自适应抗干扰技术作为卫星导航定位系统可靠运行的关键，在近年来的发展中取得了较多突破性的成就，如在多模抗干扰技术、多域多级联抗干扰等的运用下，在抗干扰方面发挥了关键作用。但需注意，目前应用抗干扰技术应用仍面临如何在干扰抑制中发挥自适应天线阵列技术优势的问题。因此，本文对自适应抗干扰技术应用于北斗四阵元天线中的研究具有重要意义。
1 北斗导航系统基本介绍
1.1 北斗导航系统相关概述
在最初的发展阶段中，北斗导航系统，主要选择两颗地球同步静止卫星模型、数字高程技术实现双星定位导航系统的构建。在导航卫星建设过程中，经过长期的原理论证、演示验证等，直至21世纪初才进行北斗导航定位试验系统的建设，初次运行为2003年12月。相关研究统计显示，截至2016年，太空预定轨道中已被送入23颗北斗卫星，覆盖东亚太地区。官方数据资料显示，预计到2020年，将完成所有卫星布星过程。北斗导航系统的构成可以分为3个部分，包括地面段、用户段与空间段。在布星上，计划地球轨道卫星27颗，静止轨道卫星5颗，倾斜同步轨道卫星3颗。对于系统中的地面段系统部分，有时间同步基站、监测基站与主监控站等，且用于数据信息互通，能够完成数据信息的收集，在此基础上分析卫星运行状态，做相关参数的调整。由于信号传输是空间段发送至用户段，所以这一过程被干扰的可能性极高，如恶意干扰、噪声干扰等，所以需强化干扰抑制能力。
1.2 北斗导航系统干扰问题分析
干扰问题是北斗导航系统运行中亟待解决的问题。具体剖析其中的干扰类型，以相干干扰、非相干干扰两种为主。其中，在相干干扰方面，又细化为欺骗性、转发式与多径干扰，如虚假GPS信号、无题反射信号等；对于非相干干扰，有多种类别，如宽带-脉冲、宽带-扩频、窄带-连续波与窄带-扫频等，包括电台或干扰机谐波、扩频干扰机等均为抗干扰类型表现。
从干扰实施方式看，结合目前大多研究资料可以发现，干扰方式主要有：①强功率干扰。指在强信号运用下使接收终端的信道被阻塞，信号难以被接收。②组网分布式干扰。该干扰形式局限于一定区域范围，呈立体化或全方位分布特征。③多模式组合干扰。结合不同类型信号，采取多重组合模式。目前针对干扰问题的存在，有较多可减轻干扰的技术，如抗干扰接收机的运用，可借助数字干扰消除处理、射频前端通道与天线阵元等，起到一定的抗干扰作用。
2 北斗四阵元天线自适应干扰抑制算法
2.1 自适应滤波概述
自适应滤波技术，主要指为以环境变化为依据，在利用某自适应选法的基础上，使滤波器参数改变。自适应滤波器的类型包括闭环型、开环型两种。以开环型类型为例，控制信号响应受系统输入影响明显，而闭环类型，控制信号反应在受系统输入信号影响的同时，系统有一定的反馈调节功能。也正因如此，目前较为常用的以闭环类型系统为主。
自适应滤波器的基本构成主要包括：
（1）滤波器结构。相比IIR滤波器，FIR数字滤波器因在反馈调节作用上明显，所以更加稳定，被广泛应用在自适应算法与电路设计中。由于系统稳定性受自适应算法影响明显，所以在设计中首先应做滤波器结构的确定，在此基础上借助自适应算法完成参数调节。
（2）自适应处理算法。在滤波器参数调整下，保证系统处于最佳性能，在调整参数中需考虑多种因素，如误差估计值、输入信号所带来的影响。
（3）误差评估。选择一定的准则为参照，使误差结果与最佳权值接近。
2.2 自适应算法收敛原则与实现原理
对于自适应算法的实现，有较多需遵循的收敛准则。如最小二乘原则，假定以xi（n）表示输入信号，以X（n）表示需求输入信号矢量数学模型，则有：Xn=[x1（n），x2（n），…，xM（n）]，在此基础上做操作矢量的计算，而操作适量二次平方误差便为最小二乘准则。再如最大信噪比准则，主要强调使系统误码率要求得到满足，即有用信号功率、干扰噪声功率比值达到最高。假定对噪声与干扰信号矢量利用n（t）表示，有用信号矢量为S（t），阵列天线输入信号由X（t）表示，则有X（t）=S（t）+n（t）。在此基础上做输出信号、输出噪声功率的计算，最后获取系统输出信噪比。此外，阵列天线自适应干扰抑制算法应用下，也有其他较多收敛准则，包括最大似然准则、线性约束最小方差准则等。另外，在自适应天线基本原理上，其构成包括自适应算法处理器、波束形成网络、天线接收阵元等，以自适应算法处理器为核心。考虑到自适应干扰抑制算法计算中，阵列天线结构影响明显，所以考虑在天线结构上做出一定的缩小，保证抗干扰性能。
3 基于功率倒置算法的干扰抑制方法
尽管应用自适应干扰抑制方法，对于北斗导航系统干扰问题的控制有一定效果，但在实际运用中，对于多种干扰源影响仍无法达到最佳抑制效果。此时，考虑在自适应算法基础上引入功率倒置算法，对于提高干扰抑制效果具有重要作用。
3.1 功率倒置算法原理
