GNSS接收機(jī)抗干擾效能評(píng)估方法

稅利,張沖,王博,張旭

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心河南，洛陽(yáng) 471003)

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GNSS接收機(jī)抗干擾效能評(píng)估方法

稅利,張沖,王博,張旭

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心河南，洛陽(yáng) 471003)

摘要：GNSS抗干擾能力評(píng)估是GNSS系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用服務(wù)中面臨的一個(gè)重要問(wèn)題,對(duì)抗干擾能力進(jìn)行評(píng)估首先在于具有一種合理的評(píng)估體系,因此,本文提出的GNSS接收機(jī)抗干擾能力評(píng)估體系構(gòu)建方法具有重要意義。文中系統(tǒng)介紹了GNSS接收機(jī)抗干擾能力評(píng)估方法的建立過(guò)程,包括接收機(jī)抗干擾能力的分類(lèi),指標(biāo)體系的構(gòu)建,以及如何具體實(shí)施,具有一定的可實(shí)施性。文中將GNSS接收機(jī)抗干擾能力分為固有抗干擾能力、主動(dòng)抗干擾能力和被動(dòng)抗干擾能力,然后從這三方面建立GNSS接收機(jī)的抗干擾效能評(píng)估指標(biāo),通過(guò)德?tīng)柗品ǖ玫街笜?biāo)體系中各指標(biāo)的重要性排序和各層次的重要性判斷矩陣,最后通過(guò)實(shí)測(cè)的指標(biāo)數(shù)據(jù)加權(quán)求和得到GNSS接收機(jī)總的抗干擾效能評(píng)估結(jié)果。

關(guān)鍵詞：GNSS接收機(jī);抗干擾;效能評(píng)估;層次分析法;德?tīng)柗?/p>

0引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)在通信、指揮、控制、情報(bào)、計(jì)算機(jī)、偵察和監(jiān)視系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。各個(gè)經(jīng)濟(jì)和軍事強(qiáng)國(guó)都在大力發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),主要有美國(guó)的GPS,俄羅斯的GLONASS,以及正在研究和部署的歐洲的Galileo系統(tǒng)和我國(guó)北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS接收機(jī)極易受到干擾,因?yàn)橄到y(tǒng)用戶與衛(wèi)星距離遙遠(yuǎn),而與干擾源的距離相對(duì)近得多,干擾源無(wú)需用多大功率就可淹沒(méi)GNSS接收機(jī)上的衛(wèi)星信號(hào),使得GNSS接收機(jī)精度變差甚至無(wú)法定位,所以防止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被敵方干擾和破壞成為導(dǎo)航對(duì)抗的首要任務(wù)[1-3]。如何客觀、全面地評(píng)價(jià)GNSS接收機(jī)的抗干擾能力,已成為接收機(jī)生產(chǎn)廠家和用戶共同關(guān)心的重要課題。

由于導(dǎo)航對(duì)抗是一個(gè)信息不完全動(dòng)態(tài)博弈過(guò)程,其中包含了大量的不確定性因素、復(fù)雜技術(shù)因素和人為因素,對(duì)GNSS接收機(jī)抗干擾效能評(píng)估難度較大。GNSS接收機(jī)抗干擾效能綜合評(píng)估涉及到多指標(biāo)體系和多種技術(shù)手段,對(duì)其指標(biāo)體系應(yīng)能夠全面、客觀的反映GNSS接收機(jī)的整體抗干擾性能,并具有可測(cè)性。目前對(duì)GNSS接收機(jī)的抗干擾效能評(píng)估主要是測(cè)試在一個(gè)或者兩個(gè)寬帶(窄帶)干擾源下的抗干擾能力,對(duì)GNSS接收機(jī)的抗干擾效能評(píng)估不夠全面、客觀。

本文首先將GNSS接收機(jī)的抗干擾能力分為固有抗干擾能力、主動(dòng)抗干擾能力和被動(dòng)抗干擾能力,在此基礎(chǔ)上建立能夠較全面反映GNSS接收機(jī)抗干擾性能的指標(biāo)體系。通過(guò)科學(xué)合理的多層結(jié)構(gòu)分析,避免了評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面,又規(guī)避了主觀的復(fù)雜因素。

1GNSS接收機(jī)抗干擾效能評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

對(duì)于一個(gè)GNSS接收機(jī),由于采用了不同的抗干擾技術(shù),對(duì)不同干擾樣式的抗干擾能力不同,不能僅通過(guò)采用抗干擾措施前后性能的提高差異來(lái)比較。

