四阵元GNSS抗干扰天线的设计与实现

摘要：提出了一种GNSS自适应实时抗干扰天线的设计实现方案。该方案基于Cholesky分解计算最小功率算法的最优权系数，提高了抗干扰处理的实时性，并且中频调零的算法实现简化了数字上下变频模块设计，在数字基带处理中仅采用一片FPGA可以进行所有运算。实际场地测试结果验证了该方案设计天线的抗干扰能力。

关键词：四阵元；GNSS；最小功率；抗干扰；Cholesky分解

中国分类号：G642文献标识码 ：A文章编号：10053824（2013）02004704

0引言

随着全球导航卫星系统（GNSS）的广泛应用，抗干扰技术已经得到深入的研究和发展，尤其针对导航电子战（NEW）等军事领域。GNSS阵列天线抗干扰技术不仅可有效克服敌方的压制性干扰，而且能够通过空间谱估计算法对干扰源进行测向、跟踪和定位，因此其一直成为国内外的研究热点。

GNSS阵列天线抗干扰技术在国外已经得到非常深入的研究和应用，主要包括自适应波束形成算法研究、GNSS抗干扰接收机研制以及干扰源测向和定位等，在国内仍然处于起步阶段。阵元数量选择上从4阵元到16阵元不等，多以7阵元的方案为主，算法上多采用空域、时域、频域处理或者空时、空频联合处理方案，数字基带处理多采用FPGA+DSP的处理方案。结构复杂，体积庞大，设备成本高，适用范围小，抗干扰性能提升与实际工程需要有冲突。

本文基于空时自适应处理（STAP）算法[13]提出了一种基于四阵元的抗干扰天线设计实现方案。该方案基于Cholesky分解[4]计算最小功率算法（PI算法）[5]的最优权系数，提高了抗干扰处理的实时性，并且低中频调零的算法实现简化了数字上下变频模块设计。采用一片FPGA芯片处理所有数字基带信号，简化了硬件结构。干扰滤除后的信号经过上变频转换为标准射频信号，可以给任何接收机使用，适用范围宽。实际场地测试结果验证了该天线的抗干扰能力。

1最小功率算法及仿真结果

对于该算法，我们利用仿真工具进行了简化仿真验证。在两个-20 dBm窄带干扰的情况下，通过算法处理以后可以将干扰可靠滤除。如图1所示。

图1算法性能简化仿真结果在有干扰的情况下采集实际的信号，对加了抗干扰算法和未加抗干扰算法的捕获情况仿真分析如图2所示。图2a所示为未加抗干扰算法下SVN6的捕获结果图，图2b为运用最小功率法干扰抑制后SVN6的捕获结果图。由图2可以看出，由于干扰功率很大，在捕获算法中，本地信号无法正常进行自相关运算以找到信号，干扰抑制后可以实现卫星信号的捕获。由此说明给出的算法是切实有效的。

2.1系统整体结构

方案优化后的GNSS抗干扰天线硬件主要由四阵元方阵、上下变频器、数字基带处理板组成。工作过程为：天线阵列同时接收GNSS信号和干扰信号，经过低噪放、带通滤波器，送至下变频电路得到模拟中频信号，模拟中频信号送至数字基带处理板，经过AD转换为数字中频信号，经过FPGA自适应抗干扰滤波处理，将干扰滤除，再由DA芯片转换为模拟中频送至上变频电路，转换为射频信号送给普通接收机。系统的整体结构框图如图3所示。

图3系统整体结构框图2.2天线阵列与射频

方案中接收天线模块采用阵元、低噪声放大器LNA和上下变频电路集成的一体化GNSS天线阵，减少了天线到射频模块的馈线，有利于对4个通道幅度相位一致性进行调节，使通道间的幅度差小于1 dB，相位差小于5°。从而在信号源断提供高可靠性的原始信号，有利于提高系统的性能。

根据天线阵列处理理论，一个N元阵列，具有N-1个自由度，本文采用四阵元方阵，因此本文中的天线阵有3个自由度[67]。如果采用最小功率法，可以形成3个零陷，可以抑制3个干扰，基本上能够满足目前抗干扰研究的需求。LNA的增益用来补偿馈线的损耗，以增强抗干扰能力。天线阵一般采用4～7个天线单元，阵列单元排列方式可以为垂直均匀线阵（ULA）、机载共形平面阵或其他阵列结构，阵元间隔约为0.5λ。为了能够接收到来自不同方向的GNSS卫星信号，天线阵的阵元应设计成全向天线。另外，考虑到造价、体积重量等各方面的要求，最终设计的天线阵由4个阵元构成，每个阵元为体积小巧的陶瓷贴片天线，阵列为2×2的方阵，阵元间距为0.45λ，安装在室外空旷处。

射频前端电路的作用是将射频信号下变频到合适的中频。每个天线单元接收到的信号分别送入各自的下变频模块中，这部分功能由专用下变频芯片配合外围电路设计完成。主要包括1个片上频率合成器、三级下变频器、自动增益控制（AGC）和1个二位AD量化器。射频信号经过三级下变频后得到的中频信号，该中频信号输入到片内AD模块，经二位量化后输出数字信号。

