幅相误差对数字多波束导航抗干扰影响分析

吕潇君，张兆林，王　伶

(西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安　710072)



幅相误差对数字多波束导航抗干扰影响分析

吕潇君，张兆林，王伶

(西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安710072)

针对数字多波束导航抗干扰过程中，由于天线一致性、射频通道误差等因素的影响，数字处理的接收信号幅度和相位将产生误差；以及波束零点对信号的幅相不一致性非常敏感，使利用零陷技术抗干扰的系统性能急剧下降等问题，提出一种幅相误差对数字多波束导航抗干扰影响的分析方法。实验结果表明：幅相误差对数字多波束导航抗干扰产生较大影响，会使系统部分或不能抑制干扰；相比幅度误差，相位误差对数字多波束导航抗干扰性能的影响效果更为明显；在抗干扰之前对信号进行幅相误差校正将大幅改善数字多波束导航抗干扰的性能。

幅相误差；数字多波束导航抗干扰；一致性；自适应；零陷技术

0　引言

基于自适应调零天线的数字多波束导航抗干扰技术正在成为国内外提高卫星通信性能、降低成本的一项关键技术，其利用同一天线口径形成多个独立且相互重叠的窄波束，以实现波束的最佳空域覆盖，并且易于在干扰源方向形成深零陷，从而保证用户接收机在复杂电磁环境下能够正常工作。考虑到在解扩之前，卫星信号湮没在接收机热噪声下，故卫星导航接收机的自适应抗干扰天线，一般都采用基于线性约束最小方差准则的抗干扰算法。其主要的性能指标是干扰抑制比(输入输出干扰功率之比)。理论上，干扰抑制比反比于输入干噪比(干扰噪声功率之比)，但实际中，干扰抑制比受到通道失配的限制。因此，研究数字多波束通道失配对输出信噪比，特别是对干扰抑制比的影响，提高了数字多波束卫星导航自适应抗干扰的稳健性[1]。

N元自适应天线阵包含N路数据接收通道，通道中的各个模块的特性可用幅度特性和相位特性来描述。事实上，器件发热和老化、天线阵周围环境的变化、阵元天线安装误差等，都会引起通道幅相特性的变化，称这些变化为通道失配[2-5]。实际工程中，系统误差都可以归结为阵列幅相误差，如阵元位置误差、阵元通道误差等，这些因素对估计性能影响较大，因此我们讨论的重点是阵列幅相误差。阵列天线的通道幅相不一致会影响自适应算法的准确性，导致抗干扰性能降低甚至失效[6]。

1　理论分析

1.1阵列信号分析

为详细说明幅相误差对数字多波束抗干扰的影响，以N阵元阵列为例，其通道不一致系数矩阵数学模型为

(1)

式中ρi和ψi分别为第i个通道的幅度误差和相位误差，ρi服从高斯分布，ψi服从均匀分布。对于接收天线阵列而言，其阵列流型矩阵[7]为

A″=Γ×A=

(2)

式中：ρi为入射信号数目；υij表示第j个信号入射到第i个阵元相对于参考阵元的相位差，即

(3)

相应地，天线阵的输出则变化为

X(t)=ΓAS(t)+N(t)=A″S(t)+N(t)

(4)

从式(2)可以看出A″相对于A在幅度和相位的变化随着信道不一致增益ρ、相位ψ的变化而变化，2者变化大必然导致A″相对A发生较大变化，从而导致系统的抗干扰性能下降。

1.2自适应多波束抗干扰算法

X(t)=s(t)a(θ0)+J+N。

(5)

则输出信号为

y(t)=WHX(t)=s(t)WHa(θ0)+WH(J+N)。

(6)

固定信号分量增益为1，即WHa(θ0)=1，然后最小化方差，相当于使WH(J+N)的方差最小，所以最优准则为

(7)

本准则要求波束形成的指向a(θ0)已知。当推广到约束多个方向时，一般的线性约束最小方法为

(8)

解式(8)得最优解

(9)

式(9)中C为期望信号的导向矢量，只与信号来向有关，F为约束增益。

(10)

由上面分析可以得出，当期望信号来向一定时，某段时刻数据可以自适应的得到一组权值，从而可自适应抗干扰。已知一颗卫星信号对应一组抗干扰权值，如果存在多颗卫星信号时，多颗卫星信号对应组抗干扰权值，因此从而实现多波束指向。

2　仿真实验及分析

仿真条件：采用七阵元面阵，全球定位系统(global positioning system，GPS)卫星信号输出信干噪比(output signal to interference plus noise ratio，SINR)为-20 dB，干噪比(interference noise ratio，INR)为70 dB，1 000次蒙特卡洛试验，5颗期望信号来向为(0，90)(90，60)(180，60)(270，60)(60，0)，1个干扰信号来向为(90，45)。阵元排列方式以及卫星信号与干扰信号来向如图1、图2所示，分别给出幅度误差和相位误差对数字多波束导航抗干扰的影响分析[10]。