1.1GNSS接收機(jī)抗干擾能力分類(lèi)

有些GNSS接收機(jī)的基本參數(shù)雖然不是接收機(jī)的抗干擾措施,但是它們是形成接收機(jī)設(shè)計(jì)功能的基本條件,實(shí)現(xiàn)接收機(jī)所必須的系統(tǒng)參數(shù),對(duì)接收機(jī)的抗干擾能力有較為重要的作用。這些參數(shù)包括天線特性,接收機(jī)工作模式和接收信號(hào),這些參數(shù)的選擇會(huì)引起接收機(jī)抗干擾能力的變化[4]。本文將這些參數(shù)所影響的抗干擾能力稱(chēng)為接收機(jī)的固有抗干擾能力。

聯(lián)系人： 稅利 E-mail: 182483053@qq.com

當(dāng)GNSS接收機(jī)處于干擾環(huán)境中時(shí),會(huì)采取一些積極的措施或者信號(hào)處理等多種手段來(lái)阻止、抑制干擾,以改善接收機(jī)應(yīng)對(duì)干擾環(huán)境的能力。目前的抗干擾措施主要有兩種設(shè)計(jì)思路:

1) 主動(dòng)抗干擾措施。主要有阻止干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的前端濾波技術(shù)和輔助導(dǎo)航的組合導(dǎo)航定位技術(shù)兩種[3,5]。

2) 被動(dòng)抗干擾措施。當(dāng)干擾已經(jīng)進(jìn)入接收機(jī)后,可考慮在信息處理階段完成對(duì)干擾的抑制,利用抗干擾算法提高接收機(jī)的衛(wèi)星捕獲、衛(wèi)星跟蹤和數(shù)據(jù)處理能力[4,6]。

1.2分層指標(biāo)體系的構(gòu)建

圖1　GNSS接收機(jī)抗干擾效能評(píng)估指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)圖

基于上述對(duì)GNSS接收機(jī)抗干擾能力和抗干擾措施的分類(lèi),結(jié)合層次分析法解決問(wèn)題的思路,本文建立的GNSS接收機(jī)抗干擾效能評(píng)估指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。本指標(biāo)體系由3個(gè)一級(jí)指標(biāo)構(gòu)成:GNSS接收機(jī)的固有抗干擾能力、主動(dòng)抗干擾能力和被動(dòng)抗干擾能力。其中固有抗干擾能力包括天線、工作模式和接收信號(hào)3個(gè)二級(jí)指標(biāo),主動(dòng)抗干擾能力包括前端濾波和組合導(dǎo)航2個(gè)二級(jí)指標(biāo),被動(dòng)抗干擾能力包括衛(wèi)星捕獲、衛(wèi)星跟蹤和數(shù)據(jù)處理3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。每個(gè)二級(jí)指標(biāo)下設(shè)若干個(gè)三級(jí)指標(biāo)。該指標(biāo)體系共包括26個(gè)指標(biāo),涵蓋了與GNSS接收機(jī)抗干擾能力有關(guān)的多種要素。其中各指標(biāo)變量的名稱(chēng)、代碼以及含義如下:

D1:天線增益G.提高接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的信噪比;

D2:低仰角抑制。低仰角的衛(wèi)星信號(hào)較弱,容易受到干擾,且可以抑制部分多徑和來(lái)自低仰角的干擾信號(hào);

D3:GPS.美國(guó)的全球定位系統(tǒng),覆蓋全球,接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位;

D4:GLONASS.俄羅斯的全球定位系統(tǒng),覆蓋全球,接收機(jī)接收GLONASS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位;

D5:北斗。中國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),目前覆蓋中國(guó)和周邊部分區(qū)域,接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位;

D6:伽利略。歐洲的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),目前處于研究和部署階段;

D7:兼容。接收機(jī)可以接收多個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行兼容定位;

D8:C/A碼。又稱(chēng)民碼,主要作為民用,其信號(hào)體制為公開(kāi),極易受到干擾;

D9:P碼。又稱(chēng)軍碼,主要作為軍事用途,衛(wèi)星信號(hào)保密,抗干擾能力強(qiáng);

D10:頻譜濾波。包括帶通和帶阻濾波,此技術(shù)用于限定的窄帶和CW干擾源,以及強(qiáng)的帶外干擾;

D11:時(shí)間濾波。在時(shí)間域內(nèi)對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行處理,用于多個(gè)窄帶噪聲干擾和CW干擾源,也能用于多路效應(yīng)和回波抵消干擾問(wèn)題;

