基于單天線的GNSS合成孔徑技術(shù)研究進(jìn)展

何國(guó)鋒,聶俊偉,伍微,王飛雪

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)工程研究中心,長(zhǎng)沙 410073)

摘要：本文主要介紹了合成孔徑的基本原理及合成孔徑技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展研究進(jìn)展,以及合成陣列的模型和信號(hào)模型,并且介紹了合成孔徑技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的基本應(yīng)用，但現(xiàn)階段由于技術(shù)不成熟以及硬件條件等的限制,此技術(shù)還未真正得到廣泛應(yīng)用，但基于單天線的合成孔徑技術(shù)具有先天的優(yōu)勢(shì),未來(lái)將有很大的發(fā)展前景．

關(guān)鍵詞：?jiǎn)翁炀€;合成孔徑;導(dǎo)航系統(tǒng)

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.008

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2015)05-0041-05

收稿日期：2015-08-26

作者簡(jiǎn)介

Abstract:Tis paper describes the basic principles and synthetic aperture synthetic aperture technology research development status at home and abroad, as well as model and signal model in synthetic array and introduces synthetic aperture technology in the field of basic applications in navigation. But at this stage due to technical immaturity and hardware conditions, etc., this technology has not yet been widely used. But based on synthetic aperture single antenna technology has inherent advantages, the future will have great prospects for development.

0引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為了當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家國(guó)防及經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重要組成部分,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也是國(guó)家綜合國(guó)力及科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。世界各主要大國(guó)都在爭(zhēng)相發(fā)展和完善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),其中包括最早建設(shè)的美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS),俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS),歐盟國(guó)家的伽利略(Galileo)系統(tǒng),以及我國(guó)正在積極建設(shè)的北斗二號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為北斗全球系統(tǒng))[1]。

基于單天線的動(dòng)態(tài)天線合成陣列概念在近幾十年已經(jīng)應(yīng)用到雷達(dá)領(lǐng)域,近幾年已經(jīng)應(yīng)用到了導(dǎo)航領(lǐng)域。傳統(tǒng)的天線陣在同一時(shí)刻對(duì)不同陣元信號(hào)進(jìn)行采樣,而在合成孔徑方式下,同一陣元在不同時(shí)刻進(jìn)行空間采樣,因此,與傳統(tǒng)陣列信號(hào)相比存在明顯差異。在應(yīng)用領(lǐng)域中,傳統(tǒng)的抗寬帶干擾,需要采用多個(gè)陣元、多路射頻通道的天線陣接收機(jī),設(shè)備硬件復(fù)雜,體積功耗等都要求較高，很多場(chǎng)合不具備安裝陣列接收機(jī)的條件,如何利用單天線接收機(jī)進(jìn)行寬帶干擾抑制,具有重要的理論與工程意義，與此同時(shí),單天線不存在天線互耦、通道失配等非理想因素的影響,另外,虛擬陣元數(shù)目不受限制,可抑制的干擾數(shù)目可大幅增加,從這一方面講,單天線合成孔徑具有一定的先天優(yōu)勢(shì)。

合成孔徑技術(shù)在近些年開(kāi)始運(yùn)用在導(dǎo)航領(lǐng)域,國(guó)外的Broumandan、 Draganovet、 Pany等人已經(jīng)有一些研究,并且公開(kāi)發(fā)表了文章。早期的這些文章描述了單天線合成孔徑GPS信號(hào)處理和合成圓陣的相控天線技術(shù)?？柤永锎髮W(xué)的Broumandan和Tao Lin的文章中,合成孔徑天線運(yùn)用于干擾消除,他們研究了基于合成孔徑天線陣的GNSS信號(hào)的DOA估計(jì)[2];而Pany研究了圓陣合成天線來(lái)抑制多徑[3];Draganovet則研究了GNSS/INS組合后運(yùn)用合成孔徑技術(shù)來(lái)消除多徑;還有佛羅里達(dá)大學(xué)的Soloviev等人研究了單天線移動(dòng)形成的一維天線陣和多天線移動(dòng)形成了二維天線陣的GNSS信號(hào)處理技術(shù)[4-5],但這些研究都停留于理論階段,并未實(shí)際運(yùn)用到導(dǎo)航系統(tǒng)中來(lái)。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者提出了利用天線動(dòng)態(tài)特性以合成孔徑進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)處理及干擾抑制等,但相關(guān)研究還處于起步階段。

