GNSS接收機抗干擾性能測試方法研究

張斯媛 楊帆 田炳樟

摘 要：空天電磁環(huán)境的日益復雜使得衛(wèi)星導航接收機抗干擾性能成為用戶密切關注的問題。文章提出了一種衛(wèi)星導航接收機抗干擾性能測試方法，該方法通過測試不同干擾數(shù)量、不同干擾強度及不同方位角下的定位精度，實現(xiàn)了抗干擾性能的快速與直觀判斷。對某衛(wèi)星導航抗干擾設備的測試表明，該方法能夠有效評估抗干擾性能，有較強的參考與使用價值。

關鍵詞：全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)；接收機；抗干擾性能；暗室測試

1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)概述

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），是為全球用戶提供高質量的定位、導航、授時等服務的國家空間信息基礎設施。2012年年底，中國建成北斗二號系統(tǒng)，正式向亞太地區(qū)提供服務，2020年左右，將向全球提供服務。隨著北斗系統(tǒng)建設和服務能力的發(fā)展，相關產(chǎn)品已廣泛應用于國家安全和國計民生的眾多領域，擁有廣闊的市場前景和應用價值[1]。

隨著空天電磁環(huán)境的復雜度不斷提髙，加之衛(wèi)星導航接收機接收到的衛(wèi)星信號十分微弱，有意或無意的電磁干擾信號會導致接收機喪失精確定位的功能[2]。因此，衛(wèi)星導航接收機抗干擾問題成為當前研究的主要問題之一。

依靠理論和仿真研究，GNSS/INS組合導航技術、空間濾波干擾技術、空時自適應抗干擾技術等抗干擾技術有了很大提升[3]。然而僅有理論和仿真是不夠的，為了更好地研究和測試抗干擾技術，還需要建立抗干擾測試平臺。

與外場測試成本高、易受外界干擾、重復性不強等特點相比，室內測試系統(tǒng)作為一種半實物仿真系統(tǒng)，以其成本低、操作安全、可重復性強，且能接近真實環(huán)境等特點，近年來得到了廣泛應用。2007年，美國空軍實驗室和邁阿密大學構建了室內無線抗干擾測試環(huán)境用來測試車用GPS接收機[4]。馮起等[5]在暗室內模擬衛(wèi)星信號，測試了自適應抗干擾接收機的對消方向圖及對消性能。郭淑霞等[6-8]采用基于灰色關聯(lián)分析的場景映射方法、基于腳本的儀表驅動技術等構建半實物仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了對衛(wèi)星導航接收端抗干擾性能的測試，并對測試方法進行了改進，擴大模擬信號的視場角范圍，逼近室外真實的測試環(huán)境。

目前衛(wèi)星導航接收機抗干擾測試方法及抗干擾性能評價還沒有統(tǒng)一的標準。本文利用已有的抗干擾測試系統(tǒng)，提出了一種抗干擾測試方法，并利用該方法對某衛(wèi)星導航抗干擾設備進行了測試與性能評價。該方法可以快速有效地評估接收機的抗干擾性能，為未來衛(wèi)星導航接收機抗干擾性能測試提供參考，具有較大的應用價值。

2 抗干擾測試系統(tǒng)介紹

本實驗室的衛(wèi)星導航接收機抗干擾測試系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：模擬衛(wèi)星導航信號并發(fā)射、模擬復雜電磁環(huán)境信號、模擬導航接收端運行軌跡。該系統(tǒng)主要包括以下分系統(tǒng)：終端性能測試系統(tǒng)、干擾信號控制系統(tǒng)、暗室測試環(huán)境、干擾天線、終端測試轉臺等，系統(tǒng)框如圖1所示。

其中，干擾天線及終端測試轉臺布置在暗室中，共有6個干擾天線，在終端測試轉臺周圍相對終端每隔60°布置一個干擾天線。每個干擾天線都可以獨立調整俯仰角，俯仰角范圍為-45°～45°。暗室天線布置如圖2所示。

各分系統(tǒng)及其功能描述如下。

2.1 終端性能測試系統(tǒng)

