衛(wèi)星制導(dǎo)彈箭抗干擾性能試驗(yàn)方法研究

張正成，王棟梁，李凡聰，王軍林

（中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200）

0 引言

自1998年全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）建設(shè)以來，微電子新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以GNSS為主的組合導(dǎo)航測(cè)姿系統(tǒng)迅速發(fā)展[1]。我國自北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）投入使用以后，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。在常規(guī)彈藥領(lǐng)域，衛(wèi)星制導(dǎo)已變成了一種低成本的精確制導(dǎo)解決方案，大量的彈箭通過采用復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)，結(jié)合不同制導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，大幅度提高了作戰(zhàn)性能[2]。

由于衛(wèi)星距地面遙遠(yuǎn)，衛(wèi)星導(dǎo)航與制導(dǎo)組件收到的衛(wèi)星信號(hào)功率極小[3]，容易受到地面和空中的電磁干擾影響，這些干擾既包括由復(fù)雜電磁環(huán)境帶來的無意干擾，如雷達(dá)系統(tǒng)、廣播信號(hào)和微波通信等，又包括戰(zhàn)時(shí)的壓制干擾、欺騙干擾等有意干擾類型[4]。電磁干擾容易造成導(dǎo)航接收機(jī)鎖定衛(wèi)星信號(hào)定位失鎖，導(dǎo)航精度下降[4]。因此，在衛(wèi)星制導(dǎo)彈箭研制階段，通過配置不同的衛(wèi)星干擾環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星抗干擾能力評(píng)價(jià)，是衛(wèi)星導(dǎo)航與制導(dǎo)組件性能定量評(píng)估的關(guān)鍵途徑。

在衛(wèi)星抗干擾試驗(yàn)中，按照試驗(yàn)場(chǎng)景不同主要分為內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)和外場(chǎng)試驗(yàn)[5]。內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)在微波暗室中進(jìn)行，通過衛(wèi)星模擬器、干擾系統(tǒng)，測(cè)試制導(dǎo)艙接收星歷情況，評(píng)估其抗干擾能力。外場(chǎng)試驗(yàn)分為靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，制導(dǎo)艙接收真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)，通過增加干擾源評(píng)估其抗干擾能力。本文結(jié)合實(shí)際工作情況對(duì)以上幾種試驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行分析，研究如何通過少量代表性強(qiáng)的場(chǎng)景，真實(shí)、有效地評(píng)估測(cè)試其抗干擾性能，從而提高武器裝備研制效率。

1 試驗(yàn)方法研究

1.1 微波暗室試驗(yàn)

微波暗室利用屏蔽材料屏蔽外界電磁干擾，吸波材料抑制內(nèi)部電磁多路徑反射干擾，進(jìn)而提供電平低而恒定的磁環(huán)境，用來模擬無環(huán)境反射的自由空間，具有不受天氣因素的影響和通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)[6]。

如圖1所示，在微波暗室中布設(shè)干擾天線、衛(wèi)星天線和被試品，在測(cè)試間中通過干擾信號(hào)模擬器按照設(shè)定的干擾場(chǎng)景依次施加干擾，由測(cè)試設(shè)備得出每種干擾下的最大干信比數(shù)據(jù)及衛(wèi)星定位情況。

圖1 微波暗室試驗(yàn)法原理圖

1.2 外場(chǎng)靜態(tài)試驗(yàn)

外場(chǎng)按照工作原理不同可以分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，它們均為通過接收空間真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)來進(jìn)行抗干擾試驗(yàn)。如圖2所示，靜態(tài)試驗(yàn)方法為按照預(yù)設(shè)場(chǎng)景在被試品周圍布設(shè)干擾天線，通過依次施加不同的干擾，測(cè)試最大干信比數(shù)據(jù)及衛(wèi)星定位情況。

圖2 外場(chǎng)靜態(tài)試驗(yàn)原理圖

1.3 外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法為通過實(shí)彈射擊在目標(biāo)彈道線下進(jìn)行干擾源布設(shè)，以進(jìn)行抗干擾試驗(yàn)。如圖3所示，按照理論彈道，在落區(qū)布設(shè)衛(wèi)星干擾源G1，滿足彈體與G1的斜距d1距離在一定范圍內(nèi)；在航區(qū)內(nèi)布設(shè)衛(wèi)星干擾源G2、G3，滿足彈體與G2、G3的斜距d2、d3距離在一定范圍內(nèi)。

