衛星導航干擾監測與定位系統設計及實現

李洪力，劉安斐，竇曉晶，劉 京

(北京衛星導航中心，北京 100094)

0 引言

衛星導航系統能夠提供全天候、全天時、高精度的導航定位服務，在國防建設和國民經濟中發揮著重要作用。衛星導航系統地面站作為系統的核心組成部分，負責整個導航系統的業務運行與管理控制，其是否受到電磁干擾是制約系統穩定運行的關鍵因素。隨著導航戰的推進，衛星導航系統運行過程中面臨嚴峻的電磁干擾問題，對RDSS業務和RNSS業務均多次發生干擾情況，并在不同程度上對系統服務質量產生影響[1-3]。同時，地面站場區電磁環境復雜，以及自身電子設備可能產生的電磁兼容問題，迫切需要對地面站的電磁環境進行長期監測。該衛星導航系統地面站在設計時具備一定的抗干擾能力[4-5]，但在干擾信號監測和干擾源定位方面還缺乏有效技術手段，亟需進行相關條件建設。

為實現衛星導航系統地面站的干擾監測與定位，在綜合考慮滿足衛星導航系統RDSS業務和RNSS業務[6-8]干擾監測與定位需求的基礎上，對地面站干擾監測與定位系統進行了總體設計和RDSS入站干擾監測與定位分系統、RNSS地面站場區干擾監測與定位分系統設計[9-11]，實現了RDSS業務入站信號的干擾監測與定位和RNSS業務地面站場區附近復雜電磁環境的實時監測與干擾定位，為干擾源排查與消除提供了有效技術手段，從而最大程度減小了干擾對系統的影響，保障了衛星導航系統頻譜資源的正常使用，確保了系統安全穩定運行。

1 系統方案設計與實現

1.1 系統總體方案設計

衛星導航系統地面站干擾監測與定位系統主要由RDSS干擾監測與定位分系統和RNSS干擾監測與定位分系統2大部分組成，系統組成框圖如圖1所示。

圖1 衛星導航系統地面站干擾監測與定位系統組成框圖Fig.1 Satellite navigation system ground station interference monitoring and positioning system composition diagram

1.1.1 RDSS干擾監測與定位分系統

RDSS干擾監測與定位分系統負責衛星導航系統RDSS業務衛星入站信號的干擾監測與定位[12]，主要由5臺監測接收機(含3臺雙信道監測接收機和2臺三信道監測接收機)、1臺數據庫服務器、1套頻譜監測管理軟件和1套干擾源定位平臺軟件組成，分系統組成框圖如圖2所示。

圖2 RDSS干擾監測與定位分系統組成框圖Fig.2 RDSS interference monitoring and positioning subsystem composition diagram

雙信道(三信道)監測接收機安裝在發射機房，接收GEO衛星天線入站信號，完成信號的射頻處理、采樣、數字信號處理和測量；數據服務器作為數據庫運行的硬件平臺，為系統軟件運行和數據存儲提供資源和環境；頻譜監測管理軟件用于控制系統中各監測接收機的工作狀態，設置參數并讀取數據，同時在界面上顯示頻譜圖和信號測量結果，通過功率測量等手段實現干擾信號判別，觸發干擾報警，并將干噪比測量結果發送給干擾源定位平臺軟件，通過定位解算實現服務區內的RDSS干擾源定位。

1.1.2 RNSS干擾監測與定位分系統

RNSS干擾監測與定位分系統負責衛星導航系統RNSS業務地面站場區導航信號頻譜的干擾監測與定位。主要由一套干擾監測測向固定站和一套干擾監測測向移動車組成。

(1)RNSS干擾監測與定位分系統固定站

固定站建設在衛星導航系統地面站內，全天候監測地面站場區附近電磁環境，主要由1套測向系統(含測向天線和測向接收機)、1套寬帶監測系統(含監測天線和寬帶監測接收機)、1套窄帶監測系統(含監測天線和RNSS多信道監測接收機)、1套RNSS數據庫服務器、1臺監測操作控制終端和1套頻譜監測管理軟件組成。固定站組成框圖如圖3所示。

圖3 RNSS干擾監測與定位分系統(固定站)組成框圖Fig.3 RNSS interference monitoring and positioning subsystem(fixed station) composition diagram

RNSS多信道監測接收機(含1塊天線分配卡)通過4個定頻監測信道固定監測衛星導航系統RNSS業務下行3個導航頻點及RDSS業務下行S頻點附近頻段的頻譜狀況，當發現周圍電磁環境異常時進行報警和分析，寬帶監測接收機通過1個掃描監測信道對整個監測頻段進行掃描監測；當發現干擾時，固定站測向系統對干擾信號進行測向，移動監測車根據固定站測向結果指引，進行多點測向，根據多次測量結果選取一致性較好的測向結果進行干擾源定位，為使用便攜式頻譜監測設備逼近查找干擾源的具體位置提供指引。

