星座分布对导航自适应调零系统抗干扰性能影响分析

刘义 张凯 李运宏 麻曰亮

摘 要：      自适应调零天线是导航系统抗干扰的主要手段，其抗干扰性能受到多种因素的影响。首先，本文定性分析了自适应调零天线零陷、天线方向图起伏和星座分布等因素对自适应调零导航系统抗干扰性能的影响。然后，利用数学仿真定量分析典型场景下自适应调零导航系统抗干扰性能。最后，设计了对装有自适应调零天线的GPS接收机的外场实验，结合实验时段星座分布、不同入射俯仰角下自适应调零导航接收机载噪比分析接收机抗干扰性能。外场实验验证了理论分析的结果，并得出一些与自适应调零天线零陷、天线方向图和星座分布等因素有关的结论。

关键词：     卫星导航; 自适应; 调零天线; 抗干扰; 零陷; 天线方向图; 星座分布

中图分类号：     TJ760; V324.2+4

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2022）02-0113-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2021.0135

0 引  言

全球定位系统已广泛应用于交通、测绘、移动通信和军事等众多领域，其具有全天候、高精度、自动化、高效益等众多优点，能够为用户提供高精度的位置、速度和时间等信息，在多个场合发挥了越来越重要的作用[1-5]。在军事领域，为了使其能够适应未来复杂电子环境，各国都开展了卫星导航抗干扰技术研究[6]，在众多的抗干扰途径中，自适应调零天线是一种行之有效的方法，己经成为了卫星导航系统抗干扰的主要手段， 对自适应调零技术及其抗干扰性能的研究成为国内外导航与导航对抗领域的研究热点之一。Dimos等[7]提出了自适应天线进行抗干扰的理论以及数字自适应接收系统的框图结构。Zoltowski等[8]阐述了GPS系统的自适应算法，选取功率倒置作为算法实现准则。Compton[9]阐述了功率倒置的概念，并对功率倒置天线阵列进行了性能的分析與研究。Gecan等[10]研究了采用LMS算法的GPS接收机的功率倒置天线阵列的性能。董斌等[11]以功率倒置算法为基础，仿真分析不同布阵方式、天线增益差、干扰功率大小等因素对零陷特性的影响。基于空时自适应处理（Space Time Adaptive Processing， STAP）的抗干扰技术也受到广泛关注，其在不增加阵元数量的同时可以极大提高系统的抗干扰能力[12-14]。

除上述算法等因素之外，自适应调零导航系统抗干扰性能还会受到自适应调零天线零陷、天线方向图起伏和星座分布等的影响。因此，本文定性分析了自适应调零天线零陷、天线方向图起伏和星座分布等因素对自适应调零导航系统抗干扰性能的影响，利用数学仿真定量分析典型场景下自适应调零导航系统抗干扰性能，并对装有自适应调零天线的GPS接收机的外场实验，结合实验时段星座分布、不同入射俯仰角下自适应调零导航接收机载噪比分析接收机抗干扰性能，外场实验验证了理论分析的结果，得出一些与自适应调零天线零陷、天线方向图起伏和星座分布等因素有关的结论。

1 影响自适应调零导航系统抗干扰性能的因素

自适应调零天线的基本结构，如图1所示。天线阵由N个阵元组成，若某小区内存在M个用户，每个用户对应一套权值，根据设定的接收标准和自适应算法， 使天线阵产生定向波束指向有用信号，减少其他干扰的影响，达到空间滤波的目的。波束赋形单元的复加权系数矢量w由自适应算法处理器进行调整，对自适应调零天线自适应抑制干扰起着决定性的作用。自适应算法的选择决定了在环境变化时，波束自适应控制的能力和反应速度以及实现算法所需硬件的复杂性。在工程领域，常用的自适应算法包括最小均方（LMS）算法、递归最小二乘（RLS）算法、采样矩阵求逆（SMI）算法以及Howells-Applebaum（HA）算法等[15-16]。

上述自适应波束形成算法，都需要根据具体情况去选择一个合适的信号作为期望信号，然后以某种设定好的最佳化准则调整系统的参数，逐步使输出信号接近期望信号[17-18]。由于卫星导航接收机可能接收到的干扰数目以及干扰形式无法事先预知，有效卫星信号的来向和数目也不能预知，因此，要简单地确立某种固定形式的信号作为期望信号很难做到，而且作为添加到接收机天线上的一个辅助环节，确定信号来向会拖慢处理速度，对实时性造成影响。因此，功率倒置算法是自适应调零导航系统常用的抗干扰算法。

