ADS-B抗干扰阵列天线幅相误差的无源校正

ADS-B抗干扰阵列天线幅相误差的无源校正

王文益;朱特;吴仁彪

【摘要】阵列的幅相误差会使真实阵列流形与理想阵列流形有较大偏差,导致阵列性能急剧恶化,甚至失效.根据广播式自动相关监视(ADS-B,automatic dependent surveillance-broadcast)系统的特性,提出一种校正幅相误差的无源校正算法.利用ADS-B系统中飞机广播的ADS-B信号作为校正源,通过其中一个阵元接收的数据求得飞机位置,再加上所测阵列天线位置,通过坐标系转换可求得校正源的来向信息,并利用该信息进行误差校正,可以较准确地估计出阵列的幅相误差,校正后阵列的性能有明显改善.该方法无需额外设置校正源,与其他方法相比,减少了校正阵列时设备的复杂度.仿真结果表明算法的有效性.%The real array manifold and ideal array manifold may be different due to the gain and phase errors of array,and performance of algorithms will be sharply affected by the gain and phase errors.A passive calibration algorithm is proposed to calibrate the gain and phase error of the ADS-B system array.In the proposed method,one of the sensors can be used to obtain the positions of aircrafts,and the position of array antenna can be measured,then the DOA of pilot source is computed through coordinate system transformation,and the array errors are calibrated by using direction information.Gain and phase errors can be accurately estimated by the proposed method,and the performance of algorithms is effetively improved.Performance of calibrated array is highly improved.The extra pilot sources do not need to be set manually,thus the equipment complexity is reduced.Simulation results prove the effectiveness of the proposed algorithm.

【期刊名称】《中国民航大学学报》

【年(卷),期】2017(035)006

【总页数】4页(P7-10)

【关键词】广播式自动相关监视;幅相误差;阵列校正

【作者】王文益;朱特;吴仁彪

【作者单位】中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津300300;

中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津300300;中国民航大学

天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津300300

【正文语种】中文

【中图分类】V24;TN911

广播式自动相关监视系统是新一代的监视系统，装有ADS-B系统的飞机使用普通全球导航卫星系统（GNSS，globalnavigationsatellitesystem）接收机从 GNSS 星座得到其精确位置，然后将该位置与飞机的状态信息（如速度，航向，高度和航班号）广播给能接收ADSB信号的飞机和ADS-B地面站或通过卫星将飞机的位置和其他信息中继到空中交通管制中心[1-2]。但是，由于ADS-B技术标准是公开的，很容易受到欺骗式干扰，导致严重后果[3]。此外，随着技术的发展，也出现了各

种各样的干扰设备，如压制式干扰可使ADS-B信号淹没在噪声中[4]。而ADS-B

所在的1 090 MHz频点上，包括二次监视雷达、空中防撞系统、多点定位系统、ADS-B系统、敌我识别器和测距仪等电子系统[5]。飞机发射的ADS-B信号可能

受到这种复杂电磁环境下的多种干扰，造成解码错误。为了正确解调出ADS-B信

号所携带的信息，就必须对各种干扰进行抑制，其中，使用阵列天线是一种非常有效的方法。

大多数抗干扰算法都是基于阵列理想流形，且没有考虑到阵列可能存在的误差。实际工程应用中，由于各种误差不可避免，实际的阵列流形往往会出现一定程度的偏差或扰动，此时，通常的高分辨率算法的性能会出现严重恶化，甚至失效[6]。其

中阵列的幅相误差对阵列影响很大，因此对阵列幅相误差的校正具有重要的理论意义和实用价值。

现有校正阵列的方法可分为有源校正和无源校正[7]，其算法大多是设置辅助信号源，然后测得信号的来向对阵列进行校正，或将校正源旋转一定角度，利用角度差校正阵列。王敏等[8]提出将阵列的幅相误差进行参数估计，利用经典的Lagrange 乘子法方便地得到最优解来校正幅相误差。张柯等[9]提出幅相误差快速校正的简

化多级维纳滤波器算法，无需估计协方差矩阵和进行特征值分解，大大减小计算量，且具有与特征分解方法相同的幅相参数估计性能。Ng等[10]根据协方差矩阵特征分解后噪声子空间与真实导向矢量正交，通过解方程组求得阵列的幅相误差。Fistas等[11]使用不同来向的校正源，不仅校正了幅相误差，还校正了位置误差。贾永康等[12]在不知辅助信号源来向时，据信号源旋转已知角度对阵列的幅相误差和位置误差进行校正。无源校正方法无需设置辅助信号源，但需对阵列误差和信号来向进行联合估计，计算量大，且不能保证收敛到最优值[7]。Friedlander等[13]提出用不断迭代来估计信号来向和幅相误差的自校正算法。

飞机发射空中位置类型的ADS-B信号含有飞机位置信息和阵列天线位置信息（可通过测量得到）。由于飞机距离阵列天线很远，因此可忽略飞机位置误差和测得的阵列天线位置误差。由飞机的位置和阵列天线，通过坐标系转换，可求得飞机所发ADS-B信号的波达方向（DOA，direction of arrival）。本文利用飞机位置这个

先验信息，来简化校正设备的复杂度，提出了一种校正阵列的幅相误差的无源校正