基于軟件接收機的衛星導航抗干擾天線性能評估方法

武智佳，焦海松，賈贊杰，于合理，代桃高，耿澤淇

基于軟件接收機的衛星導航抗干擾天線性能評估方法

武智佳，焦海松，賈贊杰，于合理，代桃高，耿澤淇

（63883部隊，河南 洛陽 471000）

針對分體式設計的衛星導航抗干擾終端缺少天線性能評估方法，與接收機參數適配難，測試環境構建成本高等問題，基于軟件接收機能夠可視化導航信號基帶處理過程的特點，提出一種多陣元抗干擾天線性能評估方法：從輸出信號質量、可捕獲性、可跟蹤性等方面給出評估方法，設計軟件接收機評估抗干擾天線性能；然后以導航型天線、測量型天線、無干擾時的抗干擾天線和有微弱干擾時的抗干擾天線作為實驗對象，利用軟件接收機對不同天線的輸出信號質量、信號可捕獲性和信號可跟蹤性進行對比分析；最后分析多陣元天線對干擾信號的抑制特性，并實驗評估不同干擾功率條件下多陣元天線輸出信號質量、可捕獲性和可跟蹤性曲線。結果表明，利用軟件接收機評估衛星導航抗干擾天線性能是可行的。

軟件接收機；抗干擾天線；性能評估；信號質量；信號捕獲；信號跟蹤

0 引言

隨著衛星導航系統的完善與發展，其在全球經濟、社會發展和軍事斗爭中發揮著越來越大的作用，但衛星信號到達地面后已經淹沒于噪聲之下，且隨著電磁傳播環境的日益復雜化，原本微弱的衛星導航信號很容易受到無意或有意干擾而導致接收機無法定位[1-2]，這就要求衛星導航終端須具備一定的抗干擾能力。因此，衛星導航終端抗干擾性能已成為衡量設備導航定位能力的關鍵指標；相應的抗干擾算法設計、抗干擾能力評估也成為導航領域的研究焦點。當前衛星導航抗干擾終端的接收機和多陣元抗干擾天線多采用分體式設計。多陣元抗干擾天線各陣元通道對接收的射頻信號進行濾波、下變頻、模/數轉換等過程處理后，通過空時、空頻等抗干擾算法求取權值對各陣元信號的幅值、相位進行調整，加權求和后通過上變頻、數/模轉換等過程處理后送入衛星導航接收機，完成對衛星導航信號的捕獲、跟蹤和定位解算[3-4]。因此多陣元抗干擾天線本身的性能也是衛星導航抗干擾終端的重要性能指標，其表現為進行干擾信號抑制處理后，對接收機執行捕獲、跟蹤以及定位解算過程的影響。目前，針對衛星導航抗干擾設備的測試主要以整機測試為主，需要在室外或室內搭建測試環境，展開測試與評估工作，環境構建成本高，占用資源多，且對與接收機間的適配問題考慮較少，缺少單獨對抗干擾天線的評估手段[5-6]。

衛星導航軟件接收機可在盡量接近天線的地方將信號數字化，利用軟件代碼處理數字信號，能夠可視化對衛星導航信號的捕獲、跟蹤以及定位解算過程，[7-9]，從機理上評估抗干擾處理后信號的可用性，以此反映多陣元抗干擾天線對干擾信號的處理能力、與接收機間適配性，以及接收機本身基帶處理算法、選星策略等性能優劣[10-12]。當前已有學者基于軟件接收機開展導航終端性能評估研究工作。文獻[13]即利用軟件接收機能夠可視化信號處理過程的特點，研究分析了欺騙干擾信號對接收機輸出載噪比、跟蹤環路的影響[9]。文獻[14]針對硬件接收機中傳統抗干擾方法成本高、體積大和環境受限等問題，利用軟件接收機作為抗干擾算法研究平臺，實現了子空間分解的時域濾波法和頻域濾波法消除窄帶干擾。文獻[15]利用軟件接收機及多相關器生成技術，詳細分析了脈沖干擾對接收機信號捕獲與跟蹤性能的影響。文獻[16]也基于軟件接收機研究了干擾對接收機的影響，并分析了時頻域、空域、空時聯合3種抗干擾方法的抗干擾原理和處理流程。

