通用導航接收機的脈沖干擾評估方法

何瑞珠++劉彥明

【摘 要】由于衛星導航信號本身的特點，其到達地面的信號功率非常小，導航接收機極易受到同頻段脈沖信號的干擾。為了實現對導航接收機的有效保護，需要準確評估脈沖信號的干擾效果，制定合理的接收機保護門限。分析了脈沖信號對通用導航接收機的干擾機理，提供了通用導航接收機保護門限的分析方法，利用導航軟件，接收機通過蒙特卡洛仿真得到了基于等效信噪比的保護門限參考值，完成了實物測試驗證。

衛星導航 脈沖信號 干擾 接收機 頻率保護

1 引言

衛星導航定位系統所處的L頻段具有技術成熟、性價比高等優勢，該頻段內的應用除衛星無線電導航業務外，還有衛星地球探測、通信等其他業務。故衛星導航系統不可避免地會受到各種無線電設備的干擾，其中，脈沖形式的信號對北斗導航信號的干擾是影響衛星導航正常運行的一大問題，脈沖信號會對導航接收機產生有害干擾，甚至會導致其無法正常工作[1-2]。

現如今各種無線設備應用越來越廣泛，電磁環境變得愈加復雜，脈沖干擾隨時有可能出現在復雜電磁環境下的具體應用場景中，機場的航空無線電測距設備（TACAN（Tactical Air Navigation，戰術空中導航系統），DME（Distance Measuring Equipment，測距儀），ILS（Instrument Landing System，儀表著落系統）等）、某些微波接力機、地球探測衛星等，都可能成為潛在的脈沖干擾源[3]。衛星導航系統的信號到達地面時信噪比很低，極易受到電磁信號的影響和干擾，所以迫切需要采取有效的頻譜管理手段來減少衛星導航系統因遭受脈沖干擾而運行中斷的情況。

要實現對衛星導航頻譜資源的有效保護，首先要對導航接收機受干擾的程度進行科學的分析。國外針對此問題進行了大量的研究工作，目前用來評估衛星導航接收機干擾效果的參數有很多種。《Understanding GPS： principles and applications》中闡述了采用鎖相環偏差度數來進行評估的方法[4]；《高動態GNSS軟件接收機載波跟蹤算法研究》一文中直接采用失鎖概率為10%時的載噪比作為正常工作門限[5]；在部分專利中還有同時利用PLL（Phase Locked Loop，鎖相環）和DLL（Delay Locked Loop，延遲鎖相環）來制定正常工作門限的情況，但并未給出定量的表示；還有學者主張利用信號能量大小來評估正常工作的門限（未給出定量表示）。在日益復雜的電磁環境下，需要對干擾效果進行準確評估，以制定相應的保護措施保障導航接收機的正常工作。特別是對于脈沖形式的干擾，其對接收機的干擾效果明顯，干擾機理較復雜，需要進一步深入研究。因此，本文主要研究脈沖干擾對衛星導航接收機的干擾評估方法，建立合理的干擾評估模型，并通過建立軟件接收機進行仿真分析得到脈沖干擾下導航接收機正常工作的參考門限值，最后驗證了結論的正確性。

2 脈沖信號對導航接收機的干擾機理

一般來說可將脈沖信號看作為一個寬帶信號，實際的脈沖信號對導航接收機的干擾效果既與脈沖信號的帶寬、功率大小有關，也與脈沖信號持續時間、重復周期等因素有關。脈沖信號對導航接收機的干擾表現在導航電文的接收誤碼率性能，以及導航接收機捕獲或跟蹤的性能上。

接收機的跟蹤誤差與信噪比具有直接關系。跟蹤環路包括載波跟蹤環和碼跟蹤環，是衛星導航接收機進行導航定位的關鍵環節。通過對載波頻率、相位以及測距碼相位變化進行跟蹤，從而為導航解算模塊完成定位功能提供偽距、偽距率和導航電文信息。在復雜電磁環境中，如果導航定位信號的載噪比過低，則跟蹤環的測量誤差將會增大，進而引起跟蹤環路失鎖，導致接收機不能正常工作。在載波跟蹤環與碼跟蹤環中，載波跟蹤環是受干擾影響最大的薄弱環節。導航接收機的抗干擾性能主要取決于載波跟蹤環的性能。

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）接收機中的載波跟蹤環通常采用科斯塔斯環，科斯塔斯環的測量誤差主要來自于兩個方面。一是相位顫動，即為每個不相關的相位誤差源平方和的平方根，包括熱噪聲（含外界干擾）和振蕩器噪聲引起的誤差；另一方面是由環路所處的動態環境引起的動態應力誤差。科斯塔斯環保持跟蹤狀態的經驗判別方法為：測量誤差的相位顫動不能超過科斯塔斯環鑒相器相位牽引范圍的1/4，對于二象限反正切鑒相器，其相位牽引范圍是180°[6-8]。

在熱噪聲背景下，跟蹤環路的相位抖動方差（σtPLL）與跟蹤環路相關器后輸出的載噪比的關系如公式（1）所示：

（1）

公式（1）中，BL是載波環等效噪聲帶寬；C/N0是載波功率與噪聲功率譜密度比；TL為載波環的預檢測積分時間。

由公式（1）可見，相位方差為載噪比的單調函數，對于常采用的載波跟蹤環電路（如科斯塔斯環），載噪比C/N0與載波相位誤差有一一對應的關系，因此，等效載噪比可以有效地描述干擾對信號的影響效果。

