北斗导航终端抗干扰技术设计与实现

刘小波　练灿明

摘要：卫星导航系统在军事领域发挥着越来越重要的作用，但是卫星导航终端极易受到有意或无意的电磁干扰而无法正常工作，设计具有高抗干扰性能的导航定位终端，可以保障用户在复杂电磁环境下获取可靠的导航定位服务。本文主要介绍了北斗导航终端常见的几种抗干扰技术及特点，简述了数字滤波抗干扰和波束形成抗干扰方法的原理与实现方法，对这些技术的优缺点进行了对比分析，最后阐述了北斗导航终端抗干扰终端的实现方法。

关键词：北斗 导航终端 抗干扰

中图分类号：TN973.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0167-02

1 引言

随着北斗导航定位技术在军事装备中的广泛应用，卫星导航终端容易受到多种形式的有意和无意干扰，在战争中人为有意的干扰危害性更大。

具有抗干扰特性的接收机具有应对复杂电磁环境和敌方主动干扰情况下的精确定位能力，可以显著地提高系统的抗干扰能力。

由于北斗卫星的发射功率较小，到达地面用户接收机时相当微弱（北斗卫星导航信号大约为-160dBW），比接收机热噪声还要低约20dB，从而使得北斗终端容易受到来自地面或近地空间的电磁干扰。使得接收机的载波跟踪环中的热噪声抖动增加，从而增加了伪距测量中的误差，当这些测量值被加入导航解算中，最终将影响接收机的定位精度。因此，在干扰环境下提高北斗导航定位精度，必须采取措施提高北斗终端的抗干扰能力。

对北斗导航终端的干扰大致可分为两种：一是压制式干扰，二是欺骗式干扰。压制式干扰是用干扰机发射很强的干扰信号，阻塞导航终端设备，使微波电路接收的信号无法正确的被处理，而导致接收机性能下降或丧失。欺骗式干扰是利用伪基站发射假的卫星信号，使得导航终端跟踪假卫星而无法获得正确的定位信息。

2 抗干扰处理技术

对北斗导航终端，抗压制式干扰技术主要有数字滤波技术、空间波束形成技术、自适应天线调零技术等几种。

数字滤波抗干扰技术主要包括基于单天线的滤波技术和基于阵列天线的滤波技术。基于单天线的滤波技术包括时域、频域滤波技术两种；基于阵列天线的滤波技术包括空域、空时自适应滤波技术，以及空间波束形成技术。

2.1 时域滤波技术

时域滤波技术可滤除窄带干扰、单频干扰、扫频干扰等，干扰总带宽不大于信号带宽10%。主要运用数字信号处理方法实现可编程IIR/FIR滤波器，能有效抑制大于40dB的干扰信号，但时域滤波技术无法区分干扰信号和有用信号，会对卫星信号造成损失，而降低接收机性能。

2.2 频域滤波技术

频域滤波处理可滤除窄带干扰、单频干扰。该技术是通过离散傅立叶变换（DFT），把接收信号转换到频域进行处理，与时域技术相比，频域处理方法具有滤波过程简单，动态范围大，能提供更大的零陷深度等特点，频域滤波抑制干扰大于45dB以上，干扰总带宽不大于信号带宽10%。

2.3 空域滤波技术

空域滤波技术采用多个阵元的天线阵列，采用干扰信号与有用信号的角度相互独立，将干扰信号分离，使得增益零点指向干扰源方向，从而降低干扰源对有用信号的影响。

空域滤波它利用每个天线阵元收到的信息，通过波束成形中权值的精确控制，同时获得深的零陷和增强的波束增益。空域抗干扰滤波技术可以使导航终端抗干扰能力提高50dB～60dB。

2.4 空时自适应滤波技术

空时自适应处理（STAP）是通过空时联合处理多阵元（空域）与多个时域接收到的数据，使干扰抑制在空时二维空间中进行。空时自适应处理技术克服了空域滤波的不足，在不增加阵元的前提下，提高了阵面的自由度。

空时自适应处理技术是在空域滤波的基础上，在每个天线阵元收到的信号上增加相同数目的延迟抽头，在空时二维空间中进行处理的结构。自适应零陷采用功率倒置准则，迭代采用NLMS算法，在4阵元接收机中，空时处理由4个接收信道构成，每个信道又包含5个抽头，设置天线阵第一阵元的加权系数始终为1，自适应迭代其他支路的权值使天线阵的输出功率最小。合成的天线阵方向图将在干扰方向形成零陷，干扰越大形成的零陷越深。

