GPS/BDS双模自适应抗干扰接收机的研究与实现∗

彭 涛

（中国西南电子技术研究所 成都 610036）

1 引言

卫星导航系统可以为海陆空天用户提供精确的实时位置、速度和时间信息，已经在民用和军事上得到了广泛应用。由于卫星导航信号是远低于热噪声的弱信号，在各种人为干扰和非人为干扰环境下，如何保证卫导信号的可靠、准确和连续接收是一个必须解决的关键问题。

在卫星导航抗干扰方面，美军目前已成功研制出满足基于全球定位系统（GPS）的联合精密进近要求的数字集成抗干扰接收机（DIGAR），并进行了广泛应用。DIGAR抗干扰接收机基于7阵元的可控波束图阵列天线（CRPA），采用数字波束成形技术，具备抗干扰能力强和相对定位精度高等优点。

针对GPS系统和北斗卫星导航系统（BDS）的抗干扰问题，目前国内也已经开始采用基于阵列天线的接收和处理，抗干扰干信比指标从80dB到90dB不等。大部分均采用基于功率倒置（PI）准则的自适应调零数字波束成形技术，它在强干扰方向可以实现零陷方向图，且干扰越强零陷越深，可较大地改善接收机的抗干扰性能。

虽然自适应调零技术通过单纯的调零处理可以对干扰进行一定程度的抑制，但它同时将恶化卫星方向的响应导致其不能具备精密相对定位的能力。而基于最小方差无失真响应（MVDR）准则的自适应调向数字波束成形技术，可以利用信号的指向信息使阵列天线的方向图对准信号方向，零陷方向对准干扰方向，从而形成一组独立调向的波束指向不同的卫星。由于接收机中每个跟踪通道接收的是针对该颗卫星独立优化的波束，所以卫星信号的抗干扰性能得到极大的提升。

本文首先介绍了国内外卫导抗干扰技术的研究现状，然后分析了数字波束成形抗干扰技术的基本原理，接着提出了一种GPS/BDS双模自适应抗干扰接收机的设计与实现，该接收机采用数字调零和波束调向相结合的数字波束成形技术，最后通过仿真结果对数字波束形成技术的抗干扰性能进行了验证。

2 自适应数字波束成形技术

2.1 信号模型

常见的阵列天线有线阵、平面阵和均匀圆阵等，本文以均匀圆阵为例。假设阵列接收天线由N个阵元组成，阵元间距为半个波长，如图1所示，其中θ表示信号的俯仰角，ϕ表示信号的方位角。

图1 阵列天线及入射信号示意图

信号从空间以平面波的方式入射到阵列天线上，定义其导向矢量为接收信号在该方向上不同天线通道的载波相位差。理想的，信号在空域中的导向矢量可由方向矢量和位置矢量表示，如下所示：

下面考虑多个信号同时入射到阵列天线的情况，包括有用信号和干扰信号，其中干扰信号指射频干扰、多径信号以及来自其它卫星的信号。假设有用信号的导向矢量为s0，干扰信号的导向矢量为sj，则阵列天线的接收信号可以表示为

其中，d0(t)和dj(t)分别为阵列天线接收到的有用信号和干扰信号，n(t)为噪声信号，J表示干扰信号的个数。

空域滤波和空时滤波是阵列处理中最简单、最基本的数字波束成形抗干扰技术。单波束的空时滤波数字波束成形处理结构，如图2所示，其中时域延迟数为L。当L=1时，该结构为空域自适应滤波（SAP），当L＞1时，该结构为空时自适应滤波（STAP）。空时自适应滤波，通过对每个阵元接收信号进行相同数目的时域延迟，从而得到空时二维的接收信号，使得可以同时实现时域滤波和空域滤波。该方法在不增加阵元数量的情况下，可以增加阵列天线的自由度，从而提高抗干扰性能。

图2 数字波束成形处理结构

经过数字波束成形处理之后，阵列输出信号可表示为

其中，复数权值系数wn的模和幅角分别用来调节第n个阵元接收信号的幅度和相位。

通过对权值系数wn进行优化，可达到控制天线阵方向图的作用，从而使主波束对准有用信号来向，并使零陷对准干扰来向。所以，数字波束成形中的阵列加权通过相干叠加有用信号以及不相干叠加干扰信号和噪声，可实现对有用信号的增强，对干扰信号和噪声的抵消。

2.2 适应数字波束成形算法

自适应波束成形算法的核心是最优加权准则，它决定了波束成形算法的抗干扰性能和实现难易程度。在卫导阵列信号数字波束形成中，常见的最优加权准则包括：PI准则、波束控制（BS）准则、最小均方误差（MMSE）准则和MVDR准则。

基于MVDR准则的自适应调向算法是一种经典的数字波束成形方法，它通过约束卫导信号方向的阵列响应为常数，在保证对期望信号无失真的情况下，使阵列输出信号的功率最小化，从而达到阵列输出的信干噪比最大。

