利用双极化天线阵列缓解实际环境下的干扰

1、双重考量

不同极化的天线阵列将空间和极化域的信号处理相结合，可以显著提高接收机的抗干扰能力。

极化。在日常用语中，“极化” 指将两个群体按照截然不同的观点或信仰分为两组，但在物理和电气工程领域，这个词有另外一层含义，即用来描述电磁波的特性。电磁波，无论光波还是无线电波，都存在电场和磁场的相互垂直振动，并沿传播方向移动。如果电场（相应地磁场）在一个特定的非变化平面内振动，我们就说波是线性极化的。

在地面无线电通信中，信号通常以线性极化波的形式进行传输。同时，电场在垂直方向或水平方向上振动。

如果电场和磁场的振动平面随着信号传播均匀旋转，会出现圆极化的情况。因为旋转的方向可以是顺时针或逆时针的，所以我们可以接收到分别沿左、右手指弯曲方向的左圆极化(LHCP)和右圆极化(RHCP)信号。圆极化通常用于中低地球轨道卫星，如GNSS卫星的信号，其发射和接收天线的相对方位是不固定的。

GNSS接收天线并不完美，特别是对于直接视距低仰角信号而言。LHCP主天线可以捕获RHCP信号中的大部分能量，并在视距信号消失或极为微弱的时候对反射信号做出强烈的反应。因此，在极端情况下使用双极化天线可以提高定位能力。此外，由于干扰信号可以是任意极化的，具有波束形成能力的双极化天线能更好地分离和削弱这种干扰。

对于GNSS的应用来说，从生命安全到执法、交通、通信、金融等关键领域的信号干扰都是一个严重的问题。在这些关键性应用中，即使以增加成本和系统的复杂性为代价，也要保证GNSS接收机最低水平的可靠性和鲁棒性。为满足这些需求，一些制造商和研究机构已开始研发具备抗干扰功能的GNSS接收机。

本文中，我们提议采取一种新的干扰抑制法，通过配置具有不同极化天线阵列的GNSS接收机，以一种新的方式将空间和极化域的信号处理结合起来，并将现有的两步盲自适应波束形成算法扩展到包含极化域的新算法，在德国Julich附近的Aldenhoven汽车测试中心进行了一次测试，并利用从该测试中收集到的数据对新算法进行了评估。我们使用了不同的干扰源，包括被称为个人隐私装置（PPDS）的低成本干扰器，在真实场景中验证干扰抑制方面的显著成效。

测试结果表明，与普通的SP法相比，使用DP法时，接收机的抗干扰性能有了显著提升。

2、信号模式

平面波的极化。假定接收的电磁信号为窄带，辐射源位于远场。在自由空间中，平面波的传播方向正交于电场和磁场矢量，这使极化波的电场e可以用两个正交于传播方向的单位矢量和进行完整描述。

其中，∈x和∈y 为电场分量的实值非负振幅，Φx和Φy为场分量，ω为载波角频率，k为波数。

等式（1）中，只有实数部分与包含振荡场相位信息的复指数实际相关。

从线性基向量组转换至圆形基向量组：

其中，和分别是RHCP和LHCP分量的单位矢量。明显的时间和空间依赖性忽略不计，我们可以将归一化的电场分量表示为：

电磁信号的极化状态由∈R和∈L进行描述。

一般来说，任何冲击天线平面波的电场都可以用这个方程式表示。

双极化天线阵列。圆形双极化（DP）天线具有两个正交的圆形极化输出端口，这意味着每个元件分别在两个不同的天线端口上成功接收由RHCP和LHCP场分量感应的电压。由于天线的不完善和耦合效应，部分接收到的RHCP字段被LHCP端口接收，反之亦然。这些非想望的电压造成了交叉极化元件的出现。

