导航抗干扰接收机中通道误差的影响及校准方法

李　强，王　昊

(南京理工大学，江苏 南京 210094)



导航抗干扰接收机中通道误差的影响及校准方法

李强，王昊

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

摘要：针对导航抗干扰天线阵列的通道间幅相误差对抗干扰性能的影响问题，分析了接收机部分幅相误差的形成原因。并通过Matlab软件分析了在单通道存在幅相误差和多通道均有幅相误差的情况下，对抗干扰性能进行仿真，总结了不同幅相误差造成的影响。最后给出了在数字处理部分校准通道幅相误差的方法，该方法只需在测试或组装前进行一次校准操作即可。给出的仿真结果证明了该方法的能够有效校准通道的幅相。

关键词：抗干扰;通道误差;导航;FFT校准

0引言

导航接收部分，主要是通过处理各路通道接收的数据，提取出幅度和相位信息，通过空时算法算出权值，使方向图上的零陷对准干扰，实现滤波及抑制空间干扰[1]。然而天线与数字处理部分的通道误差却使得零陷偏移干扰方向，降低了抗干扰的性能。因此，研究幅相误差对自适应阵列性能的影响是自适应阵列在应用中首先要考虑的问题[2,3]。

结合目前做的导航抗干扰项目中遇到的幅相误差在未校准情况下，搜星和抗干扰效果不理想，首先分析了幅相误差对LCMV算法产生的零陷的影响，最后提出了一种辅助信号源[4]，在数字部分做一次FFT校准，将校准值写入存储器，以后可以直接调用，不需要再校准。同时也避免了对人力、物力资源的需求，有精确、简单和灵活的优点。

1通道误差分析

1.1误差来源

在导航抗干扰接收机系统中，由于从接收阵元到数字处理部分还有滤波器、低噪放、射频端以及各部分间的连线，最终影响各通道间信号的幅度、相位和群时延。其中群时延的误差会通过角频率的作用体现在相位误差上，因此影响波束性能的主要因素可以归结为幅度误差和相位误差[5]。北斗导航抗干扰接收机系统如图1所示。

图1　导航抗干扰接收机系统图

1.2误差模型

考虑4元圆阵，间距为d，Γ为通道幅相不一致系数矩阵，n(t)为通道噪声向量。为了方便对比，下面的仿真使用一个干扰信号，其复包络为J(t)，导向矢量为A0。则用向量形式表示的接收数据模型为：X(t)=ΓA0J(t)+n(t)。

式中，Γ=diag[r1,r2,r3,r4]，其中令ri=Aiejφi，Ai、φi分别表示第i个通道的幅度误差和相位误差[6,7]。

2对抗干扰的影响

本文中的天线阵列为4元圆阵，阵元间距为半波长。方向图的主要性能指标包括：零陷增益、零陷方位角和零陷对应的频率等[8]。为了更清晰地对比误差对抗干扰的效果，下面将分单通道误差和多通道不一致的误差来分析。

2.1单通道误差及影响

本系统总共有4路通道，在Matlab中测试第2路的幅度相位误差对整个系统抗干扰性能的影响。先用Matlab产生方向为(20,20)的点频干扰，用空时算法算出权值[9]，并用方向图乘积定理画出三维方向图。

对比了在以下4种情况下的抗干扰零陷效果：没有误差、仅有幅度误差(90%)、仅有相位误差(5°)以及同时有幅相误差(90%，5°)的情况如图2所示。

图2　幅相误差抗干扰效果对比图

由图2可得到：单通道幅度误差会使零陷发散，且深度变浅；单通道相位误差会使零陷角度偏移，且深度变浅；单通道幅相都有误差会使零陷偏移发散，严重影响抗干扰效果。

2.2多通道误差及影响

为了观察多通道幅相误差情况下，抗干扰的效果，在Matlab里仿真通道误差，随机产生一个误差矩阵：

这时还用(20,20)的干扰来对比，4路通道的幅相误差用模型Γ，产生的零陷如图3所示。

图3　多通道幅相误差抗干扰效果图

由图3可以看出，当多通道存在多通道的幅相误差时，零陷已经严重变形，位置已经偏移了干扰方向，零陷的深度也已经变浅。并且在项目实测过程中，如果不校准，则搜星效果很差。

