衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗干擾能力分析

張鵬 賀劉 黃璽

摘? ?要：導(dǎo)航信號(hào)干擾是影響接收機(jī)穩(wěn)定處理信號(hào)的關(guān)鍵因素之一，文章通過數(shù)學(xué)仿真，對(duì)BPSK信號(hào)和BOC信號(hào)在解調(diào)和跟蹤階段針對(duì)窄帶干擾和匹配譜干擾下的工作性能進(jìn)行了分析比較，為衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗干擾編碼設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航;窄帶干擾;匹配譜干擾

接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的接收處理過程包括捕獲、跟蹤（偽碼跟蹤和載波跟蹤）和解調(diào)。不同的處理過程，干擾信號(hào)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響效果不盡相同。對(duì)捕獲、載波跟蹤和解調(diào)性能起決定性作用的是接收信號(hào)與參考信號(hào)，即時(shí)支路相關(guān)輸出的信噪比，對(duì)偽碼跟蹤性能起決定性作用的是鑒別器輸出的信噪比，它與參考信號(hào)的超前、滯后支路相關(guān)。

1? ? 導(dǎo)航信號(hào)的分析方法

信號(hào)體制的驗(yàn)證階段包括4個(gè)驗(yàn)證過程：理論評(píng)估、計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證、實(shí)物模擬仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證。（1）理論評(píng)估：基于導(dǎo)航信號(hào)特性以及碼/載波跟蹤理論，結(jié)合實(shí)際接收條件對(duì)采用某一種信號(hào)體制能達(dá)到的性能進(jìn)行評(píng)估。（2）計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證：通過計(jì)算機(jī)模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生、接收和處理過程，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。（3）實(shí)物模擬仿真：基于可靈活配置的信號(hào)發(fā)生模擬器和接收機(jī)來模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生、接收和處理過程，通過仿真試驗(yàn)來評(píng)估信號(hào)性能。（4）試驗(yàn)驗(yàn)證：基于廣播導(dǎo)航信號(hào)，在地面用實(shí)際接收機(jī)來接收處理導(dǎo)航信號(hào)，完成信號(hào)體制的最終確認(rèn)[1]。

這4種驗(yàn)證手段中，后期的驗(yàn)證手段可信度高，但驗(yàn)證周期也長(zhǎng)，代價(jià)也非常高昂。在未確定最終信號(hào)體制之前，無法設(shè)計(jì)實(shí)物的信號(hào)模擬器和相應(yīng)的接收機(jī)，信號(hào)體制的修改都將會(huì)帶來硬件上較大的變動(dòng)，修改設(shè)計(jì)所需的周期比較長(zhǎng)，代價(jià)也非常昂貴。理論評(píng)估方法可以很快地發(fā)現(xiàn)信號(hào)設(shè)計(jì)的問題，大幅降低后續(xù)驗(yàn)證過程中不能通過的風(fēng)險(xiǎn)，從而縮短設(shè)計(jì)周期。計(jì)算機(jī)模擬仿真方法的效率和可信度較高，可以對(duì)信號(hào)體制綜合適用性理論評(píng)估起到很好的補(bǔ)充作用。

在參數(shù)化接收平臺(tái)下，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)各具體指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，可以沿以下兩種技術(shù)途徑并行實(shí)施[2]。

（1）針對(duì)典型接收處理流程，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的性能指標(biāo)進(jìn)行理論分析和研究，得到性能指標(biāo)的理論計(jì)算公式，進(jìn)一步通過數(shù)值計(jì)算的方式可以得到相應(yīng)的性能指標(biāo)的理論值。這種方法的缺點(diǎn)在于：多數(shù)情況下很難甚至無法得到性能指標(biāo)的理論計(jì)算公式。但一旦可以推導(dǎo)出相應(yīng)的理論結(jié)果，這種方法具有的評(píng)估復(fù)雜度低、物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)是極為明顯的。

（2）在無法或很難得到性能指標(biāo)理論分析結(jié)果的情況下，可以利用軟件接收機(jī)平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行處理，通過仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到所需要的性能指標(biāo)值。之所以強(qiáng)調(diào)軟件接收機(jī)，是因?yàn)樗哂械膮?shù)可配置、算法可重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)正好適應(yīng)了導(dǎo)航信號(hào)性能評(píng)估的應(yīng)用需要。當(dāng)然，相比于上一種方法，這一仿真測(cè)試的方法在進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)性能評(píng)估時(shí)的計(jì)算復(fù)雜度較高。

