探討衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾功能設(shè)計及測試方法

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引言

在科學(xué)水平快速提高的背景下,促進(jìn)了衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的快速發(fā)展,不管在軍事領(lǐng)域還是人民生活中,衛(wèi)星導(dǎo)航都具有重要作用,可以準(zhǔn)確定位,提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息,然而,在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用過程中,由于微波干擾信號與大自然雷暴等因素的影響,導(dǎo)致電磁環(huán)境具有多樣化特點,導(dǎo)航難度逐漸增加,降低了衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用性能?；诖?測試人員當(dāng)下的重要研究課題之一是分析抗干擾技術(shù),進(jìn)行有效地科學(xué)試驗,提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)

1.1 天線抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾主要分為接收機抗干擾、天線抗干擾、衛(wèi)星抗干擾等,而干擾類型主要分為壓制型與干擾型。在衛(wèi)星通信中,較為常見的是天線抗干擾技術(shù),其主要包括三種:第一,智能天線技術(shù)。在衛(wèi)星信號接收時,需要利用智能天線,按照設(shè)定程序,大量子波束將會指向工作區(qū),使系統(tǒng)保持良好的工作狀態(tài)。第二,自適應(yīng)調(diào)零天線,可以加權(quán)處理天線的陣元,當(dāng)面對干擾源方向時可以進(jìn)行調(diào)零,可以降低衛(wèi)星導(dǎo)航受到的干擾。第三,多波束天線,可以根據(jù)實際需求,改變波束的范圍與方向,對提高抗干擾能力具有重要作用[1]。

1.2 擴展頻譜抗干擾技術(shù)

在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用過程中,衛(wèi)星導(dǎo)航信號落地功率低,伴隨著5G等應(yīng)用逐漸增加,頻譜越來越復(fù)雜,導(dǎo)航容易受到干擾,而擴頻通信具備抗干擾能力強、低截獲性以及抗多徑的特點,因此,可以使用擴展頻譜抗干擾技術(shù),即直接序列擴頻技術(shù),使導(dǎo)航成為寬帶信號,通過解擴稀釋干擾源的能量,提高抗干擾能力與信噪比。

1.3 編碼調(diào)制技術(shù)

在控制衛(wèi)星系統(tǒng)的差錯時,可以運用前向糾錯,采用R-S碼、BCH碼、vertibi譯碼等,當(dāng)衛(wèi)星受到干擾信號的影響時,可以采用級聯(lián)編碼技術(shù),其由兩種編碼技術(shù)組合而成,比單一編碼更加具有優(yōu)勢,近年來獲得了廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星抗干擾可以采用格狀編碼調(diào)制與連續(xù)相位調(diào)制,可以使衛(wèi)星系統(tǒng)具有良好的性能,擴大抗干擾的容限。

1.4 限幅技術(shù)

限幅技術(shù)在衛(wèi)星抗干擾技術(shù)中占據(jù)重要組成成分,其主要分為兩種形式,分別是軟限幅與硬限幅,其中硬限幅為非線性,在壓縮信號源時采用增大信號的方式,干擾類型與工作壓縮比率之間具有緊密聯(lián)系,而軟限幅主要分為限幅區(qū)與線性區(qū),具有較高的應(yīng)用性能。美國和俄羅斯等國家導(dǎo)航都應(yīng)用了限幅技術(shù),避免發(fā)射器過于飽和而無法發(fā)射信號。

2 探討機載衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾功能設(shè)計

衛(wèi)星導(dǎo)航在國際區(qū)域性戰(zhàn)爭重要作用,從某種角度上而言,導(dǎo)航領(lǐng)域信息戰(zhàn)的本質(zhì)是導(dǎo)航戰(zhàn),即獲得電子頻譜的控制權(quán)。來自敵對方的有意干擾或者環(huán)境中如雷達(dá)的諧波等,容易影響衛(wèi)星導(dǎo)航信號,進(jìn)而降低導(dǎo)航精度,甚至直接出現(xiàn)阻塞的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了衛(wèi)星導(dǎo)航的效能與使用,因此需要采用抗干擾加固處理,使衛(wèi)星導(dǎo)航具有良好的抗干擾能力與接收能力,彼此在戰(zhàn)爭環(huán)境下,依然具備較強的作戰(zhàn)性能。在機載武器平臺中,衛(wèi)星導(dǎo)航的作用不言而喻,然而從目前情況來看,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)尚且需要完善,才能更好的利用導(dǎo)航資源,確保導(dǎo)航接收機可以抵抗外界信號的干擾[2]。

