多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董樹理，葛海龍，劉 敏

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

0 引言

GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)到達(dá)地面用戶接收機(jī)時(shí)非常微弱，使得導(dǎo)航信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中。如：GPS信號(hào)的最大接收功率不會(huì)超過(guò)-150 dBW，其L1,L2,L5頻點(diǎn)的接收功率一般在-150～-162 dBW之間[1]。雖然衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)采用擴(kuò)頻通信體制，具有較大的擴(kuò)頻增益，可以將淹沒(méi)在噪聲中的信號(hào)提取出來(lái)，但當(dāng)干擾信號(hào)非常強(qiáng)，并且干擾類型復(fù)雜、干擾信號(hào)角度多變時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)仍然會(huì)受到較大的影響[2]。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力差，因此提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾能力，是各國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，新的抗干擾算法和技術(shù)已應(yīng)用在產(chǎn)品中，但在實(shí)際干擾環(huán)境下，如何驗(yàn)證并測(cè)試抗干擾性能是一個(gè)難點(diǎn)。為此，需構(gòu)建涵蓋各種典型干擾場(chǎng)景的室內(nèi)測(cè)試平臺(tái)，模擬干擾信號(hào)、導(dǎo)航信號(hào)之間三維和動(dòng)態(tài)連續(xù)變化，測(cè)試用戶接收機(jī)的抗干擾性能。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試的相關(guān)研究多集中在對(duì)干擾、抗干擾技術(shù)的研究上，主要體現(xiàn)為對(duì)干擾樣式的分類、干擾多變性的研究和抗干擾技術(shù)的研究等，關(guān)于測(cè)試環(huán)境構(gòu)建的研究主要集中于外場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試相關(guān)技術(shù)[3-6]，關(guān)于利用導(dǎo)航暗室進(jìn)行測(cè)試條件構(gòu)建的研究較少。國(guó)內(nèi)關(guān)于暗室的建設(shè)及應(yīng)用主要集中在天線測(cè)試、電器部件EMC測(cè)試等領(lǐng)域，研究主要向吸波材料的優(yōu)化、暗室形狀優(yōu)化2個(gè)方向發(fā)展[7-10]。基于暗室的導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試條件建設(shè)整體設(shè)計(jì)研究少見于報(bào)道，僅有部分關(guān)于其中天線分布、測(cè)試方法等技術(shù)的仿真研究[11-13]。

1 現(xiàn)有測(cè)試條件及模式分析

目前，針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航及導(dǎo)航對(duì)抗的性能測(cè)試和抗干擾性能評(píng)估主要有外場(chǎng)測(cè)試、全數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真等方法。

1.1 外場(chǎng)測(cè)試

外場(chǎng)測(cè)試是指在室外大區(qū)域建立衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和導(dǎo)航對(duì)抗設(shè)備的無(wú)線測(cè)試環(huán)境，利用實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)，對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行測(cè)試的方法。具體方法是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收空間實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位，測(cè)試其定位精度、抗干擾性能等指標(biāo)。外場(chǎng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試條件接近真實(shí)環(huán)境、有利于在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境測(cè)試設(shè)備性能，缺點(diǎn)在于測(cè)試成本高、可重復(fù)性差，而且可能接收到外界環(huán)境的射頻干擾而影響測(cè)試的精度和可信度。部分指標(biāo)外場(chǎng)測(cè)試條件建設(shè)投入大，甚至不具備測(cè)試條件。如：接收機(jī)的測(cè)速精度測(cè)試，在外場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試需要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速場(chǎng)地，投入大，技術(shù)復(fù)雜。而接收靈敏度、系統(tǒng)完好性、接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)和測(cè)距精度等指標(biāo)測(cè)試由于需要改變衛(wèi)星信號(hào)，在外場(chǎng)條件下不具備測(cè)試條件。導(dǎo)航對(duì)抗設(shè)備在外場(chǎng)測(cè)試易對(duì)附近衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)造成影響。

1.2 全數(shù)字仿真

全數(shù)字仿真是指利用基于軟件的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬、衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真評(píng)估。全數(shù)字仿真雖然成本低、安全性好，但由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致全數(shù)字式仿真無(wú)法完整、真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)中的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)性能。因此，目前全數(shù)字仿真局限于理論研究和設(shè)計(jì)開發(fā)階段；另外，軟件接收機(jī)在導(dǎo)航信號(hào)測(cè)試、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器研制等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

1.3 半實(shí)物仿真

半實(shí)物仿真是將數(shù)學(xué)模型、模擬設(shè)備和物理設(shè)備聯(lián)系在一起而形成的一種仿真系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)仿真與物理效應(yīng)仿真相結(jié)合的產(chǎn)物。半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有研制周期短、質(zhì)量高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其成為仿真領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。目前，半實(shí)物仿真用于衛(wèi)星導(dǎo)航及導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試主要包括注入式仿真和微波暗室輻射式仿真2種模式。

