GNSS接收機(jī)抗干擾效能評估方法

稅利,張沖,王博,張旭

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心河南，洛陽 471003)

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GNSS接收機(jī)抗干擾效能評估方法

稅利,張沖,王博,張旭

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心河南，洛陽 471003)

摘要：GNSS抗干擾能力評估是GNSS系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用服務(wù)中面臨的一個(gè)重要問題,對抗干擾能力進(jìn)行評估首先在于具有一種合理的評估體系,因此,本文提出的GNSS接收機(jī)抗干擾能力評估體系構(gòu)建方法具有重要意義。文中系統(tǒng)介紹了GNSS接收機(jī)抗干擾能力評估方法的建立過程,包括接收機(jī)抗干擾能力的分類,指標(biāo)體系的構(gòu)建,以及如何具體實(shí)施,具有一定的可實(shí)施性。文中將GNSS接收機(jī)抗干擾能力分為固有抗干擾能力、主動抗干擾能力和被動抗干擾能力,然后從這三方面建立GNSS接收機(jī)的抗干擾效能評估指標(biāo),通過德爾菲法得到指標(biāo)體系中各指標(biāo)的重要性排序和各層次的重要性判斷矩陣,最后通過實(shí)測的指標(biāo)數(shù)據(jù)加權(quán)求和得到GNSS接收機(jī)總的抗干擾效能評估結(jié)果。

關(guān)鍵詞：GNSS接收機(jī);抗干擾;效能評估;層次分析法;德爾菲

0引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)在通信、指揮、控制、情報(bào)、計(jì)算機(jī)、偵察和監(jiān)視系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。各個(gè)經(jīng)濟(jì)和軍事強(qiáng)國都在大力發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),主要有美國的GPS,俄羅斯的GLONASS,以及正在研究和部署的歐洲的Galileo系統(tǒng)和我國北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS接收機(jī)極易受到干擾,因?yàn)橄到y(tǒng)用戶與衛(wèi)星距離遙遠(yuǎn),而與干擾源的距離相對近得多,干擾源無需用多大功率就可淹沒GNSS接收機(jī)上的衛(wèi)星信號,使得GNSS接收機(jī)精度變差甚至無法定位,所以防止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被敵方干擾和破壞成為導(dǎo)航對抗的首要任務(wù)[1-3]。如何客觀、全面地評價(jià)GNSS接收機(jī)的抗干擾能力,已成為接收機(jī)生產(chǎn)廠家和用戶共同關(guān)心的重要課題。

由于導(dǎo)航對抗是一個(gè)信息不完全動態(tài)博弈過程,其中包含了大量的不確定性因素、復(fù)雜技術(shù)因素和人為因素,對GNSS接收機(jī)抗干擾效能評估難度較大。GNSS接收機(jī)抗干擾效能綜合評估涉及到多指標(biāo)體系和多種技術(shù)手段,對其指標(biāo)體系應(yīng)能夠全面、客觀的反映GNSS接收機(jī)的整體抗干擾性能,并具有可測性。目前對GNSS接收機(jī)的抗干擾效能評估主要是測試在一個(gè)或者兩個(gè)寬帶(窄帶)干擾源下的抗干擾能力,對GNSS接收機(jī)的抗干擾效能評估不夠全面、客觀。

本文首先將GNSS接收機(jī)的抗干擾能力分為固有抗干擾能力、主動抗干擾能力和被動抗干擾能力,在此基礎(chǔ)上建立能夠較全面反映GNSS接收機(jī)抗干擾性能的指標(biāo)體系。通過科學(xué)合理的多層結(jié)構(gòu)分析,避免了評價(jià)指標(biāo)不全面,又規(guī)避了主觀的復(fù)雜因素。

1GNSS接收機(jī)抗干擾效能評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

對于一個(gè)GNSS接收機(jī),由于采用了不同的抗干擾技術(shù),對不同干擾樣式的抗干擾能力不同,不能僅通過采用抗干擾措施前后性能的提高差異來比較。

1.1GNSS接收機(jī)抗干擾能力分類

有些GNSS接收機(jī)的基本參數(shù)雖然不是接收機(jī)的抗干擾措施,但是它們是形成接收機(jī)設(shè)計(jì)功能的基本條件,實(shí)現(xiàn)接收機(jī)所必須的系統(tǒng)參數(shù),對接收機(jī)的抗干擾能力有較為重要的作用。這些參數(shù)包括天線特性,接收機(jī)工作模式和接收信號,這些參數(shù)的選擇會引起接收機(jī)抗干擾能力的變化[4]。本文將這些參數(shù)所影響的抗干擾能力稱為接收機(jī)的固有抗干擾能力。

