基于混合擴頻的導航衛星抗干擾技術

胡禛

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

衛星導航信號在眾所周知的頻率上發射，調制方式廣為人知，傳輸功率小，信噪比較低，這些成為其易受干擾的重要原因。造成衛星導航信號容易被干擾的最直接原因就是發射的信號太弱，如果采用混合擴頻體制，則可加大信號的增益。本文著重研究將跳時與直擴技術相結合應用到衛星導航中，利用跳時技術的優點，通過時間的合理分配來避開附近發射機的強干擾，從而提高系統的抗干擾性能。

1 系統方案設計

1.1 系統整體框圖

跳時技術把時間軸分成若干時隙，由跳時碼決定在哪個時隙來發送信號。跳時系統能夠用合理的時間分配來避開附近發射機的強干擾。但跳時系統對定時要求嚴格，簡單的跳時抗干擾性能不強，所以很少單獨使用，通常與其他方式相結合，組成各種混合方式[1]。將DS/TH混合擴頻技術與現有的導航衛星相結合，構成一種新穎的基于混合擴頻體制的衛星導航系統，以增強抗干擾能力。考慮可實現性和前向兼容性，此系統在設計時盡可能地保留了原有導航系統體制，如直擴部分的處理方式和參數等，直接從原系統繼承。DS/TH導航系統框圖如圖1所示。

圖1 基于DS/TH混合擴頻的衛星導航系統框圖Fig.1 Satellite navigation systems based on the DS/TH hybrid spread spectrum

在此系統中共存在有兩類PN碼序列：直擴序列和跳時序列。導航信號在經過DS碼擴頻后，將其直擴后的每一碼片分成若干時隙，根據跳時序列{Cj}選擇時隙來發送導航信號，從而實現跳時[2-4]。

系統發射機的輸出信號可表示為：

其中f0為載波頻率，Td為導航信號一比特持續時間，Ts為直擴后的每一碼片長度，Nd為直擴倍長度，Tc為每一時隙長度，Nc為時隙個數，D（t）為導航電文，P（t）為直擴碼，C（t）則用來進行跳時。碼片持續時間變短，為保證功率相等，幅度要變為原來的倍。通過上述分析可知，在DS/TH系統中，直擴碼決定信號幅度的大小，跳時碼則用來決定信號的發送時刻。

1.2 系統跳時序列的研究

在DS/TH系統中，直擴碼部分參數都從原衛星導航系統繼承，而對于跳時部分，則需進行詳細的研究，使系統能在抗干擾方面達到最優效果。系統主要涉及跳時序列的3個主要參數，時隙、周期以及漢明自相關。

1.2.1 跳時時隙

DS/TH系統總的處理增益為：

其中D為跳時所設置的占空比，D=1/Nc（Nc為時隙數），所以Nc越大，DS/TH系統的處理增益越大，抗干擾性能越好。抗干擾性能與時隙個數Nc是成正比的。但系統帶寬會隨著時隙數的增大而變寬，因此必須根據實際情況來決定其大小。

1.2.2 跳時周期

跳時周期的增大，使相同的功率被分散到了更多的譜線中，信號的幅度變小，對功率譜起到了平滑作用，從而也減少了較強功率譜線數目[4]。通常為了提高時隙利用率，主要采用全時隙跳時序列，即跳時序列最大值Nk=Np-1，Np=Nc。

1.2.3 漢明自相關

為實現對跳時碼的捕獲，跳時序列必須具有較好的自相關性能，同時異相自相關越小越好。文中主要討論剩余類跳時序列。二次同余序列、三次同余序列和雙曲同余序列是目前性能優良的3類同余跳時序列。其中，二次同余序列的自相關性能最好，異相自相關值最小，所以在基于DS/TH混合擴頻的衛星導航系統中選用了二次同余序列作為跳時序列。

1.3 系統整體參數

本系統的研究目標是將跳時和直擴相結合的混合擴頻體制應用到導航系統中，大幅度提高擴頻處理增益，將信號頻帶擴展到400 MHz，不僅使系統的抗干擾能力大大增強，而且使信號能夠以非常低的功率譜密度隱蔽在其它系統信號之中或是重疊發射成為可能，從根本上改善系統的頑存性。

DS/TH導航衛星系統的射頻帶寬為2Rc×Nc，其中Rc為直擴碼的碼片速率，Rc=10.23 MHz，Nc為跳時時隙數。對于二次同余序列，時隙數必須為一素數，為使系統帶寬達到400 MHz，跳時時隙Nc=19。系統的整體參數如表1所示。

表1 系統整體參數Tab.1 System parameters

2 系統抗干擾性能

衛星信號在到達接收機時，信號強度極低，遠低于熱背景噪聲電平，對接收機的干擾成為干擾衛星導航系統的一種主要手段，從技術角度出發，可分為兩類：壓制性干擾和欺騙性干擾[8-9]。文中主要針對單頻干擾、脈沖干擾以及噪聲調制干擾中的噪聲調頻、調幅干擾這4種壓制性干擾進行抗干擾分析和測試。

2.1 仿真測試條件

仿真中，為簡便起見，都是基于基帶進行的。直擴碼碼片速率10.23 Mchip/s，信息速率500 bit/s，對于現有導航系統來說，導航信號具有20 460倍的解擴處理增益，Gp=43 dB導航信號帶寬為20.46 MHz，假設內部熱噪聲主要由低噪聲放大器產生，根據接收機靈敏度的計算公式，以及相應接收信號的信噪比為公式，計算出-133 dBm這種典型的接收信號強度的相應信噪比結果如表2所示。

