基于全球卫星定位系统(GPS)接收天线的抗干扰

《卫星通信》期末考察论文学生姓名学号院系电子工程系专业通信工程二Ｏ一三年六月五日11卫星通信课程论文基于全球卫星定位系统（GPS）接收天线的抗干扰摘要：全球定位系统(GPS,globalpositioningsystem)是以人造卫星作为导航台的星基无线电导航系统，作为通用的定位系统相较其它导航体系统具有无可比拟的优势，能够全时段，全天候地为地球的任何一个地方提供高质量的位置、速度和时间信息。由于到达GPS接收机的信号相当微弱，加上信道环境中的复杂电磁干扰，采取有效的措施消除干扰信号，可以有助于提高GPS接收系统的抗干扰能力，进而提升整个GPS导航系统的可靠性和稳定性。卫星导航系统能提供精密的三维坐标，速度和时间。但目前的卫星导航信号湮没于噪声中且易被干扰，所以抗干扰技术是实现卫星导航定位功能的关键。在众多抗干扰技术中，自适应调零天线的抗干扰性能是最好的，而且其性价比也是最佳的。本文对自适应调零天线中的自适应算法进行了比较，推导了功率倒置算法，并对自适应调零天线抗干扰性能进行了模拟仿真。关键词：全球定位系统抗干扰自适应调零天线功率倒置算法ABSTRACTAsageneralnavigationdevice,globalpositioningsystem(GPS)issatellite-basedradionavigationsystemandhasmanyincomparablesuperiority,comparingtoothernavigationsystems,withman-madesatelliteservingasit'snavigationstation.GPSisabletoprovideanycornerontheearthwithhigh-classinformationofposition,speedandtimeindespiteofweather.DuetotheweakpowerofarrivingGPSsignalandcomplicatedelectromagneticinterfereinpropagationchannel,effectivemeasuresmustbetakentoeliminateinterferencesignalsinordertoadvancetheGPSreceiver'scapacityofresistingdisturbance,throughwhichthereliabilityandstabilityofnavigation.Satellitenavigationsystemcanprovideasophisticatedthree-dimensionalcoordinates,speedandtime.Butsignalsinthesatellitenavigationannihilateinnoises,andit'seasytobeinterfered.Therefore,anti–jammingplayakeyroleinsatellitenavigationsystem.Amongsomanyantijammingtechnologies,adaptivezeroantennaisthebestanti–jammingperformance.Inthispaper,theadaptiveanti-interferenceantennazerooftheadaptivealgorithmiscompared,anddeducedthepowerinversionarithmetic,andtheadaptiveanti-interferenceantennazeroanti-jammingperformancesimulation.Keywords:GPSAnti–jammingAdaptivezeroantennaPowerinversionarithmetic22一绪论全球定位系统(GPS)是美国国防部出于军事目的于20世纪70年代开始研制的星基无线电导航定位系统，该系统能够提供精确的三维坐标、速度和时间信息。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，是目前世界上最先进、应用最广泛的卫星导航定位系统。在军事领域中，GPS从根本上上解决了空中、陆地和海上各种运行平台的定位和导航问题。目前，大量GPS用户设备已应用于舰艇、战车、飞机的导航；应用于战术导弹、战略导弹的试验、测控与制导；应用于各种卫星测控等军事领域。在民用领域中，GPS的发展势头也很迅猛。GPS技术正日益应用到各个领域，但是随着应用的普及，一些GPS自身存在的问题也逐渐暴露出来，比如因为GPS卫星处于离地球表面20200km的圆形轨道上，卫星发射功率不可能很大，其信号传播到地球表面时是很弱的，加上国际电信联盟对其到达地面时的功率通量密度做了严格的限制以避免对其它系统产生干扰，所以GPS卫星信号功率电平很低，容易受到各种类型干扰的影响。因此如何提升GPS接收天线的抗干扰能力成为一个迫切需要解决的重要问题。二GPS系统概述2.1GPS的组成及工作原理2.1.1GPS组成GPS系统由三大部分组成:空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—运行控制系统；用户部分—GPS信号接收机。1．空间部分GPS系统空间部分由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成，其中3颗作为备份。轨道平面相对赤道平面的倾角为55°，各轨道平面之间的交角为60°，每个轨道平面内的卫星相差90°，任一轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。卫星轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为1l小时58分。同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为4-11颗，即卫星分布可保证全球任何地区任何时刻都不少于4颗卫星供观测。图2-1为GPS卫星星座示意图。所有卫星工作在2个频率下:1575.42MHz和1227.6MHz。33图2-1GPS卫星星座示意图2．