自适应抗干扰天线在飞行器导航系统中的应用研究

 引言

大多数卫星导航系统是一个广播系统，没有自我校正功能，用户得到的定位信息的真伪无法通过本系统判别，使得对导航信号的干扰变得相对容易。尽管导航系统均采用扩频技术，有很高的处理增益，极具隐蔽性。GPS信号电平通常比噪声电平低20dB左右，很难检测到。同时，正因为到达用户接收机的信号强度极低，因此通用GPS接收机非常容易被干扰。

自适应天线系统结合数字信号处理技术和天线与微波技术，将天线方向图的零点指向干扰信号，减轻干扰信号对卫星导航系统的影响。它可以提高导航系统不低于30dB的抗干扰能力，并且能同时对抗多个方向的干扰。

高速飞行器速度极高，飞行器上的天线系统必须满足防热、气动、共形、结构强度以及恶劣的环境条件等特殊要求。自适应天线系统天线必须与载体共形安装，天线阵列的排布受到限制，非规则的天线布局对自适应天线系统的性能会产生较大影响。

2 自适应天线系统简介

自适应天线系统主要由天线阵、自适应处理器以及射频电缆网构成。其中，天线阵由多个天线单元构成，通常为四个天线，一个为主天线，接收有用信号，其余为辅助天线，产生对消干扰的参考信号。自适应天线系统与接收机不需要通信，通过射频电缆连接。天线系统组成如图1。

图1 自适应天线系统组成图

自适应天线系统根据天线阵列的输出情况自动调节副通道(副天线对应的射频通路)的权系数(幅度和相位)，使天线系统能根据电磁环境、卫星导航信号及干扰信号的方向变化自动跟踪所需的信号，自动抑制信号，以提高天线接收信号的质量，从而具有自适应性。自适应处理器是整个系统的核心，在自适应处理器中，对信号进行数字化自适应处理，利用功率倒置算法完成对干扰信号的消除。

3 自适应天线系统研制概况

3.1 天线阵列研制

根据飞行器的飞行姿态以及干扰的来向，确定天线的布局。图2为卫星导航和干扰来自于载体下方的天线阵列排布示意图。

图2 天线布局示意图

朝天的天线由一个单元构成，用于接收卫星信号。朝地的天线由三个单元构成，用于对消干扰信号。对阵列进行了仿真，仿真模型如图3，当选择适当的权值时，阵列仿真结果如图4。

图3 飞行器天线系统仿真模型

图4 形成零点方向图

从图中可以看出，采用四元自适应阵列，主天线朝天，三元对消阵列朝地，只要自适应处理机选择合适的权值，就可以有效的在干扰方向形成增益零点，实现对消地面干扰的需要;对接收卫星信号的上半球没有影响。 单元天线采用微带形式，带有防护透波罩，共形安装，可以满足飞行器对气动、防热的要求。图5所示为天线的样机产品。

图5 自适应天线阵列图片

3.2 自适应处理器研制

自适应处理器由前置放大模块、接收机模块、权值调整模块和信号处理模块组成，如图6所示。

图6 自适应处理器组成框图

前置放大模块为低噪声放大器，放大后的信号分为两路，一路送往接收机模块进行解调，解调后送往信号处理板进行处理。另一路信号送往权值调整模块，在权值调整模块内根据信号处理板送来的权值调整信号进行调整。对干扰信号而言，形成幅度相同，相位相反的信号的叠加，从而消除干扰信号。处理后的信号可以直接供接收机使用。工程化设计的自适应处理器样机如图7。该机可以兼容GPS、GOLASS和北斗导航系统，外形尺寸为142mm×100mm×74mm，重量为1.0kg。

图7 自适应处理器工程样机

4 自适应天线系统验证试验

4.1 对消比测试

样机经过高温试验，低温试验以及力学环境试验，性能符合飞行器环境要求。抗干扰性能达到了30dB以上，测试结果见图8。

(a)窄带干扰对消结果

(b)宽带干扰对消结果

图8 自适应处理器测结果 4.2 抗干扰方向图测试

天线系统安装在飞行器模拟壳体上，测试方抗干扰向图，如图9所示。分别对自适应系统工作与不工作两种状态进行对比，结果如图10。图中90°方向为干扰来向。黑色为自适应不工作时的测试结果，红色为自适应工作状态的测试结果，通过对比可以看出对消比在35dB以上。 干扰方向连续变化时(等效于高速飞行)动态测试结果如图11，黑色为自适应不工作时结果，红色为自适应工作时结果。

图9 方向图的测试

图10 抗干扰方向图测试结果

图11 干扰方向连续变化时动态测试结果

4.3 抗干扰收星试验

自适应天线系统安装在飞行器模拟壳体上，进行抗干扰收星试验，如图12所示。四周布3个干扰源，模拟各种姿态可能的干扰来向。通过对比自适应处理器工作和不工作两种状态的在干扰环境下的收星情况，验证自适应天线系统的抗干扰能力。收星试验结果如表1所示。

图12 抗干扰收星试验

表1 抗干扰收星结果

 

不能定位时的干扰功率

普通天线系统

-86dBm

自适应天线系统

-54dBm

抗干扰能力

32dB

5 结论

自适应抗干扰天线系统具有较强的抗干扰能力(大于30dB)，可以解决复杂电磁环境中卫星导航系统抗干扰问题。通过对经过工程化设计的自适应天线系统的环境试验、对消比测试、抗干扰方向图测试和抗干扰收星定位试验等证明，在高速飞行器上安装自适应天线系统，提高导航系统的抗干扰能力是可行的。自适应天线系统与接收机之间不需要通信，只要把常规的天线系统更换为自适应天线系统，就可以把常规卫星导航接收系统就可以提升为抗干扰接收系统。自适应天线系统使用方便，效果突出，具有广泛应用前景。