1北斗卫星导航系统概述
北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，其发展目标是对全球提供无源定位[1]。北斗卫星导航系统的应用前景非常广阔，但与此同时，它的工作环境同样面临着严峻的挑战，卫星导航系统的信号非常微弱，其功率强度甚至远低于接收机内部噪声[2]，微弱的干扰就可能使导航系统不能正常工作，尤其是有意或者无意的压制式干扰。 对北斗的干扰从频率角度可以分为带内干扰和带外干扰，带外干扰可以在射频和中频设置窄带滤波器进行滤除，而带内干扰可采用自适应阵列天线来解决。北斗接收机收到的干扰数目、干扰方向及干扰类型无法预知，卫星信号的来向和数目也在实时变化，这种情况下采用功率倒置自适应算法抑制干扰显得简单有效[3]。
2功率倒置的原理
功率倒置自适应算法是基于线性约束最小方差(LCMV)准则建
立的[4]，也就是将自适应阵列的输出功率最小作为最优化准则[5]。功率倒置算法的示意如图1所示:
图1功率倒置算法示意图
在M 元功率倒置阵列中，阵列的输入向量为:x (n )=x 1(n ),x 2(n ),…,x M (n )[]T
(1)其对应的权系数分别为:w =w 1,w 2,…,w M []
T (2)
一般有约束条件w H
s =1，其中s =1,0,…,0[]
36ai
T
，由此可得出w 1=1,
这是要求第一支路的加权系数始终为1。
则阵列的输出功率:
P out =E y (n )
2
{}=E w
女厕老式沟槽式厕所
H
x (n )w H
x (n )()H
{}=E w H
R xx w {}(3)
上式中R xx =E x (n )x H
(n ){}为输入矢量的自相关矩阵。则功率倒置波束形成的准则如下:
min w
红薯清洗机P (w )=min w
w H
R xx w
w H
s =1
{
(4)
构建拉格朗日函数:L (W )=w H
R xx w +λw T
s -1()
(5)
令Δw L (w )=0,
可得最佳的加权矢量和最小输出功率为:
w opt =P o min R -1xx s H
P o min =E y
2
{}min
=s T
R xx -1s H
()
-1
{
(6)
功率倒置阵对输入端的信号，不管是有用信号还是干扰信号都尽可能地加以抑制，天线方向图将在各个有用信号和干扰信号的来向产生零陷，并且信号越强，其对应的零陷越深。因为在北斗卫星导航系统中，干扰信号远远大于噪声信号和有用的卫星信号，那么零陷将仅仅对准干扰方向，这样在干扰也
就被大大的抑制，相当于提高了系统输出端的信干比[6]。
3试验仿真
用Matlab 建立仿真模型，对功率倒置算法进行仿真研究。3.1窄带信号波束仿真
假设信号中心频率为1268.52MHz，信号功率为-130dBm，阵列中存在高斯白噪声信号，噪声功率为-100dBm。以四单元阵列为例，对功率倒置算法进行仿真。四阵元最典型的有两种分布形式，分别为四元Y 型阵分布和四元方型阵分布两种。两种阵元的具体分布如下图2所示，阵元之间间距d 为信号的半波长。
ctsb图2四元Y 型阵和方型阵分布图
假设信号来向为(20°,80°)，干扰信号由(50°,50°)入射，干信比为40dB，即干扰信号功率为-90dBm，采样快拍数位2000。分别对两种阵元模式进行仿真。结果如下:
图3Y 型阵全视角的方向图
基于北斗卫星导航系统的功率倒置算法仿真研究
曹有权
(西安导航技术研究所，陕西西安710068)
【摘要】本文首先介绍了功率倒置算法的原理。然后比较了窄带信号情况下功率倒置算法在两种不同四阵元模型下的抗干扰能力，验证了功率倒置算法中干扰越强零陷越深的特性。最后通过仿真验证了宽带信号情况下，功率倒置算法对干扰抑制的有效性，说明该算法在北斗卫星导航系统抗干扰领域有很好的适用性。
【关键词】功率倒置；零陷；方向图
Simulation and Research of the Power Inversion Algorithm based on Beidou Satellite Navigation System
CAO You-quan
(Xi ’an Research Institute of Navigation Technology,Xi ’an Shaanxi,710068)
【Abstract 】The principle of the power inversion algorithm is introduced firstly.Then,by comparing the anti-jamming ability of the algorithm between two different four -element models in narrowband signal,the characteristics that the stronger interference the deeper nulls was verified.Finally,the anti-jamming validity of the algorithm in broadband signal was verified by simulation.The conclusion is giv
en that this algorithm is apply to the anti-jamming field in Beidou satellite navigation system.