終端性能測試系統(tǒng)具有實現(xiàn)測試參數(shù)設置、產(chǎn)生導航信號、處理與顯示測試數(shù)據(jù)以及終端測試轉臺運動控制等功能。系統(tǒng)采用多波束導航信號模擬器模擬衛(wèi)星導航信號。

2.2 干擾信號控制系統(tǒng)

干擾信號控制系統(tǒng)分為天線動作控制系統(tǒng)及信號源發(fā)生系統(tǒng)。天線動作控制系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)，控制天線俯仰角；信號源發(fā)生系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)，向干擾天線傳輸干擾信號相關參數(shù)。

2.3 暗室測試環(huán)境

暗室測試環(huán)境可以屏蔽外界信號，使衛(wèi)星導航接收機僅接收干擾信號模擬源所產(chǎn)生的信號。

2.4 干擾天線

接收干擾信號控制系統(tǒng)指令并發(fā)射相應的干擾信號。

2.5 終端測試轉臺

控制衛(wèi)星導航接收機的角度及高度等位置狀態(tài)。

3 抗干擾測試方法

本文主要針對衛(wèi)星導航接收機進行抗干擾性能的測試，因此將整個接收機看作整體，以衛(wèi)星信號為輸入，將接收機的導航定位結果作為輸出，考察接收機的抗干擾性能。

GNSS在用戶區(qū)段內受到的電磁干擾，從技術上可以分為壓制干擾和欺騙干擾。一些研究機構的研究結果表明：在所有對GNSS信號的潛在威脅中，壓制干擾是最大的威脅。因此本文測試方法考慮測試壓制干擾下性能，該性能與干擾抑制度呈正相關。接收機的干擾抑制度為接收機能夠正常工作時所對應的接收機輸入端的最大干信比[9]。顯然，干擾抑制度越大，接收機的抗干擾能力越強。

根據(jù)使用場景，本文提出了單頻點多天線寬帶干擾測試方法，用以檢測衛(wèi)星導航接收機在干擾抑制度方面的抗干擾性能。測試的具體方法為：將衛(wèi)星導航接收機放置于終端測試轉臺，打開衛(wèi)星信號模擬源，待衛(wèi)星導航定位終端正常定位后，施加不同數(shù)量的干擾信號，并使干擾到達接收天線的強度保持一致，不斷增加干擾信號的輸出功率，待定位精度達到臨界時（高程差不超過20 m，且能正常定位）或干擾發(fā)射源施加干擾值達到極限時記錄干擾強度及經(jīng)度、緯度及高程誤差。受干擾源發(fā)射極限限制，干信比極限值為94 dB。在完成一個方位角的測試后，改變接收陣列方位角重復測試，以初始方位角為0°，每次旋轉45°，重復上述測試步驟，分別記錄8個方向上的測試數(shù)據(jù)。在得到測試數(shù)據(jù)后，進行分析得出結論。圖3給出了測試方法的流程示意。

4 測試結果

基于本文提出的測試方法，在測試平臺上進行衛(wèi)星導航接收機的抗干擾性能測試。

本次測試使用的衛(wèi)星信號為北斗B3頻點信號；干擾信號類型為寬帶干擾，帶寬為20.46 MHz。

表1給出了本次測試中的干擾天線俯仰角。表2為不同干擾數(shù)量時輸出干擾信號的天線，“○”表示該干擾天線在某次測試中處于工作狀態(tài)。

本次測試結果如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以看出，該設備抗干擾性能較好，在干擾數(shù)量小于6個時，該設備的抗干擾極限不低于92 dB；在干擾數(shù)量等于6個時，該設備的抗干擾極限最低為70 dB。從設備實際使用場景判斷，該設備抗干擾性能符合要求。

5 結語

本文提出了一種衛(wèi)星導航接收機抗干擾測試方法，該方法具有易于判斷抗干擾性能、操作簡單、接近真實環(huán)境等優(yōu)點。該方法為接收機抗干擾性能的評估提供了一種快捷、可靠的途徑，有較強的參考與使用價值。對某衛(wèi)星導航抗干擾設備的測試結果驗證了該方法的有效性。