星座分布對導航自適應調零系統抗干擾性能影響分析

劉義 張凱 李運宏 麻曰亮

摘 要：????? 自適應調零天線是導航系統抗干擾的主要手段，其抗干擾性能受到多種因素的影響。首先，本文定性分析了自適應調零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素對自適應調零導航系統抗干擾性能的影響。然后，利用數學仿真定量分析典型場景下自適應調零導航系統抗干擾性能。最后，設計了對裝有自適應調零天線的GPS接收機的外場實驗，結合實驗時段星座分布、不同入射俯仰角下自適應調零導航接收機載噪比分析接收機抗干擾性能。外場實驗驗證了理論分析的結果，并得出一些與自適應調零天線零陷、天線方向圖和星座分布等因素有關的結論。

關鍵詞：???? 衛星導航; 自適應; 調零天線; 抗干擾; 零陷; 天線方向圖; 星座分布

中圖分類號：???? TJ760; V324.2+4

文獻標識碼：??? A

文章編號：???? 1673-5048（2022）02-0113-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2021.0135

0 引? 言

全球定位系統已廣泛應用于交通、測繪、移動通信和軍事等眾多領域，其具有全天候、高精度、自動化、高效益等眾多優點，能夠為用戶提供高精度的位置、速度和時間等信息，在多個場合發揮了越來越重要的作用[1-5]。在軍事領域，為了使其能夠適應未來復雜電子環境，各國都開展了衛星導航抗干擾技術研究[6]，在眾多的抗干擾途徑中，自適應調零天線是一種行之有效的方法，己經成為了衛星導航系統抗干擾的主要手段， 對自適應調零技術及其抗干擾性能的研究成為國內外導航與導航對抗領域的研究熱點之一。Dimos等[7]提出了自適應天線進行抗干擾的理論以及數字自適應接收系統的框圖結構。Zoltowski等[8]闡述了GPS系統的自適應算法，選取功率倒置作為算法實現準則。Compton[9]闡述了功率倒置的概念，并對功率倒置天線陣列進行了性能的分析與研究。Gecan等[10]研究了采用LMS算法的GPS接收機的功率倒置天線陣列的性能。董斌等[11]以功率倒置算法為基礎，仿真分析不同布陣方式、天線增益差、干擾功率大小等因素對零陷特性的影響?；诳諘r自適應處理（Space Time Adaptive Processing， STAP）的抗干擾技術也受到廣泛關注，其在不增加陣元數量的同時可以極大提高系統的抗干擾能力[12-14]。

除上述算法等因素之外，自適應調零導航系統抗干擾性能還會受到自適應調零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等的影響。因此，本文定性分析了自適應調零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素對自適應調零導航系統抗干擾性能的影響，利用數學仿真定量分析典型場景下自適應調零導航系統抗干擾性能，并對裝有自適應調零天線的GPS接收機的外場實驗，結合實驗時段星座分布、不同入射俯仰角下自適應調零導航接收機載噪比分析接收機抗干擾性能，外場實驗驗證了理論分析的結果，得出一些與自適應調零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素有關的結論。

1 影響自適應調零導航系統抗干擾性能的因素

自適應調零天線的基本結構，如圖1所示。天線陣由N個陣元組成，若某小區內存在M個用戶，每個用戶對應一套權值，根據設定的接收標準和自適應算法， 使天線陣產生定向波束指向有用信號，減少其他干擾的影響，達到空間濾波的目的。波束賦形單元的復加權系數矢量w由自適應算法處理器進行調整，對自適應調零天線自適應抑制干擾起著決定性的作用。自適應算法的選擇決定了在環境變化時，波束自適應控制的能力和反應速度以及實現算法所需硬件的復雜性。在工程領域，常用的自適應算法包括最小均方（LMS）算法、遞歸最小二乘（RLS）算法、采樣矩陣求逆（SMI）算法以及Howells-Applebaum（HA）算法等[15-16]。

上述自適應波束形成算法，都需要根據具體情況去選擇一個合適的信號作為期望信號，然后以某種設定好的最佳化準則調整系統的參數，逐步使輸出信號接近期望信號[17-18]。由于衛星導航接收機可能接收到的干擾數目以及干擾形式無法事先預知，有效衛星信號的來向和數目也不能預知，因此，要簡單地確立某種固定形式的信號作為期望信號很難做到，而且作為添加到接收機天線上的一個輔助環節，確定信號來向會拖慢處理速度，對實時性造成影響。因此，功率倒置算法是自適應調零導航系統常用的抗干擾算法。

功率倒置算法是基于線性約束最小方差準則（LCMV）建立的，直接將陣列的輸出作為誤差信號，追求均方誤差最小將導致陣列輸出最小。該算法對陣列輸入端的信號，無論是期望信號還是干擾信號都會進行抑制，所以在有不同方向的期望信號和干擾時，其波束圖將在各個有用信號和干擾方向產生零陷。在衛星導航系統中，干擾的功率遠強于有用信號的功率，因而，在干擾處的零陷將遠深于有用信號的零陷，干擾被大大抑制，這樣提高了系統輸出端的信干噪比，起到了抗干擾的作用。