【Key words 】Power Inversion;Zero trapped;Direction
figure
. All Rights Reserved.
图4方型阵全视角的方向图
从上面图中可以看出，两种阵列模式在干扰方向都能形成明显的零陷，从而都能有效抑制干扰，但是Y 型阵最大零陷深度为-35.05dB，方型阵最大零陷深度为-33.38dB，即Y 型阵在干扰方向形成的零陷更深。
仿真分析两种阵列模式在不同干扰强度下的方向图，具体结果见表1所示:
表
1
两种阵列模式在不同干扰强度下的最大零陷深度
从上表可以看出,
在干信比为40dB 到90dB 的范围内,Y 型阵的最大零陷深度普遍要深于方型阵的最大零陷深度，从而对于干扰有更彻底的抑制效果。即Y 型阵要优于方型阵，这和Y 型阵在阵元分布与信号来向分布的空间不相关方面具有的优势有很大关系。3.2Y 型阵多干扰方向图
图5干信比为40dB 两干扰方位图
图6干信比为60dB 三干扰方向图
上面仿真分析得出，四阵元Y 型阵要优于方型阵，以四阵元Y 型阵为模型，分析功率倒置算法对于多干扰的抑制性能。
假设信号来向为(20°,80°)，存在两个干扰，干扰来向分别为(50°,100°)和(30°,260°)，两个干扰信号强度都为-90dBm，即干信比为40dB 时的方位图。若同时在(70°,320°)方向存在第三个干扰，且三个干扰干信比均为60dB 时的方向图。
从上面图中可以看出，在两个干扰情况下，能在干扰方向形成准确的零陷，在三干扰情况下能在(50°,100°)和(30°,260°)处形成准确的零陷，能对这两个干扰很好地处理，虽没有在(70°,320°)位置形成明确的零陷，但在方位70°的地方形成了零陷，对于该干扰也有一定的抑制。出现该情况的原因是由于自由度的原因，对于N 元阵列可以形成N-1个自由度，即信号源个数和干扰源个数总和不得大于N-1，
所以四阵元抵抗三个干扰已达到了自身的最大能力。如果需要抵抗更多个数的干扰，就需要增多阵元个数。
以上借助北斗卫星信号的中心频率值和信号强度，以窄带信号为例，对于功率倒置算法的有效性进行了仿真。北斗信号区别于GPS 信号最大的区别在于它是宽带信号，信号带宽为20MHz，之前分析四阵元得出Y 型阵元模式优于方型阵元模式，则以四阵元Y 型阵元模式为例，分析功率倒置算法对于宽带信号的抗干扰处理。3.3Y 型阵宽带信号
假设信号中心频率为1268.52MHz，信号宽带为20M，信号功率为-130dBm，期望信号由(80°,0°)方向入射，干扰信号的信号带宽同样为20MHz，干扰信号来向为(50°,100°)，干扰信号强度为-70dBm，即干信比为60dB，噪声功率为-100dBm，采样快拍数为2000。
由于目前受模数转换器件和数字信号处理器件处理速度的限制，对北斗卫星信号进行抗干扰处理时，必需先将射频接收信号下变频至中频信号再进行处理。仿真中将信号中心频率1268.52M 变化到零频，得到的具体结果如下:
图7抗干扰前的信号
图8抗干扰处理后的信号
从上面两个图可以明确地看出，功率倒置算法对于干扰进行了很好地抑制。比较宽带信号情况下不同干信比的方向图如图9和图10所示。(下转第14页)
干扰强度(dBm)对应的干信比(dB)
Y 型阵零陷深度(dB)方型阵零陷深度(dB)
-9040-35.05-33.38-8050-58.87-50.12-7060-73.57-68.01-6070-87.48-77.78-5080-92.63-87.99-40
90
-97.74
-94.68
. All Rights Reserved.