有鉴于此，我们将天线表征为对圆极化平面波的响应，并在圆形基的基础上使用琼斯矢量法将电场表示为：

其中，是由RHCP端口接收到的复合总电场，是在RHCP端口处由纯RHCP电磁波诱导的复杂电场，表示为同极分量。是通过用纯LHCP电磁波激励天线所获得的电场，φ 是方位角，θ是假设天线位于球坐标系原点时，冲击信号的仰角。类似的表述适用于由LHCP端口接收的总电场以及同极性（）和交叉极性（）分量。

问题公式化。天线阵列收集到的模拟信号通过接收机前端进行放大、过滤并转移到基带。所得到的复合基带信号具有带宽B，由配置M DP传感器元件的天线阵列在极化端口P处接收。

其中，sp(t)定义叠加的卫星信号副本，l = 1标识LOS信号，l = 2，...，L为非LOS（多路径）信号，zp(t)表示i从1到I的叠加射频干扰（RFI）信号。

3、测量行动

除提供LHCP通道输出所需的附加混合耦合器之外，在我们的工作中还要使用一个2×2配置的平面四单元矩形DP阵列天线，类似于我们之前使用过的天线。每个元件有一个双馈源，一个理想地接收RHCP场，另一个理想地接收极化输入信号的LHCP场，共形成八个输出信道。单天线元件被设计用于接收GPS L1、L5以及伽利略E1和E5频段信号，但是在此次工作中，我们只关注GPS L1信号的接收。

八个信号经过一个前端，在这里被放大、滤波并下变频至2.5MHz的中频。模拟信号随后以每秒8兆的采样率进行数字化，将生成的8比特位数据进行收集并存储在固态驱动器中，随后通过GNSS软件接收机对数据进行处理和分析。

测试场景描述。DP系统已由测定数据进行了验证，以评估其对提高LOS信号接收质量和应对非故意RFI及干扰的鲁棒性。如前所述，测试在Aldenhoven汽车测试中心进行。该中心提供七条不同长度、倾斜度和形状的车道。测试所用的试车跑道即高速公路，在每个方向上提供两条车道，总长度为1000米（见图1）。

在本文中，我们汇报并分析了三种基于不同测试场景的结果。在第一个测试中，我们在无干扰的环境里收集了超过60秒的GPS L1数据。该基线场景的目的在于验证附加的LHCP信道是否改善了基于载波噪声密度比（C/N0）和PVT误差的信号接收性能。

第二个测试场景中，安装在桅杆上的喇叭天线在GPS L1波段上发送连续波(CW)干扰信号，并朝接收天线的方向转向，如图2所示。在测量间隔期间，喇叭天线和接收天线均保持静态。

第三个测试场景的目标是对类似于“纽瓦克场景”的真实干扰场景进行复制：一辆载有GPS干扰器的卡车驶过纽瓦克自由国际机场，使地基和星基增强系统接收机都出现了故障。为了进行这个测试，我们准备了一台GPS L1波段的K-320 PPD干扰发射机（见图3），将其安装在车载12伏辅助电源输出端，驾驶该车辆，靠近并经过接收机。

4、结论

测试结果表明，与普通的单极化个案相比，采用双极化方法时，接收机的定位精度和鲁棒性能都得到了显著提高。到达角度低于30°的卫星得到了2 dB C/N0的改进，接收机的定位精度因此得以提升。虽然在我们的测试中，PVT精度的优点并不明显，但在可视卫星数量较少或LOS信号受阻的情况下，如城市环境中，其优势应更为显著。接收机鲁棒性的提高得益于极化域中进行滤波的可能性及灵活的可用自由度，从而使其在干扰严重的情况下进行信号跟踪并实现PVT解决方案成为可能。使用双极化阵列的有效PVT解决方案仍可用于53 dB的干扰信号比，而单极化阵列却无法提供有效的位置。尽管这些改进值得关注，但由于待处理的信道数量增加了一倍，接收系统的成本和复杂性也因此实际提升了。

作者：Matteo Sgammini, Stefano Caizzone, Achim Hornbostel , Michael Meurer

注： 原文载自《GPS World》2017年2月号创新栏目。