一種機載北斗設備抗干擾性能評估方法?

侯立志 何 晶 傅玉鑫 周 凱

（1.94498部隊 南陽 474370）（2.空軍工程大學信息與導航學院 西安 710077）

1 引言

衛星導航系統作為軍事領域中一種重要的導航方式，不僅能全天候地在全球范圍內為軍事系統和各種武器平臺提供精確的位置、速度和時間信息，還能保持對全球戰略目標的實時感知，對奪取和保持未來戰爭中的空間優勢、實施非線性作戰和對目標的精確打擊、對軍隊和裝備進行快速輸送以及實行高效的戰場指揮與控制等方面都起到了至關重要的作用，已然成為軍事領域中一項重要的基礎設施，在各個階段影響著戰爭的方式和效能。

隨著我國北斗衛星導航系統的不斷發展和廣泛應用，如何測試和評估設備的抗干擾性能，已成為目前亟待解決的重要問題。構建機載北斗設備抗干擾性能評估指標體系是全面、合理評價機載北斗設備抗干擾性能的核心工作。本文通過探討機載北斗設備抗干擾性能評估的基本理論、指標選取原則以及指標體系建立的一般過程，構建較為全面的機載北斗設備抗干擾性能評估指標體系，并結合層次分析法，對機載北斗設備抗干擾性能進行評估，并給出評估實例。

2 衛星導航面臨的主要干擾威脅和主要抗干擾手段

2.1 主要威脅

由于衛星運行軌道距離地面較遠，衛星信號發射功率較小，且傳播過程中存在各種損耗，信號到達地球表面時已變得十分微弱。加之周圍環境中存在各種無意的自然干擾和有意的人為干擾，北斗導航系統面臨著嚴峻的挑戰。各種人為干擾主要是指壓制式干擾和欺騙式干擾。壓制式干擾信號主要包括掃描等幅波、寬帶高斯噪聲、脈沖等幅波以及窄帶、寬帶頻率調制信號［1］；欺騙式干擾信號主要包括轉發式欺騙干擾信號和產生式欺騙干擾信號［2］。任何一種干擾信號都將對機載北斗設備的導航定位功能產生較大影響。因此，機載北斗設備必須具備一定的抗干擾能力才能抑制來自外界的各種干擾。

2.2 主要抗干擾手段

針對機載北斗設備面臨的威脅，目前應用于機載北斗設備的抗干擾技術主要包括天線陣抗干擾技術、信號處理抗干擾技術、組合導航抗干擾技術以及固有特性抗干擾技術。

1）天線陣抗干擾技術

天線陣抗干擾技術主要針對壓制式干擾信號產生抑制作用，它主要采用空域和空時濾波技術，其中空域濾波技術又可分為自適應天線陣調零技術和波束形成技術［3］。由于自適應調零天線能夠自動靈活調整極化，將最大接收方向調整到所需信號的來波方向，抗干擾性能較好，目前已被廣泛應用。

2）信號處理抗干擾技術

信號處理抗干擾技術主要包括頻域濾波抗干擾技術、時域濾波抗干擾技術以及干擾信號進入接收機后的信號處理技術。

頻域濾波抗干擾技術主要針對等幅干擾、窄帶干擾以及功率較大的帶外干擾；時域濾波抗干擾技術對窄帶干擾和連續波干擾有較好的抑制作用，最大可實現30dB［4］的抑制能力；干擾信號就進入接收機后，在信號處理過程中用抗干擾算法來提高接收機的衛星跟蹤、衛星信號捕獲、抗多徑以及抗欺騙式干擾的能力。

3）組合導航抗干擾技術

組合導航抗干擾技術主要是指兩種或兩種以上的導航方式進行組合，以提高設備的抗干擾性能。常用的組合導航方式就是衛星導航系統與慣性導航系統的組合。

通過數據分析和計算，采用北斗與慣導進行組合導航的情況下，能將抗壓制式干擾能力提高11dB左右［5］。不僅如此，當組合導航系統的定位結果出現跳變時，就“懷疑”遭到了欺騙式干擾，此時組合導航系統將會放棄北斗的導航定位結果，而僅采用慣導的輸出結果，從而避免遭受欺騙式干擾。

4）固有特性抗干擾技術

北斗設備定型后，有些基本的性能參數雖然不是為了對抗干擾信號而設置，但它們是形成接收設備整體功能所必備的基本條件，且能實現一定的干擾抑制作用，是機載北斗設備必須的系統參數，如北斗接收機的天線特性、陣列通道性能［6］以及接收機所接收到的信號的碼型等。

3 抗干擾性能評估指標體系建立的原則和一般過程

為了能夠將繁雜的性能評估問題用科學的計量方法進行量化、分析和處理，首先須針對機載北斗設備抗干擾性能構造一個科學的評估指標體系。該指標體系能夠將大量相互關聯、相互制約的復雜因素之間的關系調理化、層次化，同時能夠區分不同指標對整體抗干擾性能的重要程度。此外，要對只能定性評估的因素進行適當的量化處理，以便于整體抗干擾性能的分析。

機載北斗設備的抗干擾性能評估指標體系是對機載北斗設備進行正確合理評估的基礎，其層次化的結構是體系的骨骼，各個具體指標則是體系的血與肉。因此，具體評估指標的選取必須兼顧可測性、系統性、完備性、簡明性、獨立性、客觀性以及一致性原則。構建機載北斗設備抗干擾性能評估指標體系要在全局分析的基礎上首先擬定出指標體系的框架結構，結合對相關單位的調研以及對該領域權威的專家進行咨詢，對指標體系進行細化和定型，再通過反饋的意見不斷進行改進和完善，具體流程如圖1所示。

