飛行器載GNSS接收機(jī)抗干擾試驗(yàn)布局設(shè)計(jì)方法*

曹 銳，張智香，田彥民，曾紅錦，吳 穹

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024)

0 引言

作為一種全天侯、高精度的定位手段，包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo以及我國(guó)自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)等在內(nèi)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS(global navigation satellite system)因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能，目前已成為各種精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)不可缺少的組成部分。雖然如此，但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因?yàn)槠涔逃械脑O(shè)計(jì)特點(diǎn)，具有易被干擾的先天缺陷[1]，世界各國(guó)都在不遺余力的研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾和抗干擾技術(shù)[2]。

近年來(lái)，自適應(yīng)調(diào)零抗干擾天線越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于武器系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)[3]，該技術(shù)根據(jù)干擾信號(hào)的來(lái)向自動(dòng)調(diào)節(jié)接收天線方向圖零點(diǎn)，能夠顯著提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾能力。自適應(yīng)調(diào)零天線能有效抵抗的干擾源數(shù)量由天線單元個(gè)數(shù)決定[4-5]，為準(zhǔn)確考核自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)的抗干擾能力，必須嚴(yán)格設(shè)置干擾源數(shù)目，在飛行狀態(tài)下，合理設(shè)計(jì)多干擾源布局具有一定的技術(shù)難度。

1 抗干擾試驗(yàn)布局的一般性討論

干擾試驗(yàn)一般結(jié)合其他考核項(xiàng)目一起開(kāi)展，干擾的施加有可能對(duì)目標(biāo)飛行器的飛行安全或者其他考核試驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)成影響，因此一般將目標(biāo)干擾區(qū)域選擇在飛行末段。假設(shè)某飛行器的速度為250 m/s，在綜合考慮有效的持續(xù)干擾時(shí)間和遙測(cè)信息下傳時(shí)間的前提下，可以將干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)定為預(yù)定航跡上距離起爆點(diǎn)400 m的一點(diǎn)。文中以三干擾源為例(對(duì)應(yīng)四單元自適應(yīng)調(diào)零抗干擾天線)[6]，干擾試驗(yàn)布局如圖1所示。

d為干擾信號(hào)發(fā)射天線至干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)的水平面投影距離。1#干擾源瞄準(zhǔn)線(干擾源瞄準(zhǔn)線即干擾源所在位置與目標(biāo)干擾點(diǎn)連線)水平面投影與航線垂直，2#和3#干擾源瞄準(zhǔn)線水平面投影對(duì)稱分布在航線法線兩側(cè)，兩者之間的夾角為φ。

為有效考核受試設(shè)備的抗干擾性能，對(duì)目標(biāo)干擾區(qū)域內(nèi)的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布有如下要求：

1)目標(biāo)干擾區(qū)域內(nèi)的干信比(干擾信號(hào)與衛(wèi)星定位信號(hào)的比)應(yīng)在抗干擾容限值附近盡量小的范圍內(nèi)變化；

2)兩個(gè)干擾源的瞄準(zhǔn)線夾角φ應(yīng)不小于某特定值(具體由自適應(yīng)調(diào)零天線特性決定)，以保證其對(duì)接收機(jī)來(lái)說(shuō)形成兩個(gè)有效干擾源；

3)目標(biāo)干擾區(qū)域內(nèi)的輻射場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)即為發(fā)射天線瞄準(zhǔn)點(diǎn)，以便根據(jù)距離準(zhǔn)確計(jì)算干擾功率。

圖1 抗干擾試驗(yàn)布局示意圖

干擾信號(hào)的輻射場(chǎng)可以用下式描述：

E(x)=F(θ(x))·1/R(x)

(1)

式中：x為航線上某點(diǎn)到起爆點(diǎn)的水平面投影距離；E(x)為航線上某點(diǎn)干擾信號(hào)輻射電場(chǎng)值；θ(x)為航線上某點(diǎn)相對(duì)于輻射主軸的偏角；F(θ(x))為干擾源角錐喇叭天線方向性系數(shù)；R(x)為航線上某點(diǎn)至發(fā)射天線的直線距離。

默認(rèn)情況下，干擾天線發(fā)射主軸與干擾瞄準(zhǔn)線重合，由式(1)可知，當(dāng)某干擾瞄準(zhǔn)線與航線的夾角不為直角時(shí)，在目標(biāo)點(diǎn)向干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)某一側(cè)移動(dòng)時(shí)，方向性因子減小，而距離因子增大，無(wú)法直接預(yù)測(cè)輻射場(chǎng)的綜合變化規(guī)律。因此，在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的干擾場(chǎng)景下，既無(wú)法預(yù)估目標(biāo)干擾區(qū)域的輻射場(chǎng)分布特征，也不能直接計(jì)算輻射場(chǎng)變化范圍，因此無(wú)法判斷干擾布局是否滿足上文所描述的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布要求。有必要通過(guò)仿真對(duì)目標(biāo)干擾區(qū)域內(nèi)的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，以便對(duì)試驗(yàn)布局的合理性做出評(píng)價(jià)，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)天線指向進(jìn)行修正，使得干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布更符合上述之第3)條要求。

