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卫星导航简化分布式矢量天线抗干扰和多径抑制技术研究

作　者: 孙莉
导　师: 欧钢
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 卫星导航矢量天线简化分布式矢量天线抗干扰来波方向估计来波极化状态估计多径抑制波束形成相位中心变化天线群时延波束形成相位校正
分类号: TN967.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

卫星导航系统采用扩频通信体制,传播到地面的卫星导航信号淹没在热噪声中;同时由于接收环境复杂,导航信号不可避免的会产生反射或绕射信号;因此,导航接收机极易受到有意或无意射频干扰以及多径干扰。在局域增强系统、联合精密进近与着陆系统等高性能导航应用中,需要补偿抗干扰天线阵波束形成的等效相位中心变化和群时延引入的测距误差。矢量天线元偶极子天线具有稳定的相位中心性能,非常适合导航测量应用;由其构成的简化分布式矢量天线可以垂直层叠布阵、立体布阵;具有极化识别、极化分集接收的能力;性能优于传统天线阵。本文针对高性能卫星导航简化分布式矢量天线如何抑制射频干扰和多径干扰及天线阵波束形成后的相位中心和群时延的校正展开研究,具体内容如下:(1)首先对简化分布式矢量天线工作原理进行研究分析。应用球坐标系到直角坐标系的变换和磁场分量转化为电场分量的关系推导出考虑矢量天线元辐射模式的矢量天线数学模型;推导过程物理意义简单明晰,模型精确表达了矢量天线的实际测量数据,为简化分布式矢量天线的应用奠定了基础。仿真给出了矢量天线三个电偶极子和三个磁环测量出的三个正交电场分量和三个正交磁场分量叉乘方法来波方向估计的误差。战时,干扰源的测向定位尤为重要。本文首次提出两个磁环远大于半波长距离安装、消除阵元间互耦的一维稀疏简化分布式矢量天线,采用多信号分类(MUSIC)算法结合矢量天线叉乘方法来波方向估计,叉乘方法的估计结果去除了MUSIC算法由于大阵元间距引入的估计模糊度,获得高精度的来波方向估计。(2)研究简化分布式矢量天线在抗射频干扰中的应用。提出三维简化分布式矢量天线,给出其几种抗干扰算法波束形成的对比仿真。提出基于简化分布式矢量天线估计出射频干扰信号来波方向和极化状态的阵元选择极化分集接收抗射频干扰方法。该方法在保证有用卫星信号接收的同时,抑制与卫星信号来波方向相同或相近、与阵元极化方式正交的无线通讯等垂直线极化方式干扰和广播电视信号等水平线极化方式干扰。三维简化分布式矢量天线在估计出来波仰角、方位角的基础上,其结构中垂直L型矢量天线元测量数据相位幅度分离实现来波匹配,进一步估计出来波的极化状态。(3)研究简化分布式矢量天线在抗多径干扰中的应用。多径干扰随反射角度的不同具有不同的极化状态,已经不是卫星导航信号的右旋圆极化极化状态。本文三维简化分布式矢量天线来波方向与来波极化状态联合估计,解决了多径干扰与卫星直达信号来波方向估计的解相干问题,可估计出来波的二维方向并在极化域上实现了多径干扰的识别;天线阵波束形成零陷抑制多径方法,解决了信号处理抑制多径算法中无法抑制相对时延较小的短时延多径干扰问题。文中给出工程中应用的圆极化抑制多径扼流圈天线反映多径抑制能力的期望(卫星信号)接收与不期望(多径干扰)接收比值的暗室测试结果。通过对比可以看出,本文方法基本消除了接收机伪距测量多径误差,明显优于扼流圈天线及导航增强接收的确定性波束形成(DBF)方法。应用阵元接收数据来波方向估计得到射频干扰信号来波方向;应用各个阵元接收信号相关后得到的某颗卫星的载波相位测量数据来波方向估计,得到该颗卫星信号和其强反射多径信号的来波方向;在每颗卫星的数据通道内,采用本文提出的改进的最小方差无失真响应(MVDR)波束形成算法获得权值,理论实现了波束形成指向卫星信号、几个零陷指向射频干扰和多径干扰。(4)研究简化分布式矢量天线波束形成相位中心和群时延的校正问题。给出了天线相位中心变化对接收机载波相位测距的影响和天线群时延对接收机伪码测距的影响,及天线的相位中心变化和群时延的暗室测试结果。仿真了多种波束形成算法波束形成后的等效天线相位中心特性;首次提出幅相建模改进的MVDR波束形成算法。算法使实际非理想天线阵波束形成指向有用卫星信号且该有用信号接收方向上的等效天线载波相位中心恒为零,省去了波束形成相位中心变化的校正问题;并且波束形成零陷了估计出的射频干扰和多径干扰;进一步通过仿真得到波束形成有用信号接收方向上的群时延特性,其可用来补偿接收机伪距测量值。综上所述,本文研究内容为高性能卫星导航天线阵抗干扰和多径抑制的工程实现提供了理论参考和方法支撑。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-16
第一章绪论  16-30
  1.1 研究背景与意义  16-18
  1.2 研究现状  18-26
    1.2.1 导航天线阵抗射频干扰  18-19
    1.2.2 导航天线阵抗多径干扰  19-22
    1.2.3 导航天线及导航天线阵波束形成相位性能分析  22
    1.2.4 来波方向估计与矢量天线  22-26
  1.3 创新点与内容安排  26-30
    1.3.1 创新点  26-27
    1.3.2 内容安排  27-30
第二章矢量天线技术  30-47
