自適應天線系統簡介！自適應天線系統研制概況！

1 引言

大多數衛星導航系統是一個廣播系統，沒有自我校正功能，用戶得到的定位信息的真偽無法通過本系統判別，使得對導航信號的干擾變得相對容易。盡管導航系統均采用擴頻技術，有很高的處理增益，極具隱蔽性。GPS信號電平通常比噪聲電平低20dB左右，很難檢測到。同時，正因為到達用戶接收機的信號強度極低，因此通用GPS接收機非常容易被干擾。

自適應天線系統結合數字信號處理技術和天線與微波技術，將天線方向圖的零點指向干擾信號，減輕干擾信號對衛星導航系統的影響。它可以提高導航系統不低于30dB的抗干擾能力，并且能同時對抗多個方向的干擾。

高速飛行器速度極高，飛行器上的天線系統必須滿足防熱、氣動、共形、結構強度以及惡劣的環境條件等特殊要求。自適應天線系統天線必須與載體共形安裝，天線陣列的排布受到限制，非規則的天線布局對自適應天線系統的性能會產生較大影響。

2 自適應天線系統簡介

自適應天線系統主要由天線陣、自適應處理器以及射頻電纜網構成。其中，天線陣由多個天線單元構成，通常為四個天線，一個為主天線，接收有用信號，其余為輔助天線，產生對消干擾的參考信號。自適應天線系統與接收機不需要通信，通過射頻電纜連接。天線系統組成如圖1。

圖1 自適應天線系統組成圖

自適應天線系統根據天線陣列的輸出情況自動調節副通道（副天線對應的射頻通路）的權系數（幅度和相位），使天線系統能根據電磁環境、衛星導航信號及干擾信號的方向變化自動跟蹤所需的信號，自動抑制信號，以提高天線接收信號的質量，從而具有自適應性。自適應處理器是整個系統的核心，在自適應處理器中，對信號進行數字化自適應處理，利用功率倒置算法完成對干擾信號的消除。

3 自適應天線系統研制概況

3.1 天線陣列研制

根據飛行器的飛行姿態以及干擾的來向，確定天線的布局。圖2為衛星導航和干擾來自于載體下方的天線陣列排布示意圖。

圖2 天線布局示意圖

朝天的天線由一個單元構成，用于接收衛星信號。朝地的天線由三個單元構成，用于對消干擾信號。對陣列進行了仿真，仿真模型如圖3，當選擇適當的權值時，陣列仿真結果如圖4。

圖3 飛行器天線系統仿真模型

圖4 形成零點方向圖

從圖中可以看出，采用四元自適應陣列，主天線朝天，三元對消陣列朝地，只要自適應處理機選擇合適的權值，就可以有效的在干擾方向形成增益零點，實現對消地面干擾的需要；對接收衛星信號的上半球沒有影響。

單元天線采用微帶形式，帶有防護透波罩，共形安裝，可以滿足飛行器對氣動、防熱的要求。圖5所示為天線的樣機產品。

圖5 自適應天線陣列圖片

3.2 自適應處理器研制

自適應處理器由前置放大模塊、接收機模塊、權值調整模塊和信號處理模塊組成，如圖6所示。

圖6 自適應處理器組成框圖

前置放大模塊為低噪聲放大器，放大后的信號分為兩路，一路送往接收機模塊進行解調，解調后送往信號處理板進行處理。另一路信號送往權值調整模塊，在權值調整模塊內根據信號處理板送來的權值調整信號進行調整。對干擾信號而言，形成幅度相同，相位相反的信號的疊加，從而消除干擾信號。處理后的信號可以直接供接收機使用。工程化設計的自適應處理器樣機如圖7。該機可以兼容GPS、GOLASS和北斗導航系統，外形尺寸為142mm×100mm×74mm，重量為1.0kg。

圖7 自適應處理器工程樣機

4 自適應天線系統驗證試驗

4.1 對消比測試

樣機經過高溫試驗，低溫試驗以及力學環境試驗，性能符合飛行器環境要求?？垢蓴_性能達到了30dB以上，測試結果見圖8。

（a）窄帶干擾對消結果

(b)寬帶干擾對消結果

圖8 自適應處理器測結果

4.2 抗干擾方向圖測試

天線系統安裝在飛行器模擬殼體上，測試方抗干擾向圖，如圖9所示。分別對自適應系統工作與不工作兩種狀態進行對比，結果如圖10。圖中90°方向為干擾來向。黑色為自適應不工作時的測試結果，紅色為自適應工作狀態的測試結果，通過對比可以看出對消比在35dB以上。 干擾方向連續變化時（等效于高速飛行）動態測試結果如圖11，黑色為自適應不工作時結果，紅色為自適應工作時結果。

圖9 方向圖的測試

圖10 抗干擾方向圖測試結果

圖11 干擾方向連續變化時動態測試結果

4.3 抗干擾收星試驗

自適應天線系統安裝在飛行器模擬殼體上，進行抗干擾收星試驗，如圖12所示。四周布3個干擾源，模擬各種姿態可能的干擾來向。通過對比自適應處理器工作和不工作兩種狀態的在干擾環境下的收星情況，驗證自適應天線系統的抗干擾能力。收星試驗結果如表1所示。

圖12 抗干擾收星試驗

表1 抗干擾收星結果

5 結論

自適應抗干擾天線系統具有較強的抗干擾能力(大于30dB)，可以解決復雜電磁環境中衛星導航系統抗干擾問題。通過對經過工程化設計的自適應天線系統的環境試驗、對消比測試、抗干擾方向圖測試和抗干擾收星定位試驗等證明，在高速飛行器上安裝自適應天線系統，提高導航系統的抗干擾能力是可行的。自適應天線系統與接收機之間不需要通信，只要把常規的天線系統更換為自適應天線系統，就可以把常規衛星導航接收系統就可以提升為抗干擾接收系統。自適應天線系統使用方便，效果突出，具有廣泛應用前景。