徐煦，曾芳玲，盧振耀

?導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制?

自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力分析及其對(duì)抗方法*

徐煦1，曾芳玲1，盧振耀2

（1.國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院，安徽 合肥 230031； 2.中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116021）

自適應(yīng)調(diào)零抗干擾技術(shù)能夠很大程度改善衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾能力，被廣泛運(yùn)用于精確制導(dǎo)武器中，是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗問(wèn)題研究的重點(diǎn)。針對(duì)多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)，分別模擬了不同數(shù)目干擾源，以及干擾源在入射方位角和俯仰角不同條件下的干擾效果，分析得到接收機(jī)抗干擾能力量化值，并提出針對(duì)性的對(duì)抗方法。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)得出結(jié)論，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整干擾源數(shù)量、以及設(shè)置角度，可以有效抑制接收機(jī)的抗干擾能力的發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾資源的合理配置，以上結(jié)論對(duì)進(jìn)一步研究干擾源布設(shè)的優(yōu)化方法具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)；抗干擾能力；對(duì)抗方法；精確制導(dǎo)武器；仿真實(shí)驗(yàn)；量化分析

0　引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)提供了精確武器制導(dǎo)和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知2種主要的位置引導(dǎo)功能，在軍事領(lǐng)域的典型運(yùn)用之一，是在精確制導(dǎo)武器導(dǎo)航制導(dǎo)中的運(yùn)用，而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特性決定了系統(tǒng)在面對(duì)干擾時(shí)的脆弱性。以GPS信號(hào)在地面接收的信號(hào)功率為例，L1頻段C/A碼預(yù)期最大值為-153 dBW，而通常熱噪聲功率約-140 dBW，天線接收到的C/A碼信號(hào)強(qiáng)度低于環(huán)境噪聲基地近20 dB，其微弱程度使其極易受到干擾信號(hào)影響，因此衛(wèi)星抗干擾問(wèn)題，成為各軍事強(qiáng)國(guó)的研究熱點(diǎn)。目前，在用戶接收部分采取多陣元的自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)是比較有效的一種手段，也是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾的主要技術(shù)，如美軍“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)航即采用了雷聲公司研制的5陣元自適應(yīng)調(diào)零天線，F(xiàn)-16戰(zhàn)機(jī)則是裝配了7陣元的GPS天線陣來(lái)提升抗干擾能力；隨著“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念的提出與發(fā)展，針對(duì)自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力的研究成為衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗雙方共同關(guān)注的重點(diǎn)。

目前，針對(duì)自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)的抗干擾研究主要在于對(duì)陣列信號(hào)處理技術(shù)、自適應(yīng)算法設(shè)計(jì)的研究，以求提升陣列天線自適應(yīng)抗干擾能力，如文獻(xiàn)［1-7］；而圍繞自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)對(duì)抗方法展開(kāi)的抗干擾能力研究目前還很少，多在于定性研究，部分定量仿真則缺乏一定的數(shù)值分析，不足以形成具體可參考的結(jié)論。文獻(xiàn)［7］研究了不同陣型自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)應(yīng)對(duì)干擾的零陷能力，文獻(xiàn)［8-9］探究了針對(duì)4陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)的干擾源布設(shè)角度的影響，綜合來(lái)看，以上研究結(jié)論仍限于干擾源個(gè)數(shù)小于陣列天線自由度的情況，且缺乏量化數(shù)值分析。文獻(xiàn)［10-11］較為細(xì)致地分析了基于功率倒置（power inversion，PI）算法的多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)應(yīng)對(duì)多干擾源的情況，并提出了具體的對(duì)抗策略，研究思路及方法具有重要參考價(jià)值。本文以5陣元、7陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)為研究對(duì)象，將仿真實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，考察不同干擾源布設(shè)情況下的多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)的抗干擾能力，并給出干擾數(shù)量設(shè)置和干擾角度建議，以形成更具針對(duì)性和實(shí)踐價(jià)值的對(duì)抗方法。

1　自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)模型分析

1.1　自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)基本原理概述

自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)基于自適應(yīng)陣列處理技術(shù)，其核心問(wèn)題是通過(guò)調(diào)整各陣元的權(quán)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的有效接收［12］。此處提到的有效接收包含2方面：①使陣列方向主瓣對(duì)準(zhǔn)期望的信號(hào)方向；②實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)方向的有效抑制。圍繞2方面結(jié)合應(yīng)用，進(jìn)而誕生了自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)。目前，主要有3種最常用的最優(yōu)波束形成準(zhǔn)則：最小均方誤差準(zhǔn)則（minimum mean squared error，MMSE），最大信干噪比準(zhǔn)則（maximum signal to interference and noise ratio，MSINR），最小噪聲方差準(zhǔn)則（minimum noise variance，MNV），在不同準(zhǔn)則下可以求得相應(yīng)的最優(yōu)權(quán)矢量［13］。其中，最小均方誤差準(zhǔn)則需要已知參考信號(hào)，最大信干噪比準(zhǔn)則需要已知干擾及噪聲自相關(guān)矩陣以及期望信號(hào)方向，最小噪聲方差準(zhǔn)則需要已知期望信號(hào)方向。本文考慮在實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗運(yùn)用場(chǎng)景中，通常難以準(zhǔn)確獲知參考信號(hào)信息，選擇基于最小噪聲方差準(zhǔn)則的自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1.2　多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)天線陣列結(jié)構(gòu)分析