3FFT校准法

3.1FFT校准原理

为了正确获取4路信号到达数字板的幅度和相位，采用“频率重心校正法”，对4路信号各自做FFT，求出准确的频率、幅度和相位[9]。然后再由数字处理部分按照各路通道的幅相差值，生成一个校正矩阵B=diag[b1,b2,b3,b4]，并在导航模式下，所有通道的信号进入数字处理部分时，便进行幅相校准。

3.2校准实际操作

在成品安装完成后，通过在阵元正上方放置一个信号源[10]，保证到达四阵元的幅相一致。此时在数字板抗干扰处理部分，对FPGA发送命令，切换为校准模式，将接收到的4路128快拍数据分别做FFT，算出各路信号的幅度和相位，以第一路信号为基准，算出其他各路信号与第一路的差值，得到校准矩阵B。

3.3校准后的效果

为了更直观地观察性能，所采用的误差矩阵为2.2节中多通道误差的矩阵，经过校准程序后，得到校准矩阵为：

该校正算法可以将法线方向的信号校准为等幅同相。经仿真测试，带入校准矩阵后，能够恢复理想情况下的抗干扰效果如图4所示，并且在实测中，加入了多个干扰信号，如果幅相误差不进行校准，则抗干扰效果不理想。在通道校准后的抗干扰后，电脑终端从接收机接收到的卫星导航信息，观察到了搜星能达到不错的抗干扰效果如图5所示。

图4　校准后的Matlab抗干扰方向图

图5　校准后的搜星效果图

4结束语

阵列天线的通道一致性是阵列天线进行导航抗干扰的前提，通道间的误差因素将直接影响零陷的角度和深度，进而影响抗干扰的效果。从仿真和实测效果可以看出，本文讨论并实现了一种通道幅相一致性校准方法，通过该方法充分保证了多通道数据的幅相一致性。

参考文献

[1]吕翠改，成传湘，陈国通，等.基于RLS与LMS算法的功率倒置阵列性能评估 [J].西安邮电大学学报，2013,18(1):47-53.

[2]段召亮，杨文津，魏亮.导航接收机测距通道误差源分析[J].无线电工程.2014,44(10):36-38.

[3]见伟，张玉，韩名权．阵列天线通道误差对波束性能的影响分析[J]．无线电工程，2014，44(11):45-48.

[4]阎鲁滨.相控阵天线幅相校正的简单方法[J].航天器工程，2006,15(4):43-45.

[5]段召亮，刘慧越．导航接收机测距通道误差源分析[J]．无线电工程，2009,39(7):36-40.

[6]鲁祖坤，高鹰，石宇，等.基于子空间的幅相误差自校正算法[J].现代导航，2013(4):298-302 .

[7]杨恒，李立萍，李云志.阵列信号幅相一致性校正及FPGA实现[J].微计算机信息，2009(17):230-233.

[8]司伟建，初萍，孙圣和.通道幅相不一致的实时校正方法[J].系统工程与电子技术，2011,33(10):2179-2184.

[9]龚清勇，朱兆达.通道幅相误差快速校正算法在空时自适应处理中的应用[J].南京航空航天大学学报，2008，40(5):655-660.

[10]李彩菊，贾云东，李亚安.基于单辅助源的阵列幅相误差校正方法[J].探测与控制学报，2009(S1):37-39.

Effect of Amplitude-and-Phase Errors on the Performance of Anti-jamming Antennas and Its Channel Calibration

LI Qiang,WANG Hao

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China)

Abstract：For Navigation channel interference between the antenna array amplitude and phase errors on the impact of anti-jamming capability,the causes of amplitude-and-phase errors in receiver portion is analyzed.And Matlab software is used for anti-jamming performance simulation in case of single-channel and multi-channel amplitude and phase errors,and the effect of different amplitude and phase errors is also summarized.Finally,the method in the digital processing section for calibration channel is proposed,which just need one calibration operation prior to testing or assembling.Simulation results prove that the method of amplitude and phase provide an effective calibration for channel amplitude and phase.

Key words：anti-jamming;amplitude-and-phase;Navigation Satellite System;FFT calibration

中图分类号：TN957.8

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-77-3

作者简介：李强(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向：卫星导航、互耦补偿。王昊(1980—)，男，副研究员，主要研究方向：电磁场与电磁波、微带天线。

收稿日期：2015-10-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.20

引用格式：李强，王昊.导航抗干扰接收机中通道误差的影响及校准方法[J].无线电通信技术,2016,42(2):77-79.