自適應抗干擾天線在飛行器導航系統(tǒng)中的應用研究

 引言

大多數(shù)衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一個廣播系統(tǒng)，沒有自我校正功能，用戶得到的定位信息的真?zhèn)螣o法通過本系統(tǒng)判別，使得對導航信號的干擾變得相對容易。盡管導航系統(tǒng)均采用擴頻技術，有很高的處理增益，極具隱蔽性。GPS信號電平通常比噪聲電平低20dB左右，很難檢測到。同時，正因為到達用戶接收機的信號強度極低，因此通用GPS接收機非常容易被干擾。

自適應天線系統(tǒng)結合數(shù)字信號處理技術和天線與微波技術，將天線方向圖的零點指向干擾信號，減輕干擾信號對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的影響。它可以提高導航系統(tǒng)不低于30dB的抗干擾能力，并且能同時對抗多個方向的干擾。

高速飛行器速度極高，飛行器上的天線系統(tǒng)必須滿足防熱、氣動、共形、結構強度以及惡劣的環(huán)境條件等特殊要求。自適應天線系統(tǒng)天線必須與載體共形安裝，天線陣列的排布受到限制，非規(guī)則的天線布局對自適應天線系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生較大影響。

2 自適應天線系統(tǒng)簡介

自適應天線系統(tǒng)主要由天線陣、自適應處理器以及射頻電纜網(wǎng)構成。其中，天線陣由多個天線單元構成，通常為四個天線，一個為主天線，接收有用信號，其余為輔助天線，產(chǎn)生對消干擾的參考信號。自適應天線系統(tǒng)與接收機不需要通信，通過射頻電纜連接。天線系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 自適應天線系統(tǒng)組成圖

自適應天線系統(tǒng)根據(jù)天線陣列的輸出情況自動調(diào)節(jié)副通道(副天線對應的射頻通路)的權系數(shù)(幅度和相位)，使天線系統(tǒng)能根據(jù)電磁環(huán)境、衛(wèi)星導航信號及干擾信號的方向變化自動跟蹤所需的信號，自動抑制信號，以提高天線接收信號的質(zhì)量，從而具有自適應性。自適應處理器是整個系統(tǒng)的核心，在自適應處理器中，對信號進行數(shù)字化自適應處理，利用功率倒置算法完成對干擾信號的消除。

3 自適應天線系統(tǒng)研制概況

3.1 天線陣列研制

根據(jù)飛行器的飛行姿態(tài)以及干擾的來向，確定天線的布局。圖2為衛(wèi)星導航和干擾來自于載體下方的天線陣列排布示意圖。

圖2 天線布局示意圖

朝天的天線由一個單元構成，用于接收衛(wèi)星信號。朝地的天線由三個單元構成，用于對消干擾信號。對陣列進行了仿真，仿真模型如圖3，當選擇適當?shù)臋嘀禃r，陣列仿真結果如圖4。

圖3 飛行器天線系統(tǒng)仿真模型

圖4 形成零點方向圖

從圖中可以看出，采用四元自適應陣列，主天線朝天，三元對消陣列朝地，只要自適應處理機選擇合適的權值，就可以有效的在干擾方向形成增益零點，實現(xiàn)對消地面干擾的需要;對接收衛(wèi)星信號的上半球沒有影響。 單元天線采用微帶形式，帶有防護透波罩，共形安裝，可以滿足飛行器對氣動、防熱的要求。圖5所示為天線的樣機產(chǎn)品。

圖5 自適應天線陣列圖片

3.2 自適應處理器研制

自適應處理器由前置放大模塊、接收機模塊、權值調(diào)整模塊和信號處理模塊組成，如圖6所示。

圖6 自適應處理器組成框圖

前置放大模塊為低噪聲放大器，放大后的信號分為兩路，一路送往接收機模塊進行解調(diào)，解調(diào)后送往信號處理板進行處理。另一路信號送往權值調(diào)整模塊，在權值調(diào)整模塊內(nèi)根據(jù)信號處理板送來的權值調(diào)整信號進行調(diào)整。對干擾信號而言，形成幅度相同，相位相反的信號的疊加，從而消除干擾信號。處理后的信號可以直接供接收機使用。工程化設計的自適應處理器樣機如圖7。該機可以兼容GPS、GOLASS和北斗導航系統(tǒng)，外形尺寸為142mm×100mm×74mm，重量為1.0kg。

圖7 自適應處理器工程樣機

4 自適應天線系統(tǒng)驗證試驗

4.1 對消比測試

樣機經(jīng)過高溫試驗，低溫試驗以及力學環(huán)境試驗，性能符合飛行器環(huán)境要求?？垢蓴_性能達到了30dB以上，測試結果見圖8。

(a)窄帶干擾對消結果

(b)寬帶干擾對消結果

圖8 自適應處理器測結果 4.2 抗干擾方向圖測試

天線系統(tǒng)安裝在飛行器模擬殼體上，測試方抗干擾向圖，如圖9所示。分別對自適應系統(tǒng)工作與不工作兩種狀態(tài)進行對比，結果如圖10。圖中90°方向為干擾來向。黑色為自適應不工作時的測試結果，紅色為自適應工作狀態(tài)的測試結果，通過對比可以看出對消比在35dB以上。 干擾方向連續(xù)變化時(等效于高速飛行)動態(tài)測試結果如圖11，黑色為自適應不工作時結果，紅色為自適應工作時結果。

圖9 方向圖的測試

圖10 抗干擾方向圖測試結果

圖11 干擾方向連續(xù)變化時動態(tài)測試結果

4.3 抗干擾收星試驗

自適應天線系統(tǒng)安裝在飛行器模擬殼體上，進行抗干擾收星試驗，如圖12所示。四周布3個干擾源，模擬各種姿態(tài)可能的干擾來向。通過對比自適應處理器工作和不工作兩種狀態(tài)的在干擾環(huán)境下的收星情況，驗證自適應天線系統(tǒng)的抗干擾能力。收星試驗結果如表1所示。

圖12 抗干擾收星試驗

表1 抗干擾收星結果

5 結論

自適應抗干擾天線系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力(大于30dB)，可以解決復雜電磁環(huán)境中衛(wèi)星導航系統(tǒng)抗干擾問題。通過對經(jīng)過工程化設計的自適應天線系統(tǒng)的環(huán)境試驗、對消比測試、抗干擾方向圖測試和抗干擾收星定位試驗等證明，在高速飛行器上安裝自適應天線系統(tǒng)，提高導航系統(tǒng)的抗干擾能力是可行的。自適應天線系統(tǒng)與接收機之間不需要通信，只要把常規(guī)的天線系統(tǒng)更換為自適應天線系統(tǒng)，就可以把常規(guī)衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)就可以提升為抗干擾接收系統(tǒng)。自適應天線系統(tǒng)使用方便，效果突出，具有廣泛應用前景。