基于軟件接收機的衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾天線性能評估方法

武智佳，焦海松，賈贊杰，于合理，代桃高，耿澤淇

基于軟件接收機的衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾天線性能評估方法

武智佳，焦海松，賈贊杰，于合理，代桃高，耿澤淇

（63883部隊，河南 洛陽 471000）

針對分體式設(shè)計的衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾終端缺少天線性能評估方法，與接收機參數(shù)適配難，測試環(huán)境構(gòu)建成本高等問題，基于軟件接收機能夠可視化導(dǎo)航信號基帶處理過程的特點，提出一種多陣元抗干擾天線性能評估方法：從輸出信號質(zhì)量、可捕獲性、可跟蹤性等方面給出評估方法，設(shè)計軟件接收機評估抗干擾天線性能；然后以導(dǎo)航型天線、測量型天線、無干擾時的抗干擾天線和有微弱干擾時的抗干擾天線作為實驗對象，利用軟件接收機對不同天線的輸出信號質(zhì)量、信號可捕獲性和信號可跟蹤性進行對比分析；最后分析多陣元天線對干擾信號的抑制特性，并實驗評估不同干擾功率條件下多陣元天線輸出信號質(zhì)量、可捕獲性和可跟蹤性曲線。結(jié)果表明，利用軟件接收機評估衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾天線性能是可行的。

軟件接收機；抗干擾天線；性能評估；信號質(zhì)量；信號捕獲；信號跟蹤

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完善與發(fā)展，其在全球經(jīng)濟、社會發(fā)展和軍事斗爭中發(fā)揮著越來越大的作用，但衛(wèi)星信號到達地面后已經(jīng)淹沒于噪聲之下，且隨著電磁傳播環(huán)境的日益復(fù)雜化，原本微弱的衛(wèi)星導(dǎo)航信號很容易受到無意或有意干擾而導(dǎo)致接收機無法定位[1-2]，這就要求衛(wèi)星導(dǎo)航終端須具備一定的抗干擾能力。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航終端抗干擾性能已成為衡量設(shè)備導(dǎo)航定位能力的關(guān)鍵指標；相應(yīng)的抗干擾算法設(shè)計、抗干擾能力評估也成為導(dǎo)航領(lǐng)域的研究焦點。當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾終端的接收機和多陣元抗干擾天線多采用分體式設(shè)計。多陣元抗干擾天線各陣元通道對接收的射頻信號進行濾波、下變頻、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等過程處理后，通過空時、空頻等抗干擾算法求取權(quán)值對各陣元信號的幅值、相位進行調(diào)整，加權(quán)求和后通過上變頻、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等過程處理后送入衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，完成對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤和定位解算[3-4]。因此多陣元抗干擾天線本身的性能也是衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾終端的重要性能指標，其表現(xiàn)為進行干擾信號抑制處理后，對接收機執(zhí)行捕獲、跟蹤以及定位解算過程的影響。目前，針對衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備的測試主要以整機測試為主，需要在室外或室內(nèi)搭建測試環(huán)境，展開測試與評估工作，環(huán)境構(gòu)建成本高，占用資源多，且對與接收機間的適配問題考慮較少，缺少單獨對抗干擾天線的評估手段[5-6]。

衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機可在盡量接近天線的地方將信號數(shù)字化，利用軟件代碼處理數(shù)字信號，能夠可視化對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤以及定位解算過程，[7-9]，從機理上評估抗干擾處理后信號的可用性，以此反映多陣元抗干擾天線對干擾信號的處理能力、與接收機間適配性，以及接收機本身基帶處理算法、選星策略等性能優(yōu)劣[10-12]。當(dāng)前已有學(xué)者基于軟件接收機開展導(dǎo)航終端性能評估研究工作。文獻[13]即利用軟件接收機能夠可視化信號處理過程的特點，研究分析了欺騙干擾信號對接收機輸出載噪比、跟蹤環(huán)路的影響[9]。文獻[14]針對硬件接收機中傳統(tǒng)抗干擾方法成本高、體積大和環(huán)境受限等問題，利用軟件接收機作為抗干擾算法研究平臺，實現(xiàn)了子空間分解的時域濾波法和頻域濾波法消除窄帶干擾。文獻[15]利用軟件接收機及多相關(guān)器生成技術(shù)，詳細分析了脈沖干擾對接收機信號捕獲與跟蹤性能的影響。文獻[16]也基于軟件接收機研究了干擾對接收機的影響，并分析了時頻域、空域、空時聯(lián)合3種抗干擾方法的抗干擾原理和處理流程。

