抗干扰GPS接收系统关键技术研究与实现

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卫星导航系统广泛应用于军事和民用领域,其在干扰环境下的性能愈加受到人们的关注。本文主要针对干扰抑制技术中的空时自适应处理(STAP)和空频自适应处理(SFAP)的相关理论进行了研究。主要内容和贡献包括以下几个方面:对GPS信号的接收原理、干扰的影响和各种抑制技术进行了简要的介绍。讨论了STAP在采用线性约束最小方差(LCMV)准则时,利用不同约束条件时的性能。STAP对干扰进行抑制时,会对卫星信号造成影响。本文对利用STAP时码相位偏移和载噪比所受的影响进行了理论分析。以码相位偏移为衡量指标,对干扰环境下,STAP的影响范围进行了仿真,为后续解算的选星工作提供了参考。论文提出了一种新的级联算法,有效提高了STAP的处理增益,解决了窄带干扰与卫星信号同向时,STAP无法抑制的问题。算法采用增广状态的条件均值滤波(ASACM)首先对每个通道的连续波干扰(CWI)进行抑制,然后通过STAP来抑制宽带干扰,从而达到减少空时处理自由度,提高系统处理增益的目的。不同于FFT的块操作,ASACM利用三系数滤波对CWI进行建模和滤除,有效提高了系统的实时性。在建立子带自适应阵列处理的等效STAP模型的基础上,论文提出了一种基于小波包变换的子带自适应阵列处理算法。等效STAP的稳定权值除与估计相关矩阵时所选节拍样点有关外,还受子带划分时所选择的正交基影响。本文给出了利用多分辨率滤波器组实现子带自适应阵列处理的结构,通过仿真实验比较了利用小波包变换实现的子带自适应阵列处理与加窗SFAP的输出信干噪比(SINR)性能。结果表明,相对于加窗SFAP,子带自适应阵列处理在节拍样点两端的输出SINR更加平稳。论文还提出了一种新的SFAP算法。新算法利用频域处理中的自适应滤波在每个对接收信号进行处理,然后直接在频域利用SFAP来抑制剩余的宽带干扰。通过采用自适应处理剔除窄带干扰,新算法能有效减少期望信号的损失和导向矢量的估计误差。仿真实验表明,当窄带干扰从卫星方向角度入射时,新算法相对于普通SFAP具有较高的输出SINR。最后,论文设计了一套具有干扰抑制功能的GPS接收系统,并进行了测试。射频前端包括四个通道,利用Zarlink公司的GP2015制成,干扰抑制和GPS信号接收功能完全在一块FPGA芯片内部实现。其中,干扰抑制采用了经典的LMS算法实现纯空域滤波和空时自适应处理,约束准则选择了简单的功率倒置。测试结果表明,相对于单天线GPS系统,该系统的干扰抑制能力提高约30dB。
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