壓制式干擾對(duì)GNSS接收機(jī)的影響及應(yīng)對(duì)策略

趙新曙,王 前

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引 言

隨著GNSS接收機(jī)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,信號(hào)抗干擾已成為導(dǎo)航戰(zhàn)的主要內(nèi)容。本文闡述了壓制式干擾對(duì)接收機(jī)信號(hào)捕獲和跟蹤的影響,采用時(shí)域?yàn)V波、自適應(yīng)調(diào)零、空時(shí)聯(lián)合三種處理方法檢驗(yàn)了多個(gè)干擾場(chǎng)景下的抗干擾效果,詳細(xì)分析不同的方案和參數(shù)設(shè)置帶來(lái)的不同處理效果,及其對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià),為研制抗干擾工程樣機(jī)、提升武器裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力提供理論依據(jù)。

GNSS接收機(jī)是通過(guò)接收處理衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的應(yīng)用終端,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。接收機(jī)在提高武器裝備的精確打擊、配合指揮系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度、救助傷員等多個(gè)軍事領(lǐng)域都得到廣泛深入的應(yīng)用,但其收到的衛(wèi)星信號(hào)一般很微弱,在噪聲功率以下,極易受到其他射頻信號(hào)的有意或無(wú)意干擾。

針對(duì)這種情況,美軍采取多項(xiàng)措施彌補(bǔ)這一不足,如增大衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)射功率、采用新的軍用信號(hào)體制,采用點(diǎn)波束衛(wèi)星和偽衛(wèi)星等。上述幾項(xiàng)措施需要改造系統(tǒng)的空間段,更新舊的導(dǎo)航衛(wèi)星和對(duì)應(yīng)的接收終端才能實(shí)現(xiàn),必然花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。而研制具有抗干擾能力的接收機(jī),不改變系統(tǒng)的運(yùn)行體制,只需在現(xiàn)有接收機(jī)前端集成一個(gè)抗干擾模塊即可,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

國(guó)外GPS抗干擾型接收機(jī)發(fā)展較為成熟[1],部分武器平臺(tái)上已裝備了抗干擾接收機(jī)。如五月花通信公司的ACM系列抗干擾接收機(jī)、NAVSYS公司的CRPA陣列和HAGR接收機(jī)。這些接收機(jī)大都采用空域與時(shí)域聯(lián)合處理,已成為衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)發(fā)展的基本趨勢(shì);注重接收機(jī)整體架構(gòu)設(shè)計(jì),采用了數(shù)字前端、多主波束指向設(shè)計(jì)、利用跟蹤后復(fù)現(xiàn)有用信號(hào)進(jìn)行輔助等技術(shù)進(jìn)一步提升抗干擾性能。

我國(guó)的北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還處于建設(shè)中,二代無(wú)源用戶機(jī)也還處于探索研發(fā)階段。在天線陣抗干擾技術(shù)研究、穩(wěn)健抗干擾算法研究、矩陣求逆的降維處理、通道失配的校準(zhǔn)等方面取得了一系列的研究成果,但在工程實(shí)踐方面相對(duì)于廣泛應(yīng)用的GPS抗干擾裝備有一定差距。

本文建立接收機(jī)捕獲、跟蹤電路的數(shù)學(xué)模型,分析主要威脅壓制干擾對(duì)檢測(cè)概率、虛警概率、捕獲時(shí)間、跟蹤誤差等參數(shù)產(chǎn)生的影響,設(shè)置多種形式組合的壓制干擾場(chǎng)景,并通過(guò)仿真試驗(yàn)選取合適的濾波方式驗(yàn)證抗干擾的效果。