本文利用軟件接收機能夠可視化信號捕獲、跟蹤過程的優(yōu)勢，提出一種基于軟件接收機評估多陣元抗干擾天線性能的方法。通過對比分析方式，研究不同天線輸出信號質(zhì)量、信號可捕獲性和信號可跟蹤性，并構(gòu)建環(huán)境測試不同干擾功率條件下，接收機對多陣元抗干擾天線輸出信號的處理能力。

1 軟件接收機評估抗干擾天線性能方法設(shè)計

抗干擾天線主要用于接收射頻信號，其器件的工作特性將對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。信號質(zhì)量的改變，也將進一步影響信號的可捕獲性和可跟蹤性。

1.1 輸出信號質(zhì)量評估

如圖1所示為測試場景，在微波暗室內(nèi)模擬發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航靜態(tài)定位模擬信號，分別在微波暗室內(nèi)接入標準天線和待測天線，利用標準天線確定發(fā)射模擬信號是否滿足測試要求。利用中頻信號采集設(shè)備采集待測天線輸出信號，并轉(zhuǎn)換為中頻數(shù)據(jù)，然后利用軟件接收機處理獲取載噪比信息。

圖1 抗干擾天線性能評估測試場景

1.2 可捕獲性評估

1.3 可跟蹤性評估

2 抗干擾天線性能評估實驗與分析

本文實驗評估使用的工具包含中頻數(shù)據(jù)采集器、中頻數(shù)據(jù)回放軟件、實時捕獲分析軟件和事后軟件接收機。中頻數(shù)據(jù)采集器用于接收天線輸出信號，并存儲處理后的中頻數(shù)據(jù)。中頻數(shù)據(jù)回放軟件可回放采集的中頻數(shù)據(jù)，輸出信號載噪比情況。實時捕獲分析軟件可設(shè)置不同積分時長，實時評估衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲情況。事后軟件接收機可回放中頻數(shù)據(jù)，顯示信號捕獲和跟蹤過程。

2.1 輸出信號質(zhì)量評估實驗

利用中頻數(shù)據(jù)回放軟件統(tǒng)計載噪比情況，同時為驗證評估方法的普適性，實驗以某普通導(dǎo)航型終端接收天線為參考，并引入測量型終端接收天線和多陣元抗干擾天線進行測試與評估。實驗使用天線如圖2所示。

圖2 實驗天線實物圖

實驗設(shè)計以無干擾狀態(tài)下多陣元抗干擾天線、測量型終端接收天線、導(dǎo)航型終端接收天線和有微弱干擾條件下的四陣元抗干擾天線為測試對象?？紤]到多陣元抗干擾天線對干擾信號抑制后，可能提升信號輸出信干噪比（signal to interference plus noise ratio, SINR），因此將有微弱干擾條件下的多陣元抗干擾天線作為測試對象參與比較。利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器發(fā)射美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）導(dǎo)航模擬信號，模擬衛(wèi)星編號為{4，8，9，14，15，25，19，20}，模擬頻點為L1。微弱干擾條件下，將干擾信號功率調(diào)整至到達天線口面干信比為49 dB、干擾中心頻率為1575.42 MHz、干擾樣式為正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）。通過采集中頻數(shù)據(jù)，然后利用中頻數(shù)據(jù)回放軟件觀察信號質(zhì)量，得到不同天線采集中頻數(shù)據(jù)的載噪比情況如圖3所示。

圖3 不同天線輸出信號質(zhì)量

由圖3可以看出，無干擾時多陣元抗干擾天線接收信號載噪比約為36 dB·Hz，導(dǎo)航型終端接收天線接收信號載噪比約為46 dB·Hz，測量型終端接收天線接收信號載噪比約為45 dB·Hz，有微弱干擾時，多陣元抗干擾天線接收信號載噪比約為41 dB·Hz。即無干擾狀態(tài)時，導(dǎo)航型天線輸出信號質(zhì)量最好，多陣元抗干擾天線輸出信號質(zhì)量最差。有微弱干擾時，多陣元抗干擾天線輸出信號質(zhì)量會提高，說明多陣元抗干擾天線自適應(yīng)處理算法增強了衛(wèi)星導(dǎo)航信號，削弱了噪聲信號和干擾信號，提升了輸出SINR。

