基于USRP的縮比GNSS干擾測向誤差分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳建華， 陳樹新， 吳 昊， 陳禮波

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院 軍用導(dǎo)航國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西安 710077)

0 引 言

據(jù)民航資源網(wǎng)報(bào)道，去年4月，成都雙流國際機(jī)場短短17 d就發(fā)生9起“無人機(jī)擾航100多趟航班受影響”的事件。要想減少甚至杜絕此類無人機(jī)干擾航班事件，關(guān)鍵在于對(duì)GNSS干擾信號(hào)源實(shí)施測向定位。然而，由于干擾信號(hào)功率極小并且工作樣式多變，測向誤差通常不穩(wěn)定。在實(shí)際GNSS系統(tǒng)工作尺度下對(duì)測向誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究顯然不現(xiàn)實(shí)，因而通過縮比模型類比研究實(shí)際測向誤差可操作性較強(qiáng)。

雷達(dá)、通信等領(lǐng)域?qū)δ繕?biāo)的測向誤差研究成果較多[1]，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，文獻(xiàn)[2]中基于PCB板和元器件設(shè)計(jì)了HF波段的測向系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]中基于LabVIEW和USRP設(shè)計(jì)了高頻信號(hào)的發(fā)生與測量系統(tǒng)，使用STM32微處理器控制，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互；文獻(xiàn)[4]中基于USRP設(shè)計(jì)了完成室內(nèi)無線信號(hào)場強(qiáng)測量的仿真系統(tǒng)。為了從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)通信導(dǎo)航干擾信號(hào)的測向誤差規(guī)律進(jìn)行研究，本文基于USRP和LabVIEW設(shè)計(jì)了縮比模型[5]下的GNSS干擾測向誤差分析系統(tǒng)，并且以實(shí)驗(yàn)的形式對(duì)比分析了測向誤差的理論值和實(shí)驗(yàn)值。

1 測向誤差分析

無源測向的方法很多，例如振幅法、相位法和空間譜估計(jì)等。為簡化測向算法帶來的研究復(fù)雜度，僅選取比相法中的二單元干涉測向進(jìn)行討論。

兩個(gè)天線單元之間的連線稱為測向基線，其間距D被稱為天線孔徑，一般用D與目標(biāo)信號(hào)的波長λ的比值來描述測向系統(tǒng)的精度，該比值一般取1～2，越大，測向結(jié)果越精確。假設(shè)二單元干涉測向的模糊問題已經(jīng)得到解決，忽略測向系統(tǒng)誤差，則GNSS干擾信號(hào)來波方向可以表示為[10]

(1)

式中：θ為來波方向與基線垂線的夾角，順時(shí)針為正；Δφ表示2個(gè)天線單元所感應(yīng)到目標(biāo)信號(hào)的相位差。

在實(shí)際的復(fù)雜電磁環(huán)境中進(jìn)行測向作業(yè)，目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過傳播路徑之后各物理參量會(huì)發(fā)生較大的變化，同時(shí)環(huán)境中也存在自然噪聲和有意無意的人為干擾，這些都是影響測向結(jié)果的重要因素。根據(jù)相關(guān)研究[11]，這一偏差的大小跟該體制下獲得的Δφ的標(biāo)準(zhǔn)差σφ有關(guān)，并且建立了如下式所示的模型，SNR表示目標(biāo)信號(hào)的信噪比,

(2)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

GNSS干擾具有工作距離遠(yuǎn)、干擾范圍廣的特點(diǎn)。從人力、物力、財(cái)力方面來講，要設(shè)計(jì)同尺寸的模擬系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。但是基于其工作的基本原理，設(shè)計(jì)一個(gè)最大限度符合真實(shí)條件的GNSS干擾信號(hào)測向“縮比模型”是可行的[6]。基于這一思路，考慮GNSS干擾信號(hào)在傳播過程中由于各種環(huán)境因素引起的信號(hào)衰減所導(dǎo)致的測向誤差變化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

為了研究不同傳播環(huán)境對(duì)測向誤差的影響，考慮到測向結(jié)果的誤差水平主要是由于測向系統(tǒng)所接收干擾信號(hào)的強(qiáng)度決定的，本系統(tǒng)對(duì)干擾源部分的設(shè)計(jì)做了簡化處理，用LabVIEW設(shè)計(jì)導(dǎo)航干擾信號(hào)射頻載波的發(fā)送程序，并驅(qū)動(dòng)USRP1發(fā)送射頻載波信號(hào)，得到合理忽略GNSS干擾信號(hào)內(nèi)容的模擬干擾源。

2.2 硬件平臺(tái)

通用軟件無線電外設(shè)(Universal Software Radio Peripherals, USRP)收發(fā)器是軟件定義無線電發(fā)展過程中里程碑式的產(chǎn)品，它與LabVIEW軟件配合可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)收發(fā)，其適中的價(jià)格、小巧的體積，迅速成為了實(shí)驗(yàn)、教學(xué)和科研領(lǐng)域的熱門器件。

圖2是NI-USRP2920的內(nèi)部構(gòu)成原理[13]，NI-USRP可以看做是由模擬射頻收發(fā)和固定功能的FPGA兩個(gè)模塊構(gòu)成，將其通過以太網(wǎng)線連接到計(jì)算機(jī)上即可作為軟件無線電硬件平臺(tái)。