圖3 外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)原理圖

在彈體飛行過程中，通過遙測(cè)數(shù)據(jù)判別衛(wèi)星定位情況，記錄衛(wèi)星無法正常定位臨界時(shí)刻的彈體坐標(biāo)位置。按照電磁波在空間中的衰減，通過式（1）計(jì)算干擾信號(hào)功率P，得出臨界時(shí)刻彈上衛(wèi)星定位裝置處的干信比[7]。

式中：P為干擾源發(fā)射的干擾信號(hào)功率；f為電磁信號(hào)頻率；R為彈體與干擾源距離。

1.4 試驗(yàn)方法分析

對(duì)以上三種抗干擾試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。外場(chǎng)靜態(tài)試驗(yàn)采用真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)在于成本低、測(cè)試條件接近真實(shí)環(huán)境、有利于在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境中測(cè)試設(shè)備性能，但是存在可重復(fù)性差、容易接收到外界環(huán)境的射頻干擾而影響測(cè)試的精度和可信度。而外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)由于要進(jìn)行實(shí)彈射擊，成本高昂，并且受測(cè)試環(huán)境的限制，存在導(dǎo)航信號(hào)不可復(fù)現(xiàn)、不可控的劣勢(shì)，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的定量評(píng)估[8]。而微波暗室試驗(yàn)方法，通過導(dǎo)航信號(hào)模擬器產(chǎn)生模擬導(dǎo)航信號(hào)，可以靈活地配置衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和定制不同的場(chǎng)景，并且該試驗(yàn)場(chǎng)景還可以進(jìn)行接收靈敏度、系統(tǒng)完好性、接收機(jī)自主完好性、測(cè)距精度等指標(biāo)測(cè)試的試驗(yàn)[8]，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)性能的定量評(píng)估。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)參數(shù)確定

2.1.1 干擾源類型

本文中的干擾源類型主要針對(duì)有意干擾展開，有意干擾是指戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)星干擾機(jī)針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)惡意產(chǎn)生的干擾信號(hào)，按照工作原理不同分為欺騙式干擾與壓制式干擾。其中，欺騙式干擾又分為轉(zhuǎn)發(fā)式和生成式，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是將衛(wèi)星信號(hào)接收后處理播出；生成式干擾是利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器按照衛(wèi)星信號(hào)格式產(chǎn)生偽信號(hào)并播出。壓制式干擾是使用大功率信號(hào)發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，進(jìn)而提升接收端噪聲信號(hào)的電平，使北斗導(dǎo)航接收機(jī)的輸入信噪比惡化，導(dǎo)致北斗導(dǎo)航接收機(jī)定位失效[9]。

由于壓制式干擾的設(shè)備制造成本低、信號(hào)產(chǎn)生快，是實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)上應(yīng)用最多的北斗導(dǎo)航干擾信號(hào)類型[4]，因此本文在分析抗干擾試驗(yàn)時(shí)以壓制式展開。本次試驗(yàn)的干擾信號(hào)主要針對(duì)北斗衛(wèi)星的B3頻段，故干擾信號(hào)中心頻率設(shè)置為1 268.52 MHz，干擾信號(hào)帶寬為20.46 MHz。干擾源干擾樣式由單音連續(xù)波干擾、單音頻掃頻式干擾、窄帶掃頻式干擾、寬帶掃頻式干擾、脈沖干擾組成，具體信號(hào)參數(shù)如表1所示。

表1 干擾樣式參數(shù)

2.1.2 干擾信號(hào)功率標(biāo)定

為將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行量化，在試驗(yàn)前需標(biāo)定干擾天線口面的信號(hào)功率大小。具體流程為將標(biāo)定天線（增益G0）法向?qū)?zhǔn)干擾天線并放置在其旁邊，使用頻譜儀觀察標(biāo)定天線接收到的強(qiáng)度P，逐步增強(qiáng)其發(fā)射功率，當(dāng)達(dá)到接收機(jī)天線口面接收信號(hào)功率時(shí)，被測(cè)產(chǎn)品接收天線口面干擾信號(hào)功率JP按以下公式計(jì)算[10]：

