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基于功率倒置算法的GPS抗干扰天线研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 西安理工大学学报Journal of Xi’an University of Technology(2008)Vo1.24 No.2 l49 文章编号:1006-4710(2008)02-0149-04 基于功率倒置算法的GPS抗干扰天线研究 柯熙政,卢瑜 安川r大 『J动化 0 息1. :院,陕 安710048 摘要:介绍了GPs信号的特点,以及功率倒置阵列原理,针对GPS接收机易受外来干扰的情况,提 出了一种有效的GPS抗干扰方法一基于功率倒置算法的自适应天线阵列,采用最小均方误差LMS 算法计算功率倒置阵的权值,给出了最优加权条件下不同干扰功率的天线方向图,表明功率倒置算 法能使天线阵列在干扰方向上自动产生波束零陷,且随干扰功率的增强而加深。结合软件无线电 的思想,探讨了自适应天线阵列中各单元的实现途径。 关键词:功率倒置算法;自适应阵列;全球定位系统;干扰 中图分类号:TN96 文献标识码:A Research of GPS Anti-Jamming Antenna Based on Power Inversion Algorithm KE Xi—zheng,LU Yu (Faculty ofAutomation and Information Engineering,Xi’an University ofTechnology,Xi’an 710048,China) Abstract:Introduces the characteristic of GPS and the theory of power inversion array.Aimed at GPS re— ceiving will be easily influenced by extra interference.Based on the adaptive antenna array of power in— version algorithm,this paper suggests a kind of effective GPS anti-jamming method.Calculated the power of power inversion array based on LMS algorithm,described antenna directions on different interferential power.The results indicate that the power inversion algorithm is able to get antenna array form beam zero— trap.Finally,the realization approach of each unit in the adaptive antenna array is described in details in combination with the software radio thought. Key words:power inversion algorithm;adaptive array;GPS;anti-jamming 全球定位系统(GPS)以其全天候、高精度、自动 化、高效率等显著特点,已涉足军事、航天、航空、测 干扰可采用自适应阵列天线来解决。从抑制GPS 干扰的角度出发,本文提出了一种基于功率倒置算 绘、通讯等众多领域,成为了继蜂窝移动通信 (GSM)、互联网之后的全球第三个IT经济新的增长 点。需求的增长带来了技术的发展,GPS成了卫星 法自适应天线阵列的方法来对抗干扰。仿真结果表 明:该方法在改善接收机抗干扰能力方面表现出了 良好的性能,并且易于工程实现。 通信领域和码分多址技术(CDMA)领域内的热门话 题。 1 GPS信号特点 GPS接收机以码分多址形式(CDMA)区分各卫 随着GPS应用的日益广泛,如何提高GPS定位 精度,提升GPS的抗干扰能力受到世人越来越多的 关注。在这方面我们也已经进行了一些相关探索, 包括对流层的影响、广域差分技术、组合导航和高动 星信号,GPS信号具有如下特点 J: 1)GPS信号的载波频率是透明的:L 频率为1 575.42 MHz,L2频率为1 227.6 MHz;C/A码带带宽 态GPS信号模拟器技术的研究 引。对GPS的干扰 从频率角度可分为带内干扰和带外干扰。带外干扰 可采用在射频和中频设置窄带滤波器滤除,而带内 为:1.023 MHz;P码为:10.23 MHz;信源基带为50 Hz。GPS信号频率的公开性,这就决定了GPS信号 干扰方式为频率瞄准性干扰。 收稿日期:2007—12-25 基金项目:国防重点实验室基金资助项目(9140C3601010701);陕西省自然科学基金资助项目(2007F12);陕西省教育厅 科技专项基金资助项目(07JK332);广东省交通厅科技计划资助项目(2007—26)。 作者简介:柯熙政(1962一),男,陕西西安人,教授,博导,博士,研究方向为现代通信技术和信号处理。E—mail:xzke@ xaut.edu.cno 维普资讯 http://www.cqvip.com 150 西安理工大学学报(2008)第24卷第2期 2)对于GPS导航卫星来说,L 信号卫星发射机 功率为26 w,卫星天线增益为12 dB,由于各种损 耗,GPS接收机收到的有效GPS信号的载波功率仅 为一161.45 dBW。GPS的这种能量特性决定了对 其信号的干扰方式必然以能量为主。 3)由于扩频技术的广泛应用,频域、时域和能 量域特性已不能描述信号的全部特性,而信号波形 特性的不同使得上述三种特性相同的信号相互之间 不受干扰。