2.2 可捕獲性評估實驗

利用實時捕獲分析軟件，快速評估不同積分時長條件下導(dǎo)航天線輸出信號的可捕獲性。利用事后軟件接收機回放中頻數(shù)據(jù)，觀察相關(guān)峰出現(xiàn)情況并評估峰值顯著度。

2.2.1 不同積分時長捕獲能力快速評估

導(dǎo)航型終端接收天線和測量型終端接收天線在無干擾狀態(tài)條件下，設(shè)置不同積分時長時的捕獲結(jié)果如圖4所示。圖中PRN表示偽隨機噪聲識別碼（pseudo random noise code，PRN）編號。

由圖4可以看出：積分2、5 ms執(zhí)行捕獲時，2種天線輸出信號的可捕獲性基本相同；而在積分10ms執(zhí)行捕獲時，測量型終端接收天線明顯弱于導(dǎo)航型終端接收天線，說明強信號條件下導(dǎo)航型終端天線性能優(yōu)于測量型終端接收天線。進一步分析無干擾狀態(tài)下和微弱干擾條件下多陣元抗干擾天線輸出信號可捕獲性，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 導(dǎo)航型、測量型天線不同積分時長捕獲情況

圖5 多陣元抗干擾天線不同積分時長捕獲情況

由圖5可以看出，微弱干擾條件下多陣元抗干擾天線輸出信號的可捕獲性明顯優(yōu)于無干擾狀態(tài)。且無干擾狀態(tài)時，積分5 ms執(zhí)行捕獲時，20號星無法被捕獲；積分2 ms執(zhí)行捕獲時，15、19、20號星無法被捕獲。

2.2.2 峰值顯著度評估

利用事后軟件接收機回放中頻數(shù)據(jù)得到不同天線輸出信號的捕獲相關(guān)峰情況，其中9、19號星捕獲情況如圖6所示。

圖6中4種天線對應(yīng)9、19號星捕獲相關(guān)峰數(shù)值分別為：導(dǎo)航型天線無干擾狀態(tài)為18.8×104、20.6×104；測量型天線無干擾狀態(tài)為12.9×104、13.0×104；多陣元抗干擾天線無干擾狀態(tài)為9.5×104、8.7×104；多陣元抗干擾天線微弱干擾狀態(tài)為16.3×104、12.4×104。由實驗結(jié)果分析可知，相關(guān)峰的高度與天線輸出信號的可捕獲性呈正相關(guān)。導(dǎo)航型終端接收天線、測量型終端接收天線、無干擾狀態(tài)多陣元抗干擾天線、微弱干擾條件多陣元抗干擾天線輸出信號對應(yīng)所捕獲衛(wèi)星峰值顯著度分別為14.5、13.0、5.7、8.1。

2.3 可跟蹤性評估實驗

圖7 不同天線輸出信號執(zhí)行跟蹤時解調(diào)情況

3 抗干擾天線干擾信號抑制特性分析

多陣元抗干擾天線對干擾信號的抑制能力與天線的硬件特性及自適應(yīng)調(diào)零算法性能相關(guān)，其對不同功率干擾信號的抑制特性，對衛(wèi)星導(dǎo)航終端在復(fù)雜電磁環(huán)境下的工作性能具有一定的影響。針對該特性設(shè)計評估方法，并進行實驗分析。在微波暗室內(nèi)模擬發(fā)射一定數(shù)量的衛(wèi)星導(dǎo)航靜態(tài)定位模擬信號，微波暗室內(nèi)接入標準天線和待測天線，利用標準天線確定發(fā)射模擬信號數(shù)據(jù)是否滿足測試要求。測試時先測試出微弱干擾條件下可達到的最大載噪比，然后以該值減少2 dB功率為基準，逐步增強干擾功率直至接收機不定位，利用中頻信號采集設(shè)備分別采集中頻數(shù)據(jù)，事后通過軟件接收機回放得到信號輸出質(zhì)量、可捕獲性和可跟蹤特性。

