多星座衛星導航對抗測試系統設計與實現

董樹理，葛海龍，劉 敏

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

GPS、北斗衛星導航系統的信號到達地面用戶接收機時非常微弱，使得導航信號淹沒在噪聲中。如：GPS信號的最大接收功率不會超過-150 dBW，其L1,L2,L5頻點的接收功率一般在-150～-162 dBW之間[1]。雖然衛星導航信號采用擴頻通信體制，具有較大的擴頻增益，可以將淹沒在噪聲中的信號提取出來，但當干擾信號非常強，并且干擾類型復雜、干擾信號角度多變時，衛星導航接收機仍然會受到較大的影響[2]。

由于衛星導航系統抗干擾能力差，因此提升衛星導航接收機的抗干擾能力，是各國在衛星導航領域研究的熱點。目前，新的抗干擾算法和技術已應用在產品中，但在實際干擾環境下，如何驗證并測試抗干擾性能是一個難點。為此，需構建涵蓋各種典型干擾場景的室內測試平臺，模擬干擾信號、導航信號之間三維和動態連續變化，測試用戶接收機的抗干擾性能。

國內外關于導航對抗測試的相關研究多集中在對干擾、抗干擾技術的研究上，主要體現為對干擾樣式的分類、干擾多變性的研究和抗干擾技術的研究等，關于測試環境構建的研究主要集中于外場測試、實驗室仿真測試相關技術[3-6]，關于利用導航暗室進行測試條件構建的研究較少。國內關于暗室的建設及應用主要集中在天線測試、電器部件EMC測試等領域，研究主要向吸波材料的優化、暗室形狀優化2個方向發展[7-10]。基于暗室的導航對抗測試條件建設整體設計研究少見于報道，僅有部分關于其中天線分布、測試方法等技術的仿真研究[11-13]。

1 現有測試條件及模式分析

目前，針對衛星導航及導航對抗的性能測試和抗干擾性能評估主要有外場測試、全數字仿真和半實物仿真等方法。

1.1 外場測試

外場測試是指在室外大區域建立衛星導航接收機和導航對抗設備的無線測試環境，利用實際衛星信號，對設備的性能進行測試的方法。具體方法是衛星導航接收機接收空間實際衛星信號進行導航定位，測試其定位精度、抗干擾性能等指標。外場測試的優點在于測試條件接近真實環境、有利于在真實應用環境測試設備性能，缺點在于測試成本高、可重復性差，而且可能接收到外界環境的射頻干擾而影響測試的精度和可信度。部分指標外場測試條件建設投入大，甚至不具備測試條件。如：接收機的測速精度測試，在外場進行測試需要建設標準測速場地，投入大，技術復雜。而接收靈敏度、系統完好性、接收機自主完好性監測和測距精度等指標測試由于需要改變衛星信號，在外場條件下不具備測試條件。導航對抗設備在外場測試易對附近衛星導航接收機造成影響。

1.2 全數字仿真

全數字仿真是指利用基于軟件的衛星導航信號模擬、衛星導航軟件接收機，對系統性能進行仿真評估。全數字仿真雖然成本低、安全性好，但由于衛星導航系統的復雜性，導致全數字式仿真無法完整、真實地反映現實中的衛星導航信號性能。因此，目前全數字仿真局限于理論研究和設計開發階段；另外，軟件接收機在導航信號測試、衛星導航信號模擬器研制等領域發揮了重要作用。

1.3 半實物仿真

半實物仿真是將數學模型、模擬設備和物理設備聯系在一起而形成的一種仿真系統，是計算機仿真與物理效應仿真相結合的產物。半實物仿真系統具有研制周期短、質量高和成本低等優點，使其成為仿真領域中的一個重要分支。目前，半實物仿真用于衛星導航及導航對抗測試主要包括注入式仿真和微波暗室輻射式仿真2種模式。

微波暗室仿真測試，目前主要利用衛星導航信號模擬器等信號模擬設備，在微波暗室內構建無線測試環境，對衛星導航和導航對抗設備性能進行測試。衛星導航信號和干擾信號通過輻射方式將模擬的衛星導航信號送入接收機，其測試場景如圖1所示。

圖1 衛星導航設備暗室輻射式測試場景示意圖

注入式仿真測試，是將衛星導航信號模擬器模擬的衛星信號直接通過射頻電纜或仿真測試系統注入衛星導航接收機，通過仿真信號在空間傳播過程中的衰減、衰落和時延等特性，以及接收機的運動等場景，進行測試。該方法有利于誤差分離等各項技術的研究，確保測試的精度。

半實物仿真測試成本低、可控性好、重復性強且有利于測試信號和內容的保密，測試精度較高，方便進行衛星導航設備接收性能、導航對抗性能測試，是衛星導航測試技術的發展趨勢。目前，基于暗室的導航對抗測試中，衛星導航信號采用單天線模擬的方式，經同一天線發射多顆衛星模擬信號，無法反映信號的空間位置關系，無法對各種空域抗干擾技術進行測試。

2 多星座衛星導航對抗測試系統

衛星導航抗干擾設備主要采用的抗干擾技術包括：時域濾波技術、頻域濾波技術、空域濾波技術和空時自適應濾波技術等[14-16]。尤其是空時自適應技術，具備抗多種干擾的能力，并且具有干擾識別和定位的能力，處理性能優于傳統的抗干擾技術，在實際的抗干擾接收機中得到廣泛應用。在國內的抗干擾技術應用中，以陣列天線和多波束技術為代表的抗干擾技術發展較為成熟。