2.5 空间波束形成技术。

空间波束形成（DBF）技术是利用多阵元空域处理技术，形成指向已收到的卫星方向的波束，来提高卫星信号方向的波束增益，同时抑制其它方向干扰信号波束的作用。

数字零陷滤波技术虽然对干扰方向形成了零陷，但同样使得有用信号的增益有所损失；而空间波束形成技术则在保持对干扰信号零陷的同时，增强了指向卫星方向的有用信号的增益，它能够减少数字滤波技术在干扰信号滤波过程中引起的伪距误差和载波相位误差，具有抗干扰性更好，获得的定位精度更高的特点。

3 数字滤波抗干扰方法的实现

以4阵元天线为例，天线阵元收到的卫星信号经过微波电路的处理，下变频至中频信号，经过AD转换电路，输出数字中频信号，经过频域窄带干扰抑制，空时自适应宽带干扰滤波处理，再DA变换成模拟中频信号。

3.1 频域窄带干扰抑制方法

频域干扰抑制不需要收敛过程，能对快变干扰迅速作出反应，且对干扰的模型不敏感，比较适合用于大功率快时变窄带干扰抑制。频域窄带干扰干扰抑制不仅会带来滤波加窗损失，同时，在频域扣除干扰谱线也会带来信号的失真。因此，如何降低滤波加窗损失和实现最少干扰谱线点数扣除，是本方法的关键技术之一。

3.2 空时自适应宽带干扰抑制方法

按照是否知道卫星方向的先验信息来区分，空时自适应算法分为有约束和无约束两种。无约束空时自适应算法不需要任何先验知识，能使增益零点指向干扰来向，当外部无干扰时，它将建立起近乎均匀半球的增益方向图；约束空时自适应算法需要已知卫星的位置信息、卫星接收机位置信息以及接收天线姿态信息，它使天线阵产生多个窄波束，分别指向并跟踪每颗目标卫星，同时，天线方向图的零点仍指向外部干扰来向。

4 空间波束形成抗干扰设计

空间卫星信号和干扰信号通过天线阵列进入微波射频模拟电路后，同样经过ADC变换后，经过数字波束形成算法模块，分离出干扰信号的波束方向，同时，通过星历数据，获得波束控制权值，对天线阵元送过来的多路数据流进行加权组合，使得对所需接收的卫星方向上增强增益，同时又能够在干扰方向上产生深的宽带零陷。最后经过DAC变换，输出抑制干扰后的中频信号。

空间波束形成算法模块可以分别控制多颗卫星信号的波束，也可以提供多星约束条件下的卫星信号最大输出信噪比。

为获得深的零陷特性，微波射频模块需要设计大动态范围的线性放大器。由于大动态范围线性放大器实现难度大，因此采用自动增益控制技术，可以防止微波射频通路不会出现饱和，因此可以优化信干噪比。图2为4阵元天线抗干扰空间波束形成方法的原理框图。

5 北斗终端抗干扰系统的实现

北斗导航终端系统有两部分组成：一个是抗干扰天线模块，另一个是接收机模块，如图3所示。

北斗导航终端天线接收BD卫星播发的导航信号，经过射频模块的前置滤波、低噪声放大、下变频、中频滤波及放大后得到中频模拟信号，经过ADC变换后送入抗干扰自适应处理单元，经过频域窄带干扰数字滤波后，再以一定的准则进行自适应运算后，给出相应的最优加权量，使各路数字信号的输出按规定的准则达到最佳值。通过调整天线阵各单元的权值控制天线方向图，抗干扰天线在多个干扰方向上同时产生零陷，实现干扰的有效抑制，从而提高输出信干噪比。需要注意的是，由于窄带干扰有可能与有用信号来向相同，如果直接在该干扰方向形成零线，则会将该方向上的有用卫星信号一同抑制掉。为了解决这个问题，需要采用频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的方式，即先分别对中频信号进行频域窄带干扰抑制，抑制掉窄带干扰后，将陷波结果再进行空时自适应处理，抑制掉宽带干扰。

抑制掉干扰的信号送入接收机单元，接收机单元的FPGA对接收的I、Q两路信号进行捕获跟踪，并经过DSP处理单元进行位置解算，输出定位数据。定位数据通过RS232接口送往终端设备。

6 结语

本文对北斗导航终端的抗干扰技术进行了浅析，并给出了一种实现方法。该抗干扰处理模块应用了先进的空时自适应处理技术及空间波束形成算法，提高了抗干扰模块的处理能力，该系统具有应对复杂电磁环境的能力，并能够应对多种干扰信号，可以为用户提供更精确的位置信息服务。

参考文献

[1]何永前.北斗卫星导航系统抗干扰技术研究与实现.舰船电子工程，2014.1.

[2]郭艺.GPS接收机空时抗干扰理论与实现关键技术研究.国防科学技术大学，2007.9.

[3]陈维波.GPS自适应调零天线的研制.煤炭技术，2011.12.