BPSK調(diào)制壓制式干擾對北斗接收機(jī)B1I信號的影響研究

中國華陰兵器試驗中心 袁春興 蘇東初 楊 健 王瑞剛 解雙建

隨著北斗導(dǎo)航在社會各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)越來越重視干擾信號對北斗導(dǎo)航造成的影響。干擾信號主要分為無意的自然干擾和有意的人為干擾。對于自然干擾，業(yè)內(nèi)已有較為成熟的處理方案，而有意的人為干擾問題卻越來越突出，特別是容易對北斗接收機(jī)造成重大干擾的壓制干擾方式。

壓制干擾即發(fā)射干擾信號以壓制在北斗接收機(jī)射頻前端的北斗導(dǎo)航信號，通過時域和頻域的信號強(qiáng)度覆蓋，使得北斗接收機(jī)無法正常解調(diào)北斗導(dǎo)航信號，從而達(dá)到干擾北斗接收機(jī)正常工作的目的。一些研究結(jié)果表明：壓制干擾方式可能是對北斗導(dǎo)航信號解調(diào)威脅最大的干擾方式，常見對北斗接收機(jī)的壓制干擾方式有窄帶干擾和寬帶干擾等。

北斗衛(wèi)星發(fā)出導(dǎo)航信號，通過大氣層達(dá)到用戶段，這一過程中，導(dǎo)航信號的強(qiáng)度被大幅度衰減，用戶接收機(jī)的天線輸入端最小電平僅有-133dBm，極易受到壓制信號的干擾。研究壓制信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾原理與過程，對北斗接收機(jī)的正常與高質(zhì)量工作具有重要意義。

本文通過分析，研究了窄帶和寬帶BPSK調(diào)制下的壓制干擾信號對北斗直擴(kuò)接收機(jī)B1I信號的影響，對壓制干擾信號的特性與北斗接收機(jī)在干擾下的效能、抗干擾手段的研究存在一定價值。

1 導(dǎo)航信號概述與生成

北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號從結(jié)構(gòu)上分為三個層次：載波、測距碼、數(shù)據(jù)碼。測距碼和數(shù)據(jù)碼一起通過調(diào)制依附在正弦波形式的載波上。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的B1I信號采用BPSK調(diào)制，BPSK調(diào)制信號表示為：

式中，A為信號幅值；C為測距碼；D為數(shù)據(jù)碼；f為信號載波頻率（1561.098MHz）；φ為載波初始相位。

圖1為北斗B1I信號結(jié)構(gòu)示意圖。在衛(wèi)星信號發(fā)射端，PRN編號為i的衛(wèi)星首先將數(shù)據(jù)碼與測距碼異或相加，從而完成數(shù)據(jù)碼對測距碼的調(diào)制。接著，將兩者的組合碼再對載波進(jìn)行BPSK調(diào)制，使整個測距碼信號以載波中心頻率被衛(wèi)星發(fā)射出去。如圖2所示。

圖1 北斗B1I信號結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 北斗B1I信號頻譜圖

2 壓制式干擾信號概述與生成

由于B1I信號采用BPSK調(diào)制，為了達(dá)到更好的干擾效果，壓制式干擾信號同樣采用BPSK調(diào)制。

壓制式干擾主要分為窄帶壓制和寬帶壓制。窄帶干擾是指干擾信號帶寬小于擴(kuò)頻信號帶寬的干擾信號，其主要參數(shù)有起始頻率、終止頻率和干擾帶寬。在實(shí)際工作環(huán)境中，BPSK窄帶干擾（BPSK-NBI）可通過直接數(shù)字頻率合成器（DDS）產(chǎn)生BPSK信號后再將其調(diào)制到導(dǎo)航載頻上產(chǎn)生。BPSK窄帶干擾的隨機(jī)二進(jìn)制碼碼元速率調(diào)快即可產(chǎn)生寬帶BPSK干擾（BPSK-WBI）。

BPSK干擾IBPSK(t)的數(shù)學(xué)模型為：

式中，PJ為干擾功率；fc為干擾載頻；θ為調(diào)制載波隨機(jī)相位；an為隨機(jī)二進(jìn)制非歸零比特流；Tb為二進(jìn)制比特的碼元寬度。

an的表達(dá)式為：

調(diào)整PJ、fc、Tb的值即可產(chǎn)生不同功率、載頻和帶寬的BPSK干擾信號。為了最大限度壓制接收機(jī)，往往使Tb等于相應(yīng)導(dǎo)航頻點(diǎn)對應(yīng)測距碼的碼片寬度。BPSK干擾的功率頻譜PBPSK(f)為：