2.1.3 干擾源的布局

為了接近真實(shí)情況分析壓制式干擾對(duì)衛(wèi)星制導(dǎo)艙的影響，需要對(duì)干擾源布局進(jìn)行分析。測(cè)試環(huán)境如圖1所示，由微波暗室、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器、干擾信號(hào)模擬器（矢量信號(hào)源）、頻譜分析儀、性能測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等組成。在暗室頂部不同位置共布設(shè)18個(gè)發(fā)射天線，模擬BD2和BD3各9個(gè)衛(wèi)星通道。

在干擾源布設(shè)時(shí)，常見以單源和兩源、三源、四源的多干擾源進(jìn)行布局[11]，根據(jù)大量研究表明，干擾源的布局對(duì)干擾性能的影響很大。當(dāng)三源干擾時(shí)全效干信比JSR=71 dB，四源干擾時(shí)全效干信比JSR=70 dB，相比三源干擾時(shí)性能僅提升1 dB，由此可見增加干擾源個(gè)數(shù)并不能明顯提高干擾性能[12]。因此，本文在干擾源設(shè)置時(shí)按照單干擾和三干擾進(jìn)行。

2.2 單干擾源抗干擾試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案為：根據(jù)B3頻點(diǎn)設(shè)置輸出-130 dBm射頻信號(hào)至被試品天線口面為指定信號(hào)電平，并播發(fā)信號(hào)。如圖4所示，干擾天線俯仰角為-10°下播發(fā)干擾信號(hào)，通過干擾功率標(biāo)定，對(duì)應(yīng)干信比起始值設(shè)為80 dB。當(dāng)制導(dǎo)艙正常上報(bào)定位結(jié)果，如圖4所示，轉(zhuǎn)臺(tái)0°～360°方位角循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一周，記錄180 s內(nèi)干擾信號(hào)下的干信比解算誤差，以5 dB為步進(jìn)間隔增加干擾信號(hào)功率，當(dāng)無法滿足時(shí)，回調(diào)5 dB再以1 dB步進(jìn)間隔增加干擾信號(hào)功率，重復(fù)以上步驟，直至干信比到達(dá)接收機(jī)無法定位，記錄符合要求的干信比數(shù)據(jù)。

圖4 單干擾源抗干擾試驗(yàn)示意圖

然后將干擾天線俯仰角分別調(diào)為0°和5°，重復(fù)以上步驟，獲取不同天線俯仰角下的干信比數(shù)據(jù)。當(dāng)在70幀有效定位時(shí)，水平精度優(yōu)于10 m，高程精度10 m，則判斷為抗干擾成功。

2.3 三干擾源抗干擾試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案為：根據(jù)B3頻點(diǎn)設(shè)置輸出-130 dBm射頻信號(hào)至被測(cè)天線口面為指定信號(hào)電平，并播發(fā)信號(hào)，干擾天線俯仰角為-10°下播發(fā)干擾信號(hào)，通過干擾功率標(biāo)定，對(duì)應(yīng)干信比起始值設(shè)為70 dB。當(dāng)制導(dǎo)艙正常上報(bào)定位結(jié)果，如圖5所示，轉(zhuǎn)臺(tái)按照2（°）/s以0°～360°方位角循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一周，記錄180 s內(nèi)干擾信號(hào)下的干信比解算誤差，以5 dB為步進(jìn)間隔增加干擾信號(hào)功率，當(dāng)無法滿足定位精度時(shí)，回調(diào)5 dB再以1 dB步進(jìn)間隔增加干擾信號(hào)功率，重復(fù)以上步驟，直至干信比到達(dá)接收機(jī)無法定位，記錄符合要求的干信比數(shù)據(jù)。

圖5 三干擾源抗干擾試驗(yàn)示意圖

然后將干擾天線俯仰角分別調(diào)為0°、0°、0°，5°、5°、5°，-10°、0°、5°，重復(fù)以上步驟，獲取不同天線俯仰角下的干信比數(shù)據(jù)。當(dāng)在70幀有效定位時(shí)，水平精度優(yōu)于10 m，高程精度10 m，則判斷為抗干擾成功。

3 結(jié)論

本文對(duì)衛(wèi)星抗干擾常見的試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析，得出內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)相對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)不易受到外界其他信號(hào)的干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航接收機(jī)的定量評(píng)估。在內(nèi)場(chǎng)微波暗室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)干擾源的陣位配置、干擾樣式種類進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為衛(wèi)星制導(dǎo)組件單方向及多方向的干擾能力的有效評(píng)估制定了可行的方案。