GNSS接收機(jī)抗干擾性能測(cè)試方法研究

張斯媛 楊帆 田炳樟

摘 要：空天電磁環(huán)境的日益復(fù)雜使得衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾性能成為用戶(hù)密切關(guān)注的問(wèn)題。文章提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾性能測(cè)試方法，該方法通過(guò)測(cè)試不同干擾數(shù)量、不同干擾強(qiáng)度及不同方位角下的定位精度，實(shí)現(xiàn)了抗干擾性能的快速與直觀判斷。對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備的測(cè)試表明，該方法能夠有效評(píng)估抗干擾性能，有較強(qiáng)的參考與使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；接收機(jī)；抗干擾性能；暗室測(cè)試

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），是為全球用戶(hù)提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)的國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。2012年年底，中國(guó)建成北斗二號(hào)系統(tǒng)，正式向亞太地區(qū)提供服務(wù)，2020年左右，將向全球提供服務(wù)。隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國(guó)家安全和國(guó)計(jì)民生的眾多領(lǐng)域，擁有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值[1]。

隨著空天電磁環(huán)境的復(fù)雜度不斷提髙，加之衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)十分微弱，有意或無(wú)意的電磁干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)喪失精確定位的功能[2]。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾問(wèn)題成為當(dāng)前研究的主要問(wèn)題之一。

依靠理論和仿真研究，GNSS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)、空間濾波干擾技術(shù)、空時(shí)自適應(yīng)抗干擾技術(shù)等抗干擾技術(shù)有了很大提升[3]。然而僅有理論和仿真是不夠的，為了更好地研究和測(cè)試抗干擾技術(shù)，還需要建立抗干擾測(cè)試平臺(tái)。

與外場(chǎng)測(cè)試成本高、易受外界干擾、重復(fù)性不強(qiáng)等特點(diǎn)相比，室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)作為一種半實(shí)物仿真系統(tǒng)，以其成本低、操作安全、可重復(fù)性強(qiáng)，且能接近真實(shí)環(huán)境等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。2007年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和邁阿密大學(xué)構(gòu)建了室內(nèi)無(wú)線抗干擾測(cè)試環(huán)境用來(lái)測(cè)試車(chē)用GPS接收機(jī)[4]。馮起等[5]在暗室內(nèi)模擬衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)試了自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)的對(duì)消方向圖及對(duì)消性能。郭淑霞等[6-8]采用基于灰色關(guān)聯(lián)分析的場(chǎng)景映射方法、基于腳本的儀表驅(qū)動(dòng)技術(shù)等構(gòu)建半實(shí)物仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收端抗干擾性能的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了改進(jìn)，擴(kuò)大模擬信號(hào)的視場(chǎng)角范圍，逼近室外真實(shí)的測(cè)試環(huán)境。

目前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試方法及抗干擾性能評(píng)價(jià)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文利用已有的抗干擾測(cè)試系統(tǒng)，提出了一種抗干擾測(cè)試方法，并利用該方法對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試與性能評(píng)價(jià)。該方法可以快速有效地評(píng)估接收機(jī)的抗干擾性能，為未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾性能測(cè)試提供參考，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

2 抗干擾測(cè)試系統(tǒng)介紹

本實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)并發(fā)射、模擬復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)、模擬導(dǎo)航接收端運(yùn)行軌跡。該系統(tǒng)主要包括以下分系統(tǒng)：終端性能測(cè)試系統(tǒng)、干擾信號(hào)控制系統(tǒng)、暗室測(cè)試環(huán)境、干擾天線、終端測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等，系統(tǒng)框如圖1所示。

其中，干擾天線及終端測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)布置在暗室中，共有6個(gè)干擾天線，在終端測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)周?chē)鄬?duì)終端每隔60°布置一個(gè)干擾天線。每個(gè)干擾天線都可以獨(dú)立調(diào)整俯仰角，俯仰角范圍為-45°～45°。暗室天線布置如圖2所示。

各分系統(tǒng)及其功能描述如下。

2.1 終端性能測(cè)試系統(tǒng)

終端性能測(cè)試系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào)、處理與顯示測(cè)試數(shù)據(jù)以及終端測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制等功能。系統(tǒng)采用多波束導(dǎo)航信號(hào)模擬器模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。

2.2 干擾信號(hào)控制系統(tǒng)