本文利用軟件接收機能夠可視化信號捕獲、跟蹤過程的優勢，提出一種基于軟件接收機評估多陣元抗干擾天線性能的方法。通過對比分析方式，研究不同天線輸出信號質量、信號可捕獲性和信號可跟蹤性，并構建環境測試不同干擾功率條件下，接收機對多陣元抗干擾天線輸出信號的處理能力。

1 軟件接收機評估抗干擾天線性能方法設計

抗干擾天線主要用于接收射頻信號，其器件的工作特性將對信號質量產生影響。信號質量的改變，也將進一步影響信號的可捕獲性和可跟蹤性。

1.1 輸出信號質量評估

如圖1所示為測試場景，在微波暗室內模擬發射衛星導航靜態定位模擬信號，分別在微波暗室內接入標準天線和待測天線，利用標準天線確定發射模擬信號是否滿足測試要求。利用中頻信號采集設備采集待測天線輸出信號，并轉換為中頻數據，然后利用軟件接收機處理獲取載噪比信息。

圖1 抗干擾天線性能評估測試場景

1.2 可捕獲性評估

1.3 可跟蹤性評估

2 抗干擾天線性能評估實驗與分析

本文實驗評估使用的工具包含中頻數據采集器、中頻數據回放軟件、實時捕獲分析軟件和事后軟件接收機。中頻數據采集器用于接收天線輸出信號，并存儲處理后的中頻數據。中頻數據回放軟件可回放采集的中頻數據，輸出信號載噪比情況。實時捕獲分析軟件可設置不同積分時長，實時評估衛星導航信號捕獲情況。事后軟件接收機可回放中頻數據，顯示信號捕獲和跟蹤過程。

2.1 輸出信號質量評估實驗

利用中頻數據回放軟件統計載噪比情況，同時為驗證評估方法的普適性，實驗以某普通導航型終端接收天線為參考，并引入測量型終端接收天線和多陣元抗干擾天線進行測試與評估。實驗使用天線如圖2所示。

圖2 實驗天線實物圖

實驗設計以無干擾狀態下多陣元抗干擾天線、測量型終端接收天線、導航型終端接收天線和有微弱干擾條件下的四陣元抗干擾天線為測試對象。考慮到多陣元抗干擾天線對干擾信號抑制后，可能提升信號輸出信干噪比（signal to interference plus noise ratio, SINR），因此將有微弱干擾條件下的多陣元抗干擾天線作為測試對象參與比較。利用衛星導航信號模擬器發射美國全球定位系統（global positioning system，GPS）導航模擬信號，模擬衛星編號為{4，8，9，14，15，25，19，20}，模擬頻點為L1。微弱干擾條件下，將干擾信號功率調整至到達天線口面干信比為49 dB、干擾中心頻率為1575.42 MHz、干擾樣式為正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）。通過采集中頻數據，然后利用中頻數據回放軟件觀察信號質量，得到不同天線采集中頻數據的載噪比情況如圖3所示。

圖3 不同天線輸出信號質量

由圖3可以看出，無干擾時多陣元抗干擾天線接收信號載噪比約為36 dB·Hz，導航型終端接收天線接收信號載噪比約為46 dB·Hz，測量型終端接收天線接收信號載噪比約為45 dB·Hz，有微弱干擾時，多陣元抗干擾天線接收信號載噪比約為41 dB·Hz。即無干擾狀態時，導航型天線輸出信號質量最好，多陣元抗干擾天線輸出信號質量最差。有微弱干擾時，多陣元抗干擾天線輸出信號質量會提高，說明多陣元抗干擾天線自適應處理算法增強了衛星導航信號，削弱了噪聲信號和干擾信號，提升了輸出SINR。

2.2 可捕獲性評估實驗

利用實時捕獲分析軟件，快速評估不同積分時長條件下導航天線輸出信號的可捕獲性。利用事后軟件接收機回放中頻數據，觀察相關峰出現情況并評估峰值顯著度。

2.2.1 不同積分時長捕獲能力快速評估

導航型終端接收天線和測量型終端接收天線在無干擾狀態條件下，設置不同積分時長時的捕獲結果如圖4所示。圖中PRN表示偽隨機噪聲識別碼（pseudo random noise code，PRN）編號。

由圖4可以看出：積分2、5 ms執行捕獲時，2種天線輸出信號的可捕獲性基本相同；而在積分10ms執行捕獲時，測量型終端接收天線明顯弱于導航型終端接收天線，說明強信號條件下導航型終端天線性能優于測量型終端接收天線。進一步分析無干擾狀態下和微弱干擾條件下多陣元抗干擾天線輸出信號可捕獲性，實驗結果如圖5所示。

