基于阵列天线的GPS抗干扰算法设计及实现

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GPS卫星导航系统自出现以来,在世界各国得到了广泛应用,其应用领域从军事领域延伸至民用领域,产生了巨大的社会价值。在军事领域中,GPS成为了空中、陆地、海洋等航行平台重要的导航设备,为其提供了精确的位置信息和姿态信息。在民用领域,汽车、智能手机等都配备了GPS,其巨大的市场需求,推动了GPS的迅速发展。然而, GPS信号自身比较微弱,抗干扰能力较差,如何对干扰进行抑制是当前GPS技术应用迫切需要解决的问题。本文为了解决上述问题,提高GPS定位精度,采用自适应滤波技术,并对自适应滤波算法做了深入的研究。  本文在介绍了GPS系统组成、定位原理以及信号结构的基础上,给出了几种常见的干扰类型,并着重对自适应天线基本原理进行分析讨论。研究了天线模型的阵元个数、阵元间距和阵列排列形式等对方向图的影响,并对其加以仿真分析。随后,对自适应滤波中的空时滤波技术进行了详细的阐述,并对入射信号进行数学建模。在此基础上,结合 GPS信号的特点,分析了空时滤波波束形成的几种最优准则,并对其应用领域及所需已知条件加以对比,最终选定线性约束最小方差准则为波束形成法则、功率倒置算法为 GPS抗干扰适用算法。在算法实现过程中,针对固定步长出现的收敛速度与稳态误差难以协调的问题,提出了一种新的变步长算法,该算法通过构造步长因子的函数模型,有效地解决了上述问题。在详细分析对比了多种算法和滤波技术之后,搭建了算法的仿真环境。首先深入分析了新算法中关键参数的选取对滤波性能的影响,并对新旧算法权值的收敛性能做出对比分析,仿真结果表明,新算法在收敛性能和稳态误差方面体现出了优越性。其次,对基于功率倒置算法的空时滤波性能进行了仿真分析,仿真结果验证了空时滤波算法的性能优势,主要包括:空时滤波算法能够在控制天线成本和体积情况下,提高抗干扰系统的自由度;对来自同一方向的期望信号和干扰信号,空时滤波算法能够在频域上将干扰信号滤除;空时滤波算法对宽带干扰信号具有良好的抑制效果。最后,搭建了 FPGA半硬件仿真平台。利用 Matlab仿真生成了空时滤波器接收到的GPS信号,采用模块化设计方法对算法进行 FPGA实现。仿真结果表明了功率倒置算法的权向量能够快速收敛,验证了算法的可实现性。
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