GPS抗干扰天线技术的介绍和设计

1、GPS抗干扰天线技术的设计7UT西安奥通数码科技2021-7-24GPS抗干扰的必要性GPS卫星导航技术可以提供全天候的空间位置和速度、时间信息,成为精确制导武器装备系统中必不可少的组成局部和武器威力的倍增器.GPS在民用方面的应用可以说已经和正在以远远超出人们的预期的速度在开展,已经而且必将渗透到人们日常生活和各种大到航天飞行小到测绘授时的各种科学研究中去.?由于GPS卫星信号到达地面用户接收机时相当微弱大约-160dBW,比接收机的热噪声还要低约30dB,微弱的干扰就可能导致GPS接收机不能稳定,特别是人为的恶性干扰,导致系统精度降低甚至无法正常工作、失去导航水平,GPS抗干扰技术已经成为

2、卫星导航接收机急需解决的关键问题.GPS抗干扰的要求 GPS具有其他导航设备无可比较的优越性,人们对其重视程度也日益提升.相关研究主要涉及两个方面： 一方面研究己方作战时能否有效利用GPS； 一方面研究如何破坏或干扰对方GPS的正常使用. GPS接收机要接收到高质量的卫星信号,就必须1.尽可能得消除卫星信号以外的其他信号的干扰2.通过GPS天线使得卫星信号能够得到一定的增益GPS信号特性和抗干扰分析GPS信号特性.频率特性.能量特性.时域特性.波形特性卫星信号的干扰形式压制式干扰欺骗式干扰回放式干扰干扰源的干扰范GPS抗干扰的举措 GPS接收机的干扰主要表达为频率干扰和功率干扰,因此,提升GP

3、S接收机的抗干扰性能的设计方法就是从提升信号接收功率和滤波技术两个方面着手解决. 1.提升信号接收功率,2.滤波技术智能天线智能天线主要分两种：多波束技术和自适应天线阵技术.多波束天线能产生多个并行可控波束,将每个波束限制在所选定的卫星方向上,使接收卫星信号最强,同时削弱其它信号的干扰.但这一技术实现起来十分困难,这主要是由于GPS信号很弱,根本无法通过GPS信号接收功率来调整波束方向.而天线自身又不具有方向性,也无法利用的卫星绝对方向对波束进行调整.因此,如果想应用这一技术就需要其它系统提供有关天线姿态和方向的信息,这不是一般用户所具备的根本条件.自适应智能天线自适应智能天线的一般结构主要包

4、括四局部： 天线阵列局部：通常采用4-16天线阵元结构,相邻阵元间距一般取为接收信号中央频率波长的1/2o 模数转换：下行是将模拟信号转换成数字信号,上行时将数字信号转换成模拟信号. 自适应处理局部：自适应处理器是根据自适应空间滤波器/波束成型算法和估计的来波方向等产生权值. 波束成型网络：波束成型网络进行动态自适应加权处理以产生期望的自适应波束.,相比之下,自适应天线阵技术更为简单实用.它利用自适应波束形成技术在干扰信号到达方向形成天线辐射方向图零陷,在干扰波方向形成零点,以此对干扰信号起到一个屏蔽作用.自适应抗干扰天线的优点在于能够完全独立工作,不需其它外界设备的支持,也不需对接收机内的软

5、件进行任何修改.缺点那么是天线的体积增加、而且自适应信号处理器设备较为复杂.本振射频前端自适应阵智能天线系统原理图自适应智能天线的原理采用包括多个阵元的天线阵,阵中各天线单元经各自通道混频、中放、中频采样后与一个自适应数字信号处理器相联,信号处理器对从各天线通道送过来的信号通过进行处理后自适应滤波算法并对各通道信号进行自适应调零加权调节,使其对各阵元接收的信号进行相应的幅度增益和相移的加权,从而在总的天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点,以抑制或降低干扰的赦能.抗干扰天线的零陷天线阵列的设计,通常采用4-16天线阵元结构,相邻阵元间距一般取为接收信号中央频率波长的1/2.阵元间距过大,降低

