北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进——毕业论文.docx

分类号 密级 UDC 硕士学位论文硕士学位论文北斗导航自适应抗干扰北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进的耦合补偿及算法改进指指导导教教师师姓姓名名 讲讲 师师 学学 位位 类类 别别 工学硕士工学硕士 专专 业业 名名 称称 通信与信息系统通信与信息系统 研研 究究 方方 向向 信号处理信号处理 论论文文提提交交时时间间 硕士学位论文 北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进I摘摘 要要如今，随着卫星导航技术的飞速发展，位置信息服务已经融入到我们的日常生活中，导航被称为目前继移动互联网之后的第三大产业。

卫星导航在维护国家的安全中也发挥着不可替代的作用为了提升导航系统抗干扰的性能，本文以北斗导航系统为平台，研究基于接收方向图法的耦合分析与阵列天线的耦合补偿算法的研究首先，文章就发射阵和接收阵耦合的来源进行分析，通过利用耦合能量的传输模型，给出了发射和接收状态下各自的耦合评价标准，分析出发射和接收状态下，耦合的区别以及不同的研究方法然后，利用电磁仿真软件以及抗干扰算法推导出的接收方向图法，对比之前文章中给出的得到方向图的方法，可以直观地反应出耦合对 DOA 估计和抗干扰性能的影响其次，本文讨论了传统耦合补偿方法不太适合接收阵，并从接收方向图法推演出了接收阻抗法，给出了该方法在得到耦合矩阵时的仿真与测量方法最终从补偿效果上，可以对接收阵的耦合进行有效补偿，并验证了补偿后，接收阵在 DOA 估计的精度和抗干扰性能的提升最后，运用接收方向图法，研究了不圆度对抗干扰性能的影响关键词关键词：：空域滤波，空时自适应处理，矩阵求逆，浮点运算，DDC，FPGA，NIOS I硕士学位论文 北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进2AbstractToday, with the rapid development of satellite navigation technology, location service has been integrated into our daily life, navigation is known as the third major industries following the mobile and internet. Satellite navigation plays an irreplaceable role in the maintenance of national security. In order to ensure that the navigation system is not affected by the interference, this thesis studies the realization of adaptive anti-jamming algorithm based on array antenna which applied in the Beidou navigation system.1 绪论绪论1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义1.1.1 北斗导航技术的发展现状北斗导航技术的发展现状当今作为关键的空间信息基础设施的卫星导航，已经成为诸多国家抢占新一轮战略制高点的突破口。

为了可以拥有自主知识产权的卫星导航系统[1]，中国付出了很多努力北斗全球导航系统工程建设工作正在抓紧推进中，2017 年已连续成功发射 23 颗新一代北斗卫星卫星配备了更高精度的原子钟，并使用了新技术体制，诸如星间链路、新型卫星导航信号等由于导航系统的空间卫星、地面监控、用户接收机三个部分距离遥远，卫星导航系统通信过程中极易受到环境中电磁波的影响扩频通信技术一定程度上抵抗了部分窄带干扰，但其抗干扰的裕度不大因此如何增强导航系统的抗干扰能力成为导航系统研究的热点1.1.2 北斗卫星导航系统抗干扰研究的必要性北斗卫星导航系统抗干扰研究的必要性北斗卫星导航系统的卫星一般工作在距离地面 20000km 左右的太空，加上卫星发射的功率本身受到限制，因此卫星信号到达地面接收端时功率非常低，只有-130dBm 左右[2]另外导航卫星工作的频段众所周知，想人为干扰是一件轻而易举的事硕士学位论文 北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进3卫星导航系统采用扩频通信技术，扩频通信传输信号的带宽远远大于导航信号的带宽根据香农公式(1.1)2log1SCBN其中典型干扰环境中，可以得到1NS1.44CS BN（1.2）根据式（1.2）可以得出，在信噪比下降时，为了获得较低的信息差错率，可以增大系统的带宽 B。

因此扩频通信具有一定的抗窄带干扰和多径干扰的能力[3]但是其抗干扰的裕度不大只要干扰机存在干信比大于 40dB 的干扰，接收机就不能正常工作目前自适应阵列处理与时域抗干扰相结合，产生空时二维联合抗干扰技术空时二维联合抗干扰技术在多干扰的环境下，有很好的抗干扰效果1.1.3 天线间的耦合天线间的耦合天线是无线电系统中一种必需的能量转化器件，它能高效率、最大限度地聚集发射或选择接收电磁波由于电子信息技术的迅速发展，天线的分析与设计一直是一个重点研究的课题在很多时候，单个的天线很难满足要求，往往需要一些天线（此时称为辐射元）按照一定的方式排放在一起，组成一个阵列天线要设计出一种符合某些特定要求的阵列天线，必须对天线的各种参数进行综合分析，这是必不可少同时也是比较困难的一个问题原来的分析设计方法主要是对天线的形状、排列方式等进行优化，使其在实现电路和电磁场能量的转换过程中具有良好的性能，且都是基于理想情况下阵元间不存在耦合的假设，计算出的结果往往与实际测量的结果有较大差别，有时这种差别甚至达到无法容忍的地步出现上述情况的原因是在实际工作时，阵元间的耦合总是存在的，它对天线的性能会产生非常有害的影响，使得按照传统方法设计出的天线无法满足现实的需要。