MVDR算法的最优权系数为

其中，s为有用信号的导向矢量，R为阵列接收信号的自相关矩阵（包含有用信号、干扰信号和噪声），u为常数。所以，MVDR算法最优权值系数的计算可通过对自相关逆矩阵和导向矢量的乘积来实现。

当无法获取信号的导向矢量时，可采用基于PI准则的自适应调零数字波束成形算法，它通过最小化输出信号功率来达到抑制功率较强的干扰信号的目的。

PI算法的最优权系数为

其中，b为约束向量[1 ，0，…，0]T，u为常数。

PI算法不需要信号的方向信息，通过对中心阵元的权系数约束为固定常数，将最优权值系数的计算转化为对自相关逆矩阵第1列元素的求解，从而大大降低其工程实现的难度。

3 自适应抗干扰接收机的实现

本文提出了一种GPS/BDS双模自适应抗干扰接收机系统的实现方法，如图3所示。该系统由CRPA阵列天线、射频信道、惯导、抗干扰处理板、GPS接收机和BDS数字接收机组成。

图3 GPS/BDS双模自适应抗干扰接收机框图

CRPA阵列天线为7个阵元的均匀圆阵，参考阵元位于圆心位置，其主要功能是实现GPS/BDS卫星信号的接收，通过阵列形式产生矢量跟踪信号。

射频模块包含35个下变频通道和2个上变频通道以及频综电路，其中下变频通道完成射频到中频的变频、滤波、放大等功能，上变频通道完成中频到射频信号的变频、滤波等功能，频综电路产生上下变频所需的本振信号以及抗干扰处理板的时钟信号。

抗干扰处理板是接收机系统的核心，它实现对35路中频AD数据的采样和2路GPS数据的DAC数模转换，以及中频信号的数字下变频、自适应波束成形等功能。为了满足卫星导航定位实时性高的要求，本文设计的抗干扰接收机中自适应波束成形算法是基于FPGA来实现的，利用FPGA的处理速度来提高自适应抗干扰算法的性能。

惯导INS的主要功能是为抗干扰处理板提供时间、位置、姿态、角速率、速度、加速度等信息。

GPS接收机实现对L1/L2双频GPS卫导信号的捕获跟踪、电文提取、定位解算以及差分定位等功能。BDS数字接收机实现对B1/B2/B3三频北斗卫导信号的捕获跟踪、电文提取、定位解算等功能，以及给抗干扰处理板提供星历等信息。

GPS/BDS双模自适应抗干扰接收机系统，采用自适应调零和自适应调向相结合的数字波束成形技术。当惯导等辅助单元可用的情况时，双模接收机利用自身的姿态信息和卫星的星历信息，得到BDS卫星信号的指向信息进行自适应调向抗干扰处理。当惯导等辅助单元不可用时，无法获得卫星信号的指向信息，此时双模接收机对GPS信号采用自适应调零抗干扰处理。

3.1 GPS自适应调零抗干扰接收机

图4 GPS自适应调零抗干扰处理框图

GPS自适应调零抗干扰接收机，采用基于功率倒置的自适应调零波束成形技术，可在无法获得卫星信号指向信息时，对大功率的干扰信号进行抑制，其信号处理流程如图4所示。

GPS信号经过阵列天线和射频信道之后，得到L1/L2频点的14路中频信号，然后在抗干扰处理板中通过多通道ADC对中频信号采样，接着进入FPGA进行数字信号处理。FPGA中实现的数字信号处理包括数字下变频、自适应调零算法计算波束合成的权值系数以及数字波束合成，得到L1/L2频点经自适应调零处理后的基带卫导信号。最后，基带卫导信号再经过DAC数模转换、射频信道的上变频之后送入GPS接收机，输出位置信息。

3.2 BDS自适应调向抗干扰接收机

BDS自适应调向抗干扰接收机，采用基于MVDR的自适应调向数字波束成形技术，通过利用卫星信号的指向信息，在保证对卫导信号无失真的前提下实现对干扰信号的抑制，其信号处理流程如图5所示。

图5 BDS自适应调向抗干扰处理框图

BDS信号经过阵列天线和射频信道之后，得到B1/B2/B3频点的21路中频信号，然后在抗干扰处理板中通过多通道ADC对中频信号采样，接着进入FPGA进行数字信号处理。FPGA中实现的数字信号处理包括数字下变频、自适应调向算法计算波束合成的权值系数以及数字波束合成，得到B1/B2/B3频点经自适应调向处理后的多波束的基带卫导信号。最后，多波束的基带卫导信号再进入多通道的BDS数字接收机，输出位置信息。与自适应调零算法不同之处，自适应调向算法结合惯导的姿态信息和数字接收机的星历信息，计算在CRPA天线坐标系下的每颗卫星的俯仰角与方位角并得到其导向矢量，再将该信息用于MVDR算法最优权值系数的计算。