若假設LNA噪聲為0.89 dB，接收端信噪比則為-33 dB。文中將主要針對-33 dB這種典型的接收信噪比來進行仿真。

2.2 單頻干擾

單頻干擾是直擴系統中常見的人為連續波干擾，由于擴頻碼的功率譜并不完全均勻，即不同頻率的功率不同，因此進入信號的干擾功率也就不同，使得不同頻率單頻干擾的誤碼性能不同，同時不同碼字的功率譜結構還不同，這些都說明了單頻干擾的誤碼性能與擴頻碼有關。當單頻干擾信號中心頻率和直接擴頻載波頻率相同時，并非就有最佳的干擾效果。事實上，單頻干擾的誤碼率性能是由擴頻系統的信噪比、信干比、擴頻碼以及單頻干擾的頻率與信號載頻的偏差這4個因素共同作用的結果[7]。

圖2 單頻干擾下DS/TH系統抗干擾仿真Fig.2 DS/TH system anti-jamming performance simulation under single-frequency interference

圖2中顯示的是單頻干擾頻率與導航信號中心頻率相差為1 Hz時，基于DS/TH的導航衛星系統抗干擾性能仿真。從圖中可以看到，在信噪比為-33 dB，誤碼率為10-4時，加入跳時的方案比傳統導航接收機方案抗干擾性能要好17 dB左右。同時也可清晰看到，隨著信干比的提高，傳統導航接收機的抗干擾曲線出現了明顯的誤碼平層，而DS/TH系統的誤碼率曲線坡度變陡，誤碼率大幅下降。

2.3 脈沖干擾

將高斯脈沖作為研究對象，主要討論其脈沖形成因子α和高斯導函數的階數這兩個因素。通過改變脈沖形成因子的大小可得到不同的信號帶寬[5]。高斯脈沖波形類似于高斯函數波形，可以不斷地微分下去，峰值頻率和脈沖帶寬都會隨著微分階數的增加而改變。隨著高斯導函數階數的增高，高斯脈沖的峰值頻率也相應提高。在仿真中采用的脈沖波形是最普遍采用的高斯二階導函數，在表面上它具有無限長的持續時間，但是實際上衰減很快。若假定脈沖只在時間窗Tm內為非零值，Tm=2.2α時，所導致的截斷能量誤差會比原始能量小50 dB[5]。

圖3 脈沖干擾性能仿真Fig.3 Anti-jamming performance of pulse jamming

圖3為 α=2 μs和 α=20 μs時 DS/TH系統抗脈沖干擾性能仿真。在信噪比為-33 dB，誤碼率為10-4時，基于DS/TH的導航系統抗干擾性能比傳統的導航系統改善了20 dB左右。由于脈沖成形因子越大，干擾信號的帶寬就越窄，能量越集中，因此在α=20 μs時干擾效果就比α=2 μs時要好。另外，由于跳時技術是按照跳時序列選擇時隙來發送信號，所以在一定程度上，可以躲避由于脈沖干擾所產生的連續性錯誤。

2.4 噪聲調幅，調頻干擾

噪聲調幅特點：已調波的頻譜由載波及兩對稱旁瓣組成，旁瓣形狀與調制波功率譜相似，但數量上減小為1/4。已調信號的頻譜實現了線性搬移，其中心頻率移到了載波頻率ω0處，且頻寬為原來的兩倍。噪聲調幅時，已調信號總功率為載波功率與噪聲旁瓣功率之和，旁瓣功率是已調波中的起伏部分，對被干擾的設備的信號起遮蓋作用，若想提高干擾的效果，可增大旁瓣功率。

噪聲調頻特點：功率譜與調制噪聲的概率密度呈線性關系，功率譜密度分布為高斯分布；噪聲調頻的總功率與載波功率相等，與調制噪聲功率無關；噪聲調頻干擾帶寬與調制噪聲帶寬無關，決定于調制噪聲功率σ2和調頻指數Kfm。

圖4所示的是DS/TH導航系統在噪聲調幅干擾下的抗干擾性能，噪聲調幅干擾的載波為 1 Hz。因為噪聲調幅的總功率等于載波功率與旁瓣功率之和，干擾能量向兩側旁瓣分散，影響了干擾效果，誤碼率與單頻干擾相比，有所下降。在誤碼率為10-4時，抗干擾性能也提高了17 dB左右。

圖4 噪聲調幅性能仿真Fig.4 Noise amplitude modulation performance simulation

圖5顯示的是在噪聲調頻下DS/TH系統的抗干擾性能仿真，其中Kfm=0.8，噪聲載波為1 Hz。與圖2比較可知，噪聲調頻信號的干擾效果要比單頻干擾弱些，在誤碼率達到10-4時，DS/TH系統的抗干擾性能比現有的導航系統性能改善18 dB左右。

圖5 噪聲調頻性能仿真Fig.5 Noise frequency modulation performance simulation

3 結 論

混合擴頻通信系統將兩種或兩種以上的擴頻技術相結合，揚長避短，顯著提高了系統的抗干擾能力[10]。文中制定了基于DS/TH的導航衛星系統方案，并對此方案在典型壓制性干擾下的抗干擾性能進行了仿真。結果表明，相對于傳統的導航衛星系統，其抗干擾性能要提高17 dB以上。尤其是抗脈沖干擾，因為跳時技術可以通過有選擇的發送信號來躲避由脈沖干擾所產生的連續性錯誤，使抗干擾性能改善了20 dB左右。

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