1導(dǎo)航信號(hào)合成孔徑原理

導(dǎo)航系統(tǒng)中,GNSS合成孔徑的基本原理是利用單天線的旋轉(zhuǎn)、平動(dòng)等運(yùn)動(dòng)特性,通過(guò)在不同時(shí)刻的信號(hào)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬陣元空間采樣的等效結(jié)果，其核心過(guò)程是隨著天線移動(dòng)從時(shí)域接收采樣變成空間采樣的轉(zhuǎn)換。

合成孔徑技術(shù)近十年在雷達(dá)領(lǐng)域取得了巨大的成功,并且已經(jīng)運(yùn)用到軍用民用各個(gè)領(lǐng)域,已經(jīng)成為全球各個(gè)國(guó)家爭(zhēng)先發(fā)展的領(lǐng)域,我們國(guó)家這些年的發(fā)展也取得了很大的成就。合成孔徑雷達(dá)(SAR)在距離向通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào)獲取高的分辨率;在方位向通過(guò)孔徑合成原理達(dá)到波束銳化的目的,從而提高方位向的角度分辨率，整個(gè)過(guò)程處理可以等效為一個(gè)二維匹配濾波過(guò)程。

聯(lián)系人： 何國(guó)鋒 E-mail:heguofeng100@163.com

一副天線陣由多個(gè)單元天線組成,利用多個(gè)單元天線到目標(biāo)點(diǎn)的距離不同所產(chǎn)生的相位差干涉形成一狹窄的波束，把這一空域的干涉過(guò)程變?yōu)闀r(shí)域上的干涉過(guò)程,一副天線沿著一直線勻速運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)中不停的發(fā)射信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行采樣,同時(shí)把回波儲(chǔ)存起來(lái)，利用這些回波做信號(hào)處理,分別給它們加上不同的相位,使之對(duì)相應(yīng)的目標(biāo)聚焦,從而獲得了一個(gè)等效的更狹窄的主波束，這就是合成孔徑的基本原理。

圖1　合成孔徑基本原理示意圖

合成孔徑在雷達(dá)領(lǐng)域最大的優(yōu)勢(shì)在于提高距離向和方位向的分辨率。在探測(cè)系統(tǒng)中,通過(guò)脈沖能量對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的距離、速度、形狀或反射率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為了使測(cè)量有效,接收脈沖必須具有足夠強(qiáng)的能量和足夠好的分辨率。合成孔徑雷達(dá)中,為了提高距離向分辨率,通過(guò)脈沖壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn);通過(guò)發(fā)送一個(gè)展寬脈沖,再對(duì)其進(jìn)行脈沖壓縮以得到所需分辨率的技術(shù)稱為脈沖壓縮。而在頻域中,脈沖壓縮的本質(zhì)就是將信號(hào)頻譜與含有二次共軛相位的頻域?yàn)V波器進(jìn)行相乘，脈沖壓縮又稱為“匹配濾波”。

物理實(shí)孔徑陣列中,如果要提高增益,必須增加孔徑數(shù)量;并且設(shè)計(jì)和處理不夠靈活,不能面對(duì)各種不同的環(huán)境,而虛擬的合成孔徑陣列很好的解決了這兩點(diǎn)。

2GNSS合成孔徑信號(hào)模型

假設(shè)天線沿x軸做直線運(yùn)動(dòng),t1時(shí)刻位于x1,t2時(shí)刻位于x2處。不難理解,t1時(shí)刻信號(hào)代表了空間x1處的采樣，也就是說(shuō),通過(guò)運(yùn)動(dòng),達(dá)到了空間采樣的目的，示意圖如圖2所示。

圖2　GNSS合成孔徑模型空間采樣示意圖

導(dǎo)航信號(hào)的合成孔徑陣列天線中一般采用軟件接收機(jī)的結(jié)構(gòu),通過(guò)天線移動(dòng)而不是增加天線的方式形成波束,因此,通過(guò)在不同時(shí)刻不同空間的采樣來(lái)形成陣列信號(hào)。圖3是單天線形成的一維合成孔徑導(dǎo)航信號(hào)的模型圖。

