衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試評(píng)估方法研究

王 和，劉光斌，程俊仁，宋海松

(1.第二炮兵工程大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710025;2.中國(guó)煙草總公司北京市公司，北京100029)

0 引言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，如大自然雷暴和高功率微波干擾信號(hào)等，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，如何提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性及其抗干擾能力，是近些年來(lái)導(dǎo)航戰(zhàn)關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。

目前，各種型號(hào)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不斷涌現(xiàn)，抗干擾能力也各有不同。但對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾能力的測(cè)試與評(píng)估沒(méi)有統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)，為了能夠快捷、有效地對(duì)接收機(jī)的抗干擾性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估，建立了一套抗干擾測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)，并提出了一種對(duì)其抗干擾能力測(cè)試與評(píng)估方法，對(duì)接收機(jī)的測(cè)試、定型和檢驗(yàn)等階段具有一定的參考價(jià)值［2，3］。

1 系統(tǒng)工作原理

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)主要由控制與測(cè)試評(píng)估分系統(tǒng)、衛(wèi)星信號(hào)仿真分系統(tǒng)、干擾信號(hào)仿真分系統(tǒng)等3個(gè)分系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試和評(píng)估過(guò)程需要控制與測(cè)試評(píng)估分系統(tǒng)、衛(wèi)星信號(hào)仿真分系統(tǒng)和干擾信號(hào)仿真分系統(tǒng)等協(xié)同工作。根據(jù)人機(jī)交互界面，指定相應(yīng)的抗干擾測(cè)試項(xiàng)目。通過(guò)控制與測(cè)試評(píng)估分系統(tǒng)的控制與評(píng)估模塊，設(shè)定測(cè)試環(huán)境，其中包括導(dǎo)航星座分布、軌道參數(shù)、空間環(huán)境和用戶軌跡等。根據(jù)測(cè)試場(chǎng)景仿真產(chǎn)生觀測(cè)數(shù)據(jù)，傳送至衛(wèi)星信號(hào)仿真分系統(tǒng)的射頻信號(hào)仿真模塊，以模擬產(chǎn)生GPS/GLONASS/BDS 導(dǎo)航衛(wèi)星射頻仿真信號(hào)［4，5］。同時(shí)控制干擾信號(hào)仿真分系統(tǒng)，使其產(chǎn)生所需的干擾信號(hào)，并將二者通過(guò)功率合成器合成導(dǎo)航測(cè)試信號(hào)，該信號(hào)支持有線和無(wú)線連接，無(wú)線連接時(shí)需要暗室支持。

為了便于在有線測(cè)試和無(wú)線測(cè)試之間進(jìn)行靈活切換，設(shè)計(jì)了一款射頻功率合成器，其主要特點(diǎn)是能夠同時(shí)輸出衛(wèi)星仿真信號(hào)、干擾仿真信號(hào)以及它們的合成信號(hào)，這為系統(tǒng)測(cè)試提供了極大的便利，其簡(jiǎn)易原理如圖2所示。圖中XS3是XS1的直通輸出口，XS4是 XS2的直通輸出口，XS5是 XS1和 XS2的合路輸出口。

圖2 功率合成器原理

采用有線連接時(shí)，干擾仿真信號(hào)與衛(wèi)星仿真信號(hào)通過(guò)功率合成器合成后，使用射頻線通過(guò)XS5發(fā)送給被測(cè)接收機(jī);采用無(wú)線連接時(shí)，衛(wèi)星仿真信號(hào)和干擾仿真信號(hào)可以通過(guò)不同類(lèi)型的天線發(fā)射出去，提供給被測(cè)試設(shè)備，以仿真不同天線條件下的干擾信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)可對(duì)多臺(tái)用戶設(shè)備同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，采用程序控制矩陣開(kāi)關(guān)和射頻合成對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行分路和合路，提高自動(dòng)化操作程度。

控制與評(píng)估模塊組織相應(yīng)的參數(shù)/指令流分發(fā)、數(shù)據(jù)初始化、邏輯流程驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)反饋控制等，控制接收機(jī)的操作指令發(fā)送給彈載衛(wèi)星接收機(jī)，并將彈載衛(wèi)星接收機(jī)狀態(tài)反饋及測(cè)量結(jié)果送至數(shù)據(jù)測(cè)試與采集模塊，在控制與評(píng)估模塊的控制下完成測(cè)試評(píng)估，生成測(cè)試報(bào)告。