(2)RNSS干擾監測與定位分系統移動車

移動車主要由1套測向系統(含測向天線和測向接收機)、1套寬帶監測系統(含寬帶監測天線和寬帶監測接收機)、1套監測操作控制終端及1套頻譜監測管理軟件組成。測向部分采用車載天線升降桿系統，將測向天線安裝在氣動升降桿上，當需要測向時可升高天線高度，提高測向的精度和準確度。其他附屬設備實現系統供電和聯網操作與控制。移動監測車內常備便攜式監測測向設備，用于現場干擾排查。移動車組成框圖如圖4所示。

圖4 RNSS干擾監測與定位分系統(移動車)組成框圖Fig.4 RNSS interference monitoring and positioning subsystem (moving vehicle) composition diagram

1.2 分系統單機方案設計

1.2.1 RDSS干擾監測與定位分系統單機方案設計

(1)RDSS多信道監測接收機

RDSS多信道監測接收機是RDSS干擾監測與定位分系統的核心設備，可監測衛星導航系統GEO衛星入站信號，發現干擾時可進行聲光報警、信號特征分析和參數測量，能夠記錄干擾信息，具有干擾頻譜回放和干擾數據提取功能。發現干擾時可進行信號干噪比測量，將測量結果送給RDSS干擾源定位平臺軟件進行定位解算，實現服務區內的干擾源定位功能。RDSS多信道監測接收機包括雙信道監測接收機和三信道監測接收機，其中雙信道接收機的2個信道是同步采樣處理的，三信道接收機在雙信道接收機的基礎上增加一個獨立的C/C監測信道。

接收機的設計基于CPCI工控機平臺，主要由射頻單元、標頻單元和數字信號處理單元組成，其中射頻單元包括信道和頻合2部分，各單元采用CPCI板卡設計。天線信號首先經過濾波和放大，對頻段內信號進行放大，對頻段外信號進行衰減，然后經過變頻，輸出中頻信號；中頻信號送入數字信號處理單元進行采樣、下變頻和FFT計算，計算結果經PCI總線送給上位機，進行數據處理和信號特征測量，將測量結果和經補償的FFT數據通過網絡端口送給監測控制軟件。標頻單元負責時鐘的產生，具有外標頻輸入接口，可使用內部或外部基準頻率源。監測接收機原理框圖如圖5所示。

圖5 RDSS多信道監測接收機原理框圖Fig.5 RDSS multi-channel monitoring receiver schematic diagram

(2)RDSS監測管理軟件

RDSS監測管理軟件是RDSS干擾監測與定位分系統的監控軟件，主要負責對RDSS多信道監測接收機的參數控制、實時監測頻譜顯示、干擾報警、干擾查詢、頻譜記錄及回放等功能。采用QT5.3，VS2010進行軟件設計，具備良好的人機交互界面，主要的實現界面如圖6所示。

圖6 RDSS監測管理軟件實時監測界面Fig.6 RDSS monitoring management software real-time monitoring interface

(3)RDSS入站干擾源定位平臺軟件

RDSS入站干擾源定位平臺基于幅差法干擾源定位原理實現系統入站干擾源定位。在接收到干擾源定位指令時，根據系統衛星G/T值分布數據，完成干擾源定位解算、定位結果地圖顯示和定位結果存儲，同時利用系統實時入站用戶定位數據修正系統衛星G/T值分布，確保干擾源定位精度。

RDSS入站定位平臺軟件采用C#進行設計，操作方便，界面友好，可實現RDSS入站干擾源的手動和自動定位功能，并可將定位結果保存為圖片。

1.2.2 RNSS干擾監測與定位分系統單機方案設計

(1)RNSS多信道監測接收機

RNSS多信道監測接收機用于監測RNSS業務下行3個導航頻點及RDSS業務下行S頻點附近頻段的頻譜狀況，當發現周圍電磁環境異常或出現干擾時進行報警、信號分析測量及干擾數據存儲，設備采用四通道并行監測。