圖4 導航型、測量型天線不同積分時長捕獲情況

圖5 多陣元抗干擾天線不同積分時長捕獲情況

由圖5可以看出，微弱干擾條件下多陣元抗干擾天線輸出信號的可捕獲性明顯優于無干擾狀態。且無干擾狀態時，積分5 ms執行捕獲時，20號星無法被捕獲；積分2 ms執行捕獲時，15、19、20號星無法被捕獲。

2.2.2 峰值顯著度評估

利用事后軟件接收機回放中頻數據得到不同天線輸出信號的捕獲相關峰情況，其中9、19號星捕獲情況如圖6所示。

圖6中4種天線對應9、19號星捕獲相關峰數值分別為：導航型天線無干擾狀態為18.8×104、20.6×104；測量型天線無干擾狀態為12.9×104、13.0×104；多陣元抗干擾天線無干擾狀態為9.5×104、8.7×104；多陣元抗干擾天線微弱干擾狀態為16.3×104、12.4×104。由實驗結果分析可知，相關峰的高度與天線輸出信號的可捕獲性呈正相關。導航型終端接收天線、測量型終端接收天線、無干擾狀態多陣元抗干擾天線、微弱干擾條件多陣元抗干擾天線輸出信號對應所捕獲衛星峰值顯著度分別為14.5、13.0、5.7、8.1。

2.3 可跟蹤性評估實驗

圖7 不同天線輸出信號執行跟蹤時解調情況

3 抗干擾天線干擾信號抑制特性分析

多陣元抗干擾天線對干擾信號的抑制能力與天線的硬件特性及自適應調零算法性能相關，其對不同功率干擾信號的抑制特性，對衛星導航終端在復雜電磁環境下的工作性能具有一定的影響。針對該特性設計評估方法，并進行實驗分析。在微波暗室內模擬發射一定數量的衛星導航靜態定位模擬信號，微波暗室內接入標準天線和待測天線，利用標準天線確定發射模擬信號數據是否滿足測試要求。測試時先測試出微弱干擾條件下可達到的最大載噪比，然后以該值減少2 dB功率為基準，逐步增強干擾功率直至接收機不定位，利用中頻信號采集設備分別采集中頻數據，事后通過軟件接收機回放得到信號輸出質量、可捕獲性和可跟蹤特性。

實驗以北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）B3/GPS L1雙四陣元抗干擾天線為測試對象；利用2 MHz帶寬的QPSK調制干擾信號構建干擾信號環境，利用衛星導航信號模擬器模擬發射GPS L1信號，利用實時軟件接收機采集中頻數據，利用中頻數據回放軟件觀察數據采集質量，利用軟件接收機回放數據觀察信號捕獲和跟蹤情況。

3.1 信號輸出質量分析

按照實驗方案，利用中頻數據回放軟件回放數據得到不同干擾功率條件下多陣元抗干擾天線輸出信號質量變化情況，實驗結果如圖8所示。

由圖8可以看出，相比于無干擾狀態，存在微弱干擾時將提高多陣元抗干擾天線的輸出信號質量，且只有在接近接收機跟蹤門限時，載噪比下降速度較快，說明衛星導航多陣元抗干擾天線接近跟蹤門限前都能很好地抑制干擾信號。

圖8 多陣元抗干擾天線輸出載噪比情況

3.2 信號可捕獲性和可跟蹤性分析

圖9 多陣元抗干擾天線輸出信號捕獲和跟蹤特性

4 結束語

本文基于衛星導航軟件接收機提出了一種多陣元抗干擾天線性能測試與評估方法，并設計測試場景進行了實驗分析與驗證。測試以導航型終端接收天線為標準，通過對比分析的方式，測試評估了測量型天線、抗干擾天線輸出信號質量、可捕獲性和可跟蹤性；為掌握抗干擾天線對干擾信號抑制特性，實驗評估了不同干擾功率條件下的抗干擾天線輸出信號質量、可捕獲性和可跟蹤性的特性曲線。通過本文的研究，可為設計調整衛星導航接收機的捕獲、跟蹤參數及方法策略，以及提升與抗干擾天線的適配性提供思路，為抗干擾天線設計、性能評估等提供參考。

[1] ISSAM S M, ADNANE A, MADIABDESSALAM A I T. Anti-jamming techniques for aviation GNSS-based navigation systems: Survey[C]// The Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). 2020 IEEE 2nd International Conference on Electronics, Control, Optimization and Computer Science(ICECOCS). Kenitra, Morocco: IEEE, 2020: 1-4.

