面向抗干扰接收机的多干扰优化部署方法.pdf
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1、第 11 卷 第 3 期 导航定位学报 Vol.11,No.3 2023 年 6 月 Journal of Navigation and Positioning Jun.,2023 引文格式:倪少杰,韦世鹏,肖伟,等.面向抗干扰接收机的多干扰优化部署方法J.导航定位学报,2023,11(3):147-155.(NI Shaojie,WEI Shipeng,XIAO Wei,et al.Multi-jammer optimal deployment method for anti-jamming receiversJ.Journal of Navigation and Positioning,2
2、023,11(3):147-155.)DOI:10.16547/ki.10-1096.20230320.面向抗干扰接收机的多干扰优化部署方法 倪少杰,韦世鹏,肖 伟,叶小舟,刘文祥(国防科技大学 电子科学学院,长沙 410073)摘要:针对抗干扰导航接收机可抗多个不同来向干扰且抗单干扰能力强,单干扰源对抗干扰接收机的作用距离短,导致干扰效能低下的问题,提出一种面向抗干扰导航接收机的多源干扰优化部署方法:根据接收机的抗多源干扰的不同抗干扰容限,使多个干扰源在不同方向协同部署,形成多源协同干扰区域,从而更好发挥干扰源的干扰效能。仿真结果表明,所提优化部署方法最小干扰距离大于传统方法,有效干扰面积在
3、文中不同参数下分别为均传统方法的 9.08、112.64、1 214.42 倍,且相同参数下二者的干扰面积差随干扰功率线性增加,较传统的干扰源部署方法性能更优。关键词:抗干扰接收机;空域干扰源;多源干扰;优化部署 中图分类号:P228 文献标志码:A 文章编号:2095-4999(2023)03-0147-09 Multi-jammer optimal deployment method for anti-jamming receivers NI Shaojie,WEI Shipeng,XIAO Wei,YE Xiaozhou,LIU Wenxiang(College of Electroni
4、c Science and Technology,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)Abstract:Aiming at the problem that the anti-jamming navigation receiver can resist multiple different interference and has strong anti-single interference ability,and the single interference source anti-jamming
5、 receiver has short action range,resulting in low interference efficiency,the paper proposed a multi-source interference optimal deployment method for anti-jamming navigation receiver:according to the different anti-jamming tolerance of the receiver,multiple interference sources were deployed in dif
6、ferent directions to form a multi-source cooperative interference area,so as to better perform the interference efficiency of the interference sources.Simulational result showed that the minimum interference distance of the proposed optimization deployment method would be larger than the that of the
7、 traditional method,and the effective interference area could be 9.08,112.64 and 1 214.42 times of the traditional method under different parameters,respectively,moreover,the difference of interference area between the two methods would increase linearly with the interference power under the same pa