衛(wèi)星導(dǎo)航可以提供目標(biāo)的重要信息,例如精密時間、三維速率、三維空間坐標(biāo)等,然而衛(wèi)星導(dǎo)航的缺點在于信號功率低,甚至淹沒在噪聲中,容易受到外界信號的干擾。針對目前衛(wèi)星導(dǎo)航存在的捕獲能力低、動態(tài)跟蹤效果差、容易受到干擾等問題,可采取以下有效解決措施:第一,信號發(fā)射器應(yīng)當(dāng)提高發(fā)射功率。第二,信號接收端應(yīng)當(dāng)提高抗干擾能力,采用波束形成與空間濾波等方式,自動進(jìn)行調(diào)零工作。第三,提高衛(wèi)星導(dǎo)航的跟蹤捕獲能力、抗干擾能力。為了使導(dǎo)航接收機具有良好的功能,采用自適應(yīng)調(diào)整技術(shù),不斷提高其抗干擾能力,調(diào)零天線可以對各種壓制性干擾產(chǎn)生抑制作用,其中包括寬頻帶噪聲等,測試應(yīng)當(dāng)使用空間濾波技術(shù),提高衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用功能,使其具有良好的抗干擾能力。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾功能測試方法

3.1 設(shè)計原理與方案

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾測試主要由三個系統(tǒng)組成,分別為干擾信號仿真、衛(wèi)星信號仿真、控制與測試評估等系統(tǒng),各個系統(tǒng)中之間協(xié)同工作,在開展抗干擾測試項目時,可以在人機交互界面上進(jìn)行,對測試系統(tǒng)進(jìn)行有效控制,掌握測試的環(huán)境,了解用戶軌跡、空間環(huán)境、軌道參數(shù)、導(dǎo)航分布等信息。經(jīng)過仿真測試后,將會產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息,利用射頻信號仿真模塊,還可以產(chǎn)生仿真信號。測試人員可以利用射頻功率合成器,靈活切換無線測試與有線測試,同時輸出干擾仿真信號與無線仿真信號,為順利進(jìn)行測試提供便利。測試系統(tǒng)可以同時測試多臺設(shè)備,分路與合路仿真信號,利用射頻合成與控制矩陣開關(guān),可以增強自動化程度。

衛(wèi)星導(dǎo)航主要由三部分組成,分別是傳輸單元、處理單元、接收單元。在接收衛(wèi)星信號時,主要應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)零天線,在抗干擾處理過程中主要應(yīng)用相關(guān)處理器,在定位信息時,主要應(yīng)用導(dǎo)航接收機。傳輸信號的部位主要包括導(dǎo)航接收機、抗干擾處理器、自適應(yīng)調(diào)零天線,利用射頻電纜傳輸信號。在對設(shè)備和系統(tǒng)輸出信息時,主要利用數(shù)據(jù)總線進(jìn)行輸出。特征差別主要包括兩方面,分別是空間域特征和時域特征。從本質(zhì)上講,抗干擾的主要研究方向是分離信號,當(dāng)混合信號與期望信號之間具有較大的特征差別時,可以降低分離的難度,提高分離效率,在干擾測試系統(tǒng)中主要包括上位機、微波暗室、干擾信號模擬源、導(dǎo)航信號、上位機等,具有多種功能,例如,轉(zhuǎn)臺運動控制、儀表驅(qū)動、保存參數(shù)數(shù)據(jù)庫、構(gòu)建測試場景、實現(xiàn)系統(tǒng)自檢等。干擾信號與導(dǎo)航信號根據(jù)上位機的信息,可以產(chǎn)生相互呼應(yīng)的信號,具有多樣化的干擾模式,可以遠(yuǎn)程控制多路信號,復(fù)雜化干擾信號。在仿真系統(tǒng)中,微波暗室可以接受信號,主要對象是干擾模擬源與導(dǎo)航信號等,被用于導(dǎo)航接收端,并且利用轉(zhuǎn)臺可以對接收端的動態(tài)性能進(jìn)行測量,從而有效控制接收端,使其保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)[3]。