功率倒置算法亦被叫做PI算法，在信号捕获后，完成功率转置，对于其中的阵列输出，实际上为误差信号，通过最小化误差，将阵列输出功率控制到最小。从本质上看，PI算法应用中将对天线第一路阵元加权因子调整，结果为1。在此基础上调整其他阵元加权向量，确保阵列输出功率为最小值。这样无论信号为噪声干扰或其他干扰内容，当干扰信号输入后便会被有效抑制。为进一步提高PI算法的应用效果，考虑采用改进优化方式。原因在于应用PI算法，若干扰信号较弱，接近导航信号功率时，面临无法区分抑制干扰信号的情况，所以需行之有效地改进策略。如对于微弱干扰，可采取增强抑制方法，实现的原理表现在对输入信号协方差矩阵内干扰、噪声进行分离，处理空间矩阵，最后达到抑制效果。
3.2 改进优化后的设计框架与流程
改进优化后的算法设计，整体框架强调当有信号源如干扰噪声信号、卫生有用信号产生，选择天线阵列模型，加权合成捕捉信号，并完成正交下变频处理，同时经过信号数字化处理，最后完成PI运算过程。根据运算结果，加权合成处理、抗干扰处理。在算法设计流程上：①N=0时，初始化天线，对参考信号通路设定权值，结果为0；②N为其他值时，如1，2，3，做循环迭代处理，处理中首先为滤波过程，权值输出后完成相关的ADC采样、变频模块处理以及数字化预处理，最后有误差信号生成，在此基础上通过自适应更新计算，有新的权值生成，加权处理下完成时数据信号抗干扰降噪处理过程。
4 基于功率倒置算法的干扰抑制方法应用仿真分析
为验证PI算法改进优化后自适应抗干扰能力，本次研究中采用仿真分析方式。在仿真设计中，考虑将FPGA引入，其优势在于运算能力较强，有DPS模块集成其中，在处理速度、实时性需求上均可得到满足，用于干扰信号抑制有重要作用。研究中，主要取Xilinx系列FPGA，其BlockRAM资源集成明显，软件支持强大。另外，为提高仿真效果，也做自适应抗干扰硬件设计，即北斗四阵元天线硬件平台。
4.1 自适应抗干扰硬件设计
平台设计中，涉及的模块较多，具体包括：
（1）天线阵面模块。在天线阵面上，取BDS-B3抗干扰天线阵元4个，用于信号接收。在BDS-B3天线阵子上，由双馈点进行设计，可实现方向图目标的改进。考虑到抗干扰天线尺寸问题，以及阵面性能、阵元增益，要求保持0.47λ天线阵元间距，这样可在确保天线干扰抑制能力保持的基础上实现天线小型化目的。
（2）射频通道模块。以模块化设计思想为指导，强调在电路板设计尺寸上减少，该模块在结构上包括时钟、上变频射频通道、下变频射频通道等。其中上变频射频通道，在数字抗干扰处理下，变频信号，合成GPS信号，最后进行射频信号的输出。对于下行射频通道，与抗干扰天线振子输出信号连接，做噪声滤波处理、下变频处理，将信号输入数字抗干扰处理模块中。
（3）数字抗干扰处理模块。该模块在构成上包括硬件电路如ARM处理器、D/A、FPGA、A/D等，运用中借助自适应阵列信号干扰抑制算法、滤波算法，进行最佳加权值的计算，使迭加计算时间缩短，干扰处理后的信号向射频通道模块中送入。
（4）其他模块。如功分模块、电源模块，如功分模块，对于输出射频信号，可实现4路功分输出。另外，电源模块，则用于支持抗干扰天线正常运行。
4.2 仿真结果分析
仿真结果分析主要是做抗干扰算法的有效性判断。仿真过程中以BD2-B3卫星信号覆盖情况为依据利用干扰机或信号源产生干扰信号，并借助B3无源天线辐射输出，在此基础上对窄带抗干扰性能、宽带抗干扰性能的分析。首先，在窄带抗干扰性能试验方面，干扰源打开后，此时抗干扰天线无抗干扰能力，通过观测频谱仪，当窄带干扰保持为-38dBm功率时，对天线设置为抗干扰模式，能够发现功率值减少至-90.9dBm，抑制效果明显。其次，宽带抗干扰分析。取20MHz干扰宽带，然后调整宽带干扰模式，干扰保持-55dBm功率，能够发现干扰抑制效果明显。由此可见，在北斗四阵元天线自适应抗干扰抑制中，引入PI算法改进后的自适应抑制算法，在抗干扰能力上较强。
5 结论
自适应抗干扰技术的应用是目前北斗导航系统解决抗干扰问题的关键性技术支撑。实际引入抗干扰技术中，应正确认识北斗导航系统的基本结构与干扰源及类型，立足于以往的自适应干扰抑制算法，引入PI算法并在此基础上做一定的优化改进，使自适应干扰抑制算法更加完善。通过仿真分析发现，这种改进后的算法在用于抗干扰方面效果明显。
参考文献
[1]何永前，林新荣．北斗卫星导航系统抗干扰技术研究与实现[J]．舰船电子工程，2017，37（1）.
[2]王博，李锋，焦海松，等．北斗接收机主要指标测试方法与分析[J]．导航定位学报，2015，3（2）.
[3]王晓君，张伟，杜萌萌．北斗卫星导航系统的应用及其抗干扰技术[J]．河北工业科技，2014，31（3）.
[4]商锋．北斗天线的研究现状及其面临的技术问题[J]．西安邮电大学学报，2013，18（5）.
[5]郭淑霞，董中要，张宁，等．北斗卫星导航接收端抗干扰性能测试系统构建方法研究[J]．计算机科学，2013，40（7）.
收稿日期：2018-06-03
作者简介：常晓磊（1984-），男，陕西清涧人，中国人民解放军61773部队工程师，研究方向：卫星导航定位。