8、rameters,indicating that the performance could be better than the traditional interference source deployment method.Keywords:anti-jamming receiver;spatial interference source;multi-source interference;optimized deployment 0 0 引言 精确制导设备在现代军事和民用领域中发挥着越来越重要的作用。然而制导设备严重依赖于卫星导航信号,若对其进行有效的导航压制干扰,就能使其无法正常接
9、收导航信号从而产生定位误差,降低制导精度1;因此有必要增强对制导设备进行抗干扰测试的干扰能力,以发现存在的技术或组合导航策略缺陷。随着抗干扰导航接收机的发展,其可对多个不同来向的干扰信号形成有效的抑制,接收机的抗干扰能力呈数十上百倍的增加,单干扰的有效干扰距离在相同功率下被急剧缩短2-5。且卫星导航增强技术6的不断进步,卫星到达导航接收机的信 收稿日期:2022-07-31 第一作者简介:倪少杰(1978)男,山东莱阳人,研究员,博士,研究方向为导航与时空技术。通信作者简介:韦世鹏(1998)男,广西梧州人,硕士研究生,研究方向为导航与时空技术。148 导航定位学报 2023 年 6 月 号增
10、强,在功率不变的情况下,单干扰的有效干扰距离变短7。惯性导航技术的发展也使得惯导自主导航模式下的精度越来越高8。导航接收机的抗干扰能力也随着卫导和惯导组合导航超紧耦合方式的逐渐成熟显著提升9。要使组合导航的接收机产生预期的导航位置偏差,压制干扰需要作用足够远的距离,单干扰能力显然不足。为对装载抗干扰导航接收机的制导目标进行有效干扰,须多个干扰源协同干扰,对多干扰源的空间部署研究成为要点。对干扰源的部署,文献10以任务区域覆盖率和平均危险指数作为干扰源部署方案的优化目标,通过遗传算法得到了以单干扰源干扰能力为约束下的部署模型优化方案。文献11提出了一种在保护目标前方、来袭目标方向区域内寻找干扰效
11、益指数最小的位置,并使该位置干扰效益指数值最大化的干扰源部署优化方法,该方法考虑干扰源功率在某一点的叠加,没有反映该点处受多源干扰的情况。文献12研究敌武器平台运动区域内最小干扰功率处功率最大化为目标的干扰源优化部署方法,将多个干扰源功率叠加,强调干扰区域内某点的干扰功率均应大于干扰门限。以上干扰源部署方法均为以单干扰源的干扰能力为约束下的干扰源部署方法,无法反映多源协同干扰时被干扰目标遭受多干扰威胁的情况,在应对抗干扰导航接收机时无法充分发挥干扰源的效能。针对现有研究的不足,本文根据抗干扰导航接收机的不同抗干扰容限,提出一种面向抗干扰导航接收机的多源干扰优化部署方法。该方法旨在根据抗干扰导航
12、接收机的参数给出均匀部署优化模型,以为制导设备抗干扰能力检测时多源干扰的协同部署提供参考。1 多源干扰有效作用区域分析 仅考虑卫星导航干扰源信号在自由空间中传播,则传播模型13为 RJJRlgdPPGG=+420(1)式中:RP为接收机收到的干扰信号功率,单位为dBm;JP为干扰源的发射功率(dBm);JG和RG分别为干扰源的发射天线增益和接收机的接收天线增益(dB);d为干扰源与接收机之间距离(km);为干扰信号波长。考虑I个干扰源对抗干扰导航接收机进行干扰(I N)。抗干扰接收机使用自适应调零天线技术,使得接收机天线的接收增益在多个干扰来向形成零陷从而达到抑制干扰目的14。自适应调零天线技
13、术抗干扰接收机对于多源干扰具有不同的抗干扰容限(dB)。记接收机抗(,)i i=I12?源干扰容限为M1,关系式为 IM M .M12(2)式中:M1为抗干扰接收机抗单干扰容限;IM为抗干扰接收机抗I源干扰容限。考虑距离干扰源为d的 Q 点处的干扰信号功率为 JJlgddPPG=+420(3)式中dP单位为 dBm。定义距离干扰源为d的 Q 点处的干信比为该点的干扰信号功率与卫星导航信号功率的比值,为 sJJslgddPPPGP=+420(4)式中sP为 Q 点处的卫星信号功率,单位为 dBm。由于抗干扰接收机对多源干扰具有不同的抗干扰容限IMM1,且接收机输入端干信比必须大于接收机抗干扰容限
14、iMi=1,2.I(),才能实现有效的干扰15,条件表达式为 sJJslgdidPPPGPM=+420(5)由此,干扰源的有效作用区域因自由空间损耗以及接收机对多源干扰的不同抗干扰容限而分层。有效作用区域过干扰源点的剖面效果图如图1 所示。图 1 干扰源干扰范围剖面效果图 可见,在二维平面上,有效作用区域分为了I个以干扰源点为圆心的同心圆,从干扰源点向外依次为单、双、三乃至I源协同干扰时其中的一个干扰源对抗干扰接收机的干扰距离边界。可得全球卫星导航系统(global navigation statellite system,GNSS)干扰源在自由空间传播下的i个干扰源协 第 3 期 倪少杰,等
15、.面向抗干扰接收机的多干扰优化部署方法 149 同干扰时其中的一个干扰源在全向的最大干扰距离为 JJsexpiiPGPMd+=10420(6)显然,随着抗干扰导航接收机的抗干扰容限从单源干扰到多源干扰逐渐减小,在未超过接收机天线自由度前提下,多源协同干扰作用距离边界值随着干扰源个数增加而增加。由此,对于抗干扰导航接收机的有效干扰区域在空间上分为单源干扰有效作用区域S1、双源协同干扰有效作用区域S2,I干扰源协同干扰有效作用区域IS。2 模型建立 2.1 多源协同干扰部署模型 设定固定目标保护场景,对多源协同干扰部署进行分析。因制导目标的来向未知,为应对可能的全方位来向,多源协同干扰作用区域应做
