卫星导航自适应阵列抗干扰性能分析

摘 要：方阵、矩形阵和Y 形阵是三种常用的卫星导航抗干扰阵列结构。对天线而言，阵列互耦、单元不一致性是引起阵列抗干扰性能下降的主要因素。论文分析了不同阵列形式、不同阵元间距和不同干扰情况下阵列抗干扰性能。研究表明：采用空域抗干扰，天线因素对阵列抗干扰性能有影响，方正是最佳的阵列结构形式；当采用空时抗干扰算法时，天线因素对于阵列抗干扰性能的影响可以忽略。

1 引言
自适应抗干扰阵列在卫星导航系统中具有广泛的应用，其抗干扰性能与许多因素有关，包括天线结构、射频通道不一致性、抗干扰算法等。对窄带信号一般采用空域抗干扰算法，对于宽带信号通常采用空时抗干扰算法[1]。与天线阵列有关的影响因素有阵列形式、单元个数、阵元间距等。实际上，以上三个因素会引起不同的互耦效应，进而在某一阵列中形成一定程度上的天线不一致性，它直接影响到阵列的抗干扰性能。天线不一致性包括三个方面：
（1）同一天线上不同方向上方向图的幅度相位不一致；
（2）同一天线上频带范围内不同频点上方向图的幅度相位不一致；
（3）各天线之间同一方向
上方向图的幅度相位不一致。对于不同的阵列结构，其天线不一致性的程度不同，表现出不同的抗干扰能力。 论文对方阵、矩形阵和Y 形阵三种阵列结构的抗干扰性能进行了分析，在仿真中引入阵列方向图来模拟阵列接收信号，设置了典形的应用场景，比较了三种阵列在空域抗干扰和空时抗干扰情况的抗干扰性能。
2 单元及阵列模形
设计了一个中心频率为1268.52MHz、带宽为20.46MHz 的右旋圆极化单元。在工作带宽上，单元的反射系数小于-13dB。
图1 给出了六种阵列结构，其中（a）（b）为方阵，阵元间距分别为0.4λ和0.3λ；（c）（d）为矩形阵列，阵元间距分别为0.5λ×0.4λ、0.375λ×0.3λ；（e）（f）为Y 形阵，阵元间距分别为0.4λ 和0.3λ。

图1 阵列模形
3 抗干扰性能比较
3.1 抗干扰算法考虑在实际应用中，卫星信号功率很小，几乎淹没在噪声和干扰信号中，空域抗干扰算法采用以噪声为参考的NRLS 算法[2, 3]。该算法不会减少阵列自由度，既克服了RLS 算法需要参考信号的缺点，又得到了更好的干扰抑制效果。针对宽带干扰，为了获得优良的干扰抑制效果，对NRLS 算法进行了空时二维改造[1]。
3.2 空域抗干扰首先针对连续波干扰信号进行抗干扰处理。仿真采用三个连续波干扰信号，干信比从10dB 变化到80dB，干扰信号来自于天线方向图的旁瓣，俯仰角4 度。 图2、图3 比较了采用不同阵列结构情况下抑制前后干扰信号电平差，该结果为进行1000 次仿真所得的平均值。

图2 六种阵列抗干扰性能比较

图3 六种阵列抗干扰性能比较（局部放大）
对于宽带信号的抗干扰性能比较，此处选择了两种情况：一种是三个干扰信号均位于天线一致性较差的方向，另一种是三个干扰信号位于天线一致性较好的方向。图4 和图5 给出了方阵1 在两种情况下抗干扰仿真结果。其它阵列结构抗干扰仿真结果类似。

图4 天线一致性较差时的空域抗干扰性能

图5 天线一致性较好时的空域抗干扰性能
图中给出了抗干扰前后输入信号和输出信号的频谱，通过比较可以发现：从总体上看，在抑制窄带干扰时，方阵的抗干扰能力最优，矩形阵次之，Y 形阵最差；对于宽带信号的抑制，空域抗干扰算法存在缺陷，如果干扰信号来自天线不一致性较差的方向，则几乎不能对干扰信号形成任何抑制。
3.3 空时抗干扰分析阵列的空时抗干扰性能时，空时抗干扰算法中时域滤波器阶数取为3，三个干扰信号均位于天线一致性较差的方向。图6 给出方阵1 的抗干扰仿真结果。其它阵列结构也具有相似的仿真结果。

图6 天线一致性较差时的空时抗干扰性能
通过仿真发现，采用空时抗干扰算法时，在阵列具有相同单元数的情况下，阵列结构、阵元间距、互耦、天线不一致性等因素对阵列的抗干扰性能几乎没有影响。当然，在阵列的设计上需要让单元能够正常工作。
4 总结
论文分析了方阵、矩形阵和Y 形阵三种常用阵列结构在空域滤波和空时滤波两种情况下的抗干扰性能。研究表明：在采用空域抗干扰时，方阵具有最佳的干扰抑制效果；针对宽带信号采用空时抗干扰时，三种阵列结构性能相似，没有明显的差别。 作者：黄丘林 焦鹏辉 刘鹏 史小卫

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