則相應(yīng)的相移為

則導(dǎo)向矢量可以表示為

已知5陣元、7陣元均勻圓心陣天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，依據(jù)式（2），（3）可求得各自導(dǎo)向矢量。

圖1 　5陣元、7陣元均勻圓心陣天線幾何結(jié)構(gòu)

Fig. 1 　Geometric structure of 5-element and 7-element uniform circular center array antenna

在目標(biāo)信號(hào)個(gè)數(shù)為的情況下，可獲得導(dǎo)向矢量矩陣為

2　自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力及對(duì)抗方法

2.1　接收機(jī)應(yīng)對(duì)不同數(shù)量干擾源能力及對(duì)抗方法

2.1.1參數(shù)設(shè)置與仿真

圖2 　干擾源1，2分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

圖3 　干擾源1～3分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

圖4 　干擾源1～4分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

圖5 　干擾源1～5分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

依據(jù)仿真結(jié)果，分別計(jì)算接收機(jī)抗干擾能力概略值，結(jié)果記錄如表1所示。

表1 　多陣元自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力概算值/dB

2.1.2結(jié)果分析

對(duì)于陣元的自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)，其原理決定了當(dāng)干擾個(gè)數(shù)大于陣元自由度（-1）時(shí)，接收機(jī)將失去準(zhǔn)確零陷的能力，該結(jié)論也可由仿真結(jié)果得出；然而在實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)用中，往往面臨著可調(diào)配干擾資源有限的情況，此時(shí)則可以考慮通過(guò)增加干擾源個(gè)數(shù)抑制自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)能力的發(fā)揮。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，干擾源數(shù)量的增加可在一定程度上有效抑制自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力提升程度。對(duì)于5陣元、7陣元均勻圓心陣自適應(yīng)接收機(jī)，干擾源數(shù)量由3個(gè)增加至4個(gè)時(shí)產(chǎn)生的抑制影響最為顯著，可分別使5陣元、7陣元接收機(jī)抗干擾能力減弱約34 dB，40 dB。

2.2　接收機(jī)應(yīng)對(duì)不同入射方位角的干擾源能力及對(duì)抗方法

2.2.1參數(shù)設(shè)置與仿真

圖6 　干擾源1，2入射方位角夾角為5°時(shí)分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

圖7 　干擾源1，2入射方位角夾角為10°時(shí)分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

2.2.2結(jié)果分析

分別對(duì)比圖6～8中5陣元與7陣元的均勻圓心陣自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)的抗干擾能力表現(xiàn)，可以得出干擾源入射方位角夾角減小，對(duì)接收機(jī)的干擾效果增強(qiáng)。圖中對(duì)于5陣元接收機(jī)而言，干擾源入射方位角夾角為10°時(shí)相比于入射方位角為30°的情況下，可使得接收機(jī)抗干擾能力減弱約7 dB。同時(shí)，當(dāng)干擾源入射方位角夾角小于10°時(shí)，接收機(jī)零陷能力會(huì)受到一定影響。當(dāng)夾角設(shè)置在5°時(shí)，根據(jù)圖6可知各陣元接收機(jī)易出現(xiàn)不同程度的零陷位置錯(cuò)誤情況，該情況在實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)景中一般體現(xiàn)為不同的2個(gè)干擾源被等效為同一干擾源抵消，從而造成干擾資源的浪費(fèi)。

2.3　接收機(jī)應(yīng)對(duì)不同入射俯仰角的干擾源能力及對(duì)抗方法

2.3.1參數(shù)設(shè)置與仿真

圖9 　干擾源俯仰角設(shè)置為（15°，15°，15°）時(shí)分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

圖10 　干擾源俯仰角設(shè)置為（30°，30°，30°）時(shí)分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

圖11 　干擾源俯仰角設(shè)置為（60°，60°，60°）時(shí)分別對(duì)5，7陣元接收機(jī)干擾效果

在重復(fù)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)5陣元接收機(jī)，其干擾源俯仰角參數(shù)設(shè)置范圍擴(kuò)展至70°時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可對(duì)比形成結(jié)論，該設(shè)置情況下的仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 　干擾源俯仰角設(shè)置為（70°，70°，70°）時(shí)對(duì)5陣元接收機(jī)干擾效果

