基于混合擴(kuò)頻的導(dǎo)航衛(wèi)星抗干擾技術(shù)

胡禛

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

衛(wèi)星導(dǎo)航信號在眾所周知的頻率上發(fā)射，調(diào)制方式廣為人知，傳輸功率小，信噪比較低，這些成為其易受干擾的重要原因。造成衛(wèi)星導(dǎo)航信號容易被干擾的最直接原因就是發(fā)射的信號太弱，如果采用混合擴(kuò)頻體制，則可加大信號的增益。本文著重研究將跳時與直擴(kuò)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航中，利用跳時技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過時間的合理分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體框圖

跳時技術(shù)把時間軸分成若干時隙，由跳時碼決定在哪個時隙來發(fā)送信號。跳時系統(tǒng)能夠用合理的時間分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾。但跳時系統(tǒng)對定時要求嚴(yán)格，簡單的跳時抗干擾性能不強(qiáng)，所以很少單獨(dú)使用，通常與其他方式相結(jié)合，組成各種混合方式[1]。將DS/TH混合擴(kuò)頻技術(shù)與現(xiàn)有的導(dǎo)航衛(wèi)星相結(jié)合，構(gòu)成一種新穎的基于混合擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以增強(qiáng)抗干擾能力。考慮可實(shí)現(xiàn)性和前向兼容性，此系統(tǒng)在設(shè)計時盡可能地保留了原有導(dǎo)航系統(tǒng)體制，如直擴(kuò)部分的處理方式和參數(shù)等，直接從原系統(tǒng)繼承。DS/TH導(dǎo)航系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于DS/TH混合擴(kuò)頻的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)框圖Fig.1 Satellite navigation systems based on the DS/TH hybrid spread spectrum

在此系統(tǒng)中共存在有兩類PN碼序列：直擴(kuò)序列和跳時序列。導(dǎo)航信號在經(jīng)過DS碼擴(kuò)頻后，將其直擴(kuò)后的每一碼片分成若干時隙，根據(jù)跳時序列{Cj}選擇時隙來發(fā)送導(dǎo)航信號，從而實(shí)現(xiàn)跳時[2-4]。

系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的輸出信號可表示為：

其中f0為載波頻率，Td為導(dǎo)航信號一比特持續(xù)時間，Ts為直擴(kuò)后的每一碼片長度，Nd為直擴(kuò)倍長度，Tc為每一時隙長度，Nc為時隙個數(shù)，D（t）為導(dǎo)航電文，P（t）為直擴(kuò)碼，C（t）則用來進(jìn)行跳時。碼片持續(xù)時間變短，為保證功率相等，幅度要變?yōu)樵瓉淼谋丁Ｍㄟ^上述分析可知，在DS/TH系統(tǒng)中，直擴(kuò)碼決定信號幅度的大小，跳時碼則用來決定信號的發(fā)送時刻。

1.2 系統(tǒng)跳時序列的研究

在DS/TH系統(tǒng)中，直擴(kuò)碼部分參數(shù)都從原衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)繼承，而對于跳時部分，則需進(jìn)行詳細(xì)的研究，使系統(tǒng)能在抗干擾方面達(dá)到最優(yōu)效果。系統(tǒng)主要涉及跳時序列的3個主要參數(shù)，時隙、周期以及漢明自相關(guān)。

1.2.1 跳時時隙

DS/TH系統(tǒng)總的處理增益為：

其中D為跳時所設(shè)置的占空比，D=1/Nc（Nc為時隙數(shù)），所以Nc越大，DS/TH系統(tǒng)的處理增益越大，抗干擾性能越好。抗干擾性能與時隙個數(shù)Nc是成正比的。但系統(tǒng)帶寬會隨著時隙數(shù)的增大而變寬，因此必須根據(jù)實(shí)際情況來決定其大小。

1.2.2 跳時周期

跳時周期的增大，使相同的功率被分散到了更多的譜線中，信號的幅度變小，對功率譜起到了平滑作用，從而也減少了較強(qiáng)功率譜線數(shù)目[4]。通常為了提高時隙利用率，主要采用全時隙跳時序列，即跳時序列最大值Nk=Np-1，Np=Nc。

1.2.3 漢明自相關(guān)

