原创 GPS卫星接收机的自适应抗干扰设计

摘 要：提出了一种加强GPS卫星接收机抗干扰能力的技术实现方案，采用自适应调零技术以及天线阵的具体实现方式来消除干扰。文中还对自适应天线阵所采用的功率倒置的算法做了详细说明，并进行了计算机仿真。

　　关键词：全球定位系统；卫星接收机；抗干扰；功率倒置算法；自适应天线阵?

一、 引言

　　GPS全球定位系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机,接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成，因接收机主要依赖于GPS卫星发射的射频信号来工作，因此它易受射频干扰的影响。射频干扰可能是宽带的、窄带的、无意的或有意的。因为射频干扰不能预测，当它出现时，无论卫星发射的信号是否完好，它都会降低卫星信号的完整性。因此研究GPS导航卫星接收机的抗干扰技术具有重要的实际意义。本文将提出一种加强GPS卫星接收机抗干扰能力的技术实现方案。?

二、GPS卫星接收机的抗干扰实现原理

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　　图1为GPS卫星接收机的抗干扰技术实现框图。该抗干扰设计安装在卫星接收机的前端，只需将接收机的原天线直接以新式天线阵替换，而不必对接收机内部进行变动。主要采用四元自适应天线阵。将天线馈源送来的微波信号进行低噪声放大，再将微波频率变换到中频然后再进行放大、滤波、解调，以及A/D转换，将模拟信号转换成数字信号送给DSP进行处理。通过DSP实现自适应算法进行数字增益控制，根据信号与干扰传来方向的不同，自动调整内部参数使方向图主波束对准信号方向，零方向对准干扰方向，从而改变天线阵的方向图，在干扰源方向形成零陷。天线阵的各单元在A/D变换之前均拥有独立的接受信道，对信号采样所得的数字信号可保留所有的空间信息。一旦选定自适应算法，则自适应算法的收敛速度完全取决于A/D转换器的抽样速度。A/D转换器的抽样速度可以达到几百兆赫，这对设计解决抗干扰问题是非常有益的。

三、功率倒置算法

　　自适应算法中最具代表性的是LMS算法和HA算法。为了实现自适应抗干扰，LMS算法需要有参考信号，HA算法需要知道信号的准确来向。用于军事领域的定位导航系统的卫星信号不可能轻易获知，而且卫星信号随着卫星的不同而不同，所需参考信号的要求也是不一致的。作为GPS卫星导航接收机要同时接收多颗卫星的信号，由此产生参考信号也比较困难。另外，接收机在接收卫星信号时（比如安装在舰上），相对卫星的位置是不断变化的，所以，有用信号的来向也难以确知。因此，LMS算法和HA算法都不适合卫星接收机的抗干扰装置。

　　如果直接将阵列的输出作为误差信号，追求均方误差最小将导致阵列输出最小，这就是功率倒置算法。功率倒置算法对输入端的信号，无论是有用信号和干扰信号均尽可能地加以抑制，所以在有不同方向的有用信号和干扰源时，其波束图将在有用信号及干扰源方向上产生零点。若信号很弱而干扰很强，干扰将对应深零点，因而被大大地抑制，功率倒置算法的优点在于不需要预先知道信号的结构和方向就可在强干扰情况下获取微弱的有用信号。所以，在卫星接收机的抗干扰装置设计中采用功率倒置算法。

　　功率倒置算法实质上是一种具有严格约束条件的自适应算法。其约束条件WＴS0=1，其中W=［W0,W１,W２,…WＮ］Ｔ即是要求自适应天线阵在任何时候均需保证θ０方向的天线增益为1。令S0=［1,0,…,0］Ｔ,则条件WＴS0=1变成W0=1,即要求第一支路的加权系数为1。这种自适应天线阵如图2所示。设:

　　为避免直接对Rxx求逆，先设置初值W(0),沿ξ减小的方向调阵W,即可找到Wopt，这是因为梯度的方向是ξ增加最快的方向，负的梯度方向就是减小最快的方向，因此，可采用以下的公式来调整W以寻求Ｗopt：

    式中　μ为一常数。

    四、计算机仿真

　　模拟中采用四元均匀平面圆阵为例，分２种情况进行模拟仿真。阵元的平面放置图如图3所示。

　　1只存在一个干扰源

　　假设有用信号空间到达角为pi/3,干扰信号到达角为pi，有用信号功率为0 dBW,干扰信号功率为40 dBW，自适应天线阵的方向图如图4所示。从图上可知，功率倒置阵不论对有用信号还是干扰信号均会产生抑制，且信号越强，抑制越深。

    2.存在多个干扰

　　假设有用信号空间到达角为0，干扰信号空间到达角为pi/3,7pi/6，有用信号功率为0 dBW，干扰信号功率为40 dBW，天线阵的方向图如图5所示。

    3．信号信噪比的影响

　　当输入信噪比为-40 dB时，输出信号如图6所示。当输入信噪比为-60 dB时，输出信号则如图7所示。从图中可知，功率倒置算法对越强的信号，抑制越深。所以信噪比越小，其输出正弦信号的波形越理想。

    提取定位数据五、结束语

　　本文阐述了加强GPS卫星接收机抗干扰能力的技术实现方案，详细说明了自适应天线阵所采用的功率倒置的算法。从计算机仿真结果可以得出，卫星接收机的这种抗干扰设计是可行的，自适应天线阵采用功率倒置算法对一个或多个干扰均有较好的抑制效果，在强干扰下信噪比越小，输出的有用信号越理想。