2.3自适应处理单元

方案在数字基带处理上，简化了硬件结构，由FPGA+DSP处理方案变为单FPGA处理，所有的算法功能在一片FPGA上单独完成，降低了运算时间，保证了信号的实时性。

自适应抗干扰处理器包括模数转换、数据预处理以及抗干扰算法等，主要结构如图4所示。其中，输入的模拟中频信号经ADC采样以及预处理后得到基带（零中频）复信号矢量或者低中频复信号矢量x，抗干扰算法利用采样数据x进行PI算法处理，求得最优权系数矢量w，并通过数据矢量x和权系数矢量w的内积得到基带复信号或者低中频复信号，即y=wHx。对信号y进行适当的预处理后送至DAC以输出模拟中频信号。

基于PI的自适应抗干扰算法在FPGA上实现。首先，FPGA基于采样数据x计算复共轭对称的协方差矩阵Rx，并将该矩阵的上三角部分送至自适应抗干扰算法单元进行处理。根据Cholesky分解和式（6）计算最优权系数矢量w，然后执行采样数据x和w的内积运算输出y=wHx以进行干扰抑制。

图4自适应抗干扰处理单元按照上述实现抗干扰算法存在如下问题：FPGA内部权系数矢量w的更新滞后于计算协方差矩阵Rx所采用的原始观测数据x，滞后时间取决于FPGA计算协方差矩阵Rx和计算权系数矢量w的速度。为了提高自适应抗干扰处理器的实时性，保证权系数矢量w与计算协方差矩阵Rx所采用的原始观测数据x对应相乘输出，自适应抗干扰算法采用基于乒乓操作的流水处理。其中数据缓冲时间必须大于计算权系数矢量的时间，而计算权系数矢量大致需要60 μs，因此抗干扰模块的收敛时间能够保持在100 μs之内。国内外关于抗干扰算法收敛时间的公开报道较少，若干报道提及到毫秒数量级[8]。

3系统测试结果

根据实际应用场景，按照方案设计的抗干扰数量，干扰来向不超过45°的原则，我们设置3个不同干扰源模拟了干扰场景，对抗干扰天线的性能进行测试。干扰类型为压制式干扰；窄带干扰为瞄准式干扰，频率准确对准导航信号频率；宽带干扰调制方式为CDMA，带宽为10 MHz，通过软件测试接收机是否能正常定位。

在一个空旷的广场，周围无遮挡的状态下，我们将待测天线位置固定，3个干扰源发射天线到被测天线的距离相等，以120°水平夹角分布于被测天线周围，干扰分别从不同的方向，以不同的入射角度发射干扰。在保证待测天线位置相同的条件下，在一段有限的时间内，将普通接收机分别与普通天线、抗干扰天线级联测试，分别测出在一个干扰和多个干干扰条件下，接收机接普通天线不工作时的干扰强度与接抗干扰天线不工作时的干扰强度，通过作差得出抗干扰天线的干扰抑制能力。其结果如表1所示。

4总结

本文提出了一种基于最小功率法的自适应阵列天线抗干扰技术。在算法上进行了适当的优化处理，硬件结构上采用了更简单的结构。通过两个方面的优化，加快了系统的运算速度，信号的实时性得到了增强。滤波后的数字基带信号经过模数转换并上变频为射频信号，可以与各种接收机进行级联，扩大了天线的应用范围，为普通接收机的抗干扰需求提供保证。该方案样机已经设计完成，并经过了空军某所的测试，基本上可以满足使用要求。

参考文献：

[1]MADHANI P H.GPS receiver algorithms for suppression of narowband and structured wideband interference[D].[S.l.]：University of Colorado，2002：7174.

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[4]刘兴汉，王跃宇.基于Cholesky分解的改进的随机子空间法研究[J].宇航学报，2007，28（3）：608612

[5]王磊，卢丹.GPS自适应天线实验平台设计与实现[J].中国科学院研究生学报，2010，27（2）：245249.

[6]GROSS F.智能天线[M].何业军，桂良启，李霞，译.北京：电子工业出版社，2009：6292.

[7]HARRY L，VAN T.最优阵列处理技术[M]. 汤俊，译.北京：清华大学出版社，2008：179193.

[8]冯起，吕波，朱畅，等. 功率倒置自适应阵抗干扰特性研究[J].微波学报，2009（3）： 8791.

作者简介：

张新帅（1986），男，河南漯河人，硕士研究生，主要研究方向为通信信号处理和GNSS卫星导航技术；张继宏（1970），男，双硕士，教授，主要研究方向为通信与电子系统；刘伟亮（1986），男，河北武安人，硕士研究生，主要研究方向为通信信号处理和GNSS卫星导航技术。Four antenna array GNSS antiinterference design and implementation

（责任编辑张诚）