在微波暗室進行干擾、抗干擾測試時，如果衛星信號采用單天線模擬方式，在特定場景下多星合成射頻信號，利用單天線從一個方向輻射，這種方法無法模擬衛星信號空間位置關系。例如，衛星信號單天線輸出測試方法只能測試波束形成天線中的法向波束，而無法測試其他波束，不能真實反映波束形成天線抗干擾接收機的實際性能。因此，在微波暗室干擾、抗干擾測試環境中要實現抗干擾能力的測試，需要多通道衛星信號源，采用多天線輸出方式將每個衛星信號通過單獨的天線發出，構造一個能夠模擬多星座衛星導航信號空域特征的半物理仿真環境，同時還需要多種不同的干擾源，在不同位置發射干擾信號以實現大角域的動態干擾信號模擬，此方法模擬的測試環境逼近了外部真實的衛星信號及干擾信號分布場景。

多星座衛星導航對抗測試系統主要用來為衛星導航接收機測試提供射頻仿真試驗環境，需滿足如下功能要求：

① 支持多星座的真實衛星信號來波方向仿真，能夠模擬實際導航衛星信號空間變化規律；

② 覆蓋頻段包括：北斗、GPS等；

③ 能夠模擬多種復雜電磁環境下，衛星導航信號與干擾信號、多徑信號等空間合成輸出，提供全面、準確的測試場景及測試信號；

④ 具有進行衛星導航接收機高動態、抗干擾測試的射頻仿真環境。

系統可用于對各類型衛星導航接收機接收性能的測試，對接收機進行導航對抗測試，開展對GNSS接收機不同抗干擾技術和抗干擾能力的研究測試。

3 系統總體設計

多星座衛星導航對抗測試系統主要由微波暗室、導航信號模擬分系統、干擾信號模擬分系統、衛星導航接收機分系統、天線分系統、轉臺分系統、測試設備分系統、控制分系統和時頻與網絡分系統等組成，為衛星導航接收機的抗干擾性能測試提供一個完備的室內信號測試環境。在微波暗室頂部和四周墻壁布設導航星座模擬天線，干擾天線布設于四周墻壁上，通過導航信號模擬分系統，將每個衛星的信號通過單獨的天線發出；由于不同的衛星導航系統采用不同的軌道設計和衛星布局，在設計仿真測試系統時，需要考慮這些不同軌道衛星可能的分布情況，建成的輻射式仿真測試系統能夠盡可能真實地模擬典型空間衛星分布情況；同時，通過在不同仰角和方位的干擾天線，干擾信號模擬分系統模擬多種不同的干擾信號。測試系統主要組成如圖2所示。

圖2 多星座衛星導航對抗仿真測試系統組成

4 導航衛星星座模擬與仿真驗證

4.1 星座模擬設計

衛星星座方案設計依據覆蓋性、復雜性、可靠性、可維護性、安全性和可擴展性等原則要求，可采用若干個固定天線安裝在暗室頂部、四周墻面組成離散天線陣的設計方案。

衛星星座環境模擬方案需要滿足衛星星座信號空時特性模擬以及抗干擾測試需求，離散天線布局主要用來模擬被測天線陣元所面臨的衛星星座模擬環境。因此，離散天線布局要求如下：

① 同一仰角軌道平面內的衛星信號空間夾角可以滿足不同波束寬度指標的波束形成技術測試；

② 各軌道間同一方位角的衛星信號的仰角夾角也應該滿足不同波束寬度指標的波束形成技術測試。

各離散天線間的仰角間隔和同一仰角衛星間的空間夾角，其角度定義如圖3所示。

其中，sat1和sat2是同在一個仰角平面內的2個相鄰天線；sat1和sat3是相鄰仰角平面上方位角相同的2個相鄰天線；θ，φ分別定義為仰角、方位角；ΔΦ為從被測設備到2個天線的視線夾角，即2個天線方向間的空間夾角。

圖3 角度定義

對7元圓陣平面陣的形成的波束寬度進行仿真分析，7元圓陣3 dB波束寬度為47°，同時隨著天線陣規模增大，波束寬度變小。

因此，為滿足7元陣抗干擾測試需求，對衛星星座模擬的需求如下：

① 同一仰角軌道平面內的衛星信號空間夾角需要低于47°；

② 各軌道間同一方位角的衛星信號的仰角夾角也應該低于47°。

為滿足需求，在暗室共設24個天線，其中包含位于暗室天頂中心點的收發一體天線。相鄰天線之間的最小空間夾角設計為10°～46°。

4.2 仿真驗證

為了驗證離散天線布局是否滿足發射衛星信號的需要，要求離散天線陣最大程度地接近于真實的衛星星座時間和空間的變化；同時為實現各種抗干擾場景的構建，要求離散天線陣能夠覆蓋所有類型的接收終端測試需求。

通過設計方案中的24陣元離散天線陣可用來模擬實際衛星的軌跡。由圖4可以看出，實際衛星軌跡并不完全經過布設的天線，但是在偏離實際軌跡點小于47°的空間夾角以內必定有一個離散天線存在。因此，可以通過離散天線陣中最靠近的實際衛星軌跡的固定天線發射相應的衛星信號。

圖4 離線天線陣分布與實際衛星軌跡示意圖

圖4中，實線表示某一衛星的實際軌跡，虛線為離散天線組成的模擬軌跡。通過離散衛星軌跡模擬結果與實際衛星軌跡的比較，可以看出離線天線陣可以近似模擬真實衛星在空間上的運動軌跡。

5 結束語

基于各種抗干擾技術的衛星導航設備已逐步得到應用，但在實際干擾環境下如何驗證并測試抗干擾性能是個棘手的問題。為此，基于導航暗室構建無線仿真測試環境，模擬實際環境中可見星座導航信號及可能面臨的多種復雜干擾，可較為全面地測試衛星導航接收機的動、靜態性能，完成復雜電磁環境下抗干擾能力的定量測試與評估。