干擾信號(hào)控制系統(tǒng)分為天線動(dòng)作控制系統(tǒng)及信號(hào)源發(fā)生系統(tǒng)。天線動(dòng)作控制系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)，控制天線俯仰角；信號(hào)源發(fā)生系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)，向干擾天線傳輸干擾信號(hào)相關(guān)參數(shù)。

2.3 暗室測(cè)試環(huán)境

暗室測(cè)試環(huán)境可以屏蔽外界信號(hào)，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)僅接收干擾信號(hào)模擬源所產(chǎn)生的信號(hào)。

2.4 干擾天線

接收干擾信號(hào)控制系統(tǒng)指令并發(fā)射相應(yīng)的干擾信號(hào)。

2.5 終端測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)

控制衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的角度及高度等位置狀態(tài)。

3 抗干擾測(cè)試方法

本文主要針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行抗干擾性能的測(cè)試，因此將整個(gè)接收機(jī)看作整體，以衛(wèi)星信號(hào)為輸入，將接收機(jī)的導(dǎo)航定位結(jié)果作為輸出，考察接收機(jī)的抗干擾性能。

GNSS在用戶(hù)區(qū)段內(nèi)受到的電磁干擾，從技術(shù)上可以分為壓制干擾和欺騙干擾。一些研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明：在所有對(duì)GNSS信號(hào)的潛在威脅中，壓制干擾是最大的威脅。因此本文測(cè)試方法考慮測(cè)試壓制干擾下性能，該性能與干擾抑制度呈正相關(guān)。接收機(jī)的干擾抑制度為接收機(jī)能夠正常工作時(shí)所對(duì)應(yīng)的接收機(jī)輸入端的最大干信比[9]。顯然，干擾抑制度越大，接收機(jī)的抗干擾能力越強(qiáng)。

根據(jù)使用場(chǎng)景，本文提出了單頻點(diǎn)多天線寬帶干擾測(cè)試方法，用以檢測(cè)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在干擾抑制度方面的抗干擾性能。測(cè)試的具體方法為：將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)放置于終端測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，打開(kāi)衛(wèi)星信號(hào)模擬源，待衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端正常定位后，施加不同數(shù)量的干擾信號(hào)，并使干擾到達(dá)接收天線的強(qiáng)度保持一致，不斷增加干擾信號(hào)的輸出功率，待定位精度達(dá)到臨界時(shí)（高程差不超過(guò)20 m，且能正常定位）或干擾發(fā)射源施加干擾值達(dá)到極限時(shí)記錄干擾強(qiáng)度及經(jīng)度、緯度及高程誤差。受干擾源發(fā)射極限限制，干信比極限值為94 dB。在完成一個(gè)方位角的測(cè)試后，改變接收陣列方位角重復(fù)測(cè)試，以初始方位角為0°，每次旋轉(zhuǎn)45°，重復(fù)上述測(cè)試步驟，分別記錄8個(gè)方向上的測(cè)試數(shù)據(jù)。在得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析得出結(jié)論。圖3給出了測(cè)試方法的流程示意。

4 測(cè)試結(jié)果

基于本文提出的測(cè)試方法，在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾性能測(cè)試。

本次測(cè)試使用的衛(wèi)星信號(hào)為北斗B3頻點(diǎn)信號(hào)；干擾信號(hào)類(lèi)型為寬帶干擾，帶寬為20.46 MHz。

表1給出了本次測(cè)試中的干擾天線俯仰角。表2為不同干擾數(shù)量時(shí)輸出干擾信號(hào)的天線，“○”表示該干擾天線在某次測(cè)試中處于工作狀態(tài)。

本次測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以看出，該設(shè)備抗干擾性能較好，在干擾數(shù)量小于6個(gè)時(shí)，該設(shè)備的抗干擾極限不低于92 dB；在干擾數(shù)量等于6個(gè)時(shí)，該設(shè)備的抗干擾極限最低為70 dB。從設(shè)備實(shí)際使用場(chǎng)景判斷，該設(shè)備抗干擾性能符合要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測(cè)試方法，該方法具有易于判斷抗干擾性能、操作簡(jiǎn)單、接近真實(shí)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。該方法為接收機(jī)抗干擾性能的評(píng)估提供了一種快捷、可靠的途徑，有較強(qiáng)的參考與使用價(jià)值。對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。