微波暗室仿真測(cè)試，目前主要利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器等信號(hào)模擬設(shè)備，在微波暗室內(nèi)構(gòu)建無(wú)線測(cè)試環(huán)境，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航和導(dǎo)航對(duì)抗設(shè)備性能進(jìn)行測(cè)試。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和干擾信號(hào)通過(guò)輻射方式將模擬的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)送入接收機(jī)，其測(cè)試場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備暗室輻射式測(cè)試場(chǎng)景示意圖

注入式仿真測(cè)試，是將衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器模擬的衛(wèi)星信號(hào)直接通過(guò)射頻電纜或仿真測(cè)試系統(tǒng)注入衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，通過(guò)仿真信號(hào)在空間傳播過(guò)程中的衰減、衰落和時(shí)延等特性，以及接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)等場(chǎng)景，進(jìn)行測(cè)試。該方法有利于誤差分離等各項(xiàng)技術(shù)的研究，確保測(cè)試的精度。

半實(shí)物仿真測(cè)試成本低、可控性好、重復(fù)性強(qiáng)且有利于測(cè)試信號(hào)和內(nèi)容的保密，測(cè)試精度較高，方便進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備接收性能、導(dǎo)航對(duì)抗性能測(cè)試，是衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，基于暗室的導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)采用單天線模擬的方式，經(jīng)同一天線發(fā)射多顆衛(wèi)星模擬信號(hào)，無(wú)法反映信號(hào)的空間位置關(guān)系，無(wú)法對(duì)各種空域抗干擾技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。

2 多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備主要采用的抗干擾技術(shù)包括：時(shí)域?yàn)V波技術(shù)、頻域?yàn)V波技術(shù)、空域?yàn)V波技術(shù)和空時(shí)自適應(yīng)濾波技術(shù)等[14-16]。尤其是空時(shí)自適應(yīng)技術(shù)，具備抗多種干擾的能力，并且具有干擾識(shí)別和定位的能力，處理性能優(yōu)于傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)，在實(shí)際的抗干擾接收機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)的抗干擾技術(shù)應(yīng)用中，以陣列天線和多波束技術(shù)為代表的抗干擾技術(shù)發(fā)展較為成熟。

在微波暗室進(jìn)行干擾、抗干擾測(cè)試時(shí)，如果衛(wèi)星信號(hào)采用單天線模擬方式，在特定場(chǎng)景下多星合成射頻信號(hào)，利用單天線從一個(gè)方向輻射，這種方法無(wú)法模擬衛(wèi)星信號(hào)空間位置關(guān)系。例如，衛(wèi)星信號(hào)單天線輸出測(cè)試方法只能測(cè)試波束形成天線中的法向波束，而無(wú)法測(cè)試其他波束，不能真實(shí)反映波束形成天線抗干擾接收機(jī)的實(shí)際性能。因此，在微波暗室干擾、抗干擾測(cè)試環(huán)境中要實(shí)現(xiàn)抗干擾能力的測(cè)試，需要多通道衛(wèi)星信號(hào)源，采用多天線輸出方式將每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)單獨(dú)的天線發(fā)出，構(gòu)造一個(gè)能夠模擬多星座衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)空域特征的半物理仿真環(huán)境，同時(shí)還需要多種不同的干擾源，在不同位置發(fā)射干擾信號(hào)以實(shí)現(xiàn)大角域的動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)模擬，此方法模擬的測(cè)試環(huán)境逼近了外部真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)及干擾信號(hào)分布場(chǎng)景。

多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試系統(tǒng)主要用來(lái)為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試提供射頻仿真試驗(yàn)環(huán)境，需滿足如下功能要求：

① 支持多星座的真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)來(lái)波方向仿真，能夠模擬實(shí)際導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)空間變化規(guī)律；

② 覆蓋頻段包括：北斗、GPS等；

③ 能夠模擬多種復(fù)雜電磁環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)與干擾信號(hào)、多徑信號(hào)等空間合成輸出，提供全面、準(zhǔn)確的測(cè)試場(chǎng)景及測(cè)試信號(hào)；

④ 具有進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)高動(dòng)態(tài)、抗干擾測(cè)試的射頻仿真環(huán)境。

系統(tǒng)可用于對(duì)各類型衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收性能的測(cè)試，對(duì)接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試，開展對(duì)GNSS接收機(jī)不同抗干擾技術(shù)和抗干擾能力的研究測(cè)試。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗測(cè)試系統(tǒng)主要由微波暗室、導(dǎo)航信號(hào)模擬分系統(tǒng)、干擾信號(hào)模擬分系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)、測(cè)試設(shè)備分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和時(shí)頻與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)等組成，為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾性能測(cè)試提供一個(gè)完備的室內(nèi)信號(hào)測(cè)試環(huán)境。在微波暗室頂部和四周墻壁布設(shè)導(dǎo)航星座模擬天線，干擾天線布設(shè)于四周墻壁上，通過(guò)導(dǎo)航信號(hào)模擬分系統(tǒng)，將每個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)通過(guò)單獨(dú)的天線發(fā)出；由于不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用不同的軌道設(shè)計(jì)和衛(wèi)星布局，在設(shè)計(jì)仿真測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，需要考慮這些不同軌道衛(wèi)星可能的分布情況，建成的輻射式仿真測(cè)試系統(tǒng)能夠盡可能真實(shí)地模擬典型空間衛(wèi)星分布情況；同時(shí)，通過(guò)在不同仰角和方位的干擾天線，干擾信號(hào)模擬分系統(tǒng)模擬多種不同的干擾信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)主要組成如圖2所示。

