基于USRP的縮比GNSS干擾測向誤差分析系統設計

陳建華， 陳樹新， 吳 昊， 陳禮波

(空軍工程大學 信息與導航學院 軍用導航國家級實驗教學示范中心，西安 710077)

0 引 言

據民航資源網報道，去年4月，成都雙流國際機場短短17 d就發生9起“無人機擾航100多趟航班受影響”的事件。要想減少甚至杜絕此類無人機干擾航班事件，關鍵在于對GNSS干擾信號源實施測向定位。然而，由于干擾信號功率極小并且工作樣式多變，測向誤差通常不穩定。在實際GNSS系統工作尺度下對測向誤差進行實驗研究顯然不現實，因而通過縮比模型類比研究實際測向誤差可操作性較強。

雷達、通信等領域對目標的測向誤差研究成果較多[1]，在系統設計領域，文獻[2]中基于PCB板和元器件設計了HF波段的測向系統；文獻[3]中基于LabVIEW和USRP設計了高頻信號的發生與測量系統，使用STM32微處理器控制，實現了人機交互；文獻[4]中基于USRP設計了完成室內無線信號場強測量的仿真系統。為了從實驗角度對通信導航干擾信號的測向誤差規律進行研究，本文基于USRP和LabVIEW設計了縮比模型[5]下的GNSS干擾測向誤差分析系統，并且以實驗的形式對比分析了測向誤差的理論值和實驗值。

1 測向誤差分析

無源測向的方法很多，例如振幅法、相位法和空間譜估計等。為簡化測向算法帶來的研究復雜度，僅選取比相法中的二單元干涉測向進行討論。

兩個天線單元之間的連線稱為測向基線，其間距D被稱為天線孔徑，一般用D與目標信號的波長λ的比值來描述測向系統的精度，該比值一般取1～2，越大，測向結果越精確。假設二單元干涉測向的模糊問題已經得到解決，忽略測向系統誤差，則GNSS干擾信號來波方向可以表示為[10]

(1)

式中：θ為來波方向與基線垂線的夾角，順時針為正；Δφ表示2個天線單元所感應到目標信號的相位差。

在實際的復雜電磁環境中進行測向作業，目標信號經過傳播路徑之后各物理參量會發生較大的變化，同時環境中也存在自然噪聲和有意無意的人為干擾，這些都是影響測向結果的重要因素。根據相關研究[11]，這一偏差的大小跟該體制下獲得的Δφ的標準差σφ有關，并且建立了如下式所示的模型，SNR表示目標信號的信噪比,

(2)

2 系統設計方案

2.1 系統架構

GNSS干擾具有工作距離遠、干擾范圍廣的特點。從人力、物力、財力方面來講，要設計同尺寸的模擬系統是不現實的。但是基于其工作的基本原理，設計一個最大限度符合真實條件的GNSS干擾信號測向“縮比模型”是可行的[6]。基于這一思路，考慮GNSS干擾信號在傳播過程中由于各種環境因素引起的信號衰減所導致的測向誤差變化，系統設計如圖1所示。

為了研究不同傳播環境對測向誤差的影響，考慮到測向結果的誤差水平主要是由于測向系統所接收干擾信號的強度決定的，本系統對干擾源部分的設計做了簡化處理，用LabVIEW設計導航干擾信號射頻載波的發送程序，并驅動USRP1發送射頻載波信號，得到合理忽略GNSS干擾信號內容的模擬干擾源。

2.2 硬件平臺

通用軟件無線電外設(Universal Software Radio Peripherals, USRP)收發器是軟件定義無線電發展過程中里程碑式的產品，它與LabVIEW軟件配合可以實現射頻信號收發，其適中的價格、小巧的體積，迅速成為了實驗、教學和科研領域的熱門器件。

圖2是NI-USRP2920的內部構成原理[13]，NI-USRP可以看做是由模擬射頻收發和固定功能的FPGA兩個模塊構成，將其通過以太網線連接到計算機上即可作為軟件無線電硬件平臺。

NI-USRP用作發射器時，它從PC端以16位的分辨率接收數據，然后經過數字上變頻(DUC)為射頻信號，再經發送放大器后送發射天線發送；當被用作接收器時，首先將所要接收的信號與預先設定的載波頻率相混頻，下變頻后以用戶指定的速率進行降采樣處理，后送PC端處理。NI-USRP2920的發射和接收增益為0～31 dB，輸出功率范圍為14.5～20 dBm(50～2.2 GHz)[13]。

