壓制式干擾對GNSS接收機的影響及應對策略

趙新曙,王 前

(北京衛星導航中心,北京 100094)

0 引 言

隨著GNSS接收機在軍事領域的廣泛應用,信號抗干擾已成為導航戰的主要內容。本文闡述了壓制式干擾對接收機信號捕獲和跟蹤的影響,采用時域濾波、自適應調零、空時聯合三種處理方法檢驗了多個干擾場景下的抗干擾效果,詳細分析不同的方案和參數設置帶來的不同處理效果,及其對應的硬件實現代價,為研制抗干擾工程樣機、提升武器裝備在復雜電磁環境下的作戰能力提供理論依據。

GNSS接收機是通過接收處理衛星信號實現導航定位的應用終端,在國民經濟和國防建設中發揮著重要的作用。接收機在提高武器裝備的精確打擊、配合指揮系統的協調調度、救助傷員等多個軍事領域都得到廣泛深入的應用,但其收到的衛星信號一般很微弱,在噪聲功率以下,極易受到其他射頻信號的有意或無意干擾。

針對這種情況,美軍采取多項措施彌補這一不足,如增大衛星的信號發射功率、采用新的軍用信號體制,采用點波束衛星和偽衛星等。上述幾項措施需要改造系統的空間段,更新舊的導航衛星和對應的接收終端才能實現,必然花費大量的時間和精力。而研制具有抗干擾能力的接收機,不改變系統的運行體制,只需在現有接收機前端集成一個抗干擾模塊即可,具有較高的實用價值。

國外GPS抗干擾型接收機發展較為成熟[1],部分武器平臺上已裝備了抗干擾接收機。如五月花通信公司的ACM系列抗干擾接收機、NAVSYS公司的CRPA陣列和HAGR接收機。這些接收機大都采用空域與時域聯合處理,已成為衛星導航抗干擾技術發展的基本趨勢;注重接收機整體架構設計,采用了數字前端、多主波束指向設計、利用跟蹤后復現有用信號進行輔助等技術進一步提升抗干擾性能。

我國的北斗二號衛星導航系統還處于建設中,二代無源用戶機也還處于探索研發階段。在天線陣抗干擾技術研究、穩健抗干擾算法研究、矩陣求逆的降維處理、通道失配的校準等方面取得了一系列的研究成果,但在工程實踐方面相對于廣泛應用的GPS抗干擾裝備有一定差距。

本文建立接收機捕獲、跟蹤電路的數學模型,分析主要威脅壓制干擾對檢測概率、虛警概率、捕獲時間、跟蹤誤差等參數產生的影響,設置多種形式組合的壓制干擾場景,并通過仿真試驗選取合適的濾波方式驗證抗干擾的效果。

1 壓制式干擾對信號處理的影響分析

1.1 壓制式干擾對信號捕獲的影響

為精確測量GNSS導航信號的傳播路徑延遲,GNSS信號在功能設計上一般具有較好的隱蔽性和快速捕獲能力,目前，通常采用了直接序列擴頻技術(DSSS),并配合二進制相移鍵控體制(BPSK)。接收信號表達式可視為RF載波、數據信號以及基帶擴頻信號的三者乘積[2]。信號捕獲通過載波域和擴頻碼域的二維搜索,在滿足一定的捕獲門限后,獲得粗略的碼相位和載波相位參數值。

信號的搜索和檢測是一個統計過程,在每個方格的積分搜索時間TD內,可能僅包含噪聲或者信號和噪聲兩種情況,設有噪聲無信號時的概率密度函數(PDF)為pn(x),服從瑞利分布;有噪聲又有信號時的PDF為ps(x),服從萊斯分布;捕獲門限為Vt,則單次試驗的檢測概率Pd和虛警概率Pfa由式(1)確定。

(1)

由于虛警概率的存在,導致檢測發生錯誤,需要多次檢測才能作出正確的判斷。設信號捕獲方式為順序串行搜索,步進量為0.5個碼元,此捕獲系統可抽象成N狀態Markov鏈的生成函數,利用傳遞函數和級數理論可得平均捕獲時間的表達式為

(2)

式中:k為錯誤判決代價因子;q為2倍的擴頻碼序列長度。

當接收機受到窄帶或寬帶干擾時,可理解成添加了不同帶寬的高斯噪聲,會引起信號載噪比的惡化,定義載噪比C/N0衡量導航信號受到射頻壓制干擾的嚴重程度,即1 Hz帶寬內載波和噪聲的功率比值,其表達式為

(3)

式中:Q為擴頻處理增益調節因數;Rc為擴頻碼速率;j/s為干信比,j/s的變大會直接降低C/N0從而降低檢測概率Pd增加虛警概率Pfa,最終導致捕獲時間的加長甚至完全失鎖。