2 測(cè)試方法

為了真實(shí)地反映復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境對(duì)彈載接收機(jī)的影響，需要采用多制式、多極化方式的干擾源，從有線、無(wú)線方式對(duì)彈載接收機(jī)施加影響。干擾信號(hào)源的調(diào)試方式和天線極化方式也是靈活多變的，常見(jiàn)的干擾源調(diào)制方式主要有寬頻、線性調(diào)頻、單音、多音和脈沖等，極化方式主要有水平極化、垂直極化、線極化和圓極化等［6－8］。

在進(jìn)行無(wú)線測(cè)試時(shí)，需要利用枚舉方法，將可能出現(xiàn)的調(diào)制方式與天線極化方式進(jìn)行組合測(cè)試，調(diào)節(jié)干擾信號(hào)個(gè)數(shù)、類(lèi)型和強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)動(dòng)暗室轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試方法如圖3所示。

圖3 抗干擾能力無(wú)線測(cè)試方法

但是，由于無(wú)線測(cè)試方式需要暗室的支持，考慮到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)際測(cè)試環(huán)境，測(cè)試方法主要采用有線測(cè)試方式進(jìn)行。

假設(shè)接收機(jī)的最低輸出信噪比(SNROmin)定義為接收機(jī)滿足相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的性能要求下對(duì)應(yīng)的輸出信噪比的最小值，以此為約束條件，測(cè)試接收機(jī)輸入端的信噪比和信干比［9］。

主要采用功率計(jì)和頻譜儀對(duì)抗干擾性能進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試流程如下:

①選擇導(dǎo)彈電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室作為測(cè)試場(chǎng)地，設(shè)置初始仿真參數(shù)，通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)仿真器生成單通道的導(dǎo)航信號(hào);

②選擇干擾仿真器的寬帶干擾模式為掃頻，生成干擾信號(hào)，通過(guò)功合器與導(dǎo)航信號(hào)一起送入接收機(jī)射頻輸入端;

③設(shè)定接收機(jī)的SNROmin，以此為約束條件，不斷調(diào)整導(dǎo)航信號(hào)和干擾信號(hào)的功率，測(cè)試并記錄接收機(jī)輸入端的信噪比和信干比;

④選擇干擾仿真器的窄帶干擾模式為連續(xù)波，生成干擾信號(hào)，通過(guò)功合器與導(dǎo)航信號(hào)一起送入接收機(jī)射頻輸入端，重復(fù)步驟③。

3 評(píng)估方法

對(duì)抗干擾性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，首先考慮接收機(jī)的最低性能指標(biāo)約束，可以以接收機(jī)的輸出信噪比必須達(dá)到最低輸出信噪比SNROmin為基本約束［10］，定義抗干擾靈敏度和干擾抑制度2個(gè)評(píng)估指標(biāo)。

3．1 抗干擾靈敏度Si

在干擾信號(hào)的類(lèi)型、個(gè)數(shù)和強(qiáng)度都固定的外部環(huán)境下，滿足接收機(jī)輸出信噪比大于或等于SNROmin時(shí)，調(diào)整接收機(jī)輸入信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)接收機(jī)的輸出信噪比等于接收機(jī)最低輸出信(干)噪比SNROmin時(shí)，接收機(jī)輸入端的信噪比即為抗干擾靈敏度Si。抗干擾靈敏度Si反映了接收機(jī)性能、干擾類(lèi)型和強(qiáng)度等多個(gè)參考量的函數(shù)，也反映了接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)中有用信號(hào)的強(qiáng)度要求，因此接收機(jī)抗干擾靈敏度Si值越大，接收機(jī)越不靈敏，說(shuō)明接收機(jī)的抗干擾性弱。