功率倒置算法是基于线性约束最小方差准则（LCMV）建立的，直接将阵列的输出作为误差信号，追求均方误差最小将导致阵列输出最小。该算法对阵列输入端的信号，无论是期望信号还是干扰信号都会进行抑制，所以在有不同方向的期望信号和干扰时，其波束图将在各个有用信号和干扰方向产生零陷。在卫星导航系统中，干扰的功率远强于有用信号的功率，因而，在干扰处的零陷将远深于有用信号的零陷，干扰被大大抑制，这样提高了系统输出端的信干噪比，起到了抗干扰的作用。

1.1 自适应调零天线零陷

由自适应调零天线的基本原理可知，自适应调零技术通过改变各阵元加权值，在干扰方向形成零陷，以达到抑制干扰的目的，其零陷的深度、大小和位置对导航系统的抗干扰性能有着重要的影响。天线零陷深度是调零天线抗干扰性能的一个重要评价指标。一般来讲，在干扰来波方向调零深度越深代表干扰信号通过天线进入的能量越小，即抗干扰能力越强。当干扰信号为宽带连续波信号，在不同干噪比下，不同调零深度的输出信干噪比曲线和调零天线方向图仿真如图2所示。

1.2 天线方向图起伏与星座分布

除了在干扰来波方向形成零陷抑制干扰信号以外，干扰环境下调零天线在非干扰来波方向的方向图会有一定的起伏。这种起伏能达到十几分贝，在导航应用中对收星信号会有显著的影响。

文献[19-20]中已有论证，GPS的定位效果与星座分布有密切的关系。而对于调零天线来讲，除了受到星座的影响外，干扰环境下天线方向图的起伏对收星信号的影响也不可忽视。如图3所示，在方位角150°～250°区域内天线方向图出现局部凹陷，会影响该区域的收星效果。

因此，对调零天线抗干扰性能的分析更加复杂，不仅需要考虑天线零陷对干扰信号的抑制，还需考虑天线方向图起伏对收星信号的影响。这种影响与调零天线的工作环境、干扰信号环境、星座位置有关，只能在典型场景下做定量分析，对整个影响趋势做定性分析。2 典型环境下自适应调零导航系统抗干扰性能分析

典型场景： 设定调零天线、算法、干扰、星座，获得未干扰前方向，干扰后方向图、

获得干扰前的通信信号幅值、干扰后受天线起伏的影响等信息。

为了进一步说明和验证以上因素对自适应调零导航系统抗干扰性能的影响，对典型的4阵元调零天线（天线阵元呈Y型分布，如图4所示）进行仿真，干扰信号采用宽带连续波信号，使用GPS L1频点（1 575.42 MHz）进行实验，对典型干扰环境下的抗干扰性能进行分析。

在单干扰源（入射角度： 方位190°、俯仰-7.5°）环境下状态稳定后的天线方向图仿真结果，如图5所示。

可以看出，在受到干扰时，天线方向图有以下特点： （1）天线方向图在干扰信号来波方向产生零陷，调零深度约为68 dB，有效抑制了干扰信号。（2）在干扰信号来波方位两侧各有一处较小的凹陷，该凹陷与权值系数相关。自适应调零天线通过改变各阵元加权值，期望仅在干扰方向形成零陷，而在其他方向阵列增益保持稳定。这在实际中通常无法实现，其不仅在干扰方向产生零陷，在其他方向也会出现凹陷，需要通过权值调整，达到折中。（3）不同来波角度上，调零后天线增益变化不一致： 同一方位上，俯仰角较大处增益变化小，俯仰角较小处增益变化大; 不同方位上起伏较大。

进一步分析受干扰后不同位置天线方向图起伏，以此推断受干扰后不同入射俯仰角下对GPS信号载噪比变化。不同位置天线增益如表1所示。

假设入射信号载噪比相同，由表1可推断干扰后不同入射俯仰角下对GPS信号载噪比变化为： 同一方位上，入射俯仰角较大的GPS信号载噪比下降小，入射俯仰角较小的载噪比下降大; 不同方位上起伏较大。

3 外场实验结果及分析

3.1 实验设计

为了验证对自适应调零导航系统抗干扰性能的影响因素，本文设计外场实验，对GPS接收机进行高重频短脉冲式干扰，干扰脉冲宽度为20 ns，重复周期为100 ns。实验场景如图6所示。