仿真效果如圖1和圖2所示。由圖可知,GNSS接收機本身具有一定的抗干擾能力,一般能抵御大于信號強度25至30 dB的干擾。隨著積分時間的增加,抗干擾的能力也越來越強,但捕獲的時間也隨之增加。在同等干信比條件下,窄帶干擾對接收機的干擾效果要優于寬帶干擾。這是因為窄帶干擾能量集中在信號的中心頻率附近,在很大程度上損傷信號能量的最集中部分,而寬帶干擾的能量已經擴散到信號的整個帶寬上,有一部分損傷了信號頻譜的邊緣部分,因而，壓制的效果不如窄帶干擾明顯。

圖1 窄帶干擾下的捕獲性能

圖2 寬帶干擾下的捕獲性能

1.2 壓制干擾對信號跟蹤的影響

GNSS接收機在獲得粗略的載波相位和碼相位后,即轉入跟蹤階段,通過碼跟蹤環(DLL)獲得其偽距值[3]。具體的過程在數控振蕩器上復制一份與衛星信號相位一致的擴頻碼,生成碼相位測量值,再根據擴頻碼的周期求得偽距測量值。此測量誤差主要包括兩個因素:熱噪聲引起的碼相位抖動以及動態應力誤差。碼相位抖動σtDLL受前后相關器間距D、環路噪聲帶寬BL、信號載噪比C/N0以及相干積分時間Tcoh等幾個變量的影響,不同的相關器間距D會引起不同的抖動σtDLL,同等條件下,間距D越大,抖動誤差越大,同時降低射頻前端帶寬Bfe的設計指標,在工程上較易實現,定義抖動σtDLL表達式為

(4)

由式(4)可知:C/N0的減小會導致σtDLL的增大,從而影響偽距精度。綜合式(3)和(4),可定量的分析干擾強度對偽距精度的影響。

動態應力誤差Re則與載體的運動狀態有關。σtDLL和Re之間是一個相互制約的關系,從性能表現上看,Re越大,則接收機的動態特性越強,但容忍的噪聲誤差特性就越弱,可用經驗公式

3σDLL+Re≤d,(碼環鑒別器的牽入范圍2d).

(5)

接收機通常采用自適應調節環路帶寬BL的辦法在上述兩個制約中進行折中,以滿足碼環的跟蹤靈敏度指標,獲得較佳的應用性能。

設接收機處于靜止狀態,即Re=0,得到仿真結果如圖3和4所示。由圖可知,在干擾強度逐漸增大的情況下,碼環的跟蹤誤差逐漸增大,直到干信比在38 dB以上后完全失鎖。碼間距的減小有助于提高碼環的跟蹤靈敏度,此時前、中、后三個自相關結果幅值會集中到自相關函數曲線三角形主峰的頂端,更易辨別信號的相關峰值,便于鑒別器的準確判斷。對比圖1、2和3、4,可知碼環的跟蹤門限較捕獲門限低6至7 dB.由于接收機處于待機工作狀態時,絕大部分時間處于跟蹤模式,因此，跟蹤靈敏度高的特點間接提高了接收機的抗干擾能力。

圖3 窄帶干擾下的跟蹤性能

圖4 寬帶干擾下的跟蹤性能

2 抗干擾接收機的實現原理

抗干擾算法決定了干擾抑制改善度和響應速度,目前主要流行的抗干擾算法有三個方向:時域或頻域處理,空域陷零,空時聯合處理。時頻域處理結構簡單,使用單個天線,只能抑制在時頻分布上支撐域較小的脈沖或窄帶干擾。空域陷零算法應用較廣,其基本原理利用自適應天線陣技術在干擾方向形成零陷,抑制干擾進入用戶機,可濾除寬帶和窄帶干擾。空時聯合處理技術可在時空二維平面壓制干擾,抗干擾能力更強,但處理更為復雜,實現代價較大。

自適應天線陣列包括多個天線陣元,各陣元通過微波網絡與處理器相連,處理器對從微波網絡傳來的信號進行處理后反饋調節微波網絡,控制各陣元的增益和相位發生變化,在天線方向圖中產生對著干擾來向的零點,從而抵消干擾。零點個數由天線個數決定,一般M個陣元可控M-1個零點。理想情況下,自適應天線可使GPS接收機的抗干擾能力提高40～50 dB.自適應天線零陷技術是美軍提高接收機抗干擾能力的重要方法。F-16戰斗機上的GPS接收機是由7根天線組成的天線陣;戰斧巡航導彈BlockIV的GPS天線是由5根天線組成的天線陣。

自適應陣列零限技術的發展趨勢是與全數字化接收機的集成,受控相移單元放在數字化的中頻或基帶,形成全數字化抗干擾方案。由于全數字化方案中不再使用模擬的向量調節器,因而實際用于控制的權值更加精確,從而加快收斂速度、加深零陷深度。