D12:調(diào)零技術(shù)。采用自適應(yīng)調(diào)零天線,通過(guò)天線的波束指向和波束形成抑制干擾,這種辦法可同時(shí)對(duì)付窄帶和寬帶干擾,常見(jiàn)的有四陣元和七陣元的調(diào)零天線；

D13:波束轉(zhuǎn)換。一般利用自適應(yīng)平面陣列,根據(jù)GNSS衛(wèi)星的選擇性和干擾抑制的不同程度來(lái)提供波束控制;

D14:幅/相抵消技術(shù)。一般用裝置在飛機(jī)頂端和底端的兩個(gè)不同的天線模式來(lái)接收干擾信號(hào)和GNSS+干擾信號(hào)的混合信號(hào),這兩個(gè)信號(hào)組合在一起來(lái)抵消GNSS+干擾路徑中的干擾信號(hào),用于寬帶和窄帶干擾源;

D15:自適應(yīng)極化。利用極化調(diào)零來(lái)消除干擾信號(hào),極化調(diào)零的實(shí)現(xiàn)是利用一個(gè)偵察和跟蹤/控制通道來(lái)識(shí)別和跟蹤干擾信號(hào)的相位和幅度,再用一個(gè)混合連接抵消電路來(lái)抵消復(fù)合接收信號(hào)中的干擾部分;

D16:GNSS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航。GNSS接收機(jī)與IMU/INS組合后, 當(dāng)GNSS接收機(jī)受到射頻干擾時(shí),IMU/INS系統(tǒng)可提供記憶功能,并使組合系統(tǒng)最終從所產(chǎn)生的任何導(dǎo)航誤差中恢復(fù),有緊耦合、超緊耦合;

D17:GNSS/地形輔助導(dǎo)航。由GNSS接收機(jī)與無(wú)線電高度表和數(shù)字地圖構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

D18:A-GNSS.輔助全球定位系統(tǒng),將無(wú)線通信信號(hào)、光跟蹤、超聲波等定位方法與GNSS相結(jié)合組成的導(dǎo)航定位系統(tǒng);

D19:捕獲靈敏度。GNSS接收機(jī)輸出滿足定位精度要求的位置結(jié)果時(shí),所對(duì)應(yīng)的最低捕獲信號(hào)功率;

D20:虛警概率。GNSS接收機(jī)捕獲到錯(cuò)誤的衛(wèi)星信號(hào)的概率;

D21:P碼直捕。GNSS接收機(jī)不借助C/A碼,實(shí)現(xiàn)P碼的快速直接捕獲;

D22:跟蹤靈敏度。GNSS接收機(jī)能夠保持穩(wěn)定輸出符合定位精度要求的位置結(jié)果時(shí),所對(duì)應(yīng)的最低跟蹤信號(hào)功率;

D23:解調(diào)靈敏度。GNSS接收機(jī)在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)保持跟蹤后,輸出符合接收誤碼率要求所對(duì)應(yīng)的最低接收信號(hào)功率;

D24:抗多路徑。接收機(jī)內(nèi)部采用窄相關(guān)、PAC等一些抗多徑信號(hào)處理算法,數(shù)據(jù)處理采用載波偽距或其它殘差校驗(yàn)消除大的誤差;

D25:抗欺騙干擾。采取一些抗欺騙干擾信號(hào)的算法,有效檢測(cè)或抑制欺騙干擾信號(hào);

D26:矢量接收機(jī)。矢量接收機(jī)同時(shí)接收多顆衛(wèi)星信號(hào),并且將信號(hào)跟蹤與位置/速度估計(jì)兩項(xiàng)任務(wù)合并為一個(gè)算法,使接收機(jī)能夠正常工作的最小載噪比降低,提高接收機(jī)的抗干擾能力。

2效能評(píng)估方法

層次分析法(AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。它通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的指標(biāo)分層次綜合,經(jīng)過(guò)歸一化和一致性分析,得出系統(tǒng)綜合效能[7-8]。

2.1層次分析法

該方法將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成不同多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束)的若干層次,通過(guò)逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性,綜合決策者的判斷,求得每一層次的各元素對(duì)上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重,最后再加權(quán)和的方法遞歸得到總的效能。

層次分析法的基本步驟是:

1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型。在深入分析實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)上,將有關(guān)的各因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次,同一層的諸因素從屬于上一層因素,同時(shí)又支配下一層的因素。

2) 構(gòu)造成對(duì)比較陣。從第二層開(kāi)始,對(duì)影響上一層每個(gè)因素的同一層因素,用成對(duì)比較法和1~9比較尺度構(gòu)造成對(duì)比較陣,直到最下層。

