導航接收機跟蹤環(huán)路在電磁干擾下的效應律研究

張慶龍， 王玉明， 程二威， 馬立云， 陳亞洲

(陸軍工程大學 石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應國家重點實驗室, 河北，石家莊 050003)

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的逐漸完善，北斗導航接收機在眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了應用，但由于到達地表附近的衛(wèi)星信號極其微弱，很容易受到各類電磁信號的干擾和惡意破壞，尤其是在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，由于各種通信裝備以及電子對抗裝備等用頻裝備的存在，產(chǎn)生了針對導航接收機有意或無意的電磁干擾，使得空間電磁環(huán)境更加復雜. 當干擾信號通過射頻前端濾波器進入到接收機內(nèi)部時，其不僅影響導航接收機射頻前端的各種增益電路，并且在信號處理通道中，降低了導航接收機對衛(wèi)星信號的跟蹤性能，進而影響了接收機的定位精度，這對于依靠衛(wèi)星導航定位的移動載體而言，將嚴重影響其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮.

目前針對衛(wèi)星導航接收機在電磁干擾下性能的研究分為兩個方面[1]：一是從信號質(zhì)量上仿真分析電磁干擾對接收機跟蹤性能以及定位精度的變化規(guī)律；二是從電磁兼容試驗出發(fā)研究其試驗方法，并通過試驗測量得到接收機對某一衛(wèi)星跟蹤失鎖或接收機定位功能失效的敏感度閾值. 文獻[2-3]中針對非相干鑒相器，推導得出了單頻干擾下最大跟蹤誤差的解析式，并分析了不同調(diào)制方式和干擾條件下碼跟蹤誤差的影響規(guī)律；文獻[4-5]中在推導了碼跟蹤誤差和載波跟蹤誤差數(shù)學解析式的基礎上，依據(jù)偽碼的譜線效應，研究了在不同頻率連續(xù)波干擾下跟蹤環(huán)路載波跟蹤誤差和碼跟蹤誤差的變化規(guī)律；文獻[6]提出了一種基于“干擾誤差包絡”和“平均誤差包絡”的評估方法，可以定量分析導航信號在連續(xù)波干擾下的碼跟蹤誤差變化規(guī)律；文獻[7]利用仿真手段，以載波環(huán)跟蹤門限值為失鎖條件，研究了在導航接收機內(nèi)部某一衛(wèi)星信號在單頻連續(xù)波干擾下的最佳干擾位置，并分析雙頻連續(xù)波干擾下載波跟蹤環(huán)路失鎖的規(guī)律，但并沒給出雙頻干擾與單頻干擾的內(nèi)在關(guān)系；文獻[8]針對3種不同類型的GPS接收機開展了連續(xù)波和超寬帶的輻照效應試驗，通過對比不同接收機的敏感閾值和損傷閾值，得到了其抗電磁干擾能力的差異，但是這種電磁兼容試驗只能定性地研究其抗電磁干擾的能力. 本文將在這些研究成果的基礎上，通過對電磁信號干擾下相關(guān)器輸出的等效載噪比數(shù)學模型分析，建立雙源電磁干擾下導航接收機跟蹤環(huán)路失鎖的效應模型. 然后利用相關(guān)試驗設備搭建電磁干擾效應試驗平臺，對某型北斗導航接收機開展效應試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析導航接收機內(nèi)部某一跟蹤環(huán)路失鎖時，雙源電磁干擾信號功率組合的變化規(guī)律，并利用試驗數(shù)據(jù)驗證該效應模型在不同類型干擾源組合下的有效性.

