基于可变结构下稀疏阵列的ADS-B多种干扰抑制研究

As one of core technics at the new generation of ATC automation system, the operation of automatic dependent surveillance-broadcast (ADS-B) daunts jamming and spoofing interferences. Based on compressive sensing theory, this project aims to establish a variable-structured sparse array sampling model, which achieves multiple interferences detection and suppression for ADS-B signal. First, the sparse principle of ADS-B signals, its unique observation matrix and the perception signal recovery algorithm are explored to establish ADS-B sparse array sampling model. Secondly, according to implementing ensemble empirical mode decomposition to ADS-B signal and correlation analysis of the obtained feature components, an interference detection and classification algorithm based on likelihood ratio is studied. Furthermore, by studying the weight of sparse array nulling antenna and assessment criteria of anti-interference capacity, a variable-structured sparse array is achieved to suppress multiple interferences using feedback model of sparse array. This project can provide the secure and reliable ADS-B signals for the new generation of ATC automation system and effectively improve the security level of air traffic surveillance. It also provides a theoretic foundation for ADS-B application ATC for unmanned aerial vehicle and at low-altitude airspace.

作为我国未来新一代空管自动化系统的核心技术之一的广播式自动相关监视（ADS-B）易受到欺骗性和压制性等多种干扰。本项目旨在以压缩感知理论为基础，通过建立可变结构下的稀疏阵列采集模型，实现对ADS-B接收信号多种干扰的检测和对抗。首先，研究ADS-B信号的稀疏性原理，探索其特有的观测矩阵和感知信号恢复算法，建立稀疏阵列结构下的ADS-B信号采集模型；其次，通过对ADS-B信号进行总体经验模态分解，以及对得到的特征分量进行相关性分析，研究基于似然比模型的干扰检测和分类方法；再次，通过稀疏阵列特有的调零天线权重设置和抗干扰容量评估模型，建立用于调整稀疏阵列结构的反馈模型，研究可变结构下的ADS-B多种干扰同时抑制方法。本研究可为我国新一代空管自动化系统提供安全可靠的ADS-B信号源，能够提升对我国空域监视的安全水平，并为ADS-B在无人机空管和低空空域中的应用提供理论支持。

传统二次雷达监视下的空中交通管制设施与日益增长的航空运输需求之间的矛盾日益突出，ADS-B成为我国未来新一代空管自动化系统的核心技术。作为一种开放式的星基监视手段，ADS-B系统以其主动广播式的运行模式与低廉的成本，得到了国际民航组织和民航发达国家的广泛的认可。作为广播式航空器监视手段，ADS-B系统容易受到多种干扰的影响。主要理论成果包括：（1）建立了ADS-B信号阵列空间稀疏采集模型，分析了基于OMP算法、基于贪婪算法的改进方法的信号重构算法。面对线性平稳信号、线性非平稳信号、非线性平稳信号以及非线性非平稳信号，通过仿真验证了不同算法信号恢复的可行性、效率以及成功重构概率，为ADS-B的来波方向估计和干扰抑制奠定了理论基础。（2）分析了传统波达方向估计算法分辨率的表达方式，利用二阶导数的性质，提出了一种基于离散函数二阶导数的功率谱函数估计算法。并将其推广至二维空间，提出2D-MUSIC方法及二维离散谱函数求二阶导数的方法。在不同信噪比、采样率和阵元数下，仿真验证了所提出的基于二阶导数的MUSIC方法在低信噪比和低采样率条件下，相比于传统的MUSIC算法具有更高的分辨成功率，进而实现了ADS-B来波方向的估计。（3）结合半正定规优化布阵与压缩感知波束形成技术，建立阵元优化模型，求解凸优化问题，得到峰值旁瓣最小化的方向图，验证了提出的基于SDP优化方法在波束形成中对于减小峰值旁瓣的可行性，在降低了阵列总输出功率的同时，实现对ADS-B干扰方向来波的抑制。项目理论成果转为基于软件无线电平台，搭建了ADS-B干扰采集-分析-对抗一体的系统，能够模拟ADS-B欺骗性和压制性信号，并实现自主抑制。该系统用于实时接收民航飞机ADS-B信号，分析ADS-B地面设备的覆盖范围，对民航飞机监视的完好性等性能。本文的研究成果可为我国新一代空管自动化系统提供安全可靠的ADS-B信号源，提高我国空域监视的安全水平和民航飞行效率，并为ADS-B在无人机空管和低空空域监视的应用提供理论支持。

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