聯(lián)系人： 稅利 E-mail: 182483053@qq.com

當(dāng)GNSS接收機(jī)處于干擾環(huán)境中時(shí),會采取一些積極的措施或者信號處理等多種手段來阻止、抑制干擾,以改善接收機(jī)應(yīng)對干擾環(huán)境的能力。目前的抗干擾措施主要有兩種設(shè)計(jì)思路:

1) 主動抗干擾措施。主要有阻止干擾信號進(jìn)入接收機(jī)的前端濾波技術(shù)和輔助導(dǎo)航的組合導(dǎo)航定位技術(shù)兩種[3,5]。

2) 被動抗干擾措施。當(dāng)干擾已經(jīng)進(jìn)入接收機(jī)后,可考慮在信息處理階段完成對干擾的抑制,利用抗干擾算法提高接收機(jī)的衛(wèi)星捕獲、衛(wèi)星跟蹤和數(shù)據(jù)處理能力[4,6]。

1.2分層指標(biāo)體系的構(gòu)建

圖1　GNSS接收機(jī)抗干擾效能評估指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)圖

基于上述對GNSS接收機(jī)抗干擾能力和抗干擾措施的分類,結(jié)合層次分析法解決問題的思路,本文建立的GNSS接收機(jī)抗干擾效能評估指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。本指標(biāo)體系由3個(gè)一級指標(biāo)構(gòu)成:GNSS接收機(jī)的固有抗干擾能力、主動抗干擾能力和被動抗干擾能力。其中固有抗干擾能力包括天線、工作模式和接收信號3個(gè)二級指標(biāo),主動抗干擾能力包括前端濾波和組合導(dǎo)航2個(gè)二級指標(biāo),被動抗干擾能力包括衛(wèi)星捕獲、衛(wèi)星跟蹤和數(shù)據(jù)處理3個(gè)二級指標(biāo)。每個(gè)二級指標(biāo)下設(shè)若干個(gè)三級指標(biāo)。該指標(biāo)體系共包括26個(gè)指標(biāo),涵蓋了與GNSS接收機(jī)抗干擾能力有關(guān)的多種要素。其中各指標(biāo)變量的名稱、代碼以及含義如下:

D1:天線增益G.提高接收機(jī)接收衛(wèi)星信號的信噪比;

D2:低仰角抑制。低仰角的衛(wèi)星信號較弱,容易受到干擾,且可以抑制部分多徑和來自低仰角的干擾信號;

D3:GPS.美國的全球定位系統(tǒng),覆蓋全球,接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行導(dǎo)航定位;

D4:GLONASS.俄羅斯的全球定位系統(tǒng),覆蓋全球,接收機(jī)接收GLONASS衛(wèi)星信號進(jìn)行導(dǎo)航定位;

D5:北斗。中國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),目前覆蓋中國和周邊部分區(qū)域,接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號進(jìn)行導(dǎo)航定位;

D6:伽利略。歐洲的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),目前處于研究和部署階段;

D7:兼容。接收機(jī)可以接收多個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號進(jìn)行兼容定位;

D8:C/A碼。又稱民碼,主要作為民用,其信號體制為公開,極易受到干擾;

D9:P碼。又稱軍碼,主要作為軍事用途,衛(wèi)星信號保密,抗干擾能力強(qiáng);

D10:頻譜濾波。包括帶通和帶阻濾波,此技術(shù)用于限定的窄帶和CW干擾源,以及強(qiáng)的帶外干擾;

D11:時(shí)間濾波。在時(shí)間域內(nèi)對信號特征進(jìn)行處理,用于多個(gè)窄帶噪聲干擾和CW干擾源,也能用于多路效應(yīng)和回波抵消干擾問題;