圖3　單天線合成孔徑導(dǎo)航信號(hào)模型

合成孔徑陣列的參數(shù)估計(jì)不是使用具有多個(gè)天線信號(hào)接收器,是通過(guò)移動(dòng)一個(gè)單個(gè)天線在任意方向上的合成，數(shù)據(jù)接收器收集在不同時(shí)間不同相位的信號(hào)。如果在每個(gè)周期的數(shù)據(jù)收集的通信信道是準(zhǔn)靜態(tài)的信道(例如AOA)的參數(shù)進(jìn)行估計(jì),AOA估計(jì)對(duì)合成陣列有一些好處,例如:它不會(huì)受信道間相位、增益和天線元件之間的相互耦合。因此,它不需要校準(zhǔn),這是在多天線陣列處理中必須要考慮的嚴(yán)重問(wèn)題。圖4示出的合成陣列的概念:假設(shè)有分布均勻的M個(gè)實(shí)傳感器,這些傳感器收集信號(hào)的預(yù)定時(shí)間約tsynthetics.可以收集到M等份的每個(gè)傳感器所采集的數(shù)據(jù),并且無(wú)需任何硬件的限制,如果信道狀況不會(huì)在此期間發(fā)生變化,可用于DOA估計(jì)傳感器的每一部分。合成陣列利用這種特性來(lái)創(chuàng)建一個(gè)天線陣列，圖4直觀地顯示了這個(gè)概念。

圖4　合成孔徑陣列天線模型

需要說(shuō)明的是:

1) 整個(gè)過(guò)程,接收機(jī)必須保持跟蹤狀態(tài);

2) 由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和偽碼相位變化引起的誤差必須進(jìn)行補(bǔ)償;

3) 為了消除bit翻轉(zhuǎn)的影響,需要估計(jì)并剝離電文數(shù)據(jù)。

合成陣列的信號(hào)模型,假設(shè)在接收的采樣信號(hào)中只有導(dǎo)航信號(hào)和白高斯噪聲信號(hào),假設(shè)本地PRN碼與接收信號(hào)是同步的,則可以得到

(1)

式中: rt為t時(shí)刻的方向向量;a為信號(hào)幅度;d為導(dǎo)航數(shù)據(jù);P為PRN碼功率;n為白高斯噪聲; Δφ為載波相位差;Tcoh為相干積分時(shí)間。

由于衛(wèi)星的移動(dòng)和時(shí)鐘漂移,導(dǎo)航數(shù)據(jù)和載波相位差要得到補(bǔ)償。對(duì)于波束形成,由于在基帶處理器中載波相位被鎖相環(huán)跟蹤,需要相關(guān)器的后續(xù)補(bǔ)償,存儲(chǔ)的所有載波相位信息回到相關(guān)器,所以在補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)器中會(huì)得到所有的信號(hào)信息。假設(shè)在合成陣列處理中,信號(hào)功率不會(huì)下降很快,補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)器表示為

(2)

(3)

式中:ap為相關(guān)器的幅度;N為合成天線的數(shù)量。上述相關(guān)器可以被寫(xiě)成直線傳輸信號(hào)陣列多維矢量v(ks)的函數(shù)。

Pcomp(t0) =spv(ks)

(4)

式中:θ為仰角;φ為方位角;sp為陣列參考點(diǎn)的信號(hào)。綜上所述,相關(guān)器的相關(guān)矩陣表達(dá)式為

(5)

3合成孔徑在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,導(dǎo)航領(lǐng)域也在快速的擴(kuò)展,而合成孔徑運(yùn)用在導(dǎo)航領(lǐng)域可以說(shuō)是一個(gè)全新的嘗試,在很多技術(shù)上可以有新的發(fā)展。目前合成孔徑在導(dǎo)航系統(tǒng)中主要有:1) 波束形成;2) 干擾檢測(cè)及干擾抑制;3) 多徑抑制;4)DOA估計(jì)等。

由于合成孔徑技術(shù)目前尚未成熟發(fā)展,也沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用到現(xiàn)存裝備中,預(yù)測(cè)近些年的發(fā)展將會(huì)有比較大的提升和突破。