NI-USRP用作發(fā)射器時(shí)，它從PC端以16位的分辨率接收數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過數(shù)字上變頻(DUC)為射頻信號(hào)，再經(jīng)發(fā)送放大器后送發(fā)射天線發(fā)送；當(dāng)被用作接收器時(shí)，首先將所要接收的信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的載波頻率相混頻，下變頻后以用戶指定的速率進(jìn)行降采樣處理，后送PC端處理。NI-USRP2920的發(fā)射和接收增益為0～31 dB，輸出功率范圍為14.5～20 dBm(50～2.2 GHz)[13]。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

(1) 模擬干擾源。對(duì)測向誤差分析系統(tǒng)的模擬干擾源部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮“零內(nèi)容”的GNSS干擾信號(hào)，即工作在特定頻點(diǎn)的導(dǎo)航載波信號(hào)。本文選取了BDS的工作頻點(diǎn)1 561 MHz，正交采樣速率設(shè)定為400 kHz，發(fā)送增益取20 dB，模擬干擾源發(fā)送程序的前面板和框圖如圖3所示[3]。

圖2 NI-USRP原理圖

(2) 測向誤差分析。本測向誤差分析方法是基于對(duì)測向機(jī)接收端導(dǎo)航干擾信號(hào)強(qiáng)度與噪聲水平的分析得到的。一般來講，測向機(jī)所處地點(diǎn)的電磁環(huán)境(噪聲水平)是相對(duì)穩(wěn)定的，故在對(duì)測向誤差分析部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)航干擾信號(hào)傳播到測向設(shè)備端的強(qiáng)度是應(yīng)當(dāng)被重點(diǎn)關(guān)注的。基于這一點(diǎn)的考慮，任務(wù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)與干擾信號(hào)發(fā)射源工作在相同的頻點(diǎn)接收機(jī)。

圖4為設(shè)計(jì)導(dǎo)航干擾信號(hào)測向誤差分析程序[3]，各接收參數(shù)參照模擬干擾源設(shè)置。另外使用頻譜分析工具niUSRP EX Spectral Monitoring(Interactive) VI測試所接收到的干擾信號(hào)，一方面可以對(duì)導(dǎo)航干擾信號(hào)頻譜有一個(gè)直觀的感性認(rèn)識(shí)；另一方面也可以對(duì)其功率水平進(jìn)行精確地測量，如圖5所示。

圖5 接收端頻譜分析工具

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布設(shè)

考慮到設(shè)備儀器限制以及取電方便，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選在一個(gè)空曠的大教室進(jìn)行架設(shè)(室內(nèi)凈空間1 200 cm×800 cm×350 cm)。如圖6所示，M是具有強(qiáng)方向性的喇叭天線，作為誤差分析系統(tǒng)接收天線，固定在靠南墻一側(cè)的中間位置；J是無方向性天線，作為模擬干擾源的發(fā)射天線，其在以M為圓心以d為半徑的圓弧上任意設(shè)置；θ代表J關(guān)于M的相對(duì)方位角，順時(shí)針為正。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理及步驟

實(shí)驗(yàn)的總體思路是用角度誤差的實(shí)測值|Δθ|來驗(yàn)證理論分析得到的角度誤差理論值σθ。首先，按照導(dǎo)航模擬干擾源發(fā)射天線和測向誤差分析系統(tǒng)的接收天線的設(shè)置的幾何關(guān)系，計(jì)算出發(fā)射天線關(guān)于接收天線的真實(shí)相對(duì)方位角θ；其次，令模擬干擾源處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，接收系統(tǒng)測得該頻段噪聲基底值N；然后，打開模擬干擾源使其發(fā)射干擾信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)喇叭接收天線方位使接收系統(tǒng)頻譜儀上顯示的干擾信號(hào)功率值S最大，記錄最大功率值和此時(shí)喇叭天線轉(zhuǎn)盤的角度測量值θ′；最后，根據(jù)本文理論分析計(jì)算得出σθ，將它與實(shí)測得到的角度誤差測量值作對(duì)比，完成對(duì)理論分析的驗(yàn)證。

以上步驟可以變換發(fā)射天線關(guān)于接收天線的相對(duì)方位角θ和徑向距離d，進(jìn)行若干次實(shí)驗(yàn)得到多組數(shù)據(jù)，降低人為因素帶來的偶然誤差，提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)步驟流程圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

考慮到影響模擬干擾源發(fā)射天線位置的因素至少有相對(duì)方位角θ和徑向距離d兩個(gè)方面，在教室范圍內(nèi)對(duì)它們做如下設(shè)定：①d=600 cm，θ分別取-60°,-30°,0°,30°,60°；②θ=30°，d分別取200,400,600 cm。針對(duì)上述兩種情形，按照實(shí)驗(yàn)步驟分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

表1 徑向距離固定，變換相對(duì)方位角

表2 相對(duì)方位角固定，變換徑向距離

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差以及人為誤差，與式(1)、(2)所做的理論研究基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測角所得的值均比設(shè)定值大，原因在于測角轉(zhuǎn)動(dòng)天線總是順時(shí)針方向，停止時(shí)實(shí)際上已經(jīng)越過了最大值。

4 結(jié) 語

本文基于“縮比”的思想將大尺度的GNSS干擾源縮小到與教室尺寸相當(dāng)，基于USRP模擬實(shí)際的GNSS干擾源，采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了測向誤差及其基本規(guī)律，并且與測向誤差理論研究作對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的正確性。