2 干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布求解

由于角錐喇叭天線使用廣泛，設(shè)計(jì)和分析理論成熟，文中暫以角錐喇叭天線作為干擾信號(hào)發(fā)射天線。另外，分析中暫不考慮地面散射影響。

2.1 問(wèn)題建模與分解

待求解問(wèn)題的幾何模型如圖2所示。

S1為航線所在的平面，與地面垂直。S2為與瞄準(zhǔn)線IP垂直的平面，亦即與喇叭口面平行的面，作為將來(lái)輻射角計(jì)算的輔助參考面。I點(diǎn)為干擾信號(hào)發(fā)射天線相位中心點(diǎn)，P點(diǎn)為干擾天線主軸瞄準(zhǔn)點(diǎn)，P′為IP與S2面的交點(diǎn)。o為坐標(biāo)原點(diǎn)，與I點(diǎn)等高。將Io與航線剖面S1的夾角α定義為干擾角，瞄準(zhǔn)干擾線與水平面的仰角為ξ。A點(diǎn)為航線剖面S1內(nèi)任意一點(diǎn)，我們分析的目標(biāo)就是干擾信號(hào)在該點(diǎn)的輻射場(chǎng)功率密度。A′為IA與S2面的交點(diǎn)。B點(diǎn)與A、P兩點(diǎn)組成直角三角形，且BP與地面平行，B′為IB與S2面的交點(diǎn)。

圖2 干擾輻射場(chǎng)計(jì)算幾何模型

待分析的問(wèn)題可以分解為兩個(gè)主要部分：

1)求解目標(biāo)點(diǎn)A相對(duì)于I點(diǎn)處的發(fā)射天線口徑面的俯仰角θ和方位角φ；

2)在角錐喇叭天線結(jié)構(gòu)參數(shù)已知的前提下，求解其在特定俯仰角θ和方位角φ的輻射場(chǎng)。

2.2 輻射角計(jì)算

本節(jié)簡(jiǎn)單介紹輻射俯仰角θ和方位角φ的計(jì)算方法。

假設(shè)點(diǎn)P、A、B的坐標(biāo)分別如下：

P(xP,yP,zP),A(xA,yA,zA),B(xB,yB,zB)

(2)

則在干擾點(diǎn)I到坐標(biāo)原點(diǎn)o距離D和α已知的條件下，可以得出線段IA的長(zhǎng)度為：

(3)

線段IP的長(zhǎng)度為：

(4)

線段AP的長(zhǎng)度為:

(5)

根據(jù)余弦定理，θ角為:

(6)

φ角為:

(7)

2.3 角錐喇叭輻射場(chǎng)計(jì)算

圖3中a為喇叭口面長(zhǎng)邊，b為喇叭口面窄邊，L為從波導(dǎo)變換面至喇叭口面的拉伸長(zhǎng)度，L根據(jù)最優(yōu)喇叭設(shè)計(jì)原則，由a、b的值決定。定義喇叭口面幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖3 角錐喇叭天線幾何參數(shù)定義

由于角錐喇叭為矩形波導(dǎo)拉伸而成，因此其口徑場(chǎng)切向分布可以在矩形波導(dǎo)場(chǎng)解的基礎(chǔ)上近似表示為[7]：

(8)

式(8)中指數(shù)項(xiàng)為喇叭口面上任意點(diǎn)的相位延遲近似。

如果只關(guān)心前向半空間輻射，則可以利用等效原理和鏡像原理簡(jiǎn)化計(jì)算。

圖4 角錐喇叭天線輻射場(chǎng)計(jì)算示意圖

如圖4所示，根據(jù)等效原理[8]，若將喇叭口面以下的空間均用PEC(理想電導(dǎo)體)填充，則原始問(wèn)題中的上半空間輻射可以等效為喇叭口面處的等效電流元Jy加磁流元Mx的輻射。分別表示為：

(9)

式中n為喇叭口面的單位法向矢量。

由于用PEC填充下半空間，根據(jù)鏡像原理[8]，電流元的鏡像與之大小相同方向相反，故其輻射可以忽略，磁流元的鏡像與之大小相等，方向相同。如果僅計(jì)算歸一化方向性系數(shù)，則不必考慮輻射元的絕對(duì)大小，故該輻射面在上半空間的遠(yuǎn)場(chǎng)等效輻射電場(chǎng)方向性系數(shù)可以表示為[9]：

(10)

(11)

C為常數(shù)，積分區(qū)域S即喇叭口面。

3 輻射場(chǎng)分布特性仿真和研究

根據(jù)最優(yōu)喇叭設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[10]，分別設(shè)計(jì)了增益大約10 dB和14 dB的角錐喇叭作為仿真計(jì)算中的干擾信號(hào)發(fā)射天線，其參數(shù)如表1所示，表中λ為對(duì)應(yīng)仿真頻率的波長(zhǎng)。

表1 發(fā)射天線參數(shù)