3.1　合成陣列波束形成算法

許多的波束形成算法是從實(shí)陣列發(fā)展而來(lái),但是也可以運(yùn)用到合成陣列中,用來(lái)消除由于衛(wèi)星移動(dòng)、衛(wèi)星鐘漂和接收機(jī)鐘漂引起的相位變化。下列描述的算法皆是線性的;由應(yīng)用不同可以分別應(yīng)用到相關(guān)前或者相關(guān)后。一般來(lái)說(shuō),干擾消除用于相關(guān)前,而多徑消除應(yīng)用在相關(guān)后。

1) 延遲求和波束形成算法

這種算法是最基本的波束形成算法之一,可以認(rèn)為是空間匹配濾波,高斯白噪聲通道內(nèi)的陣列最大信噪比(ASNR),延遲求和算法的權(quán)值矢量w數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(6)

式中: N為陣列中的天線數(shù)量; v(ks)為GNSS直射信號(hào)(LOS)的導(dǎo)向矢量。

2) MVDR/MPDR波束形成算法

MVDR(最小方差無(wú)失真響應(yīng))波束形成算法是在高斯噪聲通道中最大似然和最大陣列信噪比(ASNR)場(chǎng)景下的最優(yōu)選擇。這里的噪聲包括干擾、多徑和白噪聲。實(shí)際上,MVDR可以看作是空域匹配濾波器,MVDR的權(quán)值矢量w可以表示為

(7)

實(shí)際中很多參數(shù)是很難獲取到的,因此可以應(yīng)用MPDR(最小功率無(wú)失真響應(yīng))的方法,MPDR的權(quán)值矢量w可以表示為

(8)

式中: Rn為無(wú)用信號(hào)(噪聲、干擾、多徑)的相關(guān)矩陣; Rx為接收信號(hào)(信號(hào)、噪聲、干擾和多徑)的相關(guān)矩陣; v(ks)為GNSS直射信號(hào)(LOS)的導(dǎo)向矢量。

3) LCMV/LCMP波束形成算法

LCMV(線性約束最小方差)/LCMP(線性約束最小功率)是MVDR/MPDR的廣域形式。在代價(jià)函數(shù)上要求乘以一個(gè)線性約束，LCMV/LCMP的權(quán)值矢量w可以表示為

(9)

式中: Rn為無(wú)用信號(hào)(噪聲、干擾、多徑)的相關(guān)矩陣; Rx為接收信號(hào)(信號(hào)、噪聲、干擾和多徑)的相關(guān)矩陣; C為約束矩陣; g為約束矢量。

3.2　GNSS合成孔徑發(fā)展趨勢(shì)

1) 干擾檢測(cè)及干擾抑制

隨著單天線接收機(jī)抗窄帶干擾的日趨成熟,寬帶干擾的抑制能力逐漸上升為導(dǎo)航對(duì)抗的技術(shù)瓶頸。利用天線動(dòng)態(tài)特性以合成孔徑技術(shù)進(jìn)行干擾抑制,將進(jìn)一步擴(kuò)展現(xiàn)有的天線陣抗干擾性能極限,并且對(duì)于提升系統(tǒng)裝備、應(yīng)用裝備的導(dǎo)航對(duì)抗能力具有重要的意義。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛,作用越來(lái)越重要,其必然要面臨各種強(qiáng)干擾對(duì)抗環(huán)境,沒(méi)有抗干擾能力的軍用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是沒(méi)有生存能力的。由于我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航起步較晚,干擾是導(dǎo)航衛(wèi)星接收器的位置估計(jì)誤差的來(lái)源,干擾抑制技術(shù)還處于發(fā)展階段。目前,應(yīng)用于裝備中的是發(fā)展較為成熟的時(shí)/頻域干擾抑制技術(shù)。衛(wèi)星星座和大部分軍用導(dǎo)航接收機(jī)均裝備采用時(shí)/頻域抗干擾技術(shù)的接收機(jī)，而采用空域干擾抑制技術(shù)的天線陣抗干擾接收機(jī)還處于原理驗(yàn)證階段,還需要較長(zhǎng)時(shí)間才能裝備部隊(duì)。