1 壓制式干擾對(duì)信號(hào)處理的影響分析

1.1 壓制式干擾對(duì)信號(hào)捕獲的影響

為精確測(cè)量GNSS導(dǎo)航信號(hào)的傳播路徑延遲,GNSS信號(hào)在功能設(shè)計(jì)上一般具有較好的隱蔽性和快速捕獲能力,目前，通常采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS),并配合二進(jìn)制相移鍵控體制(BPSK)。接收信號(hào)表達(dá)式可視為RF載波、數(shù)據(jù)信號(hào)以及基帶擴(kuò)頻信號(hào)的三者乘積[2]。信號(hào)捕獲通過(guò)載波域和擴(kuò)頻碼域的二維搜索,在滿足一定的捕獲門限后,獲得粗略的碼相位和載波相位參數(shù)值。

信號(hào)的搜索和檢測(cè)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程,在每個(gè)方格的積分搜索時(shí)間TD內(nèi),可能僅包含噪聲或者信號(hào)和噪聲兩種情況,設(shè)有噪聲無(wú)信號(hào)時(shí)的概率密度函數(shù)(PDF)為pn(x),服從瑞利分布;有噪聲又有信號(hào)時(shí)的PDF為ps(x),服從萊斯分布;捕獲門限為Vt,則單次試驗(yàn)的檢測(cè)概率Pd和虛警概率Pfa由式(1)確定。

(1)

由于虛警概率的存在,導(dǎo)致檢測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤,需要多次檢測(cè)才能作出正確的判斷。設(shè)信號(hào)捕獲方式為順序串行搜索,步進(jìn)量為0.5個(gè)碼元,此捕獲系統(tǒng)可抽象成N狀態(tài)Markov鏈的生成函數(shù),利用傳遞函數(shù)和級(jí)數(shù)理論可得平均捕獲時(shí)間的表達(dá)式為

(2)

式中:k為錯(cuò)誤判決代價(jià)因子;q為2倍的擴(kuò)頻碼序列長(zhǎng)度。

當(dāng)接收機(jī)受到窄帶或?qū)拵Ц蓴_時(shí),可理解成添加了不同帶寬的高斯噪聲,會(huì)引起信號(hào)載噪比的惡化,定義載噪比C/N0衡量導(dǎo)航信號(hào)受到射頻壓制干擾的嚴(yán)重程度,即1 Hz帶寬內(nèi)載波和噪聲的功率比值,其表達(dá)式為

(3)

式中:Q為擴(kuò)頻處理增益調(diào)節(jié)因數(shù);Rc為擴(kuò)頻碼速率;j/s為干信比,j/s的變大會(huì)直接降低C/N0從而降低檢測(cè)概率Pd增加虛警概率Pfa,最終導(dǎo)致捕獲時(shí)間的加長(zhǎng)甚至完全失鎖。

仿真效果如圖1和圖2所示。由圖可知,GNSS接收機(jī)本身具有一定的抗干擾能力,一般能抵御大于信號(hào)強(qiáng)度25至30 dB的干擾。隨著積分時(shí)間的增加,抗干擾的能力也越來(lái)越強(qiáng),但捕獲的時(shí)間也隨之增加。在同等干信比條件下,窄帶干擾對(duì)接收機(jī)的干擾效果要優(yōu)于寬帶干擾。這是因?yàn)檎瓗Ц蓴_能量集中在信號(hào)的中心頻率附近,在很大程度上損傷信號(hào)能量的最集中部分,而寬帶干擾的能量已經(jīng)擴(kuò)散到信號(hào)的整個(gè)帶寬上,有一部分損傷了信號(hào)頻譜的邊緣部分,因而，壓制的效果不如窄帶干擾明顯。

