對GPS接收機的一種新寬帶壓制干擾樣式分析

毛 虎 吳德偉 盧 虎 閆占杰

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對GPS接收機的一種新寬帶壓制干擾樣式分析

毛 虎*吳德偉 盧 虎 閆占杰

(空軍工程大學信息與導航學院 西安 710077)

針對單頻連續波干擾極易通過頻域濾波加以抑制，而寬帶連續阻塞式干擾又存在干擾效率低下的問題，提出脈沖連續波這種新的寬帶梳狀攔阻式干擾樣式。根據C/A碼、P(Y)碼和M碼信號功率譜特點分別設置脈沖連續波的干擾頻率覆蓋范圍。以碼跟蹤誤差作為干擾效果評估指標，對不同干擾環境下采用窄帶非相干延遲鎖定環的GPS接收機碼跟蹤性能進行仿真分析。仿真結果表明：脈沖連續波干擾對不同偽隨機噪聲碼(PRN)編號和副載波調制相位下的C/A碼和M碼信號影響是不同的，在相同干信比(JSR)條件下，脈沖連續波的干擾效果要優于寬帶高斯噪聲和匹配譜干擾。

全球定位系統擴頻偽碼；脈沖連續波；干擾頻率范圍；碼跟蹤誤差

1 引言

本文依據衛星信號的歸一化功率譜密度越低抗干擾能力越強的特點[13]，參照文獻[7]和單頻連續波干擾的頻點設置原則，采用基于寬帶梳狀攔阻式干擾類型的自回歸(Auto Regressive, AR)信號模型單脈沖連續波作為壓制干擾信號樣式，通過對GPS C/A碼、P(Y)碼和M碼功率譜的特征分析得出其易感性的干擾頻率覆蓋范圍，以此設置預干擾頻點等參數，在機動靈活的同時又避免了干擾資源的浪費，對上述3種GPS偽碼信號都能夠取得較好的干擾效果。

2 脈沖連續波干擾樣式

單頻連續波干擾效果較好，但其所占頻帶過窄，通過簡單的頻域濾波就可將其抑制到熱噪聲水平上。由于頻域濾波在抑制干擾信號的同時也抑制了這些頻率區間上的期望信號，所以其對寬帶攔阻式干擾是無能為力的。攔阻式干擾按照其頻譜特點又可分為連續攔阻式和梳狀攔阻式：連續攔阻式雖然免除了對信號頻率、帶寬的偵察和估計，但由于干擾帶寬較大，導致干擾消耗急劇增加，顯著降低了干擾效率；梳狀攔阻式的頻帶成梳形，僅落入這些頻帶內的期望信號受到干擾，且干擾頻帶能夠移動，可對期望信號功率譜易感頻段進行有效覆蓋，從而獲得較為理想的干擾效果。根據上述的討論分析，可采用單脈沖連續波作為干擾信號樣式，其數學模型為

3 對GPS偽碼信號易感頻率覆蓋范圍分析

對GPS C/A碼、P(Y)碼和M碼信號的干擾易感頻段分別進行分析。

3.1 對C/A碼易感性的干擾頻率覆蓋范圍

3.2 對P(Y)碼易感性的干擾頻率覆蓋范圍

可以證明隨著干擾帶寬的增加，干擾效果下降。考慮最小帶寬為極限情況下的單頻干擾，即

3.3 對M碼易感性的干擾頻率覆蓋范圍

M碼信號采用二進制偏置載波(Binary Offset Carrier, BOC)調制方式，BOC調制可視為BPSK調制與一個方波副載波的乘積，其擴頻符號波形可表示為

圖1 BOC(10,5,)調制功率譜隨副載波相位變化情況

4 脈沖連續波干擾下的碼跟蹤誤差分析

對脈沖連續波干擾效能的分析以非相干超前減滯后處理(Non-coherent Early-Late Processing, NELP)的碼跟蹤誤差為評估指標(這里的碼跟蹤誤差特指碼跟蹤均方根(Root Mean Square, RMS)誤差，以秒為單位，且不考慮接收機自身熱噪聲的影響)。

4.1 脈沖連續波干擾下C/A碼碼跟蹤誤差

C/A碼功率譜為起伏的離散譜線，以相關輸出的干擾分量服從零均值高斯分布和偽碼連續譜為假設而推導出的碼跟蹤誤差解析式不再適用。根據NELP碼環對混有單頻干擾的中頻輸入信號處理過程，假設早遲碼間距足夠小(趨近于零)，可推導得到單頻干擾下C/A碼碼跟蹤誤差近似解析式為

4.2 脈沖連續波干擾下P(Y)碼和M碼碼跟蹤誤差

5 仿真分析

由圖4、圖5、圖6、圖7可以看出，在同等干信比條件下，干擾效能由低到高依次為寬帶高斯噪聲、匹配譜、脈沖連續波和單頻連續波干擾，這個仿真結果與前面的理論分析是一致的。盡管單頻連續波干擾效能最優，但其對頻域濾波極其敏感；脈沖連續波、匹配譜和寬帶高斯噪聲都屬于寬帶阻塞式干擾類型，脈沖連續波參照單頻連續波，針對不同偽碼信號的功率譜最大值設置干擾參數，集中干擾能量對期望信號有效功率帶寬進行覆蓋，因而其干擾效能要優于匹配譜和寬帶高斯噪聲。另外，這四種干擾樣式還無一例外的顯示出C/A碼極易受干擾的影響，而M碼則具有較強的抗干擾性能。

圖2 脈沖連續波對不同PRN#C/A碼碼跟蹤誤差

圖3 脈沖連續波對不同調制相位M碼碼跟蹤誤差

圖4 寬帶高斯噪聲干擾下的偽碼跟蹤誤差

圖5 匹配譜干擾下的偽碼跟蹤誤差

圖6 單頻連續波干擾下的偽碼跟蹤誤差

圖7 脈沖連續波干擾下的碼跟蹤誤差

6 結束語

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毛 虎： 男，1987年生，博士生，研究方向為導航對抗.

吳德偉： 男，1963年生，教授，研究方向為軍事導航定位理論、技術與應用.

盧 虎： 男，1975年生，副教授，研究方向為衛星導航定位.

閆占杰： 男，1989年生，碩士，研究方向為導航對抗.

Analysis of a New Wideband Blanket Jamming Type to GPS Receiver

Mao Hu Wu De-wei Lu Hu Yan Zhan-jie

(,,’710077,)

Aiming at the problem that a Continuous Wave (CW) is easy to be suppressed by the frequency domain filtering and the efficiency of a broadband continuous blanket jamming is low, this paper presents a new broadband comb spectrum jamming type which is called single pulse CW. The jamming frequency domain range of single pulse CW is set respectively according to the power spectral density characteristic of C/A code, P(Y) code and M code signal. Taking code tracking error as the evaluation index of jamming effect, the GPS receiver code tracking performance of using a narrowband non-coherent delay lock loop is simulated and analyzed under different jamming circumstance. The simulation results show that the influence of single pulse CW jamming to C/A code and M code with the different Pseudo Random Noise Code (PRN) and phase of modulating sub-carrier are different, under the same Jamming-to-Signal Ratio (JSR) condition, the jamming effect of single pulse CW is better than the broadband Gaussian noise and matched spectrum.

Global Positioning System (GPS) spread spectrum code; Single pulse Continuous Wave; Jamming frequency range; Code tracking error

TN967.1

A

1009-5896(2014)12-2929-06

10.3724/SP.J.1146.2014.00123

毛虎 mao_hu1987@163.com

2014-01-20收到，2014-10-10改回

國家自然科學基金(61174194)資助課題