地面控制系统地面控制部分由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站设置在美国本土科罗拉多，主要任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料。三个注入站分别设在大西洋，太平洋和印度洋的岛屿上，它们的任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。五个监测站分别设在科罗拉多的斯普林斯、夏威夷、大西洋的阿森松岛、印度洋的迭戈加西亚岛和北太平洋马绍尔群岛的夸贾林环礁，它们的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。3．用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。在典型情况下称作“GPS接收机”。如图2-2所示，其主要功能是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出接收机的三维位置，甚至三维速度和时间。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。图2-2GPS接收机442.1.2GPS系统的工作原理GPS的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位。利用在平均20200km高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星发射测距信号码和载波，用户通过接收机接收这些信号，通过四个卫星进行伪距测量，产生四个方程组演算便可解出地面点位坐标以及时钟偏移量。2.2GPS干扰方式由于GPS信号弱，其干扰来源可能是有意的也可能是无意的。从技术层面上可将干扰分为欺骗式干扰和压制式干扰。欺骗式干扰指地面上或空中的发射机，发射与GPS卫星相同或相似，但强度更大些的信号，使GPS接收机误认为是卫星发来的信号，对其进行捕获和跟踪，从而扰乱接收机的正常工作使其无法正常定位或输出错误的定位信息。由于GPS卫星的军用信号是加密的，可抗欺骗干扰，要想对GPS军用信号进行欺骗干扰难度很大。欺骗式干扰可以分为生产式干扰和转发式干扰。压制式干扰是指发射与GPS信号同频段的强干扰信号，把一定范围的GPS信号遮盖了。压制式干扰可能是故意的，也可能是非故意的，如电路板电磁兼容问题引起的辐射信号。压制式干扰对军用和民用接收机都有效果，且实现简单，制作成本低，是军用接收机面临的主要威胁，也是目前抗干扰技术研究的主要方向。压制式干扰可以分为瞄准式干扰、阻塞式干扰和相关干扰。2.3GPS抗干扰的措施2.3.1在GPS接收机中加入抗干扰1．加长对接收信号的预检测积分时间GPS接收机中，做相关处理之后的信号在送入码环之前要经过积分，叫做预检测积分或相干积分。加长相干积分时间有利于将接收机噪声的影响平均掉，从而使码环的跟踪门限降低，这就提高了接收机的灵敏度。对干扰来说，加长相干积分时间的效果是类似的，也有利于把干扰的影响平均掉，从而提高接收机的抗干扰能力。这种方法实现起来比较简单，硬件不需要改动，只在接收机中调整软件参数即可，但这种方法降低了接收机的动态性能，不适合高动态用户的需要。2．采用GPS/INS组合导航设备利用惯性导航系统(INS)辅助GPS接收机可提高GPS接收机的抗干扰能力[8]。在设计GPS接收机载波和码跟踪环的带宽时，为提高接收机的抗干扰能力，应使他们的带宽尽可能的窄。然而卫星在高速运动，更多时候接收机平台也在运动，因此接收机所接收到的卫星信号多普勒频率和伪距在不断变化，这样GPS接收机的码环和载波环必须保持足够的带宽，以便跟踪卫星多普勒频率和伪距变化，否55则会造成环路失锁。3．对干扰信号做自适应滤波自适应滤波器又叫频谱滤波器，有时域滤波和频域滤波两种实现方式。时域滤波的核心是时域滤波器，它由多级抽头延迟线、加权系数相乘器及相加器组成。滤波器根据GPS信号特性构建智能算法模型，通过调整各路的加权系数来消除干扰。频域实现是先对输入信号做快速傅立叶变换（FFT），干扰信号变成背景白噪声上叠加的尖峰，通过数字处理的方法将尖峰处的增益降低，这样就消除了干扰，然后做反傅立叶变换（IFFT）将信号变回时域。2.3.2由GPS天线实现的抗干扰技术1．干扰对消器和极化计干扰对消器是利用GPS信号深埋在噪声中，干扰信号强于噪声的特点。干扰对消器是利用两副天线，其中一副天线接收干扰和信号，另一副天线只接收干扰信号。用复数加权的方法调整只接收干扰信号的权值，使其幅度与同时接收信号和干扰的天线幅度相等，两者相减即可实现干扰对消。干扰对消用于消除单一干扰源是最有效的，当有多个干扰源时，由于各个干扰源对两副天线来说增益和到达时间均不相同，因此对一个干扰源合适的复数权值对另一个干扰源并不合适，也就无法消除干扰。极化计是采用一副天线通过两个输出馈电单元送出，以形成有不同极化的两个输出通道，典型情况是一个右旋圆极化，另一个是左旋圆极化。由这两个馈电单元观测到的干扰是不相同的，两个通道输出的信号也不相同，利用这种差别便可以消除干扰的影响。极化计和干扰对消器类似，也是固定一个权值为1，调整另一个权值使两路信号幅度相等，也只能消掉一个干扰源。2．自适应调零天线自适应调零天线也叫空间调零天线或可构形接收方向图天线（CRPA），是一种空域滤波技术，是提高GPS接收机抗干扰能力的重要手段。这种天线自动产生对着干扰的方向图零陷点，干扰越强则零陷越深，以抵消干扰。自适应调零天线工作原理类似干扰对消器，不过是由多个天线组成天线阵，可产生多个零陷，从而可以对抗多个干扰源，能够产生的最大零陷点数为阵元数N减去1。各路天线接收的信号经过复数加权后合成为一路信号输出，加权是以输出信号功率最小为准则计算各路信号权值，在总的天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点，从而滤除干扰。3．波束形成天线和自适应调零天线类似，波束形成天线也是采用天线阵的形式使加权输出最小，不过波束形成天线需要预先知道卫星信号来向，首先使天线波束定向对准所要跟踪的卫星，提高卫星信号增益，在此前提下使加权输出最小，以达到消除干66扰的目的。波束形成天线和自适应调零天线的主要区别在于权值的计算方法不同，因为波束形成天线需要知道卫星信号来向，这就需要3个信息：天线所处的地理位置，天线姿态和卫星的