1.1 自適應調零天線零陷

由自適應調零天線的基本原理可知，自適應調零技術通過改變各陣元加權值，在干擾方向形成零陷，以達到抑制干擾的目的，其零陷的深度、大小和位置對導航系統的抗干擾性能有著重要的影響。天線零陷深度是調零天線抗干擾性能的一個重要評價指標。一般來講，在干擾來波方向調零深度越深代表干擾信號通過天線進入的能量越小，即抗干擾能力越強。當干擾信號為寬帶連續波信號，在不同干噪比下，不同調零深度的輸出信干噪比曲線和調零天線方向圖仿真如圖2所示。

1.2 天線方向圖起伏與星座分布

除了在干擾來波方向形成零陷抑制干擾信號以外，干擾環境下調零天線在非干擾來波方向的方向圖會有一定的起伏。這種起伏能達到十幾分貝，在導航應用中對收星信號會有顯著的影響。

文獻[19-20]中已有論證，GPS的定位效果與星座分布有密切的關系。而對于調零天線來講，除了受到星座的影響外，干擾環境下天線方向圖的起伏對收星信號的影響也不可忽視。如圖3所示，在方位角150°～250°區域內天線方向圖出現局部凹陷，會影響該區域的收星效果。

因此，對調零天線抗干擾性能的分析更加復雜，不僅需要考慮天線零陷對干擾信號的抑制，還需考慮天線方向圖起伏對收星信號的影響。這種影響與調零天線的工作環境、干擾信號環境、星座位置有關，只能在典型場景下做定量分析，對整個影響趨勢做定性分析。2 典型環境下自適應調零導航系統抗干擾性能分析

典型場景： 設定調零天線、算法、干擾、星座，獲得未干擾前方向，干擾后方向圖、

獲得干擾前的通信信號幅值、干擾后受天線起伏的影響等信息。

為了進一步說明和驗證以上因素對自適應調零導航系統抗干擾性能的影響，對典型的4陣元調零天線（天線陣元呈Y型分布，如圖4所示）進行仿真，干擾信號采用寬帶連續波信號，使用GPS L1頻點（1 575.42 MHz）進行實驗，對典型干擾環境下的抗干擾性能進行分析。

在單干擾源（入射角度： 方位190°、俯仰-7.5°）環境下狀態穩定后的天線方向圖仿真結果，如圖5所示。

可以看出，在受到干擾時，天線方向圖有以下特點： （1）天線方向圖在干擾信號來波方向產生零陷，調零深度約為68 dB，有效抑制了干擾信號。（2）在干擾信號來波方位兩側各有一處較小的凹陷，該凹陷與權值系數相關。自適應調零天線通過改變各陣元加權值，期望僅在干擾方向形成零陷，而在其他方向陣列增益保持穩定。這在實際中通常無法實現，其不僅在干擾方向產生零陷，在其他方向也會出現凹陷，需要通過權值調整，達到折中。（3）不同來波角度上，調零后天線增益變化不一致： 同一方位上，俯仰角較大處增益變化小，俯仰角較小處增益變化大; 不同方位上起伏較大。

進一步分析受干擾后不同位置天線方向圖起伏，以此推斷受干擾后不同入射俯仰角下對GPS信號載噪比變化。不同位置天線增益如表1所示。

假設入射信號載噪比相同，由表1可推斷干擾后不同入射俯仰角下對GPS信號載噪比變化為： 同一方位上，入射俯仰角較大的GPS信號載噪比下降小，入射俯仰角較小的載噪比下降大; 不同方位上起伏較大。

3 外場實驗結果及分析

3.1 實驗設計

為了驗證對自適應調零導航系統抗干擾性能的影響因素，本文設計外場實驗，對GPS接收機進行高重頻短脈沖式干擾，干擾脈沖寬度為20 ns，重復周期為100 ns。實驗場景如圖6所示。

3.2 實驗結果

實驗結果如表2～3所示。對使用調零天線的GPS接收機，在不同時段干擾起效臨界時所需峰值功率起伏達到17.6 dB（-49.2 dB～-31.6 dB）;? 對使用扼流圈天線的GPS接收機，在不同時段干擾起效臨界時所需峰值功率起伏達到5.1 dB（-56.9 dB～-51.8 dB）。

3.3 結果分析

由實驗結果可知，在表2～3所示時段的外場實驗中，不同時段安裝調零天線的GPS接收機抗干擾性能差異較大（最大可達15 dB以上），安裝普通天線的GPS接收機抗干擾性能卻不大。下面對實驗結果進行分析：