耦合是一个本质存在的现象，当两个天线靠近时，一个处于发射状态，另一个会接收到相邻天线发射的一部分信号，这个大小取决于它们的间距以及相对方向即使两个天线都处于发射状态下，它们也会收到彼此的发射信号硕士学位论文 北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进4此外，天线会重新散射一部分任意入射波，即使它们表面上在接收，它们也可以充当小型发射天线结果是阵列中特定元件和远端点之间的能量转换的发生，不仅经由直接路径，也间接经其他阵列天线的散射这个影响就是由阵列天线间耦合导致的，这通常并不是一个微不足道的影响，这使得阵列天线的设计更加复杂耦合的大小主要取决于：（1）孤立互耦，即不考虑天线所处的阵列环境，孤立互耦的大小仅仅与天线的形式、相对方位和距离间隔有关2）此外，还受到天线在阵列中位置、天线其余天线单元的端口状态等因素的影响下面是用散射系数来反应线阵的耦合：12345678d图 1.1 线阵的模型图硕士学位论文 北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进5图 1.2 阵中互耦和孤立互耦的比较图 1.3 阵中位置对阵中互耦的影响图 1.4 寄生单元终端状态对互耦影响硕士学位论文 北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进6天线的设计参数，包括阻抗系数、反射系数以及方向图来影响天线阵列的性能。

在有限元阵列中，多路径传播能量，因为互耦将改变在没有这些相互作用的模式然而，对于非常大的规则阵列，图案的相对形状在具有和不具有耦合相互作用的情况下将是相同的在小阵列中互耦更复杂，因为每个元件由于边缘效应而具有不同的图案 另一方面，在大阵列中，每个元件基本上看到相同的环境，并且可以通过修改元件图案来考虑互耦阵列天线彼此接收信号假设所有阵列天线的负载匹配，使得接收功率不反射回来对于诸如偶极子这类简单的谐振天线类型，散射功率在幅度上等于接收功率该不等式提供了阵列内的相互耦合和散射之间的关系（可删除）如果忽略互耦，那么由相同元件组成的天线阵列的辐射图是元件因子和阵列因子的乘积当天线元件独立（意味着所有环境效应被忽略）时，天线元件图案被称为孤立元件图案不幸的是，在实践中，诸如互耦合的环境效应可能导致元件图案的主要失真在真实阵列环境中的元素模式被称为活动元素模式如果使用孤立的元件图案而不是有源元件图案，则可以在阵列性能中观察到显着的退化硕士学位论文 北斗导航自适应抗干扰的耦合补偿及算法改进71.2 国内外研究现状国内外研究现状1.2.1 抗干扰算法抗干扰算法自适应阵列技术是在旁瓣相消器的基础上提出的。

Howells 在 1965 年提出了最初形式的旁瓣相消器[14]这种形式的旁瓣相消器有两个阵元，一个是高增益的主天线，另一个是低增益的辅助天线，能抵抗一个干扰强度远远超过导航信号的干扰在此基础上，Applebaum 提出了多旁瓣相消器[15]，它采用多个阵元增加阵列的自由度，从而能够在多个方向形成零陷同时，Applebaum 突破了旁瓣相消器的结构，提出了最大信干噪比准则（MSINR），只要通过加权就能自适应地改变天线阵列的方向图[16]Capon 波束形成器也称为 MVDR 波束形成器，将求权值的问题转化为求解约束最优问题Capon 波束形成器能在保证对期望信号无失真响应的同时抵消其他方向的干扰信号[17]Frost 从单位约束出发，提出了线性约束最小方差波束（LCMV）形成器，利用多个线性约束可以根据环境更好地形成自适应方向图[18]自适应算法根据在权值求解的过程中有无反馈情况，又可以分为开环算法和闭环算法[19]Reed 等人提出的直接矩阵求逆法（DMI/SMI）是典型的开环算法较之于闭环算法，开环算法收敛速度快，是目前权值求解的主流但是计算量比较大，占用资源多自适应天线调零技术已经在美国国防军事上得到了广泛的应用。

比如在战斧巡航导弹 Block IV、F-16 战斗机上都装载了自适应抗干扰阵列[20]抗干扰天线显著增强了美军在复杂电磁环境下的指挥作战能力空时自适应算法（STAP）在不增加系统接收通道数量的前提下，提高了系统的自由度它在各个天线阵元之后增加了延时单元，相当于在原来的空域算法的基础上进行 FIR 时域滤波2000 年，Fante 教授首次在 GPS 接收机中使用了基于最小功率算法的空时二维联合抗干扰技术[21]为了提升收敛速度并降低算法的时间复杂度，基于多级维纳滤波器的空时抗干扰算法将协方差矩阵进行降维降秩处理[22-23]空时二维联合抗干扰算法的缺点是时间复杂度大，针对这一情况，可以将时域空域分开进行，先时域再空域例如将信号先通过时域陷波器将窄带干扰滤除，再通过空域滤波器将宽带干扰滤除，这在一定程度上可以减少空时二维联合算法的时间复杂度[24]随着北斗卫星导航的发展，国内相关单位都开始对导航抗干扰的实现进行研究其中国防科技大学、电子科技大学、。