如果能夠在不更改硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,僅通過(guò)算法更新提升現(xiàn)有裝備的窄帶干擾的抑制性能,具備常規(guī)寬帶干擾的抑制將能夠延長(zhǎng)目前裝備的壽命,最大化其應(yīng)用價(jià)值。另外,考慮到未來(lái)導(dǎo)航設(shè)備的民用推廣,若能夠在少量增加導(dǎo)航接收機(jī)體積和價(jià)格的前提上提升其在復(fù)雜電磁環(huán)境中的使用體驗(yàn),將對(duì)民用導(dǎo)航接收機(jī)的推廣起到積極作用。此外,因天線陣占用面積較大、耗費(fèi)較高,具備空域抗干擾技術(shù)的抗干擾接收機(jī)主要裝備在艦船、坦克、導(dǎo)彈和飛機(jī)等大型軍事設(shè)備上,且難以與雷達(dá)、通信等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件共享。從裝備發(fā)展趨勢(shì)可以預(yù)知,隨著裝備中電子設(shè)備數(shù)量日益增加,未來(lái)不同電子系統(tǒng)的融合和集成將成為必要的選擇，例如,美歐等正在積極研發(fā)的融合通信、導(dǎo)航等功能的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)就選擇通信、導(dǎo)航等共用天線等硬件。由于和其他電子系統(tǒng)復(fù)用,考慮成本和體積,單天線是非常合理的選擇,而合成孔徑技術(shù)可以成為單天線抗干擾提供技術(shù)支撐。在干擾檢測(cè)和干擾抑制方向,合成孔徑技術(shù)將成為未來(lái)的一大熱門研究方向。目前技術(shù)仍不成熟,并未得到廣泛推廣。

在雷達(dá)領(lǐng)域中,合成孔徑技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,而在GNSS領(lǐng)域中剛剛起步。該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展主要趨向于建立合成孔徑信號(hào)模擬方法拓寬陣列信號(hào)的理論,結(jié)合陣列天線與合成孔徑技術(shù),進(jìn)一步擴(kuò)展和豐富陣列信號(hào)的理論,進(jìn)一步得到廣泛應(yīng)用。導(dǎo)航領(lǐng)域抗干擾技術(shù)的研究領(lǐng)域,GNSS合成孔徑應(yīng)用在干擾檢測(cè)和干擾抑制將是一個(gè)很有前景的研究方向。

2) 其他領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外有學(xué)者已經(jīng)利用GNSS合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)了波束形成、多徑抑制、目標(biāo)成像等應(yīng)用，這將對(duì)現(xiàn)有的雷達(dá)、導(dǎo)航、通信領(lǐng)域都將是重要的技術(shù)補(bǔ)充。也是GNSS合成孔徑發(fā)展的重要方向。

4結(jié)束語(yǔ)

GNSS具有覆蓋廣、全天候、高精度、實(shí)時(shí)定位、多用途等特點(diǎn),已成為當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中不可缺少的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。合成孔徑技術(shù)在雷達(dá)領(lǐng)域已經(jīng)成熟發(fā)展了很多年,在導(dǎo)航領(lǐng)域中近些年國(guó)內(nèi)外有了一些發(fā)展,但并未形成真正的理論框架。國(guó)外文獻(xiàn)[2]~[5]及[7]和[8]中對(duì)合成孔徑技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的DOA估計(jì)、多徑抑制、波束形成等有了一定的研究,但基于硬件設(shè)備等的原因,并未真正形成實(shí)際應(yīng)用的有效手段,在干擾檢測(cè)與干擾抑制中也還并未達(dá)到真正的成效。但基于單天線的合成孔徑技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì),今后也將具有更大的發(fā)展前景。

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何國(guó)鋒(1991-),男,湖南平江人,碩士生,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾研究。

聶俊偉(1983-),男,山西沂州人,博士,講師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾研究。

伍微(1981-),男,湖北秭歸人,博士,講師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)DSP實(shí)現(xiàn)。

王飛雪(1971-),男,福建長(zhǎng)汀人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位、導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)、導(dǎo)航信號(hào)處理、電子系統(tǒng)抗干擾等方向的研究。

Based on the Status of Single Synthetic Aperture

Techniques GNSS Antenna

HE Guofeng,NIE Junwei,WU Wei,WANG Feixue

(SatelliteNavigationandPositioningR&DCenter,SchoolofElectronicScienceandEngineering,

NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

Key words: Single antenna; syntheticaperture; navigation