引言

大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)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(duì)導(dǎo)航信號(hào)的干擾變得相對(duì)容易。盡管導(dǎo)航系統(tǒng)均采用擴(kuò)頻技術(shù)，有很高的處理增益，極具隱蔽性。GPS信號(hào)電平通常比噪聲電平低20dB左右，很難檢測(cè)到。同時(shí)，正因?yàn)榈竭_(dá)用戶接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度極低，因此通用GPS接收機(jī)非常容易被干擾。

自適應(yīng)天線系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和天線與微波技術(shù)，將天線方向圖的零點(diǎn)指向干擾信號(hào)，減輕干擾信號(hào)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。它可以提高導(dǎo)航系統(tǒng)不低于30dB的抗干擾能力，并且能同時(shí)對(duì)抗多個(gè)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(dòng)、共形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及惡劣的環(huán)境條件等特殊要求。自適應(yīng)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(duì)自適應(yīng)天線系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。

2 自適應(yīng)天線系統(tǒng)簡(jiǎn)介

自適應(yīng)天線系統(tǒng)主要由天線陣、自適應(yīng)處理器以及射頻電纜網(wǎng)構(gòu)成。其中，天線陣由多個(gè)天線單元構(gòu)成，通常為四個(gè)天線，一個(gè)為主天線，接收有用信號(hào)，其余為輔助天線，產(chǎn)生對(duì)消干擾的參考信號(hào)。自適應(yīng)天線系統(tǒng)與接收機(jī)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(yīng)天線系統(tǒng)組成圖

自適應(yīng)天線系統(tǒng)根據(jù)天線陣列的輸出情況自動(dòng)調(diào)節(jié)副通道(副天線對(duì)應(yīng)的射頻通路)的權(quán)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(dǎo)航信號(hào)及干擾信號(hào)的方向變化自動(dòng)跟蹤所需的信號(hào)，自動(dòng)抑制信號(hào)，以提高天線接收信號(hào)的質(zhì)量，從而具有自適應(yīng)性。自適應(yīng)處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在自適應(yīng)處理器中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化自適應(yīng)處理，利用功率倒置算法完成對(duì)干擾信號(hào)的消除。

3 自適應(yīng)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(dǎo)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(gè)單元構(gòu)成，用于接收衛(wèi)星信號(hào)。朝地的天線由三個(gè)單元構(gòu)成，用于對(duì)消干擾信號(hào)。對(duì)陣列進(jìn)行了仿真，仿真模型如圖3，當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)值時(shí)，陣列仿真結(jié)果如圖4。

圖3 飛行器天線系統(tǒng)仿真模型

圖4 形成零點(diǎn)方向圖

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

圖5 自適應(yīng)天線陣列圖片

3.2 自適應(yīng)處理器研制

自適應(yīng)處理器由前置放大模塊、接收機(jī)模塊、權(quán)值調(diào)整模塊和信號(hào)處理模塊組成，如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)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(hào)分為兩路，一路送往接收機(jī)模塊進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后送往信號(hào)處理板進(jìn)行處理。另一路信號(hào)送往權(quán)值調(diào)整模塊，在權(quán)值調(diào)整模塊內(nèi)根據(jù)信號(hào)處理板送來的權(quán)值調(diào)整信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)干擾信號(hào)而言，形成幅度相同，相位相反的信號(hào)的疊加，從而消除干擾信號(hào)。處理后的信號(hào)可以直接供接收機(jī)使用。工程化設(shè)計(jì)的自適應(yīng)處理器樣機(jī)如圖7。該機(jī)可以兼容GPS、GOLASS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，外形尺寸為142mm×100mm×74mm，重量為1.0kg。

圖7 自適應(yīng)處理器工程樣機(jī)

4 自適應(yīng)天線系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 對(duì)消比測(cè)試

樣機(jī)經(jīng)過高溫試驗(yàn)，低溫試驗(yàn)以及力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，性能符合飛行器環(huán)境要求?？垢蓴_性能達(dá)到了30dB以上，測(cè)試結(jié)果見圖8。

(a)窄帶干擾對(duì)消結(jié)果

(b)寬帶干擾對(duì)消結(jié)果

圖8 自適應(yīng)處理器測(cè)結(jié)果 4.2 抗干擾方向圖測(cè)試

天線系統(tǒng)安裝在飛行器模擬殼體上，測(cè)試方抗干擾向圖，如圖9所示。分別對(duì)自適應(yīng)系統(tǒng)工作與不工作兩種狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10。圖中90°方向?yàn)楦蓴_來向。黑色為自適應(yīng)不工作時(shí)的測(cè)試結(jié)果，紅色為自適應(yīng)工作狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果，通過對(duì)比可以看出對(duì)消比在35dB以上。 干擾方向連續(xù)變化時(shí)(等效于高速飛行)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖11，黑色為自適應(yīng)不工作時(shí)結(jié)果，紅色為自適應(yīng)工作時(shí)結(jié)果。

圖9 方向圖的測(cè)試

圖10 抗干擾方向圖測(cè)試結(jié)果

圖11 干擾方向連續(xù)變化時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

4.3 抗干擾收星試驗(yàn)

自適應(yīng)天線系統(tǒng)安裝在飛行器模擬殼體上，進(jìn)行抗干擾收星試驗(yàn)，如圖12所示。四周布3個(gè)干擾源，模擬各種姿態(tài)可能的干擾來向。通過對(duì)比自適應(yīng)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(yàn)證自適應(yīng)天線系統(tǒng)的抗干擾能力。收星試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖12 抗干擾收星試驗(yàn)

表1 抗干擾收星結(jié)果

5 結(jié)論

自適應(yīng)抗干擾天線系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力(大于30dB)，可以解決復(fù)雜電磁環(huán)境中衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾問題。通過對(duì)經(jīng)過工程化設(shè)計(jì)的自適應(yīng)天線系統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)、對(duì)消比測(cè)試、抗干擾方向圖測(cè)試和抗干擾收星定位試驗(yàn)等證明，在高速飛行器上安裝自適應(yīng)天線系統(tǒng)，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力是可行的。自適應(yīng)天線系統(tǒng)與接收機(jī)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(yīng)天線系統(tǒng)，就可以把常規(guī)衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)就可以提升為抗干擾接收系統(tǒng)。自適應(yīng)天線系統(tǒng)使用方便，效果突出，具有廣泛應(yīng)用前景。