16、到在固定目标周围全向覆盖。全向干扰源的有效作用区域表现为一个球体,在二维平面上表现为圆形。如图 2 所示为不同水平高度布置的 2 个干扰源剖面图,竖轴为高度线,横轴为同一高度的水平线。由几何关系可知,当 2 个圆的圆心处在同一高度时,2 个圆的相交面积最大。图 2 不同水平高度布置的 2 个干扰源剖面图 可知干扰源处于同一水平高度时多源协同干扰区域面积相比不同水平时更大,多个干扰源应在同一水平高度部署。又考虑到对固定目标的全方位干扰覆盖,所以干扰源在保护目标周围均匀分布,部署模型可以简化为二维平面模型。以固定目标为原点建立平面直角坐标系,I个干扰源距坐标原点的距离为r,各干扰源之间以相同的角度
17、间隔/I(2)在固定目标周围均匀分布。由抗干扰导航接收机对单个干扰源的抗干扰 容限为1M,可得单干扰对抗干扰导航接收机的有效作用区域在二维平面上表现为以干扰源为圆心,以JJSexpPGPMd+=1110420为半径的圆形区域。对双干扰模型,无论 2 个干扰源的位置怎么分布,都是在一条直线上。因此对双干扰的部署模型为:以固定目标点为原点,2 个干扰源位置点连线形成的直线为 X 轴,过原点垂线为 Y 轴,建立平面直角坐标系,2 个干扰源与坐标原点的距离为r。优化前部署如图 3 所示。图 3 双干扰源布局模型 以双干扰为例,考虑模型约束条件:1)干扰源与原点距离。当 2 个干扰源距离原点越近即r越小
18、时,2 个干扰源为原点,d2为半径的 2 个圆相交区域面积越大,但并非双源协同干扰有效作用面积越大,还须在另一约束下考虑r与协同干扰有效作用面积的关系。2)干扰信号到达角。当r越来越小,2 个干扰源发射的干扰信号到达目标接收机天线面的入射角小于天线的分辨能力时,2 个不同入射方向的干扰信号会被识别为同一方向入射,从而起不到双干扰的作用效果16-17。本文中假设 2 个干扰信号夹角时,接收机天线将 2 个干扰信号识别为同一来向。考虑到实际干扰设备的类型是有限的,这里假设I个干扰源参数相等且发射功率为JP。接收机天线对 2 个来向信号的最小识别角度与天线阵型及半功率波瓣宽度有关,记为某一常数,I个
19、干扰源部署方案用向量Ir rrB12(,)?表示,以四源干扰部署为例,以固定目标点为原点建立平面直角坐标系,4 个干扰源均匀部署在原点四周。其优化前部署方案如图 4 所示。150 导航定位学报 2023 年 6 月 图 4 四源干扰部署模型 为方便多源协同干扰有效作用区域面积解算,在以固定目标点为原点的平面直角坐标系中,以坐标原点为中心取长为L宽为H的区域作为任务区。将该区域离散化为m n的网格点,如图5 所示,干扰源和固定目标点位置对应区域中的网格点。图 5 部署区域平面化示意图 2.2 多源协同干扰有效作用区域计算 分析I源干扰对抗干扰接收机的协同干扰有效作用区域面积。在 2.1 节的部署
20、模型下,第(),.j jI=1 2个干扰源在任务区中针对接收机的不同抗干扰容限所形成的干扰区域为 ()()()jjixxyyd+222(7)式中:id为()1,2,.i i=I个干扰源协同干扰下的其中单个干扰源最大作用距离;点()jjx,y为其中第j个干扰源在坐标系中的位置,其表达示为 cossinjjxrjIyrjI=22(8)假定任务区的每个格网点代表一个单位面积,则所有格网点的集合就是任务区的总面积。i源协同干扰有效作用面积可以用i个干扰源同时覆盖的点集来表示。设iS为i源协同干扰的覆盖点集,N()E 表示集合E内的元素个数,则多源协同干扰部署模型有效作用区域点集S可表示为 NIiiSS
21、=1(9)定义 2 个点()Q x,y111和(),Qx y222间距离为()()(),D Q Qxxyy=+22121212,id为i源协同干扰时其中单个干扰源在全向的最大作用距离。记集合jiA为坐标为(),jjjQxy的干扰源以id为最大作用距离所形成的作用区域内的点集,jiA为 ()(),jjiiAQ x y D Q Qd=(10)定义部署方案 B 下任意 2 个干扰源()fffQx,y、()gggQx,y在点Q处形成的夹角fgQ QQ为fg。()()()()()()()()()()ffggfgfgfgffggxxyyxxyyxxyyxxyyxxyy+=+22222222222(11)记
22、集合iC为部署方案B下i源干扰以id为最大干扰距离协同干扰时fg 的Q点形成的点集,表达式为 (),figCQ x y=(12)单干扰时不存在夹角fg的约束,所以记(),CQ x y x y=1R。记ib,.i=1,2I()为判断点Q是否被部署方案B下i源协同干扰有效作用区域覆盖的布尔变量。则判断点Q是否被部署方案B下单干扰有效覆盖的判断方法为:若满足式(13)()(,)IjjQ x yA=11(13)则b=11,否则b=10。判断点Q是否被部署方案B下双干扰有效覆盖的判断方法为:若满足式(14)(,)IIjkjkjQ x yAAC=+122211 (14)则b=21,否则b=20。其中,k(
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