3.2 实验结果

实验结果如表2～3所示。对使用调零天线的GPS接收机，在不同时段干扰起效临界时所需峰值功率起伏达到17.6 dB（-49.2 dB～-31.6 dB）;  对使用扼流圈天线的GPS接收机，在不同时段干扰起效临界时所需峰值功率起伏达到5.1 dB（-56.9 dB～-51.8 dB）。

3.3 结果分析

由实验结果可知，在表2～3所示时段的外场实验中，不同时段安装调零天线的GPS接收机抗干扰性能差异较大（最大可达15 dB以上），安装普通天线的GPS接收机抗干扰性能却不大。下面对实验结果进行分析：

（1） 入射俯仰角對GPS信号载噪比及抗干扰能力的影响当卫星仰角较小时，卫星到接收机的信号传播路径较长，信号能量损耗大，发射天线以及接收天线增益小，且易受地面影响，使载噪比降低，抗干扰能力较弱; 当卫星仰角大时，信号传播路径较短，信号能量损耗小，受地面影响也较小，载噪比相对较大，抗干扰能力也较强。

从以往的经验和观测结果上看，GPS信号入射角越大，GPS接收机收到信号载噪比越大。表4为7月16日使用安装调零天线的接收机接收卫星（G19星）信号情况，可以看出随着俯仰角的变小，接收机载噪比变小。

通过数据分析可以得到： GPS信号载噪比与信号入射角度有关联性，入射俯仰角大的星信号载噪比大。

图7为对GPS干扰的某次实验，GPS接收机受扰前后的收星情况。从图中可以看出，受到干扰后低仰角的卫星信号易被干扰，GPS接收机无法锁定低仰角卫星; 高仰角卫星信号抗干扰能力强，受到干扰后仍然可以被GPS接收机锁定。该现象与干扰信号来向相关，实验中设置的干扰入射方向为低仰角，因此，低仰角卫星更易受到干扰。

（2）调零天线在受干扰时方向图起伏对GPS信号接收的影响

表5为7月11日外场实验中安装了调零天线的GPS接收机受扰前后的载噪比变化，可以反映出天线方向图在受到干扰前后的变化，载噪比下降大说明在该信号入射角度方向天线出现下凹情况大。将表5数据与图5所示天线方向图比较，调零后天线增益变化规律和特点基本一致。

表6～7为实验分析结果表。对调零天线GPS接收机，从干扰使收星数目减少到干扰起效，到达接收机天线干扰信号电平变化6.8 dB左右。

通过上述分析可知，在实验设置的典型场景下，调零天线在受干扰时方向图凹陷造成GPS信号载噪比在不同来波角度上的下降幅度不一致，入射俯仰角较大的GPS信号载噪比下降小，入射俯仰角较小的载噪比下降大，一定程度上放大了信号载噪比与入射角度的关联度。

（3） GPS卫星星座分布与干扰效果间关系分析

从以上分析可知，自适应调零导航系统的抗干扰能力与GPS星座分布具有密切关系; 在实验的典型环境下，使用调零天线放大了GPS接收机抗干扰能力与GPS星座分布间的关联度。下面通过实际的实验数据进一步展开讨论。

图8为不同时间的GPS星空图。

根据前面的分析，高仰角的星其信号难以被干扰，则这两个时间段的抗干扰性能较好。实验结果见表2中7月10日11：40～13：50、7月11日12：50～13：30时段测试结果。

图9为7月10日不同时间段的GPS星空图。

分析可知， 星空图高仰角的星较少时的抗干扰性能较差。 实验结果见表2中7月10日9：30～10：10时段测试结果。

4 结 束 语

本文分析了自适应调零天线零陷、天线方向图起伏和星座分布等因素对自适应调零导航系统抗干扰性能的影响，得出一些结论：

（1） 装有自适应调零天线的GPS接收机抗干扰性能与GPS星空分布密切相关;

（2） 同等情况下，GPS星空分布图中高仰角的星较多时，GPS接收机抗干扰性能较好;  反之，抗干扰性能较差;

（3） 在实验设置的典型环境下，使用调零天线一定程度上放大了干扰效果与GPS来波俯仰角的关联度。

不同平台自适应调零天线算法不同，接收天线阵由于元数目和天线排布均可能不同，对应抗干扰性能也存在或多或少的差异，后续将开展更多的实验，对自适应调零系统抗干扰性能进行更加深入的研究。

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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