因此可利用波形特性干扰GPS,使其丧 图1功率倒置阵示意图 Fig.1 Structure of power inversion apdaptive array 失精密制导和定位功能,这种干扰手段常采用相关 波形干扰技术。 Y= 0一’.,H。pI (1) 其中,上标H表示共轭转置。阵元1~~一1的加权 向量为: ● 2功率倒置阵的原理 “功率倒置”(Power Inversion,PI)指自适应阵 列翻转两个接收信号的功率比的能力l 。功率倒 置阵的结构如图1所示,图中 。, , :,…… 一 分 ’.,。pt=足 (2) 功率倒置阵列将保持第一路加权系数 。始终 为1(或某一个常数),通过调整其他阵元的加权向 量[ , :, ,,…, 一 ],使阵列输出信号的功率 最小。这种阵列能够在方向图上形成不同的零陷, 并且干扰功率(SJR)越大,形成的零陷越深,对干扰 的抑制越强。图2为不同条件下的功率倒置算法仿 别表示阵列的Ⅳ个阵元, 0, 1, 2, 3,…ix)Ⅳ一1分别 表示阵列的自适应权值, 表示阵列最后的输出。 若记: =[ l, 2,…… 一1] ,rx0=E{ ・ 0 },R = E{ ・ },wo =[1,’., r,将阵元0上的信号 作为参考信号,通过调整其他阵元的加权向量’., =真图,假设GPS信号的到达角(0, )=(25。,35。), 三个干扰分别来自(0, )=(10。,30。),(0, )= (50。,200。)和(0, )=(65。,350。)。从图中可以 [ ,∞2,∞3,…, Ⅳ一1 r,使阵元1~N一1的加权 输出和参考信号之间服从最小均方误差(LMS)准 则 J。则阵列的输出信号为: 看出该方法对信号和干扰均具有抑制作用,并且功 率越强,抑制越明显。 ∞ \ ∞ j 0/( ) 。) (a1 SJR:0时天线方向图 ∞ \ ∞ \ j 磬 0/( ) (b)SJR=20dB时天线方向图 。) 图2不同条件下的功率倒置算法仿真图 Fig.2 Power inversion algorithm in different directional diagram condition 维普资讯 http://www.cqvip.com 柯熙政等:基于功率倒置算法的GPS抗干扰天线研究 l51 3 GPS抗干扰天线阵列实现 通常自适应天线阵列由三大部分组成 J:阵列 传感器,波束形成网络和自适应处理器。由于GPS 要求天线阵的全方位性,GPS接收机必须在同一时 (BPF)滤掉带外噪声,再经低噪声放大器(LNA)和 专用功率分配器分别进入波束形成网络和自适应处 理器。由于卫星信号为复信号,因此在波束形成网 路中,每路信号都被一个90。功率分配器分为正交 的两路,再经过自适应加权后输出。其中各路信号 的加权也是由功率分配器实现的。自适应处理器主 要由混频器、A/D采样,I/Q解调器,DSP处理器,D/ A转换等组成,每一路信号通路均具有高度的一致 刻至少接收四颗卫星信号,才能够准确定位,因此我 们设计采用多元平面圆阵列结构。图3为基于软件 无线电思想的天线阵列的实现方案。各天线感应到 来自空间的卫星信号后,经过前置带通滤波器 性 WK1 Wl‘I WRZ WJ( Wi‘j W14J=WK4 W-H 图3 GPS抗干扰天线实现框图 Fig.3 Scheme of GPS anti—jamming antenna 波束形成单元中LNA选用了TQ9122,它是一 等 。对于选定的A/D,其量化精度是确定的,在 种专用于放大器的8管脚芯片,工作频率范围为 量化过程中就不可避免存在信号的损失,如果A/D 500—2500 MHz,最大衰减量1.3 dB,能够满足天线 的动态范围太小,则会造成处于弱势的有用信号基 阵列高频率、小衰减及低功耗的要求。低噪声放大 .本被量化掉。为此从性能、成本以及前后电路的接 器电路如图4所示。90。移相电控衰减器采用 口等各方面综合考虑,本系统选择了AD公司生产 MATCHING电压可控衰减器实现(图5所示),其工 的高速采样芯片AD9203,它的量化精度为l0 bit,采 作频率范围为50—3 000 MHz,符合GPS信号的频 样频率为25 MHz。 率要求。混频模块使用了MOTOROLA生产的 由于目前数字信号处理均采用匹处理的方式, GPSRF前端MRFIC1504,MRFIC1504采用双变换结 因此经AD采样后的高速数据流不能直接读人 构,将天线接收到的频率为1575.42 MHz的GPS信DSP,必须经DDC器件降速处理、I/Q分离后,再经 号变换成频率为4.092 MHz的中频信号。信号的 过高速缓存后方可进入DSP处理。DDC单元是利 变频方案如图6所示。 . 用数字的混频和滤波方法得到正交的两路信号,在 自适应处理器的硬件实现中最为关键的是A/DDC的实现中选择了AD公司的AD6620芯片。 D,数字下变频(DDC)和DSP的选择。由于不仅 AD6620是AD公司生产的一款高性能的可编程数 GPS接收机面对的电磁环境是随机变化的,而且有 字下变频器。它采用信号多级抽取理论和数字混频 用信号和干扰之间功率相差很大,因此在选择A/D 正交变换理论,实现了数字下变频、抽取、低通滤波 时必须注意A/D采样率、量化精度、动态范围 等功能。 维普资讯 http://www.cqvip.com