自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)的工作原理是對干擾裝置設(shè)置門限值,利用干擾信號與有用信號之間的差別,進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)零。若是干信比在門限值規(guī)定的范圍內(nèi),說明導(dǎo)航接收機處于正常運行狀態(tài),抗干擾裝置沒有發(fā)生任何改變。若是干信比超過門限值規(guī)定的范圍,則需要對各陣元進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,確保獲得最佳的權(quán)重值,干擾信號與零陷位置相對應(yīng),從而對干擾數(shù)量進(jìn)行抵消。在陣列天線中,干擾信號與衛(wèi)星信號可以利用噪聲放大器,將信號不斷放大,確?？垢蓴_處理器中接收到發(fā)送的射頻信號,在射頻模塊的作用下,可以進(jìn)行變頻處理,之后還需要進(jìn)行數(shù)字下變頻處理,在A/D變換完成后,射頻信號可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱阒蓄l數(shù)字信號。在自適應(yīng)運算過程中,處理單元應(yīng)當(dāng)根據(jù)相關(guān)的規(guī)定與準(zhǔn)則,運算零中頻信號,并且對其給予最優(yōu)加權(quán)量,根據(jù)規(guī)定的準(zhǔn)則,陣列輸出可以達(dá)到最大值。經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)變后,射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l模擬信號,可以恢復(fù)被抑制后的信號,并且利用上變頻器,使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機接收到射頻信號。

3.2 測試方法

安裝位置在一定程度上影響了調(diào)零天線的抗干擾能力,大致分為干擾與遮擋兩方面,自適應(yīng)調(diào)零天線與導(dǎo)航天線相比,具有較大的天線口面。由于緯度變化或姿態(tài)變化,天線與衛(wèi)星之間的仰角將會逐漸變小,導(dǎo)致減少可見星數(shù)量,會影響到DOP值,增加定位誤差[3]。

在抗干擾測試中常見的方法主要有兩種,一種是微波暗室測試,而另一種是室外真實場景測試,二者都需要在地面完成測試。測試前需要準(zhǔn)備測試的設(shè)備,主要包括直流電源、測試設(shè)備、干擾模擬源、普通天線、干擾發(fā)射天線等。在標(biāo)定干擾天線位置時,可以使用單發(fā)射天線,圓心是抗干擾天線的位置,在1 測試范圍內(nèi),放置位置可以是圓周的任意點。同時可以使用三發(fā)射天線,圓心依然是抗干擾天線的位置,先將一個干擾天線進(jìn)行固定處理,保持夾角為60度或120度,分別放置另外兩個干擾天線。

在標(biāo)定干擾源信號時,根據(jù)標(biāo)定后的位置放置干擾天線與普通天線,之后可以從不同的角度,讓干擾發(fā)射天線發(fā)射寬帶干擾信號,而且還要發(fā)射三種頻點,有利于增加發(fā)射功率,等到定位信息無法被接收機獲取時,可以對發(fā)射功率進(jìn)行記錄,掌握干擾信號的干擾范圍。在測試抗干擾能力時,在轉(zhuǎn)臺上應(yīng)當(dāng)使用抗干擾天線,對干信比與發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整,在轉(zhuǎn)臺上完成360度旋轉(zhuǎn)試驗,對速度精度與定位精度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,確保符合規(guī)定要求。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)具有重要作用,其技術(shù)水平較高,具有可行的應(yīng)用原理,而且測試過程較為簡單[5]。

測試需要選擇具有代表性的干擾源,利用多極化的方式,從有線與無線的角度上反映接收機受到電磁環(huán)境的影響,干擾源調(diào)制方式具有多樣化特點,可以采用脈沖、單音、多音、線性調(diào)頻、寬頻等方式,極化方式主要分為圓極化、線極化、垂直極化、水平極化等。在無線測試的過程中,可以組合測試天線極化與調(diào)制方式,對干擾信號的強度、類型、個數(shù)等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)論

綜上所述,由于衛(wèi)星導(dǎo)航的特點,導(dǎo)航信號較弱,對定位導(dǎo)航功能的應(yīng)用產(chǎn)生一定影響,甚至阻礙了衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展,對天線、接收機及算法采取不同的選擇,應(yīng)用于不同場景。提高其抗干擾性能,盡量減少復(fù)雜電磁環(huán)境與惡意干擾的影響。同時,建立測試評估系統(tǒng),不斷優(yōu)化評估方法,測試不同場景抗并定性分析抗干擾能力,具有良好的實際意義,增強導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性與魯棒性。