RNSS多信道監測接收機結構設計基于CPCI工控機平臺，主要由射頻單元、標頻單元及數字信號處理單元組成，其中射頻單元包括信道和頻合2部分，一個射頻單元包括2個獨立的射頻信道，各單元采用CPCI板卡設計。天線信號首先經過濾波和放大，對監測信號進行放大，對頻段外信號進行衰減，然后經過變頻，輸出中頻信號；中頻信號送入數字信號處理單元進行采樣、下變頻和FFT計算，計算結果經PCI總線送給上位機，進行數據處理和信號特征測量，將測量結果和經補償的FFT數據通過網絡端口送給監測控制軟件。標頻天線分配單元由2部分組成，標頻部分負責時鐘的產生，具有外標頻輸入接口，可使用內部或外部基準頻率源，天線分配部分負責將天線輸入信號分配給4個獨立的監測信道。監測接收機原理框圖如圖7所示。

圖7 RNSS多信道監測接收機原理框圖Fig.7 RNSS multi-channel monitoring receiver schematic diagram

(2)寬帶監測接收機

寬帶監測接收機是RNSS干擾監測與定位分系統的寬帶掃描監測設備，具有完善的頻譜監測功能。接收機主要由射頻信道單元、中頻信號處理單元、標頻單元、電源單元和遠程控制單元組成。監測接收機原理框圖如圖8所示。

圖8 寬帶監測接收機原理框圖Fig.8 Wideband monitoring receiver schematic diagram

(3)測向系統

測向系統由測向天線和雙通道寬帶監測測向接收機2部分組成，是RNSS干擾監測與定位分系統固定站和移動車的核心設備。測向系統采用雙通道相關干涉儀測向體制，天線接收的射頻信號經2個通道接收機進行下變頻處理后變頻為可采樣的中頻信號，經雙通道采集卡采集，再變頻并轉換為基帶IQ數據，IQ數據經相關運算后計算得出波的方位。

為了保證2個接收通道的相位是同步的，接收機射頻部分配置有一部校準信號源，在每次數據采集前，先將校準源打開，校準源信號送入天線陣中的天線開關，功分成2路后再由接收機接收、采集處理，測出當前頻率下2個接收通道的相位差，此相位差將作為固有誤差予以消除，以確保實際測量的空中信號方位正確。

系統整機由測向天線和測向接收機組成，測向接收機包括雙信道射頻前端、信號采集處理、控制單元和電源等功能單元。其中，射頻前端完成射頻信號的接收及到中頻的轉換；信號采集處理單元完成中頻信號的A/D變換與處理，以及對測向天線的控制；控制單元為嵌入式工控平臺，是整個系統的控制中心和測向算法實現單元；接收機電源負責給射頻前端和測向天線進行供電，控制單元電源負責為嵌入式工控平臺供電。系統框圖如圖9和圖10所示，車載測向系統和固定站測向系統相比，測向接收機完全相同，測向天線進行小型化設計。

圖9 雙通道寬帶監測測向系統組成框圖Fig.9 Two-channel wideband monitoring and direction finding system composition diagram

圖10 雙通道寬帶監測測向系統設計框圖Fig.10 Two-channel wideband monitoring and direction finding system design diagram

(4)RNSS監測測向管理軟件

RNSS監測測向管理軟件是RNSS干擾監測與定位分系統的監控軟件，實現設備監測參數控制、監測數據采集、數據分析處理和監測數據存儲等功能。軟件設計采用C/S架構，采用Oracle數據庫進行監測數據管理，功能強大、可靠性高、操作界面友好，支持設備參數控制、實時頻譜顯示、測向結果顯示、地圖顯示、頻譜回放、報表生成以及離線分析等功能[13-14]。軟件實現界面如圖11所示。

圖11 RNSS監測測向管理軟件實現界面Fig.11 RNSS monitoring and direction finding management software implementation interface

2 關鍵技術

2.1 基于同星雙波束入站干噪比差值的幅差法干擾源定位技術

RDSS系統衛星工作于地球靜止軌道，每顆星采用雙波束入站，每個波束覆蓋區內各點發射的上行L信號到達星上天線時對應的G/T值不同，且同一個G/T值對應地面一條閉合曲線[15-17]，離波束中心越遠閉合曲線對應的G/T值越小。與波束覆蓋區特性對應，每顆衛星2個波束G/T差值也呈現類似分布關系，即2個波束G/T差值相等的點分布在一條閉合曲線上(稱為等差值曲線)，而地面控制站接收到的兩波束間干噪比(J/N0)差值與該G/T差值存在直接關系[18]。

若系統同一顆衛星的各波束下行頻點接近，同時地面天線、低噪聲場放等射頻接收設備采用多頻點共用模式，則可認為空間路徑損耗和設備增益、損耗基本相同，此時地面控制站接收到的任意2個波束間的干噪比(J/N0)差值只與衛星對應2個上行接收天線的G/T值差值有關，具體關系推導如下。