依據(jù)仿真結(jié)果，分別記錄目標(biāo)信號(hào)接收增益、計(jì)算各接收機(jī)抗干擾能力提升水平概略值，并記錄數(shù)據(jù)。其中5陣元接收機(jī)應(yīng)對(duì)不同入射俯仰角的干擾源時(shí)，目標(biāo)信號(hào)接收增益及抗干擾能力如表2所示。

表2 　5陣元接收機(jī)應(yīng)對(duì)不同入射俯仰角的干擾源的能力

7陣元接收機(jī)在應(yīng)對(duì)不同入射俯仰角的干擾源時(shí)，其目標(biāo)信號(hào)接收增益及抗干擾能力如表3所示。

表3 　7陣元接收機(jī)應(yīng)對(duì)不同入射俯仰角的干擾源的能力

2.3.2結(jié)果分析

當(dāng)干擾源入射方位角一定時(shí)，入射俯仰角相同的情況下，干擾源對(duì)自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)的抗干擾能力抑制程度優(yōu)于俯仰角不同的情況，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在上述干擾設(shè)置背景下，5陣元接收機(jī)干擾源俯仰角統(tǒng)一設(shè)置在60°，7陣元接收機(jī)干擾源俯仰角統(tǒng)一設(shè)置在30°為宜。

3　結(jié)論

本文分別考察了以干擾源數(shù)量、干擾源入射方位角以及干擾源入射俯仰角為變量時(shí)，5陣元、7陣元均勻圓心陣自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾應(yīng)對(duì)能力，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，給出干擾數(shù)量設(shè)置和干擾角度建議。經(jīng)分析得結(jié)論如下：

（1）面對(duì)干擾資源有限的情況時(shí)，可通過(guò)增加干擾源個(gè)數(shù)抑制自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力的發(fā)揮。對(duì)于5陣元、7陣元的均勻圓心陣，干擾源數(shù)量由3個(gè)增加至4個(gè)時(shí)影響最為顯著，可分別使5陣元、7陣元接收機(jī)抗干擾能力減弱約34 dB，40 dB。

（2）干擾源在設(shè)置方位角時(shí)可集中設(shè)置，適當(dāng)減小夾角以增強(qiáng)干擾效果，但也應(yīng)當(dāng)避免因角度過(guò)小，接收機(jī)出現(xiàn)零陷錯(cuò)誤而造成的干擾資源浪費(fèi)情況，在該仿真中針對(duì)5陣元、7陣元均勻圓心陣，干擾源入射方位角夾角設(shè)置應(yīng)不小于5°。

（3）當(dāng)干擾源入射方位角一定時(shí)，俯仰角統(tǒng)一布置對(duì)自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力的抑制效果優(yōu)于分散布置情況下的效果，在該仿真實(shí)驗(yàn)中，5陣元、7陣元接收機(jī)干擾源俯仰角分別統(tǒng)一設(shè)置在60°，30°為宜。

以上結(jié)論對(duì)于進(jìn)一步研究針對(duì)自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)的多干擾源優(yōu)化布設(shè)方法具有重要參考價(jià)值。

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Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver

XUXu1，ZENGFangling1，LU Zhenyao2

（1.College of Electronic Engineering， National University of Defense Technology， Hefei 230031， China； 2.PLA 91550 Troops， Dalian 116021， China）

Adaptive nulling anti-jamming technology can greatly improve the anti-jamming ability of satellite navigation receiver. It is widely used in precision guided weapons. It is the focus of current research on satellite navigation counter-measure. This paper simulates the anti-jamming performance of multi-element adaptive nulling receiver in the face of jamming sources with different numbers， different incident azimuth angles and different incident pitch angles， quantitatively analyzes the improvement of the anti-jamming ability of the receiver， and puts forward targeted counter-measure schemes. Based on the experimental results and data， it is found that by adjusting the number of interference sources and the setting angle， the anti-jamming ability of the receiver can be effectively suppressed， so as to achieve a reasonable allocation of jamming resources. The conclusion has a strong practical guiding significance for the further study of the optimization strategy of jamming source deployment.

adaptive nulling receiver；anti-jamming ability；countermeasure scheme；precision guided weapon；simulation experiment；quantitative analysis

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.003

TN973.3；TN975；TN967.1

A

1009-086X（2023）-04-0016-09

徐煦, 曾芳玲, 盧振耀.自適應(yīng)調(diào)零接收機(jī)抗干擾能力分析及其對(duì)抗方法[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2023,51(4):16-24.

XU Xu,ZENG Fangling,LU Zhenyao.Research on Anti-jamming Ability and Countermeasure Scheme of Adaptive Nulling Receiver[J].Modern Defence Technology,2023,51(4):16-24.

2022 -06 -20 ;

2022 -11 -07

徐煦(1995-)，女，安徽淮南人。助工，碩士，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗。

230031 安徽省合肥市蜀山區(qū)黃山路460號(hào) E-mail：bbxb4_xu@139.com