為實(shí)現(xiàn)對跳時碼的捕獲，跳時序列必須具有較好的自相關(guān)性能，同時異相自相關(guān)越小越好。文中主要討論剩余類跳時序列。二次同余序列、三次同余序列和雙曲同余序列是目前性能優(yōu)良的3類同余跳時序列。其中，二次同余序列的自相關(guān)性能最好，異相自相關(guān)值最小，所以在基于DS/TH混合擴(kuò)頻的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中選用了二次同余序列作為跳時序列。

1.3 系統(tǒng)整體參數(shù)

本系統(tǒng)的研究目標(biāo)是將跳時和直擴(kuò)相結(jié)合的混合擴(kuò)頻體制應(yīng)用到導(dǎo)航系統(tǒng)中，大幅度提高擴(kuò)頻處理增益，將信號頻帶擴(kuò)展到400 MHz，不僅使系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)，而且使信號能夠以非常低的功率譜密度隱蔽在其它系統(tǒng)信號之中或是重疊發(fā)射成為可能，從根本上改善系統(tǒng)的頑存性。

DS/TH導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的射頻帶寬為2Rc×Nc，其中Rc為直擴(kuò)碼的碼片速率，Rc=10.23 MHz，Nc為跳時時隙數(shù)。對于二次同余序列，時隙數(shù)必須為一素數(shù)，為使系統(tǒng)帶寬達(dá)到400 MHz，跳時時隙Nc=19。系統(tǒng)的整體參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)整體參數(shù)Tab.1 System parameters

2 系統(tǒng)抗干擾性能

衛(wèi)星信號在到達(dá)接收機(jī)時，信號強(qiáng)度極低，遠(yuǎn)低于熱背景噪聲電平，對接收機(jī)的干擾成為干擾衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種主要手段，從技術(shù)角度出發(fā)，可分為兩類：壓制性干擾和欺騙性干擾[8-9]。文中主要針對單頻干擾、脈沖干擾以及噪聲調(diào)制干擾中的噪聲調(diào)頻、調(diào)幅干擾這4種壓制性干擾進(jìn)行抗干擾分析和測試。

2.1 仿真測試條件

仿真中，為簡便起見，都是基于基帶進(jìn)行的。直擴(kuò)碼碼片速率10.23 Mchip/s，信息速率500 bit/s，對于現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)來說，導(dǎo)航信號具有20 460倍的解擴(kuò)處理增益，Gp=43 dB導(dǎo)航信號帶寬為20.46 MHz，假設(shè)內(nèi)部熱噪聲主要由低噪聲放大器產(chǎn)生，根據(jù)接收機(jī)靈敏度的計算公式，以及相應(yīng)接收信號的信噪比為公式，計算出-133 dBm這種典型的接收信號強(qiáng)度的相應(yīng)信噪比結(jié)果如表2所示。

若假設(shè)LNA噪聲為0.89 dB，接收端信噪比則為-33 dB。文中將主要針對-33 dB這種典型的接收信噪比來進(jìn)行仿真。

2.2 單頻干擾

單頻干擾是直擴(kuò)系統(tǒng)中常見的人為連續(xù)波干擾，由于擴(kuò)頻碼的功率譜并不完全均勻，即不同頻率的功率不同，因此進(jìn)入信號的干擾功率也就不同，使得不同頻率單頻干擾的誤碼性能不同，同時不同碼字的功率譜結(jié)構(gòu)還不同，這些都說明了單頻干擾的誤碼性能與擴(kuò)頻碼有關(guān)。當(dāng)單頻干擾信號中心頻率和直接擴(kuò)頻載波頻率相同時，并非就有最佳的干擾效果。事實(shí)上，單頻干擾的誤碼率性能是由擴(kuò)頻系統(tǒng)的信噪比、信干比、擴(kuò)頻碼以及單頻干擾的頻率與信號載頻的偏差這4個因素共同作用的結(jié)果[7]。

圖2 單頻干擾下DS/TH系統(tǒng)抗干擾仿真Fig.2 DS/TH system anti-jamming performance simulation under single-frequency interference

圖2中顯示的是單頻干擾頻率與導(dǎo)航信號中心頻率相差為1 Hz時，基于DS/TH的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)抗干擾性能仿真。從圖中可以看到，在信噪比為-33 dB，誤碼率為10-4時，加入跳時的方案比傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)方案抗干擾性能要好17 dB左右。同時也可清晰看到，隨著信干比的提高，傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾曲線出現(xiàn)了明顯的誤碼平層，而DS/TH系統(tǒng)的誤碼率曲線坡度變陡，誤碼率大幅下降。

