该项目属于电子科学与技术、信息与通信工程的交叉学科研究,所属科学技术领域为卫星导航自适应抗干扰。卫星导航系统是陆、海、空、天、网全兵种各军事武器装备和作战指挥的关键信息源。但是,卫星导航接收设备极易受到无意和敌方电磁干扰,致使定位精度降低,甚至完全失效。因此,卫星导航接收设备的高可靠服役成为世界各主要国家战备竞赛的焦点。自适应抗干扰天线能够实时感知空间信号环境的动态变化,自适应调整阵列方向图的频率波数响应,滤除干扰信号的同时保留卫星导航信号,是当今主流的卫星导航抗干扰装备。
自2014年始,面向我国北斗卫星导航抗干扰装备重大军事需求,立足陕西省科研和军工资源优势,西安交通大学联合西安航捷电子科技有限公司、西安希德电子信息技术股份有限公司两家在陕军工企业,坚持“以研促产、以产带研”,组成产学研深度融合的攻关团队,在国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划相关项目的支持下,围绕如何增强北斗卫星导航自适应抗干扰天线性能的瓶颈难题,从紧凑型圆极化卫星导航阵列解耦、空时二维阵列数据高保真降秩、鲁棒自适应抗干扰算法架构三方面展开研究,历时近十年,在以下三个方面取得了创新成果:
1)紧凑型圆极化卫星导航阵列解耦方面:揭示了单元耦合影响阵列抗干扰性能的客观规律,通过场路协同仿真和三维数值电磁模拟,探明了紧凑型圆极化阵列单元耦合的物理机制,提出了基于电磁超材料思想的紧凑型、高隔离度卫星导航阵列设计方法,与传统卫星导航阵列相比,保证阵列天线具有良好圆极化辐射特性的同时,整体工作频带内单元互耦的抑制度优于10dB,解决了紧凑型圆极化阵列耦合剧烈的难题,为新型抗干扰算法性能的发挥提供了技术保障。
2)空时二维阵列数据高保真降秩方面:提出了基于Krylov子空间投影的降秩思想,设计了以共轭梯度算法为载体的自适应波束形成方法,实现了快速准确的降秩子空间维数选择算法,与传统降秩子空间维数选择算法相比,秩选复杂度由O(N)和0(N2)降低为0(1),秩选精度提高2%,保证抗干扰性能相同的同时,算法效率提升高于10倍,解决了空时自适应抗干扰阵列数据量大、实时高的难题,为减少宽带自适应抗干扰算法的计算量提供了理论依据和算法选型。
3)鲁棒自适应抗干扰算法架构方面:提出了基于三对角加载的鲁棒自适应抗干扰算法架构,阐明了三对角加载的正则化原理,设计了加载参数自动计算方法,与传统鲁棒自适应抗干扰算法相比,针对小样本和高信噪比场景,显著消除阵列随机误差影响,增加抗干扰算法的容错性能,解决了实际阵列随机误差制约抗干扰性能的难题,为鲁棒自适应抗干扰算法的工程应用提供了崭新的技术途径。
基于上述创新成果,发表国际知名SCI期刊论文54篇,其中16篇学术论文发表于以IEEE Transactions on Signal Processing,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE Microwave and Wireless Technology Letters为代表的电子信息领域国际权威期刊,被来自43个主要国家和地区、196家科研机构的1972名学者在66种国际知名期刊上引用,Google学术引用共计1453次,其中SCI他引共计714次。根据Web of Science引用次数统计,其中2篇学术论文入选ESI高被引论文。研究成果丰富了卫星导航自适应抗干扰理论方法,显著提升了北斗卫星导航自适应抗干扰天线性能,受到包括8位院士、25位IEEE Fellow在内的国际知名学者的引用和正面评价。
项目突破了紧凑型圆极化卫星导航阵列解耦技术,建立了空时二维阵列数据高保真降秩理论、发展了鲁棒自适应抗干扰算法正则化方法,研发了面向机载、弹载装备的系列北斗卫星导航自适应抗干扰天线,获授权国家发明专利13项,实用新型专利24项,计算机软件著作权7项。项目成果实现技术转化和批量生产,部分产品通过军方用户定型,累计销售卫星导航抗干扰天线相关产品3700余套,新增销售额超过2.67亿元,新增利润5400余万元,创造了显著的经济效益和社会效益,为我国军事武器装备的卫星导航系统提供核心抗干扰技术支撑,助推北斗应用深度融入陕西省国民经济发展。
项目成果曾获陕西省高等学校科学技术研究优秀成果特等奖,取得明显的社会效益。第一、第三完成人入选陕西省创新人才攀登工程“育年科技新星”,第二完成人荣获第七届国际信息与通信技术会议“青年科学家奖”;培养博士生5名、硕士生23名,其中1篇博士学位论文
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