圖1 窄帶干擾下的捕獲性能

圖2 寬帶干擾下的捕獲性能

1.2 壓制干擾對(duì)信號(hào)跟蹤的影響

GNSS接收機(jī)在獲得粗略的載波相位和碼相位后,即轉(zhuǎn)入跟蹤階段,通過(guò)碼跟蹤環(huán)(DLL)獲得其偽距值[3]。具體的過(guò)程在數(shù)控振蕩器上復(fù)制一份與衛(wèi)星信號(hào)相位一致的擴(kuò)頻碼,生成碼相位測(cè)量值,再根據(jù)擴(kuò)頻碼的周期求得偽距測(cè)量值。此測(cè)量誤差主要包括兩個(gè)因素:熱噪聲引起的碼相位抖動(dòng)以及動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。碼相位抖動(dòng)σtDLL受前后相關(guān)器間距D、環(huán)路噪聲帶寬BL、信號(hào)載噪比C/N0以及相干積分時(shí)間Tcoh等幾個(gè)變量的影響,不同的相關(guān)器間距D會(huì)引起不同的抖動(dòng)σtDLL,同等條件下,間距D越大,抖動(dòng)誤差越大,同時(shí)降低射頻前端帶寬Bfe的設(shè)計(jì)指標(biāo),在工程上較易實(shí)現(xiàn),定義抖動(dòng)σtDLL表達(dá)式為

(4)

由式(4)可知:C/N0的減小會(huì)導(dǎo)致σtDLL的增大,從而影響偽距精度。綜合式(3)和(4),可定量的分析干擾強(qiáng)度對(duì)偽距精度的影響。

動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差Re則與載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。σtDLL和Re之間是一個(gè)相互制約的關(guān)系,從性能表現(xiàn)上看,Re越大,則接收機(jī)的動(dòng)態(tài)特性越強(qiáng),但容忍的噪聲誤差特性就越弱,可用經(jīng)驗(yàn)公式

3σDLL+Re≤d,(碼環(huán)鑒別器的牽入范圍2d).

(5)

接收機(jī)通常采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬BL的辦法在上述兩個(gè)制約中進(jìn)行折中,以滿足碼環(huán)的跟蹤靈敏度指標(biāo),獲得較佳的應(yīng)用性能。

設(shè)接收機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài),即Re=0,得到仿真結(jié)果如圖3和4所示。由圖可知,在干擾強(qiáng)度逐漸增大的情況下,碼環(huán)的跟蹤誤差逐漸增大,直到干信比在38 dB以上后完全失鎖。碼間距的減小有助于提高碼環(huán)的跟蹤靈敏度,此時(shí)前、中、后三個(gè)自相關(guān)結(jié)果幅值會(huì)集中到自相關(guān)函數(shù)曲線三角形主峰的頂端,更易辨別信號(hào)的相關(guān)峰值,便于鑒別器的準(zhǔn)確判斷。對(duì)比圖1、2和3、4,可知碼環(huán)的跟蹤門限較捕獲門限低6至7 dB.由于接收機(jī)處于待機(jī)工作狀態(tài)時(shí),絕大部分時(shí)間處于跟蹤模式,因此，跟蹤靈敏度高的特點(diǎn)間接提高了接收機(jī)的抗干擾能力。

圖3 窄帶干擾下的跟蹤性能

圖4 寬帶干擾下的跟蹤性能

2 抗干擾接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理

抗干擾算法決定了干擾抑制改善度和響應(yīng)速度,目前主要流行的抗干擾算法有三個(gè)方向:時(shí)域或頻域處理,空域陷零,空時(shí)聯(lián)合處理。時(shí)頻域處理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用單個(gè)天線,只能抑制在時(shí)頻分布上支撐域較小的脈沖或窄帶干擾。空域陷零算法應(yīng)用較廣,其基本原理利用自適應(yīng)天線陣技術(shù)在干擾方向形成零陷,抑制干擾進(jìn)入用戶機(jī),可濾除寬帶和窄帶干擾。空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)可在時(shí)空二維平面壓制干擾,抗干擾能力更強(qiáng),但處理更為復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)代價(jià)較大。

