GPS抗干擾天線技術(shù)的介紹和設(shè)計

1、GPS抗干擾天線技術(shù)的設(shè)計7UT西安奧通數(shù)碼科技2021-7-24GPS抗干擾的必要性GPS衛(wèi)星導航技術(shù)可以提供全天候的空間位置和速度、時間信息,成為精確制導武器裝備系統(tǒng)中必不可少的組成局部和武器威力的倍增器.GPS在民用方面的應(yīng)用可以說已經(jīng)和正在以遠遠超出人們的預(yù)期的速度在開展,已經(jīng)而且必將滲透到人們?nèi)粘Ｉ詈透鞣N大到航天飛行小到測繪授時的各種科學研究中去.?由于GPS衛(wèi)星信號到達地面用戶接收機時相當微弱大約-160dBW,比接收機的熱噪聲還要低約30dB,微弱的干擾就可能導致GPS接收機不能穩(wěn)定,特別是人為的惡性干擾,導致系統(tǒng)精度降低甚至無法正常工作、失去導航水平,GPS抗干擾技術(shù)已經(jīng)成為

2、衛(wèi)星導航接收機急需解決的關(guān)鍵問題.GPS抗干擾的要求 GPS具有其他導航設(shè)備無可比較的優(yōu)越性,人們對其重視程度也日益提升.相關(guān)研究主要涉及兩個方面： 一方面研究己方作戰(zhàn)時能否有效利用GPS； 一方面研究如何破壞或干擾對方GPS的正常使用. GPS接收機要接收到高質(zhì)量的衛(wèi)星信號,就必須1.盡可能得消除衛(wèi)星信號以外的其他信號的干擾2.通過GPS天線使得衛(wèi)星信號能夠得到一定的增益GPS信號特性和抗干擾分析GPS信號特性.頻率特性.能量特性.時域特性.波形特性衛(wèi)星信號的干擾形式壓制式干擾欺騙式干擾回放式干擾干擾源的干擾范GPS抗干擾的舉措 GPS接收機的干擾主要表達為頻率干擾和功率干擾,因此,提升GP

3、S接收機的抗干擾性能的設(shè)計方法就是從提升信號接收功率和濾波技術(shù)兩個方面著手解決. 1.提升信號接收功率,2.濾波技術(shù)智能天線智能天線主要分兩種：多波束技術(shù)和自適應(yīng)天線陣技術(shù).多波束天線能產(chǎn)生多個并行可控波束,將每個波束限制在所選定的衛(wèi)星方向上,使接收衛(wèi)星信號最強,同時削弱其它信號的干擾.但這一技術(shù)實現(xiàn)起來十分困難,這主要是由于GPS信號很弱,根本無法通過GPS信號接收功率來調(diào)整波束方向.而天線自身又不具有方向性,也無法利用的衛(wèi)星絕對方向?qū)ΣㄊM行調(diào)整.因此,如果想應(yīng)用這一技術(shù)就需要其它系統(tǒng)提供有關(guān)天線姿態(tài)和方向的信息,這不是一般用戶所具備的根本條件.自適應(yīng)智能天線自適應(yīng)智能天線的一般結(jié)構(gòu)主要包

4、括四局部： 天線陣列局部：通常采用4-16天線陣元結(jié)構(gòu),相鄰陣元間距一般取為接收信號中央頻率波長的1/2o 模數(shù)轉(zhuǎn)換：下行是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,上行時將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號. 自適應(yīng)處理局部：自適應(yīng)處理器是根據(jù)自適應(yīng)空間濾波器/波束成型算法和估計的來波方向等產(chǎn)生權(quán)值. 波束成型網(wǎng)絡(luò)：波束成型網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)自適應(yīng)加權(quán)處理以產(chǎn)生期望的自適應(yīng)波束.,相比之下,自適應(yīng)天線陣技術(shù)更為簡單實用.它利用自適應(yīng)波束形成技術(shù)在干擾信號到達方向形成天線輻射方向圖零陷,在干擾波方向形成零點,以此對干擾信號起到一個屏蔽作用.自適應(yīng)抗干擾天線的優(yōu)點在于能夠完全獨立工作,不需其它外界設(shè)備的支持,也不需對接收機內(nèi)的軟

5、件進行任何修改.缺點那么是天線的體積增加、而且自適應(yīng)信號處理器設(shè)備較為復(fù)雜.本振射頻前端自適應(yīng)陣智能天線系統(tǒng)原理圖自適應(yīng)智能天線的原理采用包括多個陣元的天線陣,陣中各天線單元經(jīng)各自通道混頻、中放、中頻采樣后與一個自適應(yīng)數(shù)字信號處理器相聯(lián),信號處理器對從各天線通道送過來的信號通過進行處理后自適應(yīng)濾波算法并對各通道信號進行自適應(yīng)調(diào)零加權(quán)調(diào)節(jié),使其對各陣元接收的信號進行相應(yīng)的幅度增益和相移的加權(quán),從而在總的天線陣的方向圖中產(chǎn)生對著干擾源方向的零點,以抑制或降低干擾的赦能.抗干擾天線的零陷天線陣列的設(shè)計,通常采用4-16天線陣元結(jié)構(gòu),相鄰陣元間距一般取為接收信號中央頻率波長的1/2.陣元間距過大,降低