图1　阵元分布图

图2　信号及干扰来向

2.1无幅相误差时数字多波束抗干扰性能仿真

图3为无幅相误差时输入合成信号的频谱图，可以看出当无幅相误差时，与信号频谱图7数据保持一致；图4为无幅相误差时，五波束波束形成及抗干扰方向图，在期望信号方向的增益为常数，在干扰方向处形成深零陷；图5为图4在干扰信号俯仰角45°的剖面图，可以看出在方位角90°处形成深零陷并对准期望信号来向，有效抑制了干扰；图6为抗干扰后合成信号的频谱图，可以看出当不存在幅相误差时，干扰频率46.02 MHz处功率被完全抑制掉。

图3　输入合成信号频谱图

图4　多波束抗干扰方向图

图5　多波束抗干扰剖面图

图6　输出合成信号频谱图

2.2幅度误差对数字多波束抗干扰性能影响

本节主要分析幅度误差对数字多波束抗干扰性能的影响。

图7为当信号存在幅度误差时，输入信号频谱图在相同频率处的功率不同；图8为多波束抗干扰形成方向图；图9为图8的在干扰来向俯仰角45°的剖面图。从图8、图9可以看出，当输入信号存在幅度误差时，系统仍然能够抑制干扰但不能在干扰来向形成深零陷，同时仍能对准期望信号方向。图10反映出在干扰频率46.02 MHz处仍有一定干扰功率未被抑制掉且在期望信号频点处增益降低。

由图11所示，同参考通道相比，其他通道的幅度误差为6 dB时，输出信干噪比要比无误差时低1 dB左右，随幅度误差的增大，输出信干噪比会随之减少。实质上，在有干扰存在时，幅度误差主要影响通道的合成增益，而信号合成增益的具体体现就是零陷的深度，合成增益越小，零陷的深度越小，进而影响系统输出的信干噪比。

图7　输入合成信号频谱图

图8　多波束抗干扰方向图

图9　多波束抗干扰剖面图

图10　输出合成信号频谱图

图11　幅度误差对输出信干噪比影响

2.3相位误差对数字多波束导航抗干扰影响

本节主要分析相位误差对数字多波束抗干扰性能的影响。

图12表明相位误差未对输入信号的频谱图产生影响，从图13、图14可以看出信号存在相位误差时，数字多波束抗干扰不能在干扰处形成零陷，几乎不能抑制干扰。图15表明，当存在30°相位误差时在干扰频率46.02 MHz处干扰功率未被抑制掉，且不能对准期望信来向。

在图16中，随着相位误差的增大，输出信干噪比会随着相位误差的增大而减小，同无误差相比，性能损失将近30 dB。相位误差实际上影响的是主瓣的增益，相位误差越大，波束主瓣指向偏移越大，期望信号方向的增益越小，进而输出SINR越小。

图12　输入合成信号频谱图

图13　多波束抗干扰方向图

图14　多波束抗干扰剖面图

图15　输出合成信号频谱图

图16　相位误差对输出信干噪比影响

3　结束语

本文主要分析了幅相误差对数字多波束导航抗干扰的影响。首先在理论上分析了幅相误差对阵列接收信号的影响，然后通过大量Matlab仿真实验，分析幅度误差和相位误差分别对数字多波束导航抗干扰后干扰零陷深度、干扰位置、输出信干噪比、合成信号频谱图的影响，从分析的结果得到一些结论：幅相误差对数字多波束导航抗干扰产生较大影响，如干扰零陷位置偏移、零陷深度变浅、输出信干噪比SINR下降，不能对准期望信号来向，进而使系统部分或不能抑制干扰，相位误差对数字多波束导航抗干扰性能影响比幅度误差对其影响效果更明显，因此在实际工程中，幅相误差校正的设计是十分必要的。

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Influence analysis of amplitude and phase errors on digital multi-beam navigation anti-jamming system

LV Xiaojun,ZHANG Zhaolin,WANG Ling

(School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an， Shaanxi 710072，China)

Aiming at the problem that the problems that in the process of digital multi-beam navigation interference，due to the influence of antenna consistency，radio-frequency channel error and other factors，the received signal of digital processing may have amplitude and phase errors，and the beam zero is very sensitive to signal amplitude and phase consistency，so that the system performance by null technology declines sharply based on anti-jamming technology，this paper put forward an analysis method about the influence of amplitude and phase errors on the digital multi-beam navigation anti-interference.Experimental result showed that amplitude and phase errors would have a great impact on digital multi-beam navigation anti-interference，making the system partially or do not suppress interference；moveover，the influence of phase errors on the anti-jamming performance of digital multi beam navigation would be more obvious than that of the amplitude error；therefore，the errors of signal amplitude and phase were corrected before the anti-interference would greatly improve the performance of digital multi-beam navigation anti-jamming.

amplitude and phase errors；digital multi-beam navigation anti-jamming technology；consistency；adaptive；null technology

2015-06-30

吕潇君(1989—)，女，山东蓬莱人，硕士研究生，研究方向为无线通信与导航。

TN973.3

A

2095-4999(2016)03-0015-06

引文格式：吕潇君，张兆林，王伶.幅相误差对数字多波束导航抗干扰影响分析[J].导航定位学报，2016，4(3)：15-19,39.(LV Xiaojun， ZHANG Zhaolin，WANG Ling.Influence analysis of amplitude and phase errors on digital multi.beam navigation anti.jamming system[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：15-19,39.)DOI；10.16547/j.cnki.10-1096.20160304.