对通道失配的抗干扰性能影响GNSS天线阵列接收器

文摘

抗干扰的性能受限于信道失配在全球导航卫星系统(GNSS)天线阵列接收器。只有当每个数组的振幅和相位特征通道是相同的干扰可能完全抑制。本文分析了影响通道失配的抗干扰性能。我们建立了通道失配和派生模型对传递函数的影响与时空自适应处理器(堵塞)通道失配的理论。通道失配的影响因子是提出的模糊传递函数,从而直接反映通道失配下的抗干扰性能。此外,每个通道失配模型的特点进行了分析。分析结果表明,影响最大的抗干扰性能的范围振幅波和群延迟的偏见,而振幅的数量的影响。至于群时延波动的影响是最小的。

1。介绍

自1970年代以来,全球导航卫星系统(GNSS),代表的是全球定位系统(GPS),快速发展。GNSS的交通带来了很大的便利,也广泛应用于军事领域(1]。地球表面和导航卫星之间的距离大约是27000公里。导航信号非常弱,当它到达地面。导航接收器得到信号的信号/噪声比(信噪比)是关于−30分贝,这使得接收器容易受到各种有意或无意的干扰。抗干扰的性能已成为一个关键指标在军事和民用2,3]。根据天线的数量,接收机的抗干扰技术可分为单天线和天线阵列,在单天线只能抑制窄带干扰和天线阵列会抑制窄带和宽带干扰(4]。战争条件下的导航,接收器将面临强大的宽带干扰。天线阵列配备时空自适应处理器(堵塞)将是一个最佳选择在电磁对策5]。堵塞的基本原则是数组重量的数字基带,可以有效地抑制干扰,当每个通道的幅度和相位特性是一致的6]。然而,每个阵列通道由低噪声放大器(LNA),模拟滤波器、逆变器和其他模拟设备。制造错误和环境和其他因素可能导致不一致的振幅和相位在每个通道,这将导致信道失配(7,8]。

通道失配引起了学者们的关注。阵列增益通道失配的影响是研究空间只是处理器(SOP) (9],它指出,振幅和相位失配会影响性能的干扰取消,这将导致抗干扰性能的退化。文献[10]给出了初步分析通道失配的影响在天线阵列配备堵塞。估计载波相位会有偏见由于通道失配,和更大的不匹配会带来更大的偏差。通道失配的校正方法的基础上,提出了校正表(11),需要在各个方向测量频率响应和伪码和载波相位的估计偏差引入的天线阵列,它也需要更正表绑定到接收器,而信道的非理想特性可能会改变一些时间,缺乏一定的鲁棒性的方法。

本文进一步分析了通道失配的影响与天线阵列抗干扰性能。首先,我们建立一个通道失配和模型推导出与堵塞通道不匹配对传递函数的影响理论。然后,在抗干扰性能的影响进行了分析。我们提出一个通道失配影响因子的概念,指出通道失配的影响最大特点抗干扰性能。最后,实现仿真实验来验证分析结果的正确性。

2。通道失配模型

信道的非理想的特征主要反映在非平面度的振幅和非线性阶段。天线阵列的干扰抑制的影响不是每个通道的绝对值,但每个通道之间的不同,可以称为通道不匹配(12]。

假设通道的传递函数是,和文学13]给出了通道失配模型可以写成 在哪里是接收器的带宽。和分别的幅频响应和相位频率。在理想的情况下,和满足以下关系:

更准确的信道失配模型已经证明在14可以表示为 在哪里和波振幅和群延迟的范围,分别。和波振幅和群延迟的数量,分别。是一群延迟的偏见。

至于天线阵列元素,通道失配模型可以写成

3所示。对传递函数的影响

阻止相比有明显的优点简单的时域,频域,和SOP。堵塞会抑制各种干扰。不增加天线元素,干扰抑制的自由度(自由度)可以大大增加,及其干扰抑制能力有一个质量改进(15]。此外,堵塞可能减轻通道失配的影响干扰抑制。堵塞的水龙头可以补偿通道不匹配。