自適應(yīng)天線陣列包括多個(gè)天線陣元,各陣元通過(guò)微波網(wǎng)絡(luò)與處理器相連,處理器對(duì)從微波網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理后反饋調(diào)節(jié)微波網(wǎng)絡(luò),控制各陣元的增益和相位發(fā)生變化,在天線方向圖中產(chǎn)生對(duì)著干擾來(lái)向的零點(diǎn),從而抵消干擾。零點(diǎn)個(gè)數(shù)由天線個(gè)數(shù)決定,一般M個(gè)陣元可控M-1個(gè)零點(diǎn)。理想情況下,自適應(yīng)天線可使GPS接收機(jī)的抗干擾能力提高40～50 dB.自適應(yīng)天線零陷技術(shù)是美軍提高接收機(jī)抗干擾能力的重要方法。F-16戰(zhàn)斗機(jī)上的GPS接收機(jī)是由7根天線組成的天線陣;戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈BlockIV的GPS天線是由5根天線組成的天線陣。

自適應(yīng)陣列零限技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是與全數(shù)字化接收機(jī)的集成,受控相移單元放在數(shù)字化的中頻或基帶,形成全數(shù)字化抗干擾方案。由于全數(shù)字化方案中不再使用模擬的向量調(diào)節(jié)器,因而實(shí)際用于控制的權(quán)值更加精確,從而加快收斂速度、加深零陷深度。

空時(shí)聯(lián)合處理是空域和時(shí)域?yàn)V波的推廣,其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。橫向通道的各級(jí)延時(shí)構(gòu)成FIR濾波,可在時(shí)域去除干擾;縱向相同的時(shí)間延遲節(jié)點(diǎn),不同的陣元構(gòu)成空域的自適應(yīng)濾波,可分辨空間干擾源,形成空域零陷抑制空域干擾?？諘r(shí)聯(lián)合處理技術(shù)雖然抗干擾性能優(yōu)異,但計(jì)算復(fù)雜度高,文獻(xiàn)[4]提出多級(jí)嵌套維納濾波算法(MWF),突破矩陣求逆、協(xié)方差矩陣特征分解的思路,大大降低大階數(shù)維納濾波器的計(jì)算量,性能超出主成分方法和互譜度量方法。MWF主要通過(guò)迭代方法對(duì)矩陣進(jìn)行降維處理,在此基礎(chǔ)上,可采用Lanczos方法進(jìn)一步簡(jiǎn)化復(fù)雜度。

圖5 空時(shí)聯(lián)合處理結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

空域抗干擾算法利用衛(wèi)星信號(hào)與干擾信號(hào)形成的空間角度完成有用信號(hào)的提取,不同的干擾場(chǎng)景陣型往往對(duì)應(yīng)不同的天線陣列。以4元陣元為例,通常有線陣、均勻圓陣、中心圓陣等,其中均勻圓陣具有較廣的應(yīng)用范圍。天線熱噪聲為-101 dBm,陣元間距為信號(hào)波長(zhǎng)的1/2,各天線之間的增益不一致性為0 dB.空域和空時(shí)算法采用PI準(zhǔn)則,時(shí)域算法采用LMS準(zhǔn)則,其濾波器抽頭系數(shù)為15.衛(wèi)星信號(hào)為擴(kuò)頻信號(hào),擴(kuò)頻碼的碼長(zhǎng)為10 230,碼率為10 Mbps,信號(hào)帶寬為20 MHz,載噪比典型值為42 dBHz.寬帶干擾的帶寬及中心頻率與有用信號(hào)相同;中心頻率在信號(hào)帶寬之內(nèi)。信號(hào)干擾場(chǎng)景具體參數(shù)如表1所示。

為消除干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響,抗干擾算法通常利用某類準(zhǔn)則抑制干擾分量,但同時(shí)也在一定程度上損傷有用信號(hào),定義輸出輸入信號(hào)的信噪比差值來(lái)衡量算法的抗干擾性能,即信噪比損傷越小,反映了算法的抑制干擾效果越好。不同干擾場(chǎng)景下,不同算法的仿真結(jié)果如表2所示。