D12:調(diào)零技術(shù)。采用自適應(yīng)調(diào)零天線,通過天線的波束指向和波束形成抑制干擾,這種辦法可同時(shí)對付窄帶和寬帶干擾,常見的有四陣元和七陣元的調(diào)零天線；

D13:波束轉(zhuǎn)換。一般利用自適應(yīng)平面陣列,根據(jù)GNSS衛(wèi)星的選擇性和干擾抑制的不同程度來提供波束控制;

D14:幅/相抵消技術(shù)。一般用裝置在飛機(jī)頂端和底端的兩個(gè)不同的天線模式來接收干擾信號和GNSS+干擾信號的混合信號,這兩個(gè)信號組合在一起來抵消GNSS+干擾路徑中的干擾信號,用于寬帶和窄帶干擾源;

D15:自適應(yīng)極化。利用極化調(diào)零來消除干擾信號,極化調(diào)零的實(shí)現(xiàn)是利用一個(gè)偵察和跟蹤/控制通道來識別和跟蹤干擾信號的相位和幅度,再用一個(gè)混合連接抵消電路來抵消復(fù)合接收信號中的干擾部分;

D16:GNSS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航。GNSS接收機(jī)與IMU/INS組合后, 當(dāng)GNSS接收機(jī)受到射頻干擾時(shí),IMU/INS系統(tǒng)可提供記憶功能,并使組合系統(tǒng)最終從所產(chǎn)生的任何導(dǎo)航誤差中恢復(fù),有緊耦合、超緊耦合;

D17:GNSS/地形輔助導(dǎo)航。由GNSS接收機(jī)與無線電高度表和數(shù)字地圖構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

D18:A-GNSS.輔助全球定位系統(tǒng),將無線通信信號、光跟蹤、超聲波等定位方法與GNSS相結(jié)合組成的導(dǎo)航定位系統(tǒng);

D19:捕獲靈敏度。GNSS接收機(jī)輸出滿足定位精度要求的位置結(jié)果時(shí),所對應(yīng)的最低捕獲信號功率;

D20:虛警概率。GNSS接收機(jī)捕獲到錯(cuò)誤的衛(wèi)星信號的概率;

D21:P碼直捕。GNSS接收機(jī)不借助C/A碼,實(shí)現(xiàn)P碼的快速直接捕獲;

D22:跟蹤靈敏度。GNSS接收機(jī)能夠保持穩(wěn)定輸出符合定位精度要求的位置結(jié)果時(shí),所對應(yīng)的最低跟蹤信號功率;

D23:解調(diào)靈敏度。GNSS接收機(jī)在對衛(wèi)星信號保持跟蹤后,輸出符合接收誤碼率要求所對應(yīng)的最低接收信號功率;

D24:抗多路徑。接收機(jī)內(nèi)部采用窄相關(guān)、PAC等一些抗多徑信號處理算法,數(shù)據(jù)處理采用載波偽距或其它殘差校驗(yàn)消除大的誤差;

D25:抗欺騙干擾。采取一些抗欺騙干擾信號的算法,有效檢測或抑制欺騙干擾信號;

D26:矢量接收機(jī)。矢量接收機(jī)同時(shí)接收多顆衛(wèi)星信號,并且將信號跟蹤與位置/速度估計(jì)兩項(xiàng)任務(wù)合并為一個(gè)算法,使接收機(jī)能夠正常工作的最小載噪比降低,提高接收機(jī)的抗干擾能力。

2效能評估方法

層次分析法(AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。它通過對系統(tǒng)的指標(biāo)分層次綜合,經(jīng)過歸一化和一致性分析,得出系統(tǒng)綜合效能[7-8]。

2.1層次分析法

該方法將一個(gè)復(fù)雜的問題分解成不同多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束)的若干層次,通過逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性,綜合決策者的判斷,求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重,最后再加權(quán)和的方法遞歸得到總的效能。

層次分析法的基本步驟是:

1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型。在深入分析實(shí)際問題的基礎(chǔ)上,將有關(guān)的各因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次,同一層的諸因素從屬于上一層因素,同時(shí)又支配下一層的因素。

2) 構(gòu)造成對比較陣。從第二層開始,對影響上一層每個(gè)因素的同一層因素,用成對比較法和1~9比較尺度構(gòu)造成對比較陣,直到最下層。

3) 計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。對每一個(gè)成對比較陣計(jì)算特征向量,并做一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過,特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量;若不通過,需重新構(gòu)造成對比較陣。