阻止配备元素和利用图所示1(16]。

根据堵塞模型如图1接收到的数据在不同的采样时间可以形成一个新的数据向量可以表示为 在哪里接收的数据向量的时候吗。

权重可以写成数组

为了方便进行分析,假设干扰的数量是一个及其功率谱密度(PSD)是光滑的。此外,堵塞配备2元素和2水龙头。

方向向量的时间和空间域,分别表示 在哪里是采样周期,是射频(RF),是两个相邻天线元素的延迟和信号或干扰方向是什么它可以进一步表示为(17] 在哪里的距离和半波长和相邻天线元素吗是信号或干扰的传播速度。

根据(7),时空的转向向量域可以写成

假设通道1是可取的,通道2代表了不理想的特性,和它的传递函数这是与频率有关。根据(4),通道不匹配的模型可以表示为

对于所有频率,在上面的方程将满足以下关系:

然后,时空的转向向量域可以改善 在哪里代表克罗内克积和表明阿达玛的产品。

信号的力量大约30 dB低于噪声,因此,信号可以在计算相关矩阵可以忽略不计。因此,接收的数据的相关矩阵可以表示为 在哪里和的干扰和噪声,分别。和分别是噪声和干扰的能力。是一个单位矩阵,是干扰的入射方向,中频。

然后, 在哪里是相关接收机带宽,它可以写成

的2-norm和代表的内积和,它可以表示为

因此,相关矩阵可以表示为

的逆相关性矩阵可以表示为 在哪里和行列式和伴随矩阵的吗,分别。

是一个埃尔米特矩阵,所以它的行列式是一个常数值。我们假设。

可以简化为

功率反演(PI)是一个典型的盲标准来抑制干扰,不需要任何先验信息。它可以形成null的方向强烈干扰自适应性能优越,及其适合应用程序是在强干扰和弱信号的条件,特别是在GNSS接收器(18]。其约束可以写成 在哪里是约束向量。

权重可以进一步表示为

上述情况近似条件干扰机功率远远高于噪音,这适用于实际情况。

权重向量可以规范化 在哪里是归一化的因素,它可以表示为

根据图1,(5)和(8),阵列输出信号在时间域可以表示为 在哪里的样本值是引用数组元素的时候吗。的傅里叶变换(24)可以表示为

因此,堵塞可以得到的传递函数

根据时空转向向量(9的传递函数),阻止干扰的方向可以表示为

不匹配转向向量用于(17),因为接收到的数据都来自不匹配的通道。然而,理想的转向向量用于(27),因为不匹配参数未知时我们估计传递函数。如果使用相同的操舵向量(17)和(27),传递函数将毫无意义。

4所示。对干扰抑制的影响

如果信道是理想的,(27)可以表示为

因此,可以完全抑制干扰。然而,频道总是不匹配,和干扰抑制的性能也是有限的。

假设平稳高斯白噪声干扰,和它的带宽已经覆盖整个带宽的信号。根据(27),干扰的输出功率可以表示为

为了方便起见,我们只分析上面的方程,这应该是合适的,因为在其他频率抗干扰性能接近的性能。的输出功率不断干扰可以简化为

假设

假设噪声功率。干扰取消率(ICR)可以表示为

根据(32),只有有限的通道失配和其局限性可以写成

干扰抑制的基本原理天线阵列是实现干扰取消,和(31日)可以进一步简化为

上面的方程是影响的主要因素的干扰抑制性能。根据(34),我们定义了一个可以表示为通道失配的影响因素

影响因子的值越小,干扰抑制的性能越好。

我们定义另一个参数,也可以反映干扰抑制的性能,它可以表示为

根据(3),我们可以得到 在哪里和在相同的数量级,但小于1,还不到多少,因此上述方程可以近似。

根据(36)和(37),影响的主要因素的干扰抑制性能的范围振幅波,振幅波的数量,和群延迟的偏见。

在上面的分析中,通道2是不理想的,它没有考虑不匹配参数,我们可以认出他们是随机的。但在接下来的策划,具体参数不匹配是必要的,和模型(3)及其参数表中列出1。

图2显示了影响因素在(36)。不匹配的引用表的曲线1。曲线标注,,代表重置,,分别列在图中,是谁的重置价值,另一个参数表是一样的1当参数重置。图2进一步提出了影响性能的主要因素的干扰抑制振幅波的范围和群延迟的偏见。