以1個波束為例，干擾信號經衛星上行鏈路到達衛星接收天線的干噪比[J/N0]u為：

[J/N0]u=[EIRP]J-[L]u+[G/T]s-[k]。

經衛星轉發通過下行鏈路到達地面控制站低噪聲場放的干噪比[J/N0]d為：

[J/N0]d=[EIRP]s-[L]d+[G/T]e-[k]，

[EIRP]s=[EIRP]J-[L]u+[G]R+[G]tran+[G]T，

式中，EIRPJ為干擾源發射的等效全向輻射功率；EIRPs為衛星發射的等效全向輻射功率；Lu，Ld分別為干擾源到衛星、衛星轉發器到地面站天線的自由空間損耗；[G/T]s，[G/T]e為星上接收天線和地面接收天線的品質因數；k為波爾茲曼常數，k=1.38×10-23；GR，Gtran，GT分別為星上接收天線增益、轉發器增益和星上發射天線增益；中心控制系統地面接收到的總干噪比[J/N0]sum可根據上下行干噪比計算得出：

通常星上轉發器增益比上行接收信號強度高出多個數量級，由上式可得[J/N0]sum主要取決于[J/N0]u，可認為[J/N0]sum≈[J/N0]u。因此，對于同一顆衛星的任意2個波束有：

而星上各個波束接收天線距離很近，可以認為干擾信號經任意2個入站波束的上行鏈路損耗相同即Lu1=Lu2，則有2個波束的入站干噪比差值等于2個波束接收天線G/T差值，即：

Δ[J/N0]sum12=Δ[G/T]s12。

因此，可以認為地面干擾源通過同星2個波束入站的干噪比差值對應地面一條等差值(G/T差值)曲線，可根據同星2個波束間的干噪比差值進行干擾源定位：當只有一顆星的2個入站波束接收到干擾時，可將干擾源定位在波束間G/T差值曲線上；若多顆星的所有波束均同時接收到干擾，則可將干擾源定位在多星G/T差值曲線的交點處，定位示意如圖12所示。

圖12 幅差法干擾源定位示意Fig.12 Amplitude difference interference source positioning method schematic diagram

2.2 “相位相關+電平相關”聯合測向技術

傳統的相關干涉儀測向技術[19]主要利用各陣子之間的相位差信息，與樣本庫中的相位樣本數據進行比較，通過相關運算，獲得來波方向信息。但是在城市環境下，由于存在建筑物的信號遮擋與反射，對相位測量影響很大，導致測向系統性能下降，表現為測向質量差或測向結果跳動大。

本方案采用無源雙極化相關干涉儀測向技術[20]，并通過“相位相關+電平相關”聯合模式完成測向，綜合利用測向天線多元陣子間的電平和相位信息，充分發揮電平相關抗多徑能力好、相位相關測向精度高的優點。首先依據電平相關結果獲得來波比較粗略的方向范圍，然后在粗選的范圍內利用相位相關的結果搜索來波方向，獲得更為精確的結果，極大地克服了城市環境下建筑物信號遮擋與反射影響單一相位測量結果而導致的測向質量差或測向跳動大等問題。

本方案采用9元陣測向天線，中央參考陣子為雙錐全向陣子，四周采樣天線采用的雙極化扇形天線陣子具有一定的方向性，如圖13所示。當來波方向如圖13所示時，陣子3和4接收信號較強，陣子7和8接收信號較弱，每個采樣陣子的電平測量結果都存在差異，因此電平分布也包含了來波方向信息。與相位相關類似，采樣時將每個采樣陣子與參考陣子的電平差也存儲在樣本庫中，進行干擾源測向時，將測量獲得的9個陣子電平信息與樣本庫中的電平樣本做相關運算，獲得電平相關的測向結果。

圖13 “相位相關+電平相關”聯合測向示意Fig.13 “Phase correlation + level correlation”joint direction finding schematic diagram

測向系統聯合利用“相位相關和電平相關”結果，進行聯合測向，結合電平相關抗多徑能力好、相位相關測向精度高的優點，首先由電平相關結果獲得來波比較粗略的方向范圍，然后在初選的范圍內利用相位相關的結果搜索來波方向，可充分發揮二者的優點。

3 結束語

本文進行了衛星導航系統地面站干擾監測與定位系統總體方案及RDSS入站、RNSS場區干擾監測與定位分系統方案設計，實現了衛星導航系統地面站干擾監測與定位系統建設，為衛星導航系統干擾源排查與消除提供了有效技術手段。設計成果已成功應用于我國衛星導航系統，在保障系統穩定運行和服務質量方面發揮了重要作用。隨著未來電磁環境日益復雜，其成果可推廣應用于其他衛星導航系統和我國下一代衛星導航系統，應用前景廣闊。