3．2 干擾抑制度AJi

在干擾信號(hào)的類(lèi)型、個(gè)數(shù)和強(qiáng)度都固定的外部環(huán)境下，滿足接收機(jī)輸出信噪比大于或等于SNROmin時(shí)，調(diào)整接收機(jī)輸入干擾信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)接收機(jī)的輸出信噪比等于接收機(jī)最低輸出信(干)噪比SNROmin時(shí)，接收機(jī)輸入端的干噪比即為干擾抑制度AJi。干擾抑制度反映出在干擾環(huán)境一定的情況下，接收機(jī)對(duì)輸入干擾信號(hào)的最大抑制能力，因此接收機(jī)干擾抑制度AJi越大，抗干擾能力越強(qiáng)。

抗干擾靈敏度和干擾抑制度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，它們之間的關(guān)系曲線稱(chēng)為接收機(jī)抗干擾性能曲線［11，12］。每改變一個(gè)接收機(jī)輸入端的干噪比數(shù)值(干擾抑制度)時(shí)，都需改變接收機(jī)輸入端的信噪比數(shù)值(抗干擾靈敏度)，以使接收機(jī)輸出信噪比等于SNROmin。

對(duì)照測(cè)試方法，在不同測(cè)試場(chǎng)景設(shè)置的情況下，畫(huà)出相應(yīng)抗干擾性能曲線，計(jì)算出輸入干信比，與接收機(jī)抗干擾能力的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，記錄結(jié)果并進(jìn)行分析。

4 測(cè)試實(shí)例

通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)對(duì)一款成熟的接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，這款接收機(jī)出廠性能指標(biāo)中對(duì)抗干擾能力的標(biāo)準(zhǔn)為:窄帶干擾干信比≥60 dB;寬帶干擾干信比≥50 dB。

控制衛(wèi)星信號(hào)仿真分系統(tǒng)生成衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)利用干擾信號(hào)仿真分系統(tǒng)生成功率為1 575.42 MHz的單音窄帶干擾信號(hào)和中心頻率為1 575.42 MHz、帶寬為2.046 MHz的寬帶干擾信號(hào)，通過(guò)功率合成器將衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)與干擾信號(hào)通過(guò)有線的方式輸入接收機(jī)射頻輸入端。設(shè)定接收機(jī)的SNROmin為－20 dB，并以此基本約束，不斷改變接收機(jī)輸入端的干噪比數(shù)值(干擾抑制度)，得出相應(yīng)的接收機(jī)輸入端信噪比數(shù)值(抗干擾靈敏度)，在衛(wèi)星信號(hào)仿真器輸出功率調(diào)整范圍內(nèi)采集了多組數(shù)據(jù)，畫(huà)出抗干擾性能曲線。窄帶信號(hào)抗干擾性能曲線如圖4所示，寬帶信號(hào)抗干擾性能曲線如圖5所示。

圖4 窄帶信號(hào)抗干擾性能曲線

圖5 寬帶信號(hào)抗干擾性能曲線

從圖4可以看出，在窄帶干擾的情況下，抗干擾靈敏度 S最大達(dá)到 －13．5 dB，大于 －13．5 dB接收機(jī)即出現(xiàn)失鎖。通過(guò)計(jì)算，接收機(jī)最大可以忍受66 dB的干信比，性能優(yōu)于參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的窄帶干擾干信比≥60 dB的指標(biāo)。從圖5可以看出，在寬帶干擾的情況下，抗干擾靈敏度S最大達(dá)到－3 dB，大于－3 dB接收機(jī)即出現(xiàn)失鎖。通過(guò)計(jì)算，接收機(jī)最大可以忍受56 dB的干信比，性能優(yōu)于參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的寬帶干擾干信比≥50 dB的指標(biāo)，得出如下結(jié)論:所測(cè)接收機(jī)的抗干擾能力合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

從性能檢驗(yàn)的角度，建立了一套抗干擾測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾能力測(cè)試評(píng)估方法。通過(guò)實(shí)例測(cè)試結(jié)果表明，接收機(jī)對(duì)寬帶信號(hào)的抗干擾能力比對(duì)窄帶信號(hào)的抗干擾能力弱。需要注意的是，干擾信號(hào)在不同的條件(如信號(hào)類(lèi)型、信號(hào)入射方向、信號(hào)強(qiáng)度以及測(cè)試環(huán)境等)下，測(cè)試的結(jié)果會(huì)有所差異。因此在進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試時(shí)，應(yīng)具體考慮各因素所帶來(lái)的影響。

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