[2] 劉富, 舒展, 謝維華. 衛星導航對抗能力現狀及發展趨勢[J]. 導航定位學報, 2020, 8(6): 1-5, 13.

[3] 武成鋒, 彭元, 何子君, 等. 衛星導航干擾與抗干擾技術綜述[J]. 導航定位與授時, 2014, 1(2): 5.

[4] 韓其位. GNSS天線陣抗干擾接收機性能評估與優化技術研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2015.

[5] 聶俊偉. GNSS天線陣抗干擾算法及性能評估技術研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2012.

[6] 肖砷宇. 北斗抗干擾衛星導航天線系統的設計實現[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2018.

[7] GAO Y, YAO Z, LU M. Design and implementation of a real-time software receiver for BDS-3 signals[J]. Navigation, 2019, 66(1): 83-97.

[8] CUTUGNO M, ROBUSTELLI U, PUGLIANO G. Low-cost GNSS software receiver performance assessment[J]. Geosciences, 2020, 10(2): 79.

[9] 魯郁. 北斗/GPS雙模軟件接收機原理與實現技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2016.

[10] 張鵬娜, 曾慶喜, 祝雪芬, 等. 衛星定位軟件接收機研究綜述[J]. 河北科技大學學報, 2016, 37(3): 220-229.

[11] 尚亞銳, 劉雪梅, 王澤. 基于空頻自適應算法的抗干擾天線設計[J]. 電子設計工程, 2020, 28(16): 4.

[12] CUTUGNO M, ROBUSTELLI U, PUGLIANO G. Low-cost GNSS software receiver performance assessment[J]. Geosciences(Switzerland), 2020, 10(2): 79.

[13] 祁雅. 基于軟件接收機的GNSS多策略欺騙方法研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2019.

[14] 孫希延, 紀元法, 施滸立, 等. 基于GPS軟件接收機的抗窄帶干擾方法[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2009, 34(1): 77-80.

[15] 丁夢羽, 許睿, 劉建業, 等. 脈沖干擾對軟件接收機的影響分析[J]. 導航定位與授時, 2017, 4(3): 58-65.

[16] 趙亨府. GPS軟件接收機與抗干擾方法研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2011.

Performance evaluation of satellite navigation anti-jamming antennas based on software receivers

WU Zhijia, JIAO Haisong, JIA Zanjie, YU Heli, DAI Taogao, GENG Zeqi

（Troops 63883, Luoyang, Henan 471000, China）

Aiming at the problems of the lack of antenna performance evaluation methods, the difficulty of adapting to the receiver parameters, and the high cost of constructing the testing environment for satellite navigation anti-jamming terminals designed by the split type, the paper proposed a multi-element anti-jamming antenna performance evaluation method based on the characteristic that software receivers can visualize the navigation signal baseband processing: the evaluation means were given from the aspects of output signal quality, signal captureability and signal traceability，and a software receiver was designed to evaluate the performance of anti-jamming antennas; then, taking navigation antennas, measurement antennas, anti-jamming antennas without interference and anti-jamming antennas with weak interference as the experimental objects, the software receiver was used to comparatively analyze the output signal quality, signal captureability and signal traceability of different antennas; finally, the suppression characteristics of multi-array antennas to interference signals were analyzed, and the output signal quality, captureability and traceability curves of the multi-array element antennas under different interference power conditions were evaluated. Results verified the feasibility of using software receivers to evaluate the performance of satellite navigation anti-jamming antennas.

software receiver; anti-jamming antenna; performance evaluation; signal quality; signal capture; signal tracking

武智佳, 焦海松, 賈贊杰, 等. 基于軟件接收機的衛星導航抗干擾天線性能評估方法[J]. 導航定位學報, 2023, 11(3): 63-69.（WU Zhijia, JIAO Haisong, JIA Zanjie, et al. Performance evaluation of satellite navigation anti-jamming antennas based on software receivers[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 63-69.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230309.

P228；TN97

A

2095-4999(2023)03-0063-07

2022-07-30

國家自然科學基金項目（41804035）。

武智佳（1994—），男，遼寧錦州人，碩士，助理工程師，研究方向為導航及導航對抗。