健身型洗衣机的工作原理是人踩踏健身车的踩踏板使其循环运作，通过健身车里面的链传动环节带动洗衣机下面的转动机构，洗衣机下面的转动机构是由两次带传动组合而成。整个过程的能量转换关系是人健身时消耗体内能量产生健身车运转动能，健身车运转的机械能通过链传动为洗衣机运作提供能 量。考虑到人健身时不洗衣物和洗衣物时健身产生的能量不够这两种情况，在健身型洗衣机内部安装了一个电能转化装置，其中包括一个三相发电机、一个逆变电源装置和蓄电池。这样，既能将洗衣用不完的能量转变成电能，也能在洗衣所需能量不足时用储存电能来补充。图2给出了健身型洗衣机的工作原理图[9]。
图2健身型洗衣机的工作原理图
Fig.2Working principle diagram of fitness-type washing machine 2.2健身型洗衣机采用的组合创新方法
从健身型洗衣机的工作原理图可以看出它采用的是内部组合创新方法。通过将健身车和洗衣机这两种产品进行复杂的内部功能转换装置组合设计而形成新产品。从组合创新的构成要素分析，健身型洗衣的设计采用了多种组合创新法，其中包括功能和结构组合创新法。
2.2.1基于功能组合创新方法。健身型洗衣机把健身车与洗衣机两者不同的功能进行组合，形成了基于健身车动力系统的健身型洗衣机设计，充分利用了人健身运动的能量。
2.2.2基于结构组合创新方法。健身型洗衣机将健身车与洗衣机的结构，通过传动连接装置组合在一起，减少了它们原有的体积，从而也减少了室内占用面积。
2.3健身型洗衣机的优点
利用组合创新法设计的健身型洗衣机作为新的产品自身有着许多优点:2.3.1充分利用了人健身所产生的能量，减少了自然资源的利用，有利于缓解能源紧张和环境污染。
2.3.2缩小了原有产品的占用空间，对于缓解住房紧张局势有积极的作用。
2.3.3周期的洗衣活动促进了人们锻炼的积极性，对于人的身体健康有很大的帮助作用。
2.3.4充分运用了组合创新法，对于组合创新法的发展有着很好的推动作用。
3结论
产品组合创新法对健身型洗衣机组合创新设计的成功应用既是对健身车和洗衣机这两种产品的完善设计，同时又推动着产品组合创新法的发展。若进一步利用组合创新法对健身型洗衣机的外观造型进行设计，将会有广阔的市场前景。利用组合创新法及健身型洗衣机设计中的充分利用能源的设计思路，进行其它产品的组合设计，将会出现更多新的产品。
砭石枕
[1]李俊军.方案创造的一种方法：组合创新法[J].价值工程,1988(04):35-36.
[2]王炜，马亦文.产品的组合创新：理论与案例[J].管理工程学报,1997:39-44.
[3]孙守迁.基于组合原理的概念创新设计[J].计算机辅助设计与图形学学报, 1999(03):262-265.
支承板
[4]刘秉君.产品组合创新十法[J].中小企业科技,2003(07):51-52.
[5]陈圻.功能组合设计及匹配设计[J].价值工程,1997(04):20-24.
[6]赵惠田.组合与创新[J].发明与革新,1999(09).
[7]许庆瑞.中国企业技术创新：基于核心能力的组合创新[J].管理工程学报, 2000:1-9.
[8]乔维强.基于脚踏车的节能健身型洗衣机设计[J].科技传播,2012(15):85-87.
[9]邢钢，徐玉秀.再生能源健身自行车研制及动态分析[J].天津工业大学学报, 2006(01):67-69.
[责任编辑：周娜]
(上接第70页)
图9干信比为50dB的方向图
图10干信比为90dB的方向图
从上面两个图可以看出，不同干信比下，在干扰方向都形成了准确的零陷,
同时干扰越强,
零陷越深，对于干扰的抑制效果越好，和窄带信号时的特性一致。
即功率倒置算法适用于北斗卫星系统，能对压制式干扰进行有效的抑制。
4结束语
功率倒置算法因自身特点，在抗干扰方面有着特殊的贡献，本文通过Matlab
仿真验证了该算法对于窄带信号和宽带信号干扰抑制的有效性，从而说明了它在北斗卫星导航系统抗干扰领域的适用性，仿真结果对于实际的工程应用有很好的参考作用。
[1]贠敏，葛榜军.北斗卫星导航系统及应用[J].卫星应用,2012(5):19-23.
[2]唐金元，于潞，王思臣.北斗卫星导航定位系统应用现状份分析[J].全球定位系统,2008(2):27-29.
[3]仉智权，朱畅，冯起，袁乃昌.功率倒置算法在北斗抗干扰天线系统中的应用[J].电子设计工程,2012(2):42-43.
[4]张平定，王睿.一种新的天线旁瓣对消抗干扰技术的实现[J].现代雷达,2002,24 (2):80-82.
[5]廖，郑建生，黄超.GPS自适应抗干扰算法及其FPGA实现[J].现代雷达, 2006(4):79-81.
[6]何永前，李建璜.GPS抗干扰接收机自适应天线阵功率倒置算法研究[J].舰船电子工程,2012(6):61-62.
[责任编辑：王迎迎]
. All Rights Reserved.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议