152 图4低噪声放大器的电路原理图 Fig.4 Circuit diagram of low noise ampliifer VCC,5V VC2 图5移相电控衰减器的电路原理图 Fig.5 Circuit diagrma of dephasing rejector 1 575.42MHz 61-38MHz 1636.8MHz 65.47M 级l奉振 二级奉振 图6 MRF1504混频示意图 Fig.6 Scheme of mixing 系统选用,I’I公司的定点DSP芯片TMS32OVC 5509,它是目前,I1公司推出的单位处理能力内功耗 最小的DSP芯片,可提供低至0.33 mA/MHz的功耗 以及高达600 MIPS的性能,并且它的外部存储器接 口(EMIF)支持各种同步和异步存储器。由于经DDC 模块仍然输出的是高速数据流,如果通过5509的 EMIF接口使用高速缓存为AD6620与DSP之间架起 桥梁,就能够大大减轻DSP的运算负担。因此本系 统选用了两片,I1公司的SN74V245,将两片FIFO并 列构成双FIFO缓冲结构,以16 bit总线宽度连接到 DSP的EMIF接口和AD6620之间。通过这种接口设 计,不仅充分利用了EMIF的16 bit数据线宽度,而且 又时分复用的实现了采样数据的V'Q分离,为算法的 运算实现提供了方便。至此本文已对自适应阵列的 各部分硬件实现进行了详细的阐述。 4结语 自适应天线抗干扰技术已成为GPS抗干扰技 术研究的重要方向。由于功率倒置阵列能够在干扰 到达方向上形成零点,达到抑制干扰的目的,所以本 文将其应用于GPS抗干扰中,并且结合现代接收机 西安理工大学学报(2008)第24卷第2期 结构和软件无线电的思想设计了一种实用的自适应 天线实现方案,该方案简单可行,效果好,为GPS抗 干扰的分析和研究提供了更多的灵活性。 参考文献: [1]任亚飞,柯熙政(Ren Ya—fei,Ke Xi—zheng).GPS定位误差 中对流层延迟的分析(An analysis of troposphere delay in GPS positioning error)[J].西安理工大学学报(Journal of Xi’an University of Technology),20O6,22(4):407-410. [2]姜萍,柯熙政(Jinag Ping,Ke Xi—zheng).基于北斗差分 信息的GPS广域差分定位技术(WADGPS positioning technology based on the beidou correction data)[J].西安 理工大学学报(Journal of Xi’an University of Technolo— yg),2007,23(1):79-82. [3]姜萍,柯熙政(Jiang Ping,Ke Xi—zheng).GPS相位平滑 伪距技术在广域差分定位中的应用(Application of GPS phase smoothing pseudo—range technology in WADGPS system)[J].宇航计测技术(Journal of Astronautic Me— trology and Measurement),2007,27(1):11—14. [4]李建勋,柯熙政(Li Jina-xun,Ke Xi-zheng).组合导航系 统的数据传递和信息发播研究(Data trnasfer nad informa— tion trnasmit in integrated navigation system)[J].宇航计 测技术(Journal of Astronautic Metrology and Measure— ment),2006,26(1):20-23. [5]贾科军,柯熙政(Jia Ke-jun,Ke Xi—zheng).高动态GPS 卫星信号模拟器设计与实现(Design and implementation 0f high dynamic GPS satellite singals simulator[J].宇航 计测技术(Journal of Astronautic Metrology and Mesaure— ment),2006,26(5):1-6. [6]许其风(Xu Qi-feng).GPS卫星导航与精密定位(GPS satellite navigation and precision positioning)[M].北京: 出版社(Beijing:Jiefnagjun Press),1994. [7]Compton R T.The power inversion adaptive array:concept and performance[J].IEEE Trnasactions on Aerospace and Electronic Systems,1979,15(6):803-814. [8]桑怀胜,李峥嵘等(Rou Huai-sheng,Li Zheng—rong,et a1).采用RLS算法的功率倒置阵列的性能(The per- formance of power inversion array using RLS algorithm) [J].国防科技大学学报(Journal of National University of Defensetechnology),2003,25(3):36-40. [9]龚耀寰编著(Gong Yao—huan).自适应滤波——时域自适应 滤波和智能天线(Self-adapting iflter—time domain self-adap- irng fd'ter nad intelligent antenna[M].北京:电子工业出版 社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry),2OO3. [10]卢曦(Lu xi).基于DSP的GPS接收机天线抗干扰技术 研究(The research of GPS receiver natenna anti—intefrer_ ence technic base on DSP)[D].武汉:武汉大学(WuHan: WuHan University),2004. (责任编辑杨小丽) 

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