圖2 多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗仿真測(cè)試系統(tǒng)組成

4 導(dǎo)航衛(wèi)星星座模擬與仿真驗(yàn)證

4.1 星座模擬設(shè)計(jì)

衛(wèi)星星座方案設(shè)計(jì)依據(jù)覆蓋性、復(fù)雜性、可靠性、可維護(hù)性、安全性和可擴(kuò)展性等原則要求，可采用若干個(gè)固定天線安裝在暗室頂部、四周墻面組成離散天線陣的設(shè)計(jì)方案。

衛(wèi)星星座環(huán)境模擬方案需要滿足衛(wèi)星星座信號(hào)空時(shí)特性模擬以及抗干擾測(cè)試需求，離散天線布局主要用來(lái)模擬被測(cè)天線陣元所面臨的衛(wèi)星星座模擬環(huán)境。因此，離散天線布局要求如下：

① 同一仰角軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星信號(hào)空間夾角可以滿足不同波束寬度指標(biāo)的波束形成技術(shù)測(cè)試；

② 各軌道間同一方位角的衛(wèi)星信號(hào)的仰角夾角也應(yīng)該滿足不同波束寬度指標(biāo)的波束形成技術(shù)測(cè)試。

各離散天線間的仰角間隔和同一仰角衛(wèi)星間的空間夾角，其角度定義如圖3所示。

其中，sat1和sat2是同在一個(gè)仰角平面內(nèi)的2個(gè)相鄰天線；sat1和sat3是相鄰仰角平面上方位角相同的2個(gè)相鄰天線；θ，φ分別定義為仰角、方位角；ΔΦ為從被測(cè)設(shè)備到2個(gè)天線的視線夾角，即2個(gè)天線方向間的空間夾角。

圖3 角度定義

對(duì)7元圓陣平面陣的形成的波束寬度進(jìn)行仿真分析，7元圓陣3 dB波束寬度為47°，同時(shí)隨著天線陣規(guī)模增大，波束寬度變小。

因此，為滿足7元陣抗干擾測(cè)試需求，對(duì)衛(wèi)星星座模擬的需求如下：

① 同一仰角軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星信號(hào)空間夾角需要低于47°；

② 各軌道間同一方位角的衛(wèi)星信號(hào)的仰角夾角也應(yīng)該低于47°。

為滿足需求，在暗室共設(shè)24個(gè)天線，其中包含位于暗室天頂中心點(diǎn)的收發(fā)一體天線。相鄰天線之間的最小空間夾角設(shè)計(jì)為10°～46°。

4.2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證離散天線布局是否滿足發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的需要，要求離散天線陣最大程度地接近于真實(shí)的衛(wèi)星星座時(shí)間和空間的變化；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)各種抗干擾場(chǎng)景的構(gòu)建，要求離散天線陣能夠覆蓋所有類型的接收終端測(cè)試需求。

通過(guò)設(shè)計(jì)方案中的24陣元離散天線陣可用來(lái)模擬實(shí)際衛(wèi)星的軌跡。由圖4可以看出，實(shí)際衛(wèi)星軌跡并不完全經(jīng)過(guò)布設(shè)的天線，但是在偏離實(shí)際軌跡點(diǎn)小于47°的空間夾角以內(nèi)必定有一個(gè)離散天線存在。因此，可以通過(guò)離散天線陣中最靠近的實(shí)際衛(wèi)星軌跡的固定天線發(fā)射相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)。

圖4 離線天線陣分布與實(shí)際衛(wèi)星軌跡示意圖

圖4中，實(shí)線表示某一衛(wèi)星的實(shí)際軌跡，虛線為離散天線組成的模擬軌跡。通過(guò)離散衛(wèi)星軌跡模擬結(jié)果與實(shí)際衛(wèi)星軌跡的比較，可以看出離線天線陣可以近似模擬真實(shí)衛(wèi)星在空間上的運(yùn)動(dòng)軌跡。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于各種抗干擾技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備已逐步得到應(yīng)用，但在實(shí)際干擾環(huán)境下如何驗(yàn)證并測(cè)試抗干擾性能是個(gè)棘手的問(wèn)題。為此，基于導(dǎo)航暗室構(gòu)建無(wú)線仿真測(cè)試環(huán)境，模擬實(shí)際環(huán)境中可見星座導(dǎo)航信號(hào)及可能面臨的多種復(fù)雜干擾，可較為全面地測(cè)試衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的動(dòng)、靜態(tài)性能，完成復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾能力的定量測(cè)試與評(píng)估。