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多重天线阵列结构的GNSS接收机抗干扰方法研究

刘恩晓  
【摘要】:全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)能够为用户提供全天候、高精度、连续性和实时性的定位、导航、授时服务,在生产生活的各个领域被广泛应用并发挥了巨大作用,现已成为各国积极建设的国防及民用基础设施,形成了GPS、Galileo、BeiDou-2、GLONASS四大系统并行发展的格局,并推动了GNSS现代化进程。 GNSS系统存在诸多缺陷,在现代化进程中不断得到改善,因此诞生了新的导航信号及不同的调制方式,来提高系统的服务性能,但由于频谱资源有限,越来越多的信号拥挤在L频段,不同的导航信号之间形成系统内和系统间干扰,并拓宽了接收机的接收带宽,由单频点的几(十)MHz增加到多频点的几百MHz。更严重的是,受限于卫星功率及高度,地面接收信号微弱,大功率的压制式射频干扰会使接收机无法工作,这是GNSS现代化无法解决的问题,而成本低廉的压制式干扰是昂贵的GNSS系统面临的最大威胁。 本文从GNSS信号特点及接收机工作原理出发,以阵列信号处理理论为基础研究不同应用环境下采用不同阵列结构的GNSS抗干扰接收技术,针对以下问题展开研究并给出相应的抗干扰算法: 第一:兼容性及干扰/抗干扰性能的量化度量问题。兼容性是GNSS接收机正常工作的基础,也是互操作的前提,本文首先给出传统及现代化信号的调制方式及信号产生和捕获原理,根据信号特征分析系统内及系统间多个信号的影响,给出量化参数;接着给出常见压制式干扰的信号模型,并将兼容性评估方法延伸到压制式干扰环境,给出干扰对信号影响的评估准则与量化参数,结合接收机捕获性能验证评估参数的有效性,作为后续抗干扰算法研究与性能评价的基础。 第二:GNSS单频点抗干扰接收机的实现应用问题。对于单频点信号,以相干模型为基础,根据GNSS信号特点研究基于天线阵列的自适应波束形成(Adaptive Digital Beamforming,ADBF)相关算法在GNSS接收机上的实现。首先针对GNSS信号微弱难以实现波达角(Direction of Arrival,DOA)估计的特点,研究无需DOA先验信息的全盲自适应波束形成技术,降低系统复杂度的同时也避免由DOA估计误差导致的性能降低;然后针对接收机载体的移动、抖动、翻转特性,研究对干扰方向具有鲁棒性的二维零陷展宽算法,当干扰方向偏离零陷方向时依然能有效抑制;最后针对ADBF算法在硬件上实现需要矩阵求逆及大规模除法的问题,给出无需除法的数值解算方法,降低系统复杂度与硬件成本。针对上述算法通过软件模拟器、软件接收机、硬件开发平台的半实物仿真进行性能验证。 第三:GNSS接收机天线阵元受限问题。自适应天线阵列的性能主要由阵面尺寸与阵元个数决定,而GNSS接收机的移动性决定了天线阵列的尺寸受限,L波段进一步限制了阵元个数,因此与相控阵系统以降低计算量为目的不同的是,GNSS接收机需要以有限的阵元数达到更好的接收性能。对此提出密集重叠子阵结构,密集重叠子阵结构不仅充分利用每个阵元的接收信号,通过二级处理获得额外的增益,并从结构上避免了子阵输出的栅瓣问题,防止性能恶化。讨论两级不同的加权模式对阵列性能的影响,针对不同应用环境来确定适当的加权方式。仿真结果验证了该阵列结构相比常规阵元结构在输出性能与复杂度上具有双重的优越性,以此为基础设计了基于空域波束切换——时域码相位搜索——频域多普勒搜索的低复杂度GNSS抗干扰接收机。 第四:GNSS宽带信号与稀布阵列的非相干接收问题。针对多系统多频点接收机,给出非相干阵列的宽带信号模型,采用空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing,STAP)结构,研究STAP信号模型及全盲抗干扰算法,并分析STAP结构对期望信号的影响。接着对大尺度阵元间距的非相干稀布阵列研究波束形成方法,分析阵元间距对DOA及方向图的影响,以STAP的时间抽头加权补偿信号传播延迟,将非相干接收信号转变为相干信号,再通过相位加权消除干扰信号。然后将固定的稀布阵列推广到动态的多用户多天线接收,研究基于Ad-hoc网络的多节点协作波束形成方法,给出不依赖于阵列几何形状的DOA模糊消除方法,最后对多节点的接收信号利用时间补偿与相位加权综合后为手持用户提供干扰抑制能力。


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