  2.1 引言  30-31
  2.2 矢量天线模型  31-33
    2.2.1 基本理论和概念  31-32
    2.2.2 直角坐标系和球坐标系  32-33
  2.3 天线元辐射模式  33-36
    2.3.1 短偶极子和小磁环的辐射模式  33-34
    2.3.2 矢量天线各天线元的辐射模式  34-35
    2.3.3 矢量天线数学模型  35-36
  2.4 分布式矢量天线模型  36-37
    2.4.1 阵元的相位表示  36
    2.4.2 分布式矢量天线数学模型  36-37
  2.5 矢量天线叉乘方法来波方向估计  37-42
    2.5.1 信号模型  37-38
    2.5.2 叉乘方法来波仰角、方位角估计  38
    2.5.3 矢量天线来波方向估计误差  38-41
    2.5.4 分布式矢量天线来波方向估计误差  41-42
  2.6 一维稀疏简化分布式矢量天线来波方向估计  42-46
    2.6.1 一维稀疏简化分布式矢量天线  42-43
    2.6.2 MUSIC 算法结合叉乘方法来波方向估计  43-44
    2.6.3 估计结果  44-46
  2.7 本章小结  46-47
第三章简化分布式矢量天线抗射频干扰  47-70
  3.1 引言  47
  3.2 三维简化分布式矢量天线  47-51
    3.2.1 三维简化分布式矢量天线结构  47-48
    3.2.2 相位接收信号模型  48-49
    3.2.3 波束形成等效增益  49-51
  3.3 抗干扰波束形成算法对比  51-54
    3.3.1 PI 准则抗压制性干扰算法  51-52
    3.3.2 导航增强DBF 波束形成方法  52-53
    3.3.3 MVDR 准则波束形成算法  53-54
  3.4 三维简化分布式矢量天线极化域抗射频干扰应用  54-62
    3.4.1 信号来波仰角、方位角估计  55-57
    3.4.2 信号极化状态估计  57-60
    3.4.3 改进的MVDR 算法阵元选择波束形成  60-62
  3.5 简化分布式矢量天线极化状态估计误差  62-68
    3.5.1 信号模型  62-63
    3.5.2 ESPRIT 方法来波仰角、方位角估计  63-64
    3.5.3 极化状态估计  64-65
    3.5.4 估计误差  65-68
  3.6 本章小结  68-70
第四章简化分布式矢量天线抗多径干扰  70-103
  4.1 引言  70-72
  4.2 多径极化状态及导航相关影响分析  72-80
    4.2.1 反射多径极化状态分析  72-77
    4.2.2 导航天线多径抑制指标  77-80
    4.2.3 多径干扰下接收机载波相位测量  80
  4.3 三维简化分布式矢量天线抗任意场景多径干扰  80-93
    4.3.1 相干多径信号来波方向估计  81-87
    4.3.2 相干多径信号极化状态估计  87-90
    4.3.3 卫星信号来波方向识别方法  90-91
    4.3.4 改进的MVDR 算法波束形成伪距测量多径误差抑制效果  91-93
  4.4 三维简化分布式矢量天线联合抗干扰和多径抑制波束形成  93-96
  4.5 典型场景多径抑制简化应用  96-102
    4.5.1 导航参考站多径信号环境分析  97
    4.5.2 一维简化分布式矢量天线形式及信号模型  97-99
    4.5.3 相干来波仰角估计  99-101
    4.5.4 改进的MVDR 算法波束形成  101-102
  4.6 本章小结  102-103
第五章简化分布式矢量天线波束形成相位分析与校正  103-125
  5.1 引言  103-104
  5.2 波束形成相位性能分析  104-109
    5.2.1 波束形成相位模型  104-105
    5.2.2 波束形成算法相位性能仿真  105-108
    5.2.3 多种波束形成算法性能比较  108-109
  5.3 卫星导航天线相位性能研究  109-117
    5.3.1 导航天线相位中心变化  109-113
    5.3.2 导航天线群时延  113-116
    5.3.3 导航天线群时延对伪距测量的影响  116-117
  5.4 简化分布式矢量天线波束形成相位分析与校正  117-123
    5.4.1 波束形成理论推导与工程实现的失真说明  117-119
    5.4.2 幅相建模波束形成相位模型  119-120
    5.4.3 简化分布式矢量天线波束形成相位校正  120-123
  5.5 本章小结  123-125
第六章结束语  125-126
  6.1 全文总结  125
  6.2 下一步工作展望  125-126
致谢  126-127
参考文献  127-134
作者在学期间取得的学术成果  134-135
作者在学期间参与的科研工作  135

卫星导航简化分布式矢量天线抗干扰和多径抑制技术研究

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