仿真區(qū)域?yàn)楦蓴_瞄準(zhǔn)點(diǎn)兩側(cè)水面投影各400 m的范圍，即航跡上到起爆點(diǎn)水平投影距離0～800 m的一段區(qū)間。以下仿真分析中近似認(rèn)為該段區(qū)域內(nèi)飛行器保持直線飛行。由于2#和3#干擾源對(duì)稱分布，在飛行俯沖角不大的情況下，其干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布比較接近，以下僅以2#干擾源為例分析。

3.1 不同干擾角干擾源對(duì)比

在距離d=1km，天線增益為10.36 dB的條件下對(duì)比1#干擾源和2#干擾源分別在干擾源夾角φ=15°、φ=30°的輻射場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同干擾角輻射場(chǎng)分布仿真對(duì)比

圖5中橫坐標(biāo)為航跡中某點(diǎn)至起爆點(diǎn)的水平投影距離，縱坐標(biāo)為歸一化干擾信號(hào)輻射場(chǎng)強(qiáng)度。居中豎線為干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離參考線。

從圖5可以看出1#干擾源的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)與干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)重合，而2#干擾源偏向了右側(cè)。并且干擾角越大，偏移量越大。

3.2 不同增益天線對(duì)比

在距離d=1km，2#和3#干擾源夾角φ=15°的條件下，對(duì)比2#干擾源分別在10.36 dB增益天線和13.78 dB增益天線時(shí)的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同增益天線輻射場(chǎng)分布仿真對(duì)比

從圖6可以看出，高增益天線相比低增益天線其干擾信號(hào)輻射場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)更靠近干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)，但其在仿真區(qū)域內(nèi)的下降更劇烈。

3.3 不同干擾距離對(duì)比

在天線增益為10.36 dB，2#和3#干擾源夾角φ=15°的條件下，對(duì)比2#干擾源分別在干擾距離d=1 km和2 km時(shí)的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同干擾距離輻射場(chǎng)分布仿真對(duì)比

從圖7可以看出，遠(yuǎn)距離輻射場(chǎng)分布更均勻，對(duì)第1節(jié)中輻射場(chǎng)分布要求3)的響應(yīng)更佳。

4 干擾源布局修正

根據(jù)輻射場(chǎng)分布最強(qiáng)點(diǎn)偏離干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)的情況，可以令干擾源向沿著飛行軌跡投影平行線，朝瞄準(zhǔn)偏移反方向移動(dòng)與偏移量相等的距離以修正瞄準(zhǔn)偏離情況，下面給出利用干擾瞄準(zhǔn)修正方法的一個(gè)實(shí)例仿真對(duì)比。

在天線增益為10.36 dB，2#和3#干擾源夾角φ=15°，干擾距離d=1 km的條件下，對(duì)比2#干擾源瞄準(zhǔn)點(diǎn)修正前后的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8仿真結(jié)果知偏移距離為18 m。

圖8 瞄準(zhǔn)角修正前后輻射場(chǎng)分布對(duì)比

從圖8中結(jié)果可以看出，修正后的干擾信號(hào)輻射場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)與干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)重合，說(shuō)明該修正取得了良好的效果。

5 結(jié)論

由以上仿真計(jì)算結(jié)果可以得到動(dòng)態(tài)抗干擾試驗(yàn)布局設(shè)計(jì)中的如下一些結(jié)論：

1)當(dāng)干擾角α=90°，干擾信號(hào)輻射場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)與干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)重合，當(dāng)干擾角偏離90°時(shí)，干擾信號(hào)輻射場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)與干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移，并且干擾角偏離90°越大,干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)偏移量越大。

2)當(dāng)干擾角偏離最佳角時(shí)，如果其他條件相同，高增益天線相比低增益天線其干擾信號(hào)輻射場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)更靠近干擾瞄準(zhǔn)點(diǎn)，但其在仿真區(qū)域內(nèi)的下降更劇烈。

3)當(dāng)干擾角偏離最佳角時(shí)，如果其他條件相同，在干擾源發(fā)射功率足夠大的情況下，遠(yuǎn)距離相比近距離瞄準(zhǔn)性更好，且輻射場(chǎng)分布更均勻。不過(guò)，遠(yuǎn)距離帶來(lái)的最大問(wèn)題是干擾源的發(fā)射功率的增大，這是影響試驗(yàn)成本的一個(gè)重要因素，實(shí)際操作中，應(yīng)結(jié)合具體情況權(quán)衡，制定合理的方案。

4)文中提出的干擾瞄準(zhǔn)偏離修正方法對(duì)瞄準(zhǔn)偏離的修正可以取得良好的效果，可為試驗(yàn)中干擾源選址提供依據(jù)。

仿真中采用角錐喇叭作為干擾信號(hào)發(fā)射天線，由于其輻射口面電場(chǎng)分布已知，因此可以利用文中的半解析方法快速求解任意尺寸天線輻射場(chǎng)。但實(shí)際中不是所有的天線都能精確給出口面場(chǎng)分布或者電流分布，這時(shí)就需要測(cè)試天線輻射方向圖，仿真中利用測(cè)試數(shù)據(jù)插值得到所需的任一方向輻射特性。