1 跟蹤環(huán)路失鎖的效應模型

1.1 跟蹤環(huán)路失鎖判據(jù)

在衛(wèi)星導航接收機中，導航信號經(jīng)接收機射頻前端處理后變成數(shù)字中頻信號，然后進入基帶處理模塊，在該模塊中不同衛(wèi)星的中頻信號在不同信號通道進行處理，在信號通道里中頻信號需要首先經(jīng)過載波環(huán)，利用混頻機制剝離載波信號，然后經(jīng)過碼環(huán)剝離信號中的偽碼，才能得到接收信號中的導航電文數(shù)據(jù)和其它觀測量值，信號處理流程圖如圖1所示. 其中載波環(huán)性能的好壞直接影響后續(xù)碼環(huán)能否正確的剝離出信號中的偽碼，并且在實際接收機設計中為了提高跟蹤環(huán)路中碼環(huán)的測量精度，減少碼環(huán)因接收機受到較強動態(tài)應力時的誤差，大部分接收機還針對碼環(huán)采用了載波相位輔助的技術(shù)，這種設計雖然能夠減少碼環(huán)所受到的動態(tài)應力誤差，但使得碼環(huán)的運行不再獨立于載波環(huán)運行. 這樣看來盡管碼環(huán)比載波環(huán)更魯棒，但是當載波環(huán)對衛(wèi)星信號的跟蹤失鎖后，相關(guān)器后的積分濾波器的作用由于跟蹤誤差而受到削弱，并且碼環(huán)的動態(tài)應力誤差也會隨之增大，于是碼環(huán)也會隨之失去對接收信號偽碼的鎖定[9]. 所以在電磁信號干擾下，接收機的載波跟蹤環(huán)路將是接收機內(nèi)部信號通道的薄弱環(huán)節(jié).

圖1 信號處理流程圖Fig.1 Signal processing flow chart

載噪比是描述接收機性能的一個很重要的輸出參數(shù)[10]，例如：在加權(quán)最小二乘的定位解算方法中，其可以用來衡量加權(quán)系數(shù)；可以用來衡量碼環(huán)和載波環(huán)的跟蹤狀態(tài)和跟蹤策略，以及利用載噪比來抑制多路徑干擾等. 文獻[11]中指出接收機的環(huán)路中存在著這樣一個載噪比門限值：凡是信號載噪比低于門限值時，環(huán)路的相位測量誤差將超出環(huán)路的承受能力，導致環(huán)路喪失穩(wěn)定跟蹤該衛(wèi)星信號的能力，反之高于載噪比門限值時環(huán)路基本能夠穩(wěn)定跟蹤導航信號，所以載噪比門限值可以作為跟蹤環(huán)路在電磁干擾下的失鎖判據(jù).

1.2 跟蹤環(huán)路失鎖的效應模型

對于一個屏蔽性能良好的接收機而言，較強的干擾信號主要通過天線進入接收機的射頻前端，使得接收機內(nèi)部的放大器或混頻器超出其動態(tài)范圍，迫使電子器件工作于非線性區(qū)域，從而使有用信號無法得到有效放大，造成信號通道相關(guān)器輸出的載噪比大大降低，當載噪比低至門限值以下時，接收機將失去對這顆衛(wèi)星的跟蹤能力，當接收機內(nèi)部能夠跟蹤的衛(wèi)星數(shù)少于一定數(shù)目時，在無外界輔助定位的前提下，接收機會失去三維定位的能力. 基于此從雙源電磁干擾環(huán)境入手，研究在雙源電磁干擾下北斗導航接收機對某一衛(wèi)星信號跟蹤失鎖的效應模型.

電磁干擾下相關(guān)器輸出的等效載噪比數(shù)學模型如式(1)[9]

(1)

(2)

在這2個電磁信號同時干擾下，接收機信號通道失去對衛(wèi)星跟蹤能力時，載噪比的計算公式如式(3)所示

(3)

式中：當環(huán)路失鎖時，J1g和J2g為接收機同時接收到的2個電磁干擾信號的功率值.

聯(lián)立式(2)和式(3)，可以得到式(4)

(4)

進一步推導，由式(4)可以得出式(5)

(5)

式中S為模型系數(shù).