3 脈沖干擾評估模型

脈沖干擾的效果與脈沖強度、寬度、重復頻率（脈沖寬度和重復頻率可以合并為脈沖占空比），以及接收機的重捕獲時間有關。國際電聯提出了導航接收機對脈沖干擾的兼容性評估模型。這些模型主要在ITU-R-M.2030標準建議文件中進行了定義，以有效噪聲功率譜密度的方式，對脈沖干擾信號的干擾水平提出了估計方法。

干擾評估模型不僅要考慮干擾信號的形式，還要考慮接收機抗干擾措施的影響。對于一般的無意脈沖干擾信號，導航接收機的主要手段是使用脈沖消隱器并進行飽和處理。國內常見的導航接收機多為飽和型，接收機在中頻前端設定固定的飽和門限，當檢測到功率大于飽和門限的時候采取將信號削波的方式來對信號進行處理。圖1給出了一個飽和接收機工作原理的時域圖：

由圖1可見，當檢測到對應的信號電平高于飽和門限的時候，將其置為最大飽和電平處理，消除掉了超出飽和門限的干擾信號，但是依然保留了低于飽和門限的大部分干擾信號。對于該類GNSS接收機，其相關器后的有效噪聲干擾譜密度N0，EFF可以定義為：

（2）

公式（2）中，N0是接收機熱噪聲譜密度；PDCLIM為無單位的小數，表示超出飽和門限的所有脈沖的凈集總占空比；NLIM表示ADC量程與噪聲電平值的相對大小；I0，WB為針對特定RNSS接收機應用的總寬帶等效射頻干擾RFI功率譜密度，單位為W/Hz；RI為低于飽和門限的相關器后集總脈沖干擾與接收機熱噪聲功率比[9]。

對于具體的實際接收機，飽和門限和NLIM是確定的，在已知脈沖干擾的概率、占空比和重復頻率時可以很容易地得到公式（2）中PDCLIM和RI。利用公式得到有效噪聲干擾譜密度N0，EFF，進而可得到該脈沖引起的等效載噪比惡化值，實現了對脈沖干擾效果的量化與評估。

4 基于等效信噪比的接收機門限值的確定

導航接收機的抗干擾性能主要取決于載波跟蹤環的性能，鎖相環的相位偏差狀態直接反應接收機的工作狀態，當誤差在某一個值時接收機將很容易失鎖或者測距誤差過大，該值的確定與接收機的具體工程實現方法有關。對于一般的通用導航接收機，在脈沖干擾環境下，當鎖相環相位偏差的標準差大于7°時接收機很容易失鎖，可視為不能正常工作。但在實際的干擾評估場景中，鎖相環相位差的標準差不易獲得，而且一般使用等效載噪譜密度比作為脈沖信號對導航接收干擾效果的評估指標，所以為了準確判斷導航接收機的工作狀態，需要確定以等效載噪譜密度為評估指標時導航接收機正常工作的門限值。

為了真實反映脈沖干擾對實際接收機的干擾過程，通過建立衛星導航軟件接收機，對PLL跟蹤誤差的標準差與等效載噪比的對應關系進行仿真。其中干擾信號為射頻脈沖干擾信號，參數如表1所示：

矩形脈沖干擾信號波形如圖2所示。

在Matlab中建立軟件接收機進行蒙特卡洛仿真，統計得到干擾信號C/N0（等效干信比）與鎖相環跟蹤誤差的標準差的對應關系如圖3所示。

通過上面的仿真可知，當PLL標準差在7°時，所對應的等效信噪比接近于理論的計算值39.5 dB·Hz，所以在脈沖干擾的影響下，將鎖相環跟蹤誤差的標準差大于7°的情況視為接收機不能正常工作，則對應的等效信噪比判定門限為39.5 dB·Hz。對于特定的接收機，為了提高判定精度，可以根據需要確定PLL標準差值，并用同樣的方法得到相應的等效信噪比。該結論結合脈沖干擾評估模型及公式（1）和（2），即可評估具體應用場景下某脈沖干擾是否會影響導航接收機的正常工作狀態。

最后，搭建實物測試環境，對真實北斗接收機受脈沖干擾的情況進行測試，驗證由軟件接收機得到的結論。通過控制仿真的條件，如干擾的占空比、干擾的峰值功率、干擾的重復頻率等獲得載噪比的變化，多次測量得到統計結果如圖4所示。

圖4為實物測試結果，其中接收機采用北斗多模接收機，脈沖信號由Agilent的E4438C矢量信號源產生。在測試中，當等效信噪比在39 dB·Hz附近時，接收機出現閃鎖現象，在誤差范圍內與文中評估模型和軟件接收機得到的結論相符。

5 結束語

本文從脈沖干擾對衛星導航接收機的干擾機理入手，研究干擾評估模型和門限指標，得到接收機在脈沖干擾下工作狀態的評估方法，利用導航軟件接收機通過蒙特卡洛仿真得到基于等效載噪比的保護門限參考值，并對其進行了測試驗證。根據實驗結果可知，該評估模型可有效評估脈沖信號的干擾效果，為實現對導航接收機的有效保護提供了技術參考。

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