3.3 抗干扰接收机的工程实现

自适应抗干扰接收机的工程实现涉及的主要关键问题如下。

3.3.1 天线校准和通道校准

在卫星导航系统中，根据星历数据、接收机位置、阵列天线姿态等信息可计算出卫星信号的方向，结合天线阵阵元位置便可计算出卫导信号的导向矢量，从而引导天线阵的主波束对准卫星信号方向。然而，上述信息均可能存在一定的误差，因此需要通过对天线校准以消除误差信息对数字波束成形算法的影响。

在阵列信号接收过程中，多阵元的射频通道和ADC采样通道均存在幅频、相频特性的不一致性，它将严重影响阵列处理的性能。因此，需要采用通道校准获取各个通道的幅相响应并在波束成形过程中给以补偿，从而保证各阵元基带信号幅相关系的一致性。

3.3.2 迭代运算避免矩阵求逆

由于在自适应波束成形算法最优权系数的计算过程中，需要利用阵元接收信号计算自相关矩阵的逆矩阵，计算复杂度对工程实现提出了较大的难度，并且矩阵求逆运算的时间直接影响权值系数的更新率。所以，在工程实现中，自适应波束成形算法可采用迭代运算来避免矩阵求逆和提高权值系数的更新率。

3.3.3 多通道ADC采样和量化的实现

首先，阵列信号处理需采用多个ADC通道对不同阵元的接收信号分别同时进行采样，通道间需保持准确的同步。其次，ADC在量化过程中将带来量化损失，量化比特越宽量化损失越小。当量化比特大于4比特时，量化损失几乎可以忽略不计。所以，BDS数字接收机输入的多波束IQ基带数据的宽度至少需4比特。再者，ADC芯片应该选用高比特采样方案以增大动态范围，否则在强干扰情形下将导致ADC的输出饱和，无法输出正确的AD采样信号。ADC芯片的采样比特数越多，则ADC芯片能够处理的干扰和噪声的动态范围越大。

3.3.4 时钟偏差对接收机性能的影响

采样时钟的偏差将导致真实中频值和理论中频值不一致，从而增大接收机信号捕获时多普勒频率搜索的范围，同时接收机本地时钟的偏差也将加大接收机捕获跟踪的难度。此外，采样时钟和接收机本地时钟的偏差也将影响多普勒观测量的偏差和伪距观测量的偏差。而采样时钟和接收机本地时钟都来自于射频信道，所以射频信道应使用较高稳定度的温度补偿晶体振荡器，且频率准确度和稳定度应达到10-7以上。

4 测试验证

下面通过软件接收机对自适应调零算法和自适应调向算法进行了仿真。仿真参数设置为采样频率为62MHz，阵元数目为7，参考阵元为中心阵元，卫星信号为7颗，量化位数为8比特。在信号带宽内，加入3个40dB的干扰，俯仰角均为85°，方位角分别为［0°、135°、225°］。

图6给出了自适应调零算法中卫星信号波束响应在干扰出现前后的变化，其中卫星信号的俯仰角为70°，方位角为351°。从图6中可以看出，在干扰信号加入之前，通过自适应调零算法形成的波束，在部分区域有增益（图中白色区域），但并不位于信号方向；在干扰信号加入之后，在干扰方向上均形成了零陷，但是信号方向的响应却得不到保证。

图6 自适应调零算法中信号的波束响应图

图7给出了自适应调向算法中卫星信号波束响应在干扰出现前后的变化，其中卫星信号的俯仰角为39°，方位角为315°。从图中可以看出，卫星信号与干扰信号相对远离，干扰信号均得到了较好的抑制，而信号得到了保留，同时由于波束成形还得到了一定的信噪比增益。

图8给出了自适应调零算法中卫星信号载波相位偏差在干扰出现前后的变化。图9给出了自适应调向算法中卫星信号载波相位偏差在干扰出现前后的变化。从图中可以看出，自适应调向算法对信号方向的约束使得它基本不会引入任何载波相位偏差，而自适应调零算法由于没有对信号方向约束，将导致相位增益均在一定范围内变化。

仿真结果分析，自适应调零算法虽然在干扰方向可以形成较大的零陷，但同样对信号方向的增益有所影响；而自适应调向算法在不改变信号方向增益的前提下，仍然可以在干扰方向形成较大的零陷，具有更好的抗干扰能力。

图7 自适应调向算法中信号的波束响应图

图8 自适应调零算法中信号的载波相位偏差图

图9 自适应调向算法中信号的载波相位偏差图

5 结语

本文在介绍国内外卫导抗干扰技术的研究现状和分析数字波束成形抗干扰技术的基本原理之后，提出了一种GPS/BDS双模自适应抗干扰接收机的设计与实现，该接收机采用数字调零和波束调向相结合的数字波束成形技术，最后通过仿真结果对数字波束形成技术的抗干扰性能进行了验证。此外，本文设计的自适应抗干扰接收机已经在实际工程中进行了实现，并取得了良好的抗干扰效果。