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GNSS天线阵接收机干扰抑制与测量偏差补偿技术

陈飞强  
【摘要】:卫星导航系统在军事、航空以及生命安全等核心领域正发挥着越来越重要的作用。随着导航对抗的不断升级以及高精度应用领域对抗干扰需求的不断增长,一方面需要提高接收机的抗干扰能力,另一方面需要减小抗干扰处理引入的测量偏差、提高精度。基于天线阵的干扰抑制技术已成为目前卫星导航接收机最有效的抗干扰手段。论文以卫星导航系统抗干扰天线阵的应用为背景,针对GNSS天线阵接收机中的干扰抑制和测量偏差补偿两个关键问题进行了深入研究。论文的主要工作和创新成果包括:(1)传统功率倒置算法以干扰抑制为目标,阵列合成方向图在干扰方向形成零陷时会造成部分来向的信号衰减,导致卫星信号的可用率不高。论文分析发现,参考阵元的选取会影响天线阵在卫星信号方向的阵列增益、进而影响阵列输出的信干噪比。提出了一种基于最优参考阵元的功率倒置算法,与传统方法不同,该方法以捕获相关峰值最大为准则实时调整参考阵元,通过优化参考阵元选取提高天线阵在卫星信号方向的阵列增益。该方法相对传统方法增加了 N倍捕获单元(N为阵元数目),但可提高卫星信号在干扰条件下的可用率。四元天线阵的实验结果表明,该方法可将卫星信号在单干扰下的可用率由79%提高到98%、两干扰下的可用率由74%提高到92%(以信噪比损耗3dB为门限)。(2)第二章对功率倒置算法进行了改进,但仍未充分利用阵列处理的优势——在卫星方向形成波束来提高信号的载噪比。提出了一种基于零陷滤波与波束形成相结合的阵列抗干扰算法。在零陷滤波阶段,分别以各个阵元为参考阵元,形成N路抗干扰输出;在波束形成阶段,利用跟踪结果估计N路抗干扰输出的相对相位关系,最后通过阵列加权实现信号同相叠加合成一路输出。分析了卫星信号跟踪偏差对算法性能的影响,结果表明:对于目前跟踪环的精度,跟踪偏差引起的阵列增益损耗基本可以忽略。通过仿真实验对算法性能进行了评估,结果表明:该方法具备在干扰条件下进行波束形成增强信号的能力,对于四元天线阵,可将接收机的跟踪能力可提高近6dB。(3)针对传统阵列处理方法无法在捕获阶段增强信号、接收机在干扰条件下捕获灵敏度低的问题,提出一种基于干扰抑制与信号捕获联合处理的阵列抗干扰方法。与传统的串行处理的方式不同,该方法以卫星信号检测的广义似然比最大为准则,将抗干扰和信号捕获两个环节进行一体化联合处理。以增加运算复杂度为代价,可在无卫星信号先验信息的条件下完成波束形成提高载噪比,从而提高接收机的捕获灵敏度。针对四元天线阵的仿真实例表明:相对传统方法,接收机在干扰条件下的捕获灵敏度与跟踪灵敏度均可提高 5~6dB。(4)针对阵列抗干扰处理会引入伪码相位和载波相位测量偏差,不能满足高精度应用需求的问题,提出一种无偏约束下的空时抗干扰算法。在将空时抗干扰滤波器在卫星信号方向的响应等效为时域滤波器的基础上,通过对阵列抗干扰权值进行约束,使得等效滤波器满足线性相位特性,从而消除抗干扰处理引入的测量偏差。为准确评估算法的性能,设计了一种测量偏差评估方法,可消除接收机热噪声引起的测量值抖动。评估结果表明,本文算法不会引入载波相位测量偏差,且对所有卫星信号引入一个由空时滤波器抽头数决定的固定码相位测量偏差,可作为零值补偿掉,不影响定位结果。论文研究内容是阵列抗干扰理论在卫星导航领域的扩展和深化,主要研究成果已成功应用于多款卫星导航天线阵抗干扰接收机,并取得了预期的结果。


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