式(5)是導航接收機在雙源電磁干擾下對導航信號跟蹤失鎖的效應模型，當S<1時，表明在當前雙源干擾信號功率組合下，導航接收機信號通道不會失去對某顆衛(wèi)星的跟蹤能力；而當S≥1時，表明當前雙源干擾信號功率組合下，導航接收機信號通道內(nèi)的跟蹤環(huán)路性能將變得不再穩(wěn)定，嚴重時將會失去對某一衛(wèi)星的跟蹤能力. 該模型與文獻[12]中采用的冪級數(shù)法所涉及的機理不同，文獻[12]中側(cè)重的機理是接收機射頻前端放大器的阻塞原理，而本文模型的推導基于AGC[13-14]之后的相關(guān)器輸出實現(xiàn)的.

2 導航接收機電磁干擾注入效應試驗及模型驗證

為了驗證效應模型的有效性，以北斗導航接收機為試驗對象，以載噪比門限值為環(huán)路失鎖判據(jù)，搭建了針對導航接收機的電磁干擾注入效應試驗平臺.

2.1 單源電磁干擾注入效應試驗

具體的試驗配置如圖2所示. 工控機可以通過軟件配置導航信號模擬器產(chǎn)生需要的導航信號；信號發(fā)生器和可調(diào)衰減器組合用于產(chǎn)生特定頻率與功率的單頻連續(xù)波干擾信號；干擾信號和導航信號通過合路器一起傳輸至導航接收機或頻譜儀中，監(jiān)測計算機配有導航接收機監(jiān)測軟件，可以實時觀測導航接收機的衛(wèi)星信號接收狀態(tài)；其中圖2中所示的1號、2號和3號分別為3個轉(zhuǎn)接頭，用于選擇信號傳輸至接收機或者頻譜儀，虛線和實線表示兩者不能同時連接. 由于當導航接收機跟蹤環(huán)路失鎖時，電磁干擾信號功率較低，不宜直接用頻譜儀監(jiān)測，本文針對這一問題，本文采用了如下的監(jiān)測方法：首先將1號和3號轉(zhuǎn)接頭連接，可調(diào)衰減器置于a衰減檔，當接收機某一跟蹤環(huán)路失鎖時，記錄此時信號源的輸出值Px，然后將1號和2號轉(zhuǎn)接頭連接，可調(diào)衰減器置于0 dB衰減檔，信號源輸出值保持Px不變，其它試驗條件不變，記錄此時頻譜儀監(jiān)測得到的信號功率Pj，最后，測量衰減器在該干擾頻率下由0 dB檔變?yōu)閍檔后實際的衰減值為a′，那么接收機接收到的干擾信號功率P′可由式(6)得到

圖2 單源干擾注入效應試驗配置圖Fig.2 Signal-source interference injection experiment configuration diagram

P′=Pj-a′

(6)

依據(jù)上述試驗配置開展試驗，試驗過程中不改變各顆衛(wèi)星的信號功率，只調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率和幅值，記錄不同干擾頻率下，跟蹤環(huán)路失鎖時的干擾功率閾值，試驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同頻率下單頻干擾功率閾值變化曲線Fig.3 Variation of single-frequency interference power threshold at different frequencies

① 由于導航信號測距碼離散譜線的影響，每顆衛(wèi)星的最低干擾功率閾值出現(xiàn)在中心頻率兩側(cè)，且干擾功率閾值曲線并不是平滑的曲線，這是由于導航信號測距碼對連續(xù)波干擾的易感性[9]所導致的.

② 不同衛(wèi)星的干擾功率閾值變化曲線不盡相同，但基本都服從-sinc2(x)包絡，且不同衛(wèi)星的干擾功率閾值出現(xiàn)在不同的頻率處，這是由于不同的衛(wèi)星擁有不同的測距碼所導致的.

2.2 雙源電磁干擾注入效應試驗

雙源電磁干擾注入效應試驗在單頻連續(xù)波試驗配置的基礎上增加了一套信號發(fā)生器，其他試驗配置與單頻的試驗保持一致，其中新增加的信號發(fā)生器不僅可以產(chǎn)生單頻連續(xù)波信號，也可以產(chǎn)生具有一定帶寬的射頻信號. 具體試驗配置如圖4所示.