4) 計(jì)算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗(yàn)。

2.2指標(biāo)的重要性評估

每一個(gè)指標(biāo)對GNSS接收機(jī)抗干擾效能的重要性影響分為:不重要、略微重要、中度重要、非常重要和相當(dāng)重要5個(gè)等級,分別賦予分值1～5.經(jīng)過幾次反復(fù)咨詢和反饋,得到GNSS接收機(jī)抗干擾效能指標(biāo)重要度調(diào)查表,如表1所示。

表1　GNSS接收機(jī)抗干擾效能指標(biāo)重要度調(diào)查表

2.3判斷矩陣的構(gòu)造和總權(quán)重的計(jì)算

通過對專家問卷的統(tǒng)計(jì)分析,得到各指標(biāo)的重要性排序,進(jìn)一步利用1～9標(biāo)度法,得到A-Bi、Bi-Cj和Cj-Dk重要性判斷矩陣。其中i=1,2,3,j=1,2,…8,k=1,2,…26分別為B、C和D層指標(biāo)索引。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用和積法計(jì)算得到每一層對自己上一層的權(quán)重,進(jìn)而得到最底層指標(biāo)對總目標(biāo)的權(quán)重ωk,k=1,2,…26.指標(biāo)層B、C和D對上一層的權(quán)重貢獻(xiàn)分別如表2、表3和表4所示。

表2　指標(biāo)層B的權(quán)重貢獻(xiàn)

表3　指標(biāo)層C的權(quán)重貢獻(xiàn)

表4　指標(biāo)層D的權(quán)重貢獻(xiàn)

經(jīng)過一致性檢驗(yàn),上述排序符合一致性要求。從表4中可以看到D9、D12和D16所占的權(quán)重較大,說明P碼接收機(jī)、調(diào)零天線和慣導(dǎo)輔助導(dǎo)航技術(shù)在GNSS接收機(jī)抗干擾性能上有突出的作用。

通過對評估結(jié)果的量化可得到被評估的GNSS接收機(jī)抗干擾能力的等級水平。

3結(jié)束語

GNSS接收機(jī)抗干擾效能評估涉及的因素多,關(guān)系復(fù)雜,因此建立一套科學(xué)、公正、合理、實(shí)用和可操作性的評價(jià)指標(biāo)體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文將GNSS接收機(jī)的抗干擾能力分固有的抗干擾能力、主動抗干擾能力和被動抗干擾能力,在此基礎(chǔ)上建立了一套較全面反映GNSS接收機(jī)抗干擾性能的指標(biāo)體系。然后通過德爾菲法得到指標(biāo)體系中各指標(biāo)的重要性排序和各層次的重要性判斷矩陣。最后通過實(shí)測的指標(biāo)數(shù)據(jù)加權(quán)求和得到GNSS接收機(jī)總的抗干擾效能評估結(jié)果。本文對GNSS接收機(jī)抗干擾評價(jià)指標(biāo)體系的考慮可能還存在疏漏與不足之處,在未來工作中應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究,提高評估體系的科學(xué)性和客觀性。

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稅利(1983-),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航與導(dǎo)航對抗。

張沖(1988-),男,碩士,助理工程師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航與導(dǎo)航對抗。

王博(1980-),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)闇y繪與導(dǎo)航。

張旭(1984-),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理。

Application of Ntrip in the GNSS-RTK Single-Station

SHUI Li,ZHANG Chong,WANG Bo,ZHANG Xu

(LuoyangElectronicEquipmentTestingCenter,Luoyang471003,China)

Abstract:The anti-jamming ability of GNSS receiver is a complicated and important work. We firstly classify GNSS receiver anti-jamming capability into inherent ability, active ability and passive ability. Secondly,proceeding with the above three aspects, we construct the effectiveness evaluation index system. Thirdly,the importance order of the indexes and the importance judgment matrix of every level are obtained by Delphi method. Finally, the total anti-jamming effectiveness of GNSS receiver is evaluated by summing the measured data of indexes

Key words:GNSS receiver; anti-jamming; evaluation of effect; analytic hierarchy process; Delphi method

作者簡介

收稿日期：2015-06-08

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0044-06

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.009