表1 仿真場(chǎng)景說(shuō)明

表2 干擾抑制效果 (單位dB)

由仿真結(jié)果可知:時(shí)域算法可濾除與有用信號(hào)同向的窄帶干擾,只有3個(gè)dB的信號(hào)損失,但對(duì)寬帶干擾抑制效果不佳。其原因是時(shí)域算法利用干擾信號(hào)在不同時(shí)刻取值相關(guān)的可預(yù)測(cè)性,采用FIR濾波器按照LMS準(zhǔn)則估計(jì)干擾,再?gòu)挠杏眯盘?hào)中進(jìn)行去除,而對(duì)于寬帶干擾無(wú)法預(yù)測(cè)其取值相關(guān)性?？沼蛩惴衫眯盘?hào)的空間來(lái)向來(lái)抑制干擾,在多個(gè)天線增益相互疊加的情況下,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)正增益的現(xiàn)象?？諘r(shí)算法則對(duì)多種復(fù)雜干擾場(chǎng)景均有較好的抑制效果,但在其處理帶寬上對(duì)頻率響應(yīng)不一致,一定程度上會(huì)引起有用信號(hào)的失真。信號(hào)的失真在一定的容忍范圍內(nèi)不會(huì)影響接收機(jī)的定位性能,這主要由信號(hào)本身的擴(kuò)頻增益性能決定,更準(zhǔn)確的方法是檢測(cè)信號(hào)相關(guān)峰的主瓣寬度和峰值位置是否發(fā)生嚴(yán)重畸變。本文第二部分的影響分析也說(shuō)明增加一定強(qiáng)度的噪聲基本上不會(huì)影響用戶機(jī)的正常工作。

目前,空時(shí)聯(lián)合處理的技術(shù)已廣泛應(yīng)用在我國(guó)自行研制的GNSS接收機(jī),實(shí)驗(yàn)的效果與本文的仿真結(jié)果基本相同,但在應(yīng)用過(guò)程中也確實(shí)存在急需解決的問(wèn)題。如算法的復(fù)雜度較高導(dǎo)致硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)較大,由此引發(fā)體積、功耗等一系列的技術(shù)問(wèn)題,可經(jīng)過(guò)通過(guò)算法層面和硬件操作層面的優(yōu)化,必要時(shí)要降低處理性能。陣元互耦和通道失配也是實(shí)踐中重點(diǎn)解決的問(wèn)題。陣元互耦會(huì)改變陣列接收信號(hào)的幅度和相位,選擇互耦強(qiáng)度不大的天線陣和PI準(zhǔn)則的LMS算法,可降低互耦對(duì)空域抗干擾性能的影響。為防止通道失配,應(yīng)選擇時(shí)延一致性較好的射頻通道,必要時(shí)可設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著“導(dǎo)航戰(zhàn)”的提出和興起,阻止敵方對(duì)接收機(jī)干擾,保證戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是導(dǎo)航戰(zhàn)的主要目標(biāo)之一。本文闡述了壓制干擾對(duì)接收機(jī)碼捕獲和碼跟蹤性能的影響,通過(guò)仿真試驗(yàn)得出現(xiàn)行信號(hào)體制下無(wú)干擾措施接收機(jī)所能承受最大抗干擾容限,采用時(shí)域?yàn)V波、自適應(yīng)調(diào)零、空時(shí)聯(lián)合三種處理方法檢驗(yàn)了多個(gè)干擾場(chǎng)景下的抗干擾效果,詳細(xì)分析不同的方案和參數(shù)設(shè)置會(huì)帶來(lái)的不同處理效果,及其對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià),為研制抗干擾工程樣機(jī)提供理論依據(jù)。需要提出的是,任何一種抗干擾措施都不可能完全解決接收機(jī)的干擾問(wèn)題,多種系統(tǒng)的組合導(dǎo)航[5-6]是保證武器裝備戰(zhàn)時(shí)具備導(dǎo)航能力的重要途徑。

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