實驗以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）B3/GPS L1雙四陣元抗干擾天線為測試對象；利用2 MHz帶寬的QPSK調(diào)制干擾信號構(gòu)建干擾信號環(huán)境，利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器模擬發(fā)射GPS L1信號，利用實時軟件接收機采集中頻數(shù)據(jù)，利用中頻數(shù)據(jù)回放軟件觀察數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，利用軟件接收機回放數(shù)據(jù)觀察信號捕獲和跟蹤情況。

3.1 信號輸出質(zhì)量分析

按照實驗方案，利用中頻數(shù)據(jù)回放軟件回放數(shù)據(jù)得到不同干擾功率條件下多陣元抗干擾天線輸出信號質(zhì)量變化情況，實驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，相比于無干擾狀態(tài)，存在微弱干擾時將提高多陣元抗干擾天線的輸出信號質(zhì)量，且只有在接近接收機跟蹤門限時，載噪比下降速度較快，說明衛(wèi)星導(dǎo)航多陣元抗干擾天線接近跟蹤門限前都能很好地抑制干擾信號。

圖8 多陣元抗干擾天線輸出載噪比情況

3.2 信號可捕獲性和可跟蹤性分析

圖9 多陣元抗干擾天線輸出信號捕獲和跟蹤特性

4 結(jié)束語

本文基于衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機提出了一種多陣元抗干擾天線性能測試與評估方法，并設(shè)計測試場景進行了實驗分析與驗證。測試以導(dǎo)航型終端接收天線為標準，通過對比分析的方式，測試評估了測量型天線、抗干擾天線輸出信號質(zhì)量、可捕獲性和可跟蹤性；為掌握抗干擾天線對干擾信號抑制特性，實驗評估了不同干擾功率條件下的抗干擾天線輸出信號質(zhì)量、可捕獲性和可跟蹤性的特性曲線。通過本文的研究，可為設(shè)計調(diào)整衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的捕獲、跟蹤參數(shù)及方法策略，以及提升與抗干擾天線的適配性提供思路，為抗干擾天線設(shè)計、性能評估等提供參考。

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Performance evaluation of satellite navigation anti-jamming antennas based on software receivers

WU Zhijia, JIAO Haisong, JIA Zanjie, YU Heli, DAI Taogao, GENG Zeqi

（Troops 63883, Luoyang, Henan 471000, China）

Aiming at the problems of the lack of antenna performance evaluation methods, the difficulty of adapting to the receiver parameters, and the high cost of constructing the testing environment for satellite navigation anti-jamming terminals designed by the split type, the paper proposed a multi-element anti-jamming antenna performance evaluation method based on the characteristic that software receivers can visualize the navigation signal baseband processing: the evaluation means were given from the aspects of output signal quality, signal captureability and signal traceability，and a software receiver was designed to evaluate the performance of anti-jamming antennas; then, taking navigation antennas, measurement antennas, anti-jamming antennas without interference and anti-jamming antennas with weak interference as the experimental objects, the software receiver was used to comparatively analyze the output signal quality, signal captureability and signal traceability of different antennas; finally, the suppression characteristics of multi-array antennas to interference signals were analyzed, and the output signal quality, captureability and traceability curves of the multi-array element antennas under different interference power conditions were evaluated. Results verified the feasibility of using software receivers to evaluate the performance of satellite navigation anti-jamming antennas.

software receiver; anti-jamming antenna; performance evaluation; signal quality; signal capture; signal tracking

武智佳, 焦海松, 賈贊杰, 等. 基于軟件接收機的衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾天線性能評估方法[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2023, 11(3): 63-69.（WU Zhijia, JIAO Haisong, JIA Zanjie, et al. Performance evaluation of satellite navigation anti-jamming antennas based on software receivers[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 63-69.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230309.

P228；TN97

A

2095-4999(2023)03-0063-07

2022-07-30

國家自然科學(xué)基金項目（41804035）。

武智佳（1994—），男，遼寧錦州人，碩士，助理工程師，研究方向為導(dǎo)航及導(dǎo)航對抗。