基于稀疏阵列的GNSS抗干扰方法研究

摘要

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)能够在全球范围内提供高精度、全天候的位置、速度和授时服务，广泛且成功地应用于军事和民用领域，对国家安全和国民经济发展有着重大意义。与此同时，随着电磁环境越来越复杂，卫星信号在传播过程中会受到各种各样的干扰，从而导致接收机无法准确定位。因此，为了使接收机在受到干扰时仍然能正常工作，各种抗干扰技术不断涌现，其中，以均匀线阵为基础的卫星导航接收机抗干扰技术是目前的主流。但是，均匀线阵抗干扰自由度受阵元数目的限制，制约了接收机的抗干扰能力。稀疏阵列能够在相同阵元的情况下提供更多的阵列自由度和阵列孔径，从而最大程度地限制干扰对接收机的影响，使得采用更少的物理阵元和更低的硬件成本进行抗干扰成为可能。 本文研究基于稀疏阵列的卫星导航抗干扰方法。首先，建立理想条件下均匀阵列和稀疏阵列接收信号的数学模型，分析稀疏阵列带来的自由度增强的特性，论述了阵列天线对入射信号数据的接收和处理，对比均匀线阵和稀疏阵列的阵列天线方向图;其次，阐述空域自适应阵列抗干扰的基本原理，分析三种常用的波束形成最优准则，在此基础上，研究几种经典的自适应波束形成算法;然后，介绍传统的多信源波达方向(Direction of arrival，DOA)估计算法原理，以嵌套阵列和互质阵列为对象，探究基于稀疏阵列的多信源DOA估计算法，利用空间平滑技术的原理，将虚拟域子空间技术应用于稀疏阵列，提出基于稀疏阵列的虚拟域子空间联合抗干扰算法，该算法通过构造虚拟的均匀线阵，实现对干扰源DOA的精确估计，结合自适应波束形成技术抑制干扰，在干扰数目大于阵元数目的情况下仍然有效，并且在干扰来向相近时具有良好的抗干扰性能;最后，将压缩感知理论引入干扰源DOA估计，建立互质阵列压缩感知DOA估计模型，利用互质阵列的质数特性和稀疏特性，提出基于压缩感知的干扰源DOA估计与抑制算法，该算法先分别以凸优化重建算法和OMP重建算法对干扰源进行稀疏重构，然后对估计的干扰源利用子空间投影技术进行抑制，算法省去了对阵列协方差矩阵的特征分解，不损失阵列孔径的同时，在低快拍下仍具有良好的干扰估计性能和抗干扰性能。