，魏建設(shè).自適應(yīng)天線通信抗干擾的研究［Ｊ］.電子對抗，1991，（3）.
［４］Blagovest SHISHIKOV,Jun Cheng, Takashi OHIRA. Adaptive Control Algorithm of ESPAR Antenna Based on Stochastic Approximation Theory［Ｊ］.IEICE TRANS. COMMUN,2002，Ｅ８５－Ｂ（４）．
［５］Yukihiro KAMIYA,et al.A Software Antenna:Reconfigurable Adaptive Arrays Bades on Eigenvalue Decomposition［Ｊ］．ＩＥＩＣＥ�。裕遥粒危樱茫希停停眨为�，１９９９，Ｅ８２－Ｂ（１２）．
摘自 電訊技術(shù)