（1） 入射俯仰角對GPS信號載噪比及抗干擾能力的影響當衛星仰角較小時，衛星到接收機的信號傳播路徑較長，信號能量損耗大，發射天線以及接收天線增益小，且易受地面影響，使載噪比降低，抗干擾能力較弱; 當衛星仰角大時，信號傳播路徑較短，信號能量損耗小，受地面影響也較小，載噪比相對較大，抗干擾能力也較強。

從以往的經驗和觀測結果上看，GPS信號入射角越大，GPS接收機收到信號載噪比越大。表4為7月16日使用安裝調零天線的接收機接收衛星（G19星）信號情況，可以看出隨著俯仰角的變小，接收機載噪比變小。

通過數據分析可以得到： GPS信號載噪比與信號入射角度有關聯性，入射俯仰角大的星信號載噪比大。

圖7為對GPS干擾的某次實驗，GPS接收機受擾前后的收星情況。從圖中可以看出，受到干擾后低仰角的衛星信號易被干擾，GPS接收機無法鎖定低仰角衛星; 高仰角衛星信號抗干擾能力強，受到干擾后仍然可以被GPS接收機鎖定。該現象與干擾信號來向相關，實驗中設置的干擾入射方向為低仰角，因此，低仰角衛星更易受到干擾。

（2）調零天線在受干擾時方向圖起伏對GPS信號接收的影響

表5為7月11日外場實驗中安裝了調零天線的GPS接收機受擾前后的載噪比變化，可以反映出天線方向圖在受到干擾前后的變化，載噪比下降大說明在該信號入射角度方向天線出現下凹情況大。將表5數據與圖5所示天線方向圖比較，調零后天線增益變化規律和特點基本一致。

表6～7為實驗分析結果表。對調零天線GPS接收機，從干擾使收星數目減少到干擾起效，到達接收機天線干擾信號電平變化6.8 dB左右。

通過上述分析可知，在實驗設置的典型場景下，調零天線在受干擾時方向圖凹陷造成GPS信號載噪比在不同來波角度上的下降幅度不一致，入射俯仰角較大的GPS信號載噪比下降小，入射俯仰角較小的載噪比下降大，一定程度上放大了信號載噪比與入射角度的關聯度。

（3） GPS衛星星座分布與干擾效果間關系分析

從以上分析可知，自適應調零導航系統的抗干擾能力與GPS星座分布具有密切關系; 在實驗的典型環境下，使用調零天線放大了GPS接收機抗干擾能力與GPS星座分布間的關聯度。下面通過實際的實驗數據進一步展開討論。

圖8為不同時間的GPS星空圖。

根據前面的分析，高仰角的星其信號難以被干擾，則這兩個時間段的抗干擾性能較好。實驗結果見表2中7月10日11：40～13：50、7月11日12：50～13：30時段測試結果。

圖9為7月10日不同時間段的GPS星空圖。

分析可知， 星空圖高仰角的星較少時的抗干擾性能較差。 實驗結果見表2中7月10日9：30～10：10時段測試結果。

4 結 束 語

本文分析了自適應調零天線零陷、天線方向圖起伏和星座分布等因素對自適應調零導航系統抗干擾性能的影響，得出一些結論：

（1） 裝有自適應調零天線的GPS接收機抗干擾性能與GPS星空分布密切相關;

（2） 同等情況下，GPS星空分布圖中高仰角的星較多時，GPS接收機抗干擾性能較好;? 反之，抗干擾性能較差;

（3） 在實驗設置的典型環境下，使用調零天線一定程度上放大了干擾效果與GPS來波俯仰角的關聯度。

不同平臺自適應調零天線算法不同，接收天線陣由于元數目和天線排布均可能不同，對應抗干擾性能也存在或多或少的差異，后續將開展更多的實驗，對自適應調零系統抗干擾性能進行更加深入的研究。

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Influence of Constellation Distribution on Anti Jamming

Performance of Navigation Adaptive Nulling System

Liu Yi，Zhang Kai*，Li Yunhong，Ma Yueliang

（Key Laboratory of Optoelectronic Countermeasure Test and Evaluation Technology， Luoyang 471003， China）

Abstract： Adaptive nulling antenna is the main means of anti-jamming for navigation system， and its anti-jamming performance is affected by many factors. Firstly，the influence of the nulling of? adaptive antenna， the fluctuation of? antenna pattern and the constellation distribution on the anti-jamming performance of adaptive nulling navigation system is analyzed qualitatively in this paper. Secondly，the anti-jamming performance of? adaptive nulling navigation system in typical scenes is analyzed quantitatively by? mathematical simulation. Finally，the field experiment of the GPS receiver with? adaptive nulling antenna is designed.

Combined with the constellation distribution in the experimental period and the carrier-to-noise ratio of? adaptive nulling navigation receiver under different incident pitch angles， the anti-jamming performance of the receiver is analyzed. The results of the theoretical analysis are verified by? field experiment， and some conclusions related to the factors such as adaptive nulling antenna null， antenna pattern and constellation distribution are obtained.

Key words： satellite navigation; adaptive;? nulling antenna; anti jamming; null; antenna pattern; constellation distribution