2.3 脈沖干擾

將高斯脈沖作為研究對象，主要討論其脈沖形成因子α和高斯導(dǎo)函數(shù)的階數(shù)這兩個因素。通過改變脈沖形成因子的大小可得到不同的信號帶寬[5]。高斯脈沖波形類似于高斯函數(shù)波形，可以不斷地微分下去，峰值頻率和脈沖帶寬都會隨著微分階數(shù)的增加而改變。隨著高斯導(dǎo)函數(shù)階數(shù)的增高，高斯脈沖的峰值頻率也相應(yīng)提高。在仿真中采用的脈沖波形是最普遍采用的高斯二階導(dǎo)函數(shù)，在表面上它具有無限長的持續(xù)時間，但是實(shí)際上衰減很快。若假定脈沖只在時間窗Tm內(nèi)為非零值，Tm=2.2α?xí)r，所導(dǎo)致的截斷能量誤差會比原始能量小50 dB[5]。

圖3 脈沖干擾性能仿真Fig.3 Anti-jamming performance of pulse jamming

圖3為 α=2 μs和 α=20 μs時 DS/TH系統(tǒng)抗脈沖干擾性能仿真。在信噪比為-33 dB，誤碼率為10-4時，基于DS/TH的導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能比傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)改善了20 dB左右。由于脈沖成形因子越大，干擾信號的帶寬就越窄，能量越集中，因此在α=20 μs時干擾效果就比α=2 μs時要好。另外，由于跳時技術(shù)是按照跳時序列選擇時隙來發(fā)送信號，所以在一定程度上，可以躲避由于脈沖干擾所產(chǎn)生的連續(xù)性錯誤。

2.4 噪聲調(diào)幅，調(diào)頻干擾

噪聲調(diào)幅特點(diǎn)：已調(diào)波的頻譜由載波及兩對稱旁瓣組成，旁瓣形狀與調(diào)制波功率譜相似，但數(shù)量上減小為1/4。已調(diào)信號的頻譜實(shí)現(xiàn)了線性搬移，其中心頻率移到了載波頻率ω0處，且頻寬為原來的兩倍。噪聲調(diào)幅時，已調(diào)信號總功率為載波功率與噪聲旁瓣功率之和，旁瓣功率是已調(diào)波中的起伏部分，對被干擾的設(shè)備的信號起遮蓋作用，若想提高干擾的效果，可增大旁瓣功率。

噪聲調(diào)頻特點(diǎn)：功率譜與調(diào)制噪聲的概率密度呈線性關(guān)系，功率譜密度分布為高斯分布；噪聲調(diào)頻的總功率與載波功率相等，與調(diào)制噪聲功率無關(guān)；噪聲調(diào)頻干擾帶寬與調(diào)制噪聲帶寬無關(guān)，決定于調(diào)制噪聲功率σ2和調(diào)頻指數(shù)Kfm。

圖4所示的是DS/TH導(dǎo)航系統(tǒng)在噪聲調(diào)幅干擾下的抗干擾性能，噪聲調(diào)幅干擾的載波為 1 Hz。因?yàn)樵肼曊{(diào)幅的總功率等于載波功率與旁瓣功率之和，干擾能量向兩側(cè)旁瓣分散，影響了干擾效果，誤碼率與單頻干擾相比，有所下降。在誤碼率為10-4時，抗干擾性能也提高了17 dB左右。

圖4 噪聲調(diào)幅性能仿真Fig.4 Noise amplitude modulation performance simulation

圖5顯示的是在噪聲調(diào)頻下DS/TH系統(tǒng)的抗干擾性能仿真，其中Kfm=0.8，噪聲載波為1 Hz。與圖2比較可知，噪聲調(diào)頻信號的干擾效果要比單頻干擾弱些，在誤碼率達(dá)到10-4時，DS/TH系統(tǒng)的抗干擾性能比現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)性能改善18 dB左右。

圖5 噪聲調(diào)頻性能仿真Fig.5 Noise frequency modulation performance simulation

3 結(jié) 論

混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)將兩種或兩種以上的擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合，揚(yáng)長避短，顯著提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[10]。文中制定了基于DS/TH的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)方案，并對此方案在典型壓制性干擾下的抗干擾性能進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，其抗干擾性能要提高17 dB以上。尤其是抗脈沖干擾，因?yàn)樘鴷r技術(shù)可以通過有選擇的發(fā)送信號來躲避由脈沖干擾所產(chǎn)生的連續(xù)性錯誤，使抗干擾性能改善了20 dB左右。

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