BPSK調制壓制式干擾對北斗接收機B1I信號的影響研究

中國華陰兵器試驗中心 袁春興 蘇東初 楊 健 王瑞剛 解雙建

隨著北斗導航在社會各行各業的廣泛應用，行業內越來越重視干擾信號對北斗導航造成的影響。干擾信號主要分為無意的自然干擾和有意的人為干擾。對于自然干擾，業內已有較為成熟的處理方案，而有意的人為干擾問題卻越來越突出，特別是容易對北斗接收機造成重大干擾的壓制干擾方式。

壓制干擾即發射干擾信號以壓制在北斗接收機射頻前端的北斗導航信號，通過時域和頻域的信號強度覆蓋，使得北斗接收機無法正常解調北斗導航信號，從而達到干擾北斗接收機正常工作的目的。一些研究結果表明：壓制干擾方式可能是對北斗導航信號解調威脅最大的干擾方式，常見對北斗接收機的壓制干擾方式有窄帶干擾和寬帶干擾等。

北斗衛星發出導航信號，通過大氣層達到用戶段，這一過程中，導航信號的強度被大幅度衰減，用戶接收機的天線輸入端最小電平僅有-133dBm，極易受到壓制信號的干擾。研究壓制信號對北斗導航信號的干擾原理與過程，對北斗接收機的正常與高質量工作具有重要意義。

本文通過分析，研究了窄帶和寬帶BPSK調制下的壓制干擾信號對北斗直擴接收機B1I信號的影響，對壓制干擾信號的特性與北斗接收機在干擾下的效能、抗干擾手段的研究存在一定價值。

1 導航信號概述與生成

北斗衛星發射的信號從結構上分為三個層次：載波、測距碼、數據碼。測距碼和數據碼一起通過調制依附在正弦波形式的載波上。北斗導航系統的B1I信號采用BPSK調制，BPSK調制信號表示為：

式中，A為信號幅值；C為測距碼；D為數據碼；f為信號載波頻率（1561.098MHz）；φ為載波初始相位。

圖1為北斗B1I信號結構示意圖。在衛星信號發射端，PRN編號為i的衛星首先將數據碼與測距碼異或相加，從而完成數據碼對測距碼的調制。接著，將兩者的組合碼再對載波進行BPSK調制，使整個測距碼信號以載波中心頻率被衛星發射出去。如圖2所示。

圖1 北斗B1I信號結構示意圖

圖2 北斗B1I信號頻譜圖

2 壓制式干擾信號概述與生成

由于B1I信號采用BPSK調制，為了達到更好的干擾效果，壓制式干擾信號同樣采用BPSK調制。

壓制式干擾主要分為窄帶壓制和寬帶壓制。窄帶干擾是指干擾信號帶寬小于擴頻信號帶寬的干擾信號，其主要參數有起始頻率、終止頻率和干擾帶寬。在實際工作環境中，BPSK窄帶干擾（BPSK-NBI）可通過直接數字頻率合成器（DDS）產生BPSK信號后再將其調制到導航載頻上產生。BPSK窄帶干擾的隨機二進制碼碼元速率調快即可產生寬帶BPSK干擾（BPSK-WBI）。

BPSK干擾IBPSK(t)的數學模型為：

式中，PJ為干擾功率；fc為干擾載頻；θ為調制載波隨機相位；an為隨機二進制非歸零比特流；Tb為二進制比特的碼元寬度。

an的表達式為：

調整PJ、fc、Tb的值即可產生不同功率、載頻和帶寬的BPSK干擾信號。為了最大限度壓制接收機，往往使Tb等于相應導航頻點對應測距碼的碼片寬度。BPSK干擾的功率頻譜PBPSK(f)為：