窄帶干擾和寬帶干擾信號頻譜圖如圖3和圖4所示。

圖3 2.046MHz帶寬壓制干擾信號

圖4 20.46MHz帶寬壓制干擾信號

如圖3所示，調(diào)整BPSK碼速率2.046Mbps，產(chǎn)生帶寬為2.046MHz的壓制信號。

如圖4所示，調(diào)整BPSK碼速率20.46Mbps，產(chǎn)生帶寬為20.46MHz的壓制信號。

從圖3和圖4可看出壓制信號的功率譜與BI1導(dǎo)航信號的功率譜形狀十分類似，同樣具有主譜瓣和延拓的旁瓣，除了調(diào)制的比特流與幅度不同之外，兩者并無明顯差異，這使得BPSK調(diào)制的壓制信號與B1I導(dǎo)航信號混淆之后難以分離。并且BPSK調(diào)制的壓制干擾信號，使得原本的周期性載波信號變成了具有非周期干擾信號，造成原本在頻域上的單峰離散譜變成了具有一定帶寬的連續(xù)譜，擴(kuò)大了干擾信號影響的頻譜范圍。

3 干擾半實(shí)物仿真試驗

為了接近真實(shí)情況分析壓制式干擾對北斗接收機(jī)信號處理的影響，本文搭建測試平臺進(jìn)行了測試試驗。測試平臺由北斗導(dǎo)航測試暗室、GNS-8460衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器、SMBV100A信號發(fā)生器、C230-AT-R北斗導(dǎo)航接收機(jī)，性能測試采用TX-6B終端性能測試轉(zhuǎn)臺、FSQ26矢量信號分析儀。利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器產(chǎn)生北斗導(dǎo)航信號，信號發(fā)生器產(chǎn)生寬帶和窄帶壓制導(dǎo)航干擾信號，測試不同干擾條件下對北斗導(dǎo)航接收機(jī)的影響。

測試平臺如圖5所示。

圖5 測試平臺連接圖

3.1 測試步驟

測試過程步驟如下所示：

（1）設(shè)置檢測平臺場景為相應(yīng)干擾場景。按要求設(shè)定B1I導(dǎo)航信號，并播發(fā)信號，120s后檢測平臺播發(fā)干擾信號。

（2）檢測平臺通過串口設(shè)置接收機(jī)輸出定位和測速精度數(shù)據(jù)。

（3）如果接收機(jī)在檢測開始2min后沒有上報定位、測速數(shù)據(jù)、上報定位和測速數(shù)據(jù)過程存在30s以上中斷，則判定接收機(jī)工作異常。

（4）如果接收機(jī)正常上報定位和測速數(shù)據(jù)結(jié)果，待結(jié)果數(shù)據(jù)不少于設(shè)定的個數(shù)或者采集時間達(dá)到設(shè)定時間，檢測平臺設(shè)置接收機(jī)停止定位結(jié)果輸出，并統(tǒng)計接收機(jī)的定位和測速誤差。如果上報數(shù)據(jù)少于設(shè)定的個數(shù)或誤差過大則判定接收機(jī)工作異常。

（5）如果接收機(jī)工作正常，則干信比增加1dB繼續(xù)測試。

在測試評估階段，檢測平臺將接收機(jī)上報的定位測速信息與檢測平臺設(shè)置的已知位置速度信息進(jìn)行比較，計算位置和測速誤差。位置誤差有三種表達(dá)方式：空間位置誤差，水平誤差和高程誤差。水平誤差計算方法如下：

式中，Δr為水平誤差；ΔE為東向位置誤差分量；ΔN為北向位置誤差分量。空間位置誤差計算方法如下：

式中，ΔH為水平誤差。東向位置誤差分量、北向位置誤差分量、高程位置誤差分量的計算方法如下：

式中，j為參加統(tǒng)計的定位信息樣本序號；n為樣本總數(shù)；x′i,j為接收機(jī)輸出的位置分量值；xi,j為檢測平臺仿真的已知位置分量值；i取值E（東向）、N（北向）或H（高程）。

檢測平臺對n個測量結(jié)果按照從小到大進(jìn)行排序。取第[n·95%]個結(jié)果作為本次檢定的定位精度。如果該值大于指標(biāo)要求的規(guī)定，則判定接收機(jī)工作異常。

接收機(jī)正常工作條件下最大干信比定義為接收機(jī)的干擾抑制度。

3.2 測試結(jié)果

試驗內(nèi)容與測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果表

在試驗中，搭建了三種不同測試環(huán)境，其中衛(wèi)星信號功率和干擾信號調(diào)制樣式保持一致。窄帶干擾帶寬為典型值2.046MHz，寬帶干擾帶寬為典型值20.46MHz?？梢钥闯?，在這三種測試情況下，窄帶干擾信號下接收機(jī)的干擾抑制度均稍大于寬帶干擾信號下接收機(jī)的干擾抑制度，這說明寬帶干擾效果相對窄帶干擾較為明顯。

結(jié)語：本文首先介紹了導(dǎo)航信號和壓制式干擾信號，著重介紹了信號生成方法，為后面半實(shí)物仿真試驗奠定了基礎(chǔ)。后在半實(shí)物仿真條件下，研究了BPSK調(diào)制壓制式干擾信號對北斗導(dǎo)航信號的影響。試驗結(jié)果得出：同步加大寬帶干擾和窄帶干擾的功率，寬帶干擾首先使得該試驗北斗接收機(jī)無法正常工作，被測接收機(jī)具有較低的寬帶干擾抑制度，寬帶干擾綜合干擾效果較好。