2? ? 導(dǎo)航信號(hào)抗干擾評(píng)估方法

在接收機(jī)無任何抗干擾措施的情況下，中心頻率位于信號(hào)功率譜峰值點(diǎn)的窄帶干擾對(duì)接收機(jī)的干擾效果最為明顯，在考慮接收機(jī)抗干擾措施的情況下，匹配譜干擾是最難去除的干擾類型。因此，本文主要考慮兩種類型的干擾：窄帶（干擾帶寬遠(yuǎn)小于信號(hào)帶寬）干擾和匹配譜干擾。

綜合考慮干擾類型和處理過程，將抗干擾性能的評(píng)估分為4個(gè)方面：解調(diào)抗窄帶干擾、解調(diào)抗匹配譜干擾、碼跟蹤抗窄帶干擾、碼跟蹤抗匹配譜干擾?？拐瓗Ц蓴_能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用解調(diào)抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù)和碼跟蹤抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù)[3]。解調(diào)抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù)定義為：

（1）

碼跟蹤抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù)定義為：

（2）

抗匹配譜干擾的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用解調(diào)抗匹配譜干擾品質(zhì)因數(shù)和碼跟蹤抗匹配譜干擾品質(zhì)因數(shù)。解調(diào)抗匹配譜干擾品質(zhì)因數(shù)定義為：

（3）

碼跟蹤抗匹配譜干擾品質(zhì)因數(shù)定義為：

（4）

式（1）—（4）中，Rd為信息速率，Gs（f）為等效基帶信號(hào)的歸一化功率譜密度，單位為1/Hz。β為信號(hào)發(fā)射帶寬，單位Hz，MAX[·]表示取最大值的運(yùn)算。上述品質(zhì)因數(shù)越大，表明相應(yīng)處理環(huán)節(jié)抗對(duì)應(yīng)干擾的能力越強(qiáng)[4]。

3? ? 仿真分析

由圖1可知，干擾會(huì)影響信號(hào)的解調(diào)品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而影響誤碼率，因此，可以對(duì)不同干擾下的誤碼率影響做出定量的評(píng)估。圖2給出了在載波中心頻點(diǎn)加一個(gè)40 dB的窄帶干擾所造成的影響。

可以看到，中心頻點(diǎn)的干擾對(duì)二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK-R）信號(hào)的影響要大于對(duì)二進(jìn)制偏移載波（Binary Offset Carrier，BOC）信號(hào)的影響。這是因?yàn)锽OC信號(hào)在中心頻點(diǎn)上的能量為零。而如果這個(gè)窄帶干擾放在BOC信號(hào)的主瓣峰值處[5]，造成的影響如圖3所示。

因此，BOC的解調(diào)性能下降要比BPSK信號(hào)嚴(yán)重。這一結(jié)果也與直觀上的分析一致。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

通過仿真結(jié)果可以看出：（1）解調(diào)階段。當(dāng)受到位于中心頻點(diǎn)的窄帶干擾時(shí)，BOC信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)于BPSK信號(hào)。但當(dāng)窄帶干擾信號(hào)頻點(diǎn)位于BOC信號(hào)的主瓣峰值處時(shí)，BPSK信號(hào)的抗干擾能力更強(qiáng)。（2）跟蹤階段。BPSK信號(hào)面對(duì)窄帶干擾和匹配譜干擾時(shí)，具有比BOC信號(hào)更強(qiáng)的抗干擾能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]潘高峰.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾技術(shù)[D].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[2]王瑛，李毅松，蘇哲，等.AltBoc衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量分析[J].空間電子技術(shù)，2016（5）：26.

[3]王先發(fā)，禹化龍，張碧雄.我國(guó)未來衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的優(yōu)先選擇—BOC調(diào)制信號(hào)[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009（3）：307-312.

[4]劉禹圻，胡修林，燃一航，等.衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗單頻干擾性能研究[J].電子學(xué)報(bào)，2011（6）：1410-1416.

[5]楚恒林，李春霞.BOC調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].無線電工程，2010（6）：34-37.

Analysis of satellite navigation signals anti-interfere ability

Zhang Peng， He Liu， Huang Xi

（Troops of 63787， Shihezi 832000， China）

Abstract：The interference of navigation signals is one of the key factors for the operation of the receiver. In this paper， mathematical simulations of BPSK signals and BOC signals are conducted. During the demodulation and tracking stages， the differences between narrowband interference and match spectrum interference and match spectrum interference are analyzed and compared. This paper procides reference for anti-interference coding design of satellite navigation signals.

Key words：statellite navigation; narrowband interference; spectrum interference match