窄帶干擾和寬帶干擾信號頻譜圖如圖3和圖4所示。

圖3 2.046MHz帶寬壓制干擾信號

圖4 20.46MHz帶寬壓制干擾信號

如圖3所示，調整BPSK碼速率2.046Mbps，產生帶寬為2.046MHz的壓制信號。

如圖4所示，調整BPSK碼速率20.46Mbps，產生帶寬為20.46MHz的壓制信號。

從圖3和圖4可看出壓制信號的功率譜與BI1導航信號的功率譜形狀十分類似，同樣具有主譜瓣和延拓的旁瓣，除了調制的比特流與幅度不同之外，兩者并無明顯差異，這使得BPSK調制的壓制信號與B1I導航信號混淆之后難以分離。并且BPSK調制的壓制干擾信號，使得原本的周期性載波信號變成了具有非周期干擾信號，造成原本在頻域上的單峰離散譜變成了具有一定帶寬的連續譜，擴大了干擾信號影響的頻譜范圍。

3 干擾半實物仿真試驗

為了接近真實情況分析壓制式干擾對北斗接收機信號處理的影響，本文搭建測試平臺進行了測試試驗。測試平臺由北斗導航測試暗室、GNS-8460衛星導航信號模擬器、SMBV100A信號發生器、C230-AT-R北斗導航接收機，性能測試采用TX-6B終端性能測試轉臺、FSQ26矢量信號分析儀。利用衛星導航信號模擬器產生北斗導航信號，信號發生器產生寬帶和窄帶壓制導航干擾信號，測試不同干擾條件下對北斗導航接收機的影響。

測試平臺如圖5所示。

圖5 測試平臺連接圖

3.1 測試步驟

測試過程步驟如下所示：

（1）設置檢測平臺場景為相應干擾場景。按要求設定B1I導航信號，并播發信號，120s后檢測平臺播發干擾信號。

（2）檢測平臺通過串口設置接收機輸出定位和測速精度數據。

（3）如果接收機在檢測開始2min后沒有上報定位、測速數據、上報定位和測速數據過程存在30s以上中斷，則判定接收機工作異常。

（4）如果接收機正常上報定位和測速數據結果，待結果數據不少于設定的個數或者采集時間達到設定時間，檢測平臺設置接收機停止定位結果輸出，并統計接收機的定位和測速誤差。如果上報數據少于設定的個數或誤差過大則判定接收機工作異常。

（5）如果接收機工作正常，則干信比增加1dB繼續測試。

在測試評估階段，檢測平臺將接收機上報的定位測速信息與檢測平臺設置的已知位置速度信息進行比較，計算位置和測速誤差。位置誤差有三種表達方式：空間位置誤差，水平誤差和高程誤差。水平誤差計算方法如下：

式中，Δr為水平誤差；ΔE為東向位置誤差分量；ΔN為北向位置誤差分量。空間位置誤差計算方法如下：

式中，ΔH為水平誤差。東向位置誤差分量、北向位置誤差分量、高程位置誤差分量的計算方法如下：

式中，j為參加統計的定位信息樣本序號；n為樣本總數；x′i,j為接收機輸出的位置分量值；xi,j為檢測平臺仿真的已知位置分量值；i取值E（東向）、N（北向）或H（高程）。

檢測平臺對n個測量結果按照從小到大進行排序。取第[n·95%]個結果作為本次檢定的定位精度。如果該值大于指標要求的規定，則判定接收機工作異常。

接收機正常工作條件下最大干信比定義為接收機的干擾抑制度。

3.2 測試結果

試驗內容與測試結果如表1所示。

表1 測試結果表

在試驗中，搭建了三種不同測試環境，其中衛星信號功率和干擾信號調制樣式保持一致。窄帶干擾帶寬為典型值2.046MHz，寬帶干擾帶寬為典型值20.46MHz。可以看出，在這三種測試情況下，窄帶干擾信號下接收機的干擾抑制度均稍大于寬帶干擾信號下接收機的干擾抑制度，這說明寬帶干擾效果相對窄帶干擾較為明顯。

結語：本文首先介紹了導航信號和壓制式干擾信號，著重介紹了信號生成方法，為后面半實物仿真試驗奠定了基礎。后在半實物仿真條件下，研究了BPSK調制壓制式干擾信號對北斗導航信號的影響。試驗結果得出：同步加大寬帶干擾和窄帶干擾的功率，寬帶干擾首先使得該試驗北斗接收機無法正常工作，被測接收機具有較低的寬帶干擾抑制度，寬帶干擾綜合干擾效果較好。