智能GPS天线系统中的若干关键技术研究

【摘要】： 智能天线这一术语首先出现在通信领域并迅速得到广泛应用。它具有根据环境情况自适应调整参数以实现最佳处理的能力。论文针对GPS (Global Positioning Systems)卫星定位系统信号弱、易受干扰的问题,以及国内外目前GPS抗干扰系统的研究现状,将智能天线技术应用到GPS卫星定位系统中提高了GPS系统的抗干扰能力、增强系统性能。论文研究了智能GPS卫星定位接收机系统中的若干关键技术,主要内容与创新性贡献如下： 1、论文用圆极化四臂螺旋天线构建天线阵列,利用天线良好的极化隔离减小了阵列的耦合作用,降低耦合作用对干扰抑制的影响,提高了智能GPS天线系统抗干扰能力。实验测量天线阵列端口的S散射矩阵发现其单元间的耦合系数小于-30dB,与仿真分析结果吻合较好。由S散射矩阵计算得到耦合阻抗矩阵用于阵列耦合的校正,校正后的GPS天线阵列的单元方向图的不圆度减小约1.8dB,进一步减小了阵列耦合的影响。 2、通过通道失配对天线阵列性能的影响的深入研究,发现通道失配对系统干扰抑制性能的有显著影响,在失配通道的幅度不一致性小于2dB、相位不一致性小于30度的情况下,相位不一致性与最大增益的方差及最大增益方向的方差近似成正比的线性关系。对系统通道的失配情况进行了实验测量,并应用全通滤波器校正通道的相位不一致性,对通道的幅度不一致性进行数字补偿,实验表明该补偿方法是有效的。论文提出利用射频开关与定向耦合器两种硬件的通道校正方案。制作了射频开关的通道校正硬件,实验测量表明该结构能够正常工作。 3、根据MUSIC算法的空间平滑技术提出虚拟平移技术并进一步用平移阵列来实现,仿真结果表明此两种方法可以使相干信号的协方差矩阵成为满秩,能有效地处理相干信号,并应用到DOA估计和干扰抑制的波束形成算法中得到验证。论文就耦合及通道不一致性对DOA估计的影响做了仿真分析,结果表明两者对DOA估计有明显的影响。论文将阵列耦合阻抗矩阵实际应用到系统的DOA估计和干扰抑制算法中,校正了阵列耦合带来的影响。 4、论文根据GPS系统信号淹没在背景噪声里的特点将递归最小二乘(Recursive Least Square) RLS算法应用到智能GPS卫星系统中,把白噪声设置为RLS算法的期望信号,实现了类似功率倒置的功能,抑制了远大于GPS信号的干扰。仿真研究了RLS算法在阵列存在耦合及不同通道失配状态下的干扰抑制的性能,发现在相位不一致性小于5度、幅度不一致性小于0.5dB、干噪比大于20dB时,RLS算法具有大于30dB的干扰抑制能力。 5、根据实际需求设计并构建了一个数字智能GPS卫星定位接收天线系统,给出了概要设计框图和系统原理图,提出系统的重要设计指标与参数,并进行系统的功能仿真。对系统进行实验测量,结果表明该系统因采用智能天线技术接收GPS信号的抗干扰能力改善大于17dB。 论文将智能天线技术应用到GPS系统中,研究结果表明该技术应用抑制干扰和提高系统的性能是完全可行的。研究发现了天线阵列的耦合与通道失配对系统的性能影响。论文中所取得的成果对数字智能GPS系统的研究和研制具有重要的理论价值和工程应用价值。