6、接收信号相关度；阵元间距过小,将在方向图引起不必要的波瓣,因此阵元半波长间距通常是优选的.天线阵元配置方式包含直线的型,环型和平面的型,天线阵列的外部结构GPS天线的外部结构四阵元GPS自适应天线的内部结构图七阵元GPS自适应天线的内部结构图半径14英尺和12英尺的7阵元天线射频单元滤波设计噪放器低声大射频滤波中频滤波中频放大器宽带A/DRF本振发生器射频单元原理框图自适应滤波器设计自适应滤波器有各种不同的算法和结构,但是,其本质特征是始终不变的.干扰消除输入u-自适应滤波器自适应滤波器原理图自适应滤波算法,自适应信号处理器是根据天线阵列的输出情况自动调节自适应阵的权系数,使得自适应天线能够根

7、据卫星导航信号以及干扰信号的方向变化自动跟踪所需的信号,自动抑制信号,以提高天线接收信号的质量.自适应信号处理器是整个系统的核心,自适应算法又是自适应处理器的核心.,5种常见自适应算法:.最小均方(LMS)算法.递推最小二乘(RLS)算法.对信号归类(MUSI.算法.采样矩阵求逆(SMI)算法.Howells-Applebaum(HA)算法5种算法的比较>LMS算法实现简单、运算量小、鲁棒性好、易于实现,但是需要有参考信号,而且在输入信号自相关矩阵特征值分散的情况下收敛很慢；其主要缺点是收敛速度较慢,而且与输入信号的统计特性有关.卜RLS算法能实现收敛,即使是在输入信号相关矩阵特征值扩展

8、比较大的情况下,当工作环境变化时,这种算法具有极好的性能,但其实现都已增加计算复杂度和稳定性问题为代价,而对于基于LMS算法来说,这个问题并不重要.RLS算法的收敛速度接近于SMI算法.但计算复杂度要低于SMI算法. SMI算法是利用取样信号协方差矩阵来直接估计自适应加权系数的,它能够实现与特征值散布无关的最快收敛速率,但是存在数值计算不稳定性问题. HA算法需要知道信号的准确来向.接收机在接收卫星信号时,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. 同传统的最小均方(LMS)算法相比,HA算法具有较快的跟踪速度和较小的

9、输出误差,因此得到广泛的应用,SMI算法收敛速度较快,但是需要矩阵求逆运算,复杂度较高.GPS抗干扰四元形天线阵的设计设计一种应用于GPS抗干扰的基于功率倒置算的四元圆形天线阵的自适应智能天线系统.功率反演算法功率反演阵对输入端的信号,无论是有用信号还是干扰,均加以抑制,其波束图将在各个有用信号和干扰方向产生零陷,且信号越强,对应的零陷越深,因而这种阵列对微弱信号的接收非常有效.功率反演算法的原理结构图四元形自适应天线阵的设计Z仿真结果理论上,4元阵应该能很好地抑制3个干扰,但是多次仿真结果都说明,4元阵只能抑制来自2个方向的干扰,这可能是由于参考点的选定影响了自适应天线阵的自由度,也可能是阵元距离为半波长而引起的,是N-1的自由度未能表达出来.总结自适应智能天线在抗干扰方面,不仅实现起来方便而且有着很好的抗干扰效果,而且我们只需增加几个GPS接收天线和一块自适应天线调零数字信号处理板,在机械结构和电器连接上做个较小改动,就可以有效抑制无意或敌方有意的电子干扰,保证民用GPS接收机导航数据的正常解算,提升GPS民用接收机适应现代战争恶劣电磁环境的作战水平,可支持跨海作战,对重点、局部区域的作战具有十分重大的军事意义.同时,该系统也可以适用于各种存在干扰的民用场合,具有重要的社会和经济意义可控接收模式天线CRPA自适应智能天线的原理备,利用自适应信号处理