5。仿真实验

GNSS软件接收机中使用了这一仿真。本文分析问题干扰抑制的性能,和π标准是改编,所以生成导航信号是不必要的。表中列出的参数用于仿真实验2。

我们假设通道1是理想和通道2的特点是不理想的,其失配参数如表所示1。

图3显示输入印度卢比和ICR之间的关系。通道是否理想或不匹配,ICR的增加,只有显示了上升趋势。当信道是理想的,只有约等于INR和他们之间的关系是线性的,和干扰可以完全抑制。但是,在通道失配的情况下,只有有不同的限制在不同程度的不匹配。标注引用的曲线显示了只有在不同的INR的通道失配参数设置表1。的曲线表达的影响的范围振幅波重置为1 dB和其他参数都是相同的参考,其极限ICR下降。曲线标注代表不同INR的ICR群延迟的偏见下10 ns,限制的ICR也被降低。不过,当振幅的范围是重置为3周期,只有与参考相比几乎没有影响。

图4显示不匹配程度上ICR的影响。根据模型不匹配(3),通道失配与振幅波,振幅波的数量、范围的群延迟波,波群延迟的数量,和群延迟的偏见。为了把这些参数对ICR的影响图,的极限参数设置如图,和设在在图表示这些限制的百分比。从图可以看出4,ICR的主要影响因素的范围振幅波和群延迟的偏见,以及振幅波的数量的影响较弱,和群延迟波对ICR表达有点影响,这与理论分析的结论是一致的。

在(21),(28),(31日),(34)和(37),所使用的近似处理。仿真证明了近似处理是正确的。

上面的仿真执行只有在2元素和2水龙头,但这些堵塞结构是稀缺的。在下面,我们将用不同的堵塞结构做仿真。在所有的堵塞,相邻元素的距离是波长的一半。不管堵塞结构,参考元素是理想,和其他元素是不理想的,这将满足通道不匹配。通道失配的程度是一样的4。只有3元素的线性阵列与2水龙头和4元素的方格2水龙头数据所示5(一个)和5 (b)。不同元素有不同的拥有,但拥有通道失配的影响几乎是相同的。的icr 2元素的线性排列3水龙头和5水龙头数据所示5 (c)和5 (d)。水龙头相比更复杂的ICR元素。与水龙头的增加,irc通道失配的影响将变得越来越弱,因为堵塞可以平衡通道失配的一部分,但其均衡效果也是有限的。此外,振幅不匹配很难保持均匀而群延迟失配。

6。结论

在本文中,我们分析了通道失配的影响抗干扰性能GNSS天线阵列接收器。通道不匹配和不匹配的影响水平的特点进行了研究,研究了通过理论分析和仿真实验。

研究的结果如下:

通道失配的情况下,天线阵列的抗干扰性能是有限的连接通道不匹配的程度。

通道失配影响因子的概念,提出了其价值可以直接确定天线阵列的抗干扰性能。

堵塞时配备2元素和2水龙头,振幅波的范围和群延迟偏见影响抗干扰性能的主要因素,和振幅波的数量下,群时延的影响是最小的。

堵塞可以平衡通道失配的一部分。更多的水龙头会带来更好的均衡效果,和群延迟失配相比更容易保持均匀振幅不匹配。与龙头的增加,振幅波的范围和数量的主要因素已经成为影响抗干扰性能,以及组波和偏见的影响在抗干扰性能会变得越来越弱。

虽然群延迟波的影响是最小的,群延迟波可能会影响伪码和载波相位测量的认真,这是对我们未来的工作。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。