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卫星导航系统接收机抗干扰技术研究

崔玥  
【摘要】:卫星导航系统具有全能性、全天候、连续性和实时性等特点,能够为用户提供精确的定位、测速和授时服务,在军事和民用领域得到了广泛应用。由于卫星导航接收机所处的工作环境日益复杂,而且卫星信号容易受到有意或无意的干扰,卫星导航接收机的抗干扰能力成为其能否正常工作的关键问题。研究卫星导航接收机抗干扰技术,对于提高卫星导航系统在复杂电磁环境下的工作性能、增强其在各种环境中的适用性具有重要意义。 本文对卫星导航系统接收机抗干扰技术进行了深入的研究,以GPS系统为例,重点研究了强干扰下相干GPS信号波达方向(DOA)估计、非平稳干扰抑制和稳健波束形成干扰抑制三方面的问题,主要创新点如下: 针对同时存在强干扰、相干GPS信号且具有较低信噪比的复杂传播环境,提出了基于对称均匀线阵的相干GPS信号DOA估计算法。该算法利用干扰和噪声的二阶统计特性,采用正交投影抑制干扰、空间差分消除噪声,提取了相干GPS信号,并改进了重构矩阵的结构以充分利用所有数据参与解相干,实现了强干扰下相干信号的DOA估计。在此基础之上,为了使DOA估计算法适用于普通均匀线阵,并进一步提高GPS复杂传播环境下DOA估计的准确性,提出了基于斜投影的相干GPS信号DOA估计算法。该算法将斜投影算子引入DOA估计,同时抑制了干扰和噪声,无失真的提取了能量极其微弱的相干GPS信号,然后采用修正的前后向空间平滑方法解相干,显著提高了相干信号DOA估计的准确性。仿真结果表明,即使在低信噪比、高干信比的情况下,该算法也具有更加准确的DOA估计性能。上述算法实现了GPS复杂传播环境下的信源参数估计,为自适应波束形成干扰抑制算法提供了先验信息,有助于提高GPS接收机抗干扰性能。 针对非平稳干扰中最常见的LFM干扰,提出了基于分数阶傅里叶变换(FRFT)的空时域子空间投影干扰抑制算法。该算法将FRFT引入非平稳干扰抑制,并将传统的单阵元子空间投影扩展为多阵元的空时域子空间投影,有效抑制了LFM干扰,提高了输出信干噪比。在此研究基础之上,进一步考虑了同时存在非平稳干扰、相干GPS信号的复杂情况,将斜投影算子引入非平稳干扰抑制,提出了基于FRFT的空时子空间斜投影LFM干扰抑制算法。理论分析和仿真实验表明,该算法不仅可以去除LFM干扰、抑制相干GPS信号,而且能够无失真的保留期望GPS信号,显著改善了抗干扰性能,适合在GPS复杂传播环境中应用。 针对导向矢量失配情况下,常规波束形成器输出性能下降的问题,提出了一种基于子空间的稳健波束形成干扰抑制算法。该算法利用接收信号各子空间相互正交的特性,结合导向矢量不确定集的约束条件,估计了最优方向矢量,并将其代入波束形成器求取了最优权矢量。通过仿真对算法性能进行了验证,结果表明该算法对导向误差具有较好的稳健性,而且能够提高波束形成的输出信干噪比。在此基础之上,进一步考虑了导向矢量失配、相干GPS信号同时存在的情况,提出了多径环境下稳健波束形成干扰抑制算法。该算法引入了零空间标准正交基,在无需已知衰减因子的情况下预先滤除了相干GPS信号,然后在不确定集范围内估计了最优方向矢量,并结合预处理后的数据求取了最优权矢量,实现了稳健波束形成干扰抑制。仿真结果表明,该算法不仅提高了波束形成的稳健性,而且能够抑制相干GPS信号与干扰,改善了抗干扰性能。


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