衛星導航信號抗干擾能力分析

張鵬 賀劉 黃璽

摘? ?要：導航信號干擾是影響接收機穩定處理信號的關鍵因素之一，文章通過數學仿真，對BPSK信號和BOC信號在解調和跟蹤階段針對窄帶干擾和匹配譜干擾下的工作性能進行了分析比較，為衛星導航信號抗干擾編碼設計提供了參考。

關鍵詞：衛星導航;窄帶干擾;匹配譜干擾

接收機對導航信號的接收處理過程包括捕獲、跟蹤（偽碼跟蹤和載波跟蹤）和解調。不同的處理過程，干擾信號對導航信號的影響效果不盡相同。對捕獲、載波跟蹤和解調性能起決定性作用的是接收信號與參考信號，即時支路相關輸出的信噪比，對偽碼跟蹤性能起決定性作用的是鑒別器輸出的信噪比，它與參考信號的超前、滯后支路相關。

1? ? 導航信號的分析方法

信號體制的驗證階段包括4個驗證過程：理論評估、計算機模擬仿真驗證、實物模擬仿真驗證和試驗驗證。（1）理論評估：基于導航信號特性以及碼/載波跟蹤理論，結合實際接收條件對采用某一種信號體制能達到的性能進行評估。（2）計算機模擬仿真驗證：通過計算機模擬衛星導航信號產生、接收和處理過程，應用統計的方法對系統性能進行評估。（3）實物模擬仿真：基于可靈活配置的信號發生模擬器和接收機來模擬衛星導航信號產生、接收和處理過程，通過仿真試驗來評估信號性能。（4）試驗驗證：基于廣播導航信號，在地面用實際接收機來接收處理導航信號，完成信號體制的最終確認[1]。

這4種驗證手段中，后期的驗證手段可信度高，但驗證周期也長，代價也非常高昂。在未確定最終信號體制之前，無法設計實物的信號模擬器和相應的接收機，信號體制的修改都將會帶來硬件上較大的變動，修改設計所需的周期比較長，代價也非常昂貴。理論評估方法可以很快地發現信號設計的問題，大幅降低后續驗證過程中不能通過的風險，從而縮短設計周期。計算機模擬仿真方法的效率和可信度較高，可以對信號體制綜合適用性理論評估起到很好的補充作用。

在參數化接收平臺下，對導航信號各具體指標進行評估，可以沿以下兩種技術途徑并行實施[2]。

（1）針對典型接收處理流程，對導航信號的性能指標進行理論分析和研究，得到性能指標的理論計算公式，進一步通過數值計算的方式可以得到相應的性能指標的理論值。這種方法的缺點在于：多數情況下很難甚至無法得到性能指標的理論計算公式。但一旦可以推導出相應的理論結果，這種方法具有的評估復雜度低、物理意義明確的優點是極為明顯的。

（2）在無法或很難得到性能指標理論分析結果的情況下，可以利用軟件接收機平臺對導航信號進行處理，通過仿真實驗測試得到所需要的性能指標值。之所以強調軟件接收機，是因為所具有的參數可配置、算法可重構的優點正好適應了導航信號性能評估的應用需要。當然，相比于上一種方法，這一仿真測試的方法在進行導航信號性能評估時的計算復雜度較高。

2? ? 導航信號抗干擾評估方法

在接收機無任何抗干擾措施的情況下，中心頻率位于信號功率譜峰值點的窄帶干擾對接收機的干擾效果最為明顯，在考慮接收機抗干擾措施的情況下，匹配譜干擾是最難去除的干擾類型。因此，本文主要考慮兩種類型的干擾：窄帶（干擾帶寬遠小于信號帶寬）干擾和匹配譜干擾。

綜合考慮干擾類型和處理過程，將抗干擾性能的評估分為4個方面：解調抗窄帶干擾、解調抗匹配譜干擾、碼跟蹤抗窄帶干擾、碼跟蹤抗匹配譜干擾。抗窄帶干擾能力的評價指標采用解調抗窄帶干擾品質因數和碼跟蹤抗窄帶干擾品質因數[3]。解調抗窄帶干擾品質因數定義為：

（1）

碼跟蹤抗窄帶干擾品質因數定義為：

（2）

抗匹配譜干擾的評價指標采用解調抗匹配譜干擾品質因數和碼跟蹤抗匹配譜干擾品質因數。解調抗匹配譜干擾品質因數定義為：

（3）

碼跟蹤抗匹配譜干擾品質因數定義為：

（4）

式（1）—（4）中，Rd為信息速率，Gs（f）為等效基帶信號的歸一化功率譜密度，單位為1/Hz。β為信號發射帶寬，單位Hz，MAX[·]表示取最大值的運算。上述品質因數越大，表明相應處理環節抗對應干擾的能力越強[4]。

3? ? 仿真分析

由圖1可知，干擾會影響信號的解調品質因數，進而影響誤碼率，因此，可以對不同干擾下的誤碼率影響做出定量的評估。圖2給出了在載波中心頻點加一個40 dB的窄帶干擾所造成的影響。

可以看到，中心頻點的干擾對二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK-R）信號的影響要大于對二進制偏移載波（Binary Offset Carrier，BOC）信號的影響。這是因為BOC信號在中心頻點上的能量為零。而如果這個窄帶干擾放在BOC信號的主瓣峰值處[5]，造成的影響如圖3所示。

因此，BOC的解調性能下降要比BPSK信號嚴重。這一結果也與直觀上的分析一致。

4? ? 結語

通過仿真結果可以看出：（1）解調階段。當受到位于中心頻點的窄帶干擾時，BOC信號的抗干擾能力強于BPSK信號。但當窄帶干擾信號頻點位于BOC信號的主瓣峰值處時，BPSK信號的抗干擾能力更強。（2）跟蹤階段。BPSK信號面對窄帶干擾和匹配譜干擾時，具有比BOC信號更強的抗干擾能力。

[參考文獻]

[1]潘高峰.衛星導航接收機抗干擾技術[D].北京：電子工業出版社，2016.

[2]王瑛，李毅松，蘇哲，等.AltBoc衛星導航信號質量分析[J].空間電子技術，2016（5）：26.

[3]王先發，禹化龍，張碧雄.我國未來衛星導航信號的優先選擇—BOC調制信號[J].中國電子科學研究院學報，2009（3）：307-312.

[4]劉禹圻，胡修林，燃一航，等.衛星導航信號抗單頻干擾性能研究[J].電子學報，2011（6）：1410-1416.

[5]楚恒林，李春霞.BOC調制導航信號關鍵技術研究[J].無線電工程，2010（6）：34-37.

Analysis of satellite navigation signals anti-interfere ability

Zhang Peng， He Liu， Huang Xi

（Troops of 63787， Shihezi 832000， China）

Abstract：The interference of navigation signals is one of the key factors for the operation of the receiver. In this paper， mathematical simulations of BPSK signals and BOC signals are conducted. During the demodulation and tracking stages， the differences between narrowband interference and match spectrum interference and match spectrum interference are analyzed and compared. This paper procides reference for anti-interference coding design of satellite navigation signals.

Key words：statellite navigation; narrowband interference; spectrum interference match