3) 計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。對(duì)每一個(gè)成對(duì)比較陣計(jì)算特征向量,并做一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過(guò),特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量;若不通過(guò),需重新構(gòu)造成對(duì)比較陣。

4) 計(jì)算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗(yàn)。

2.2指標(biāo)的重要性評(píng)估

每一個(gè)指標(biāo)對(duì)GNSS接收機(jī)抗干擾效能的重要性影響分為:不重要、略微重要、中度重要、非常重要和相當(dāng)重要5個(gè)等級(jí),分別賦予分值1～5.經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)咨詢和反饋,得到GNSS接收機(jī)抗干擾效能指標(biāo)重要度調(diào)查表,如表1所示。

表1　GNSS接收機(jī)抗干擾效能指標(biāo)重要度調(diào)查表

2.3判斷矩陣的構(gòu)造和總權(quán)重的計(jì)算

通過(guò)對(duì)專(zhuān)家問(wèn)卷的統(tǒng)計(jì)分析,得到各指標(biāo)的重要性排序,進(jìn)一步利用1～9標(biāo)度法,得到A-Bi、Bi-Cj和Cj-Dk重要性判斷矩陣。其中i=1,2,3,j=1,2,…8,k=1,2,…26分別為B、C和D層指標(biāo)索引。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用和積法計(jì)算得到每一層對(duì)自己上一層的權(quán)重,進(jìn)而得到最底層指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重ωk,k=1,2,…26.指標(biāo)層B、C和D對(duì)上一層的權(quán)重貢獻(xiàn)分別如表2、表3和表4所示。

表2　指標(biāo)層B的權(quán)重貢獻(xiàn)

表3　指標(biāo)層C的權(quán)重貢獻(xiàn)

表4　指標(biāo)層D的權(quán)重貢獻(xiàn)

經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn),上述排序符合一致性要求。從表4中可以看到D9、D12和D16所占的權(quán)重較大,說(shuō)明P碼接收機(jī)、調(diào)零天線和慣導(dǎo)輔助導(dǎo)航技術(shù)在GNSS接收機(jī)抗干擾性能上有突出的作用。

通過(guò)對(duì)評(píng)估結(jié)果的量化可得到被評(píng)估的GNSS接收機(jī)抗干擾能力的等級(jí)水平。

3結(jié)束語(yǔ)

GNSS接收機(jī)抗干擾效能評(píng)估涉及的因素多,關(guān)系復(fù)雜,因此建立一套科學(xué)、公正、合理、實(shí)用和可操作性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文將GNSS接收機(jī)的抗干擾能力分固有的抗干擾能力、主動(dòng)抗干擾能力和被動(dòng)抗干擾能力,在此基礎(chǔ)上建立了一套較全面反映GNSS接收機(jī)抗干擾性能的指標(biāo)體系。然后通過(guò)德?tīng)柗品ǖ玫街笜?biāo)體系中各指標(biāo)的重要性排序和各層次的重要性判斷矩陣。最后通過(guò)實(shí)測(cè)的指標(biāo)數(shù)據(jù)加權(quán)求和得到GNSS接收機(jī)總的抗干擾效能評(píng)估結(jié)果。本文對(duì)GNSS接收機(jī)抗干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的考慮可能還存在疏漏與不足之處,在未來(lái)工作中應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究,提高評(píng)估體系的科學(xué)性和客觀性。

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稅利(1983-),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航與導(dǎo)航對(duì)抗。

張沖(1988-),男,碩士,助理工程師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航與導(dǎo)航對(duì)抗。

王博(1980-),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)闇y(cè)繪與導(dǎo)航。

張旭(1984-),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理。

Application of Ntrip in the GNSS-RTK Single-Station

SHUI Li,ZHANG Chong,WANG Bo,ZHANG Xu

(LuoyangElectronicEquipmentTestingCenter,Luoyang471003,China)

Abstract:The anti-jamming ability of GNSS receiver is a complicated and important work. We firstly classify GNSS receiver anti-jamming capability into inherent ability, active ability and passive ability. Secondly,proceeding with the above three aspects, we construct the effectiveness evaluation index system. Thirdly,the importance order of the indexes and the importance judgment matrix of every level are obtained by Delphi method. Finally, the total anti-jamming effectiveness of GNSS receiver is evaluated by summing the measured data of indexes

Key words:GNSS receiver; anti-jamming; evaluation of effect; analytic hierarchy process; Delphi method

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-06-08

中圖分類(lèi)號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2015)06-0044-06

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.009