圖4 雙源干擾注入效應試驗配置圖Fig.4 Dual-source interference injection experiment configuration diagram

試驗過程中選取了4組電磁干擾信號組合，第1組為帶外雙頻連續(xù)波干擾信號組合，其頻率分別為f1=1 563.598 MHz和f2=1 557.298 MHz；第2組為帶內(nèi)雙頻連續(xù)波干擾信號組合，其頻率分別為f3=1 562.298 MHz和f4= 1 559.398 MHz；第3組為單頻連續(xù)波與窄帶干擾信號組合，其中單頻連續(xù)波頻率為f5= 1 560.498 MHz，窄帶干擾的中心頻率為1 562.348 MHz，帶寬為0.1 MHz，記為f(0.1)；第4組為單頻連續(xù)波與部分頻帶干擾信號組合，其中單頻連續(xù)波頻率為f6= 1 560.998 MHz，部分頻帶干擾的中心頻率為1 562.598 MHz，帶寬為1 MHz，記為f(1)；試驗對象為北斗3號星，4組試驗數(shù)據(jù)及模型的驗證結(jié)果如表1～表4所示，效應模型與實測數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖5所示.

表1 第1組試驗數(shù)據(jù)Tab.1 The first set of experiment data

表2 第2組試驗數(shù)據(jù)Tab.2 The second set of experiment data

表3 第3組試驗數(shù)據(jù)Tab.3 The third set of experiment data

表4 第4組試驗數(shù)據(jù)Tab.4 The fourth set of experiment data

根據(jù)表1～表4中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及圖5所示，可以得出以下結(jié)論：

圖5 效應模型與實測數(shù)據(jù)關(guān)系圖Fig.5 Relationship between effect model and measured data

① 導航接收機跟蹤環(huán)路失鎖時，雙源電磁干擾的功率組合中至少有一個干擾信號的功率臨近其失鎖功率閾值3 dB以內(nèi).

② 雙源干擾組合下的效應模型系數(shù)S基本都在1左右，模型最大誤差為1.36 dB，優(yōu)于國軍標[15]中規(guī)定的±3 dB允差要求，證明了本文所建立的導航接收機跟蹤環(huán)路的雙源電磁干擾效應模型的有效性.

產(chǎn)生誤差的主要因素有：

① 接收機實時輸出的載噪比具有一定的浮動，在以載噪比為失鎖判據(jù)時，存在一定的主觀誤差.

② 干擾信號功率監(jiān)測方法由于不是實時監(jiān)測，干擾信號功率的測量會引入一定的誤差.

3 結(jié) 論

根據(jù)導航接收機跟蹤環(huán)路失鎖的機理出發(fā)，以等效載噪比的數(shù)學模型為基礎，建立了跟蹤環(huán)路失鎖時雙源電磁干擾的效應模型，并在此基礎上開展了導航接收機的注入效應試驗. 主要結(jié)論如下：

① 在雙源電磁干擾下，導航接收機跟蹤環(huán)路失鎖時，雙源電磁干擾信號的功率組合中至少有一個干擾信號的功率臨近其失鎖閾值的3 dB以內(nèi).

② 為了驗證模型的廣泛適用性，選取了4種不同類型的干擾信號組合，并利用多種功率組合的試驗數(shù)據(jù)對效應模型進行了驗證，模型最大誤差為1.36 dB，優(yōu)于國軍標中規(guī)定的±3 dB允差要求，該模型揭示了導航接收機跟蹤環(huán)路失鎖時單源干擾與雙源干擾之間的內(nèi)在關(guān)系.

③ 本文提出的模型是基于雙源電磁干擾提出的，理論上可以將其擴展到多源電磁干擾的模型，雖然在本文試驗中采用的窄帶信號可以看成多種干擾頻率的組合，但還需對多源干擾的適用性進行進一步研究.