2.3 軟件設計

(1) 模擬干擾源。對測向誤差分析系統的模擬干擾源部分進行設計時，僅考慮“零內容”的GNSS干擾信號，即工作在特定頻點的導航載波信號。本文選取了BDS的工作頻點1 561 MHz，正交采樣速率設定為400 kHz，發送增益取20 dB，模擬干擾源發送程序的前面板和框圖如圖3所示[3]。

圖2 NI-USRP原理圖

(2) 測向誤差分析。本測向誤差分析方法是基于對測向機接收端導航干擾信號強度與噪聲水平的分析得到的。一般來講，測向機所處地點的電磁環境(噪聲水平)是相對穩定的，故在對測向誤差分析部分進行設計時，導航干擾信號傳播到測向設備端的強度是應當被重點關注的。基于這一點的考慮，任務轉化為設計與干擾信號發射源工作在相同的頻點接收機。

圖4為設計導航干擾信號測向誤差分析程序[3]，各接收參數參照模擬干擾源設置。另外使用頻譜分析工具niUSRP EX Spectral Monitoring(Interactive) VI測試所接收到的干擾信號，一方面可以對導航干擾信號頻譜有一個直觀的感性認識；另一方面也可以對其功率水平進行精確地測量，如圖5所示。

圖5 接收端頻譜分析工具

3 實驗驗證

3.1 實驗系統布設

考慮到設備儀器限制以及取電方便，實驗系統選在一個空曠的大教室進行架設(室內凈空間1 200 cm×800 cm×350 cm)。如圖6所示，M是具有強方向性的喇叭天線，作為誤差分析系統接收天線，固定在靠南墻一側的中間位置；J是無方向性天線，作為模擬干擾源的發射天線，其在以M為圓心以d為半徑的圓弧上任意設置；θ代表J關于M的相對方位角，順時針為正。

3.2 實驗原理及步驟

實驗的總體思路是用角度誤差的實測值|Δθ|來驗證理論分析得到的角度誤差理論值σθ。首先，按照導航模擬干擾源發射天線和測向誤差分析系統的接收天線的設置的幾何關系，計算出發射天線關于接收天線的真實相對方位角θ；其次，令模擬干擾源處于關機狀態，接收系統測得該頻段噪聲基底值N；然后，打開模擬干擾源使其發射干擾信號，轉動喇叭接收天線方位使接收系統頻譜儀上顯示的干擾信號功率值S最大，記錄最大功率值和此時喇叭天線轉盤的角度測量值θ′；最后，根據本文理論分析計算得出σθ，將它與實測得到的角度誤差測量值作對比，完成對理論分析的驗證。

以上步驟可以變換發射天線關于接收天線的相對方位角θ和徑向距離d，進行若干次實驗得到多組數據，降低人為因素帶來的偶然誤差，提升實驗結果的可信度。結合實驗原理，設計實驗步驟如圖7所示。

圖7 實驗步驟流程圖

3.3 實驗結果及分析

考慮到影響模擬干擾源發射天線位置的因素至少有相對方位角θ和徑向距離d兩個方面，在教室范圍內對它們做如下設定：①d=600 cm，θ分別取-60°,-30°,0°,30°,60°；②θ=30°，d分別取200,400,600 cm。針對上述兩種情形，按照實驗步驟分別進行實驗，實驗結果如表1、2所示。

表1 徑向距離固定，變換相對方位角

表2 相對方位角固定，變換徑向距離

實驗所得數據存在系統誤差以及人為誤差，與式(1)、(2)所做的理論研究基本吻合。實驗結束后分析數據發現，實驗測角所得的值均比設定值大，原因在于測角轉動天線總是順時針方向，停止時實際上已經越過了最大值。

4 結 語

本文基于“縮比”的思想將大尺度的GNSS干擾源縮小到與教室尺寸相當，基于USRP模擬實際的GNSS干擾源，采用實驗的方法研究了測向誤差及其基本規律，并且與測向誤差理論研究作對比，驗證了該方法的正確性。