空時聯合處理是空域和時域濾波的推廣,其基本結構如圖5所示。橫向通道的各級延時構成FIR濾波,可在時域去除干擾;縱向相同的時間延遲節點,不同的陣元構成空域的自適應濾波,可分辨空間干擾源,形成空域零陷抑制空域干擾。空時聯合處理技術雖然抗干擾性能優異,但計算復雜度高,文獻[4]提出多級嵌套維納濾波算法(MWF),突破矩陣求逆、協方差矩陣特征分解的思路,大大降低大階數維納濾波器的計算量,性能超出主成分方法和互譜度量方法。MWF主要通過迭代方法對矩陣進行降維處理,在此基礎上,可采用Lanczos方法進一步簡化復雜度。

圖5 空時聯合處理結構圖

3 試驗仿真與結果分析

空域抗干擾算法利用衛星信號與干擾信號形成的空間角度完成有用信號的提取,不同的干擾場景陣型往往對應不同的天線陣列。以4元陣元為例,通常有線陣、均勻圓陣、中心圓陣等,其中均勻圓陣具有較廣的應用范圍。天線熱噪聲為-101 dBm,陣元間距為信號波長的1/2,各天線之間的增益不一致性為0 dB.空域和空時算法采用PI準則,時域算法采用LMS準則,其濾波器抽頭系數為15.衛星信號為擴頻信號,擴頻碼的碼長為10 230,碼率為10 Mbps,信號帶寬為20 MHz,載噪比典型值為42 dBHz.寬帶干擾的帶寬及中心頻率與有用信號相同;中心頻率在信號帶寬之內。信號干擾場景具體參數如表1所示。

為消除干擾信號對有用信號的影響,抗干擾算法通常利用某類準則抑制干擾分量,但同時也在一定程度上損傷有用信號,定義輸出輸入信號的信噪比差值來衡量算法的抗干擾性能,即信噪比損傷越小,反映了算法的抑制干擾效果越好。不同干擾場景下,不同算法的仿真結果如表2所示。

表1 仿真場景說明

表2 干擾抑制效果 (單位dB)

由仿真結果可知:時域算法可濾除與有用信號同向的窄帶干擾,只有3個dB的信號損失,但對寬帶干擾抑制效果不佳。其原因是時域算法利用干擾信號在不同時刻取值相關的可預測性,采用FIR濾波器按照LMS準則估計干擾,再從有用信號中進行去除,而對于寬帶干擾無法預測其取值相關性。空域算法可利用信號的空間來向來抑制干擾,在多個天線增益相互疊加的情況下,有時會出現正增益的現象。空時算法則對多種復雜干擾場景均有較好的抑制效果,但在其處理帶寬上對頻率響應不一致,一定程度上會引起有用信號的失真。信號的失真在一定的容忍范圍內不會影響接收機的定位性能,這主要由信號本身的擴頻增益性能決定,更準確的方法是檢測信號相關峰的主瓣寬度和峰值位置是否發生嚴重畸變。本文第二部分的影響分析也說明增加一定強度的噪聲基本上不會影響用戶機的正常工作。

目前,空時聯合處理的技術已廣泛應用在我國自行研制的GNSS接收機,實驗的效果與本文的仿真結果基本相同,但在應用過程中也確實存在急需解決的問題。如算法的復雜度較高導致硬件實現代價較大,由此引發體積、功耗等一系列的技術問題,可經過通過算法層面和硬件操作層面的優化,必要時要降低處理性能。陣元互耦和通道失配也是實踐中重點解決的問題。陣元互耦會改變陣列接收信號的幅度和相位,選擇互耦強度不大的天線陣和PI準則的LMS算法,可降低互耦對空域抗干擾性能的影響。為防止通道失配,應選擇時延一致性較好的射頻通道,必要時可設計數字濾波器進行時延補償。

4 結束語

伴隨著“導航戰”的提出和興起,阻止敵方對接收機干擾,保證戰時環境下導航系統的正常運轉是導航戰的主要目標之一。本文闡述了壓制干擾對接收機碼捕獲和碼跟蹤性能的影響,通過仿真試驗得出現行信號體制下無干擾措施接收機所能承受最大抗干擾容限,采用時域濾波、自適應調零、空時聯合三種處理方法檢驗了多個干擾場景下的抗干擾效果,詳細分析不同的方案和參數設置會帶來的不同處理效果,及其對應的硬件實現代價,為研制抗干擾工程樣機提供理論依據。需要提出的是,任何一種抗干擾措施都不可能完全解決接收機的干擾問題,多種系統的組合導航[5-6]是保證武器裝備戰時具備導航能力的重要途徑。

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