6、接收信號相關(guān)度；陣元間距過小,將在方向圖引起不必要的波瓣,因此陣元半波長間距通常是優(yōu)選的.天線陣元配置方式包含直線的型,環(huán)型和平面的型,天線陣列的外部結(jié)構(gòu)GPS天線的外部結(jié)構(gòu)四陣元GPS自適應(yīng)天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖七陣元GPS自適應(yīng)天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖半徑14英尺和12英尺的7陣元天線射頻單元濾波設(shè)計噪放器低聲大射頻濾波中頻濾波中頻放大器寬帶A/DRF本振發(fā)生器射頻單元原理框圖自適應(yīng)濾波器設(shè)計自適應(yīng)濾波器有各種不同的算法和結(jié)構(gòu),但是,其本質(zhì)特征是始終不變的.干擾消除輸入u-自適應(yīng)濾波器自適應(yīng)濾波器原理圖自適應(yīng)濾波算法,自適應(yīng)信號處理器是根據(jù)天線陣列的輸出情況自動調(diào)節(jié)自適應(yīng)陣的權(quán)系數(shù),使得自適應(yīng)天線能夠根

7、據(jù)衛(wèi)星導航信號以及干擾信號的方向變化自動跟蹤所需的信號,自動抑制信號,以提高天線接收信號的質(zhì)量.自適應(yīng)信號處理器是整個系統(tǒng)的核心,自適應(yīng)算法又是自適應(yīng)處理器的核心.,5種常見自適應(yīng)算法:.最小均方(LMS)算法.遞推最小二乘(RLS)算法.對信號歸類(MUSI.算法.采樣矩陣求逆(SMI)算法.Howells-Applebaum(HA)算法5種算法的比較>LMS算法實現(xiàn)簡單、運算量小、魯棒性好、易于實現(xiàn),但是需要有參考信號,而且在輸入信號自相關(guān)矩陣特征值分散的情況下收斂很慢；其主要缺點是收斂速度較慢,而且與輸入信號的統(tǒng)計特性有關(guān).卜RLS算法能實現(xiàn)收斂,即使是在輸入信號相關(guān)矩陣特征值擴展

8、比較大的情況下,當工作環(huán)境變化時,這種算法具有極好的性能,但其實現(xiàn)都已增加計算復(fù)雜度和穩(wěn)定性問題為代價,而對于基于LMS算法來說,這個問題并不重要.RLS算法的收斂速度接近于SMI算法.但計算復(fù)雜度要低于SMI算法. SMI算法是利用取樣信號協(xié)方差矩陣來直接估計自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)的,它能夠?qū)崿F(xiàn)與特征值散布無關(guān)的最快收斂速率,但是存在數(shù)值計算不穩(wěn)定性問題. HA算法需要知道信號的準確來向.接收機在接收衛(wèi)星信號時,相對衛(wèi)星的位置是不斷變化的,所以,有用信號的來向也難以確知.因此,LMS算法和HA算法都不適合衛(wèi)星接收機的抗干擾裝置. 同傳統(tǒng)的最小均方(LMS)算法相比,HA算法具有較快的跟蹤速度和較小的

9、輸出誤差,因此得到廣泛的應(yīng)用,SMI算法收斂速度較快,但是需要矩陣求逆運算,復(fù)雜度較高.GPS抗干擾四元形天線陣的設(shè)計設(shè)計一種應(yīng)用于GPS抗干擾的基于功率倒置算的四元圓形天線陣的自適應(yīng)智能天線系統(tǒng).功率反演算法功率反演陣對輸入端的信號,無論是有用信號還是干擾,均加以抑制,其波束圖將在各個有用信號和干擾方向產(chǎn)生零陷,且信號越強,對應(yīng)的零陷越深,因而這種陣列對微弱信號的接收非常有效.功率反演算法的原理結(jié)構(gòu)圖四元形自適應(yīng)天線陣的設(shè)計Z仿真結(jié)果理論上,4元陣應(yīng)該能很好地抑制3個干擾,但是多次仿真結(jié)果都說明,4元陣只能抑制來自2個方向的干擾,這可能是由于參考點的選定影響了自適應(yīng)天線陣的自由度,也可能是陣元距離為半波長而引起的,是N-1的自由度未能表達出來.總結(jié)自適應(yīng)智能天線在抗干擾方面,不僅實現(xiàn)起來方便而且有著很好的抗干擾效果,而且我們只需增加幾個GPS接收天線和一塊自適應(yīng)天線調(diào)零數(shù)字信號處理板,在機械結(jié)構(gòu)和電器連接上做個較小改動,就可以有效抑制無意或敵方有意的電子干擾,保證民用GPS接收機導航數(shù)據(jù)的正常解算,提升GPS民用接收機適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭惡劣電磁環(huán)境的作戰(zhàn)水平,可支持跨海作戰(zhàn),對重點、局部區(qū)域的作戰(zhàn)具有十分重大的軍事意義.同時,該系統(tǒng)也可以適用于各種存在干擾的民用場合,具有重要的社會和經(jīng)濟意義可控接收模式天線CRPA自適應(yīng)智能天線的原理備,利用自適應(yīng)信號處理