圖1 評估指標體系建立過程

根據該指標體系建立過程，構建機載北斗設備抗干擾性能指標體系的主要步驟如下。

1）屬性特征分析

根據機載北斗設備的特點，確定與其抗干擾性能相匹配的指標，并對指標的靜態和動態屬性、定性和定量屬性進行分析和判斷。

2）結構分析

將機載北斗設備的抗干擾性能指標體系分為兩個方面，即機載北斗設備所固有的抗干擾性能指標和因采取抗干擾措施而具有的評估指標。再分別對兩個方面的指標進行細化。

3）信息來源分布

指標信息通常來源于統計分析的結果、資料數據庫、詢問專家、相關單位調研的結果或者主觀的判斷等。

4）歸一化分析

無論是定性指標還是定量指標，在進行評估前必須經過歸一化處理，否則無法進行評估。如天線極化方式為定性指標，就需要通過專家打分的方式對其進行量化分析。

5）實踐中檢驗

指標體系建立以后，要在實際工作中不斷地接受檢驗和反饋，根據意見進行修改和完善。

4 機載北斗設備抗干擾性能評估指標體系的構建

機載北斗設備的抗干擾性能主要包括兩個方面，一是機載北斗設備固有抗干擾性能，另一個為機載北斗設備采取的抗干擾措施。

4.1 機載北斗設備固有特性抗干擾指標

機載北斗設備內部的噪聲功率和其所處干擾環境息息相關，導致在北斗接收機處理前端的載噪比直接與北斗接收機內部的A/D實現損耗［7］以及天線增益相關。此外，天線的極化方式也會引起其抗干擾性能的變化。以上指標都可作為機載北斗設備抗干擾性能的影響因素，可作為機載北斗設備的固有特性抗干擾指標。

4.2 機載北斗設備抗干擾措施評估指標

針對機載北斗設備面臨的壓制式干擾和欺騙式干擾，在建立評估指標體系的過程中，結合機載北斗設備所采用的不同的抗干擾技術來研究其抗干擾性能改善情況，在此基礎上進行指標的選取、提煉、歸納和總結，并進行定量或者定性的描述，以便在后續抗干擾性能評估時的計算與分析。根據第3部分對指標選取原則的描述，選取以下指標作為抗干擾性能評估量。

1）干擾抑制度

在機載北斗設備正常工作的條件下所能施加的最大干擾信號強度，即為干擾抑制度。它能反映機載北斗設備的抗壓制式干擾的能力，即干擾抑制度值越大，抗壓制式干擾能力就越強。

2）抗壓制干擾個數

機載北斗設備正常工作的條件下所能抑制的壓制式干擾個數。以自適應調零天線為抗干擾技術的機載北斗設備所能抑制的最大干擾個數為陣元數減1。

3）天線陣輸出信噪比

天線陣輸出信噪比能夠衡量機載北斗設備天線陣對干擾信號的抑制能力，可作為機載北斗設備抗干擾性能的評估指標，也是目前常用的性能指標。

4）可定位概率

可定位概率即機載北斗設備在某時刻可用衛星數不少于4的概率。概率為1時表示能夠定位，概率為0時表示不可定位。

5）服務可用性概率

服務可用性概率指的是定位精度在門限范圍內的概率。機載北斗設備服務可用的條件為PDOP值小于5。

6）欺騙式干擾發現時間

從機載北斗設備接收到欺騙式干擾信號開始到發現所持續的時間。發現時間越短，抗欺騙式干擾能力越強。

7）抗欺騙式干擾個數

機載北斗設備正常工作條件下所能抑制的最大欺騙式干擾個數。能抑制的欺騙式干擾個數越多，抗欺騙式干擾能力越強。

4.3 機載北斗設備抗干擾性能評估指標體系的構建

基于4.1和4.2對機載北斗設備固有抗干擾特性指標以及抗干擾措施指標的分析，基于層次化的分析方法構建機載北斗設備抗干擾性能評估指標體系如圖2所示。

圖2 北斗接收機抗干擾性能測試評估指標體系

根據層次分析的方法，基于上述對機載北斗設備固有抗干擾性能和抗干擾措施的分類，構建了如圖2所示的機載北斗設備抗干擾性能評估指標體系。其中，一級指標兩個：固有特性指標和抗干擾措施指標；二級指標十個，即干擾抑制度、抗壓制式干擾個數、天線陣輸出信噪比、可定位概率、服務可用性概率、欺騙式干擾發現時間、抗欺騙式干擾個數、天線增益、天線極化方式以及A/D量化位數。

5 基于層次分析法的機載北斗設備抗干擾性能評估方法

層次分析法［8］是將與目標問題有關的元素分成若干層次，在此基礎上進行綜合定性和定量分析，最后通過歸一化分析和一致性判定，得出機載北斗設備抗干擾性能值。

5.1 判斷矩陣的構造和權重的計算

本文采用德爾菲法［9］，吸收衛星導航抗干擾領域不同專家學者的知識和經驗，得到指標比較矩陣，大大提高了各指標權重確定的客觀性。在得到指標體系中，利用1-9標度法進行兩兩標度，具體標度方法如表1所示。得到各層次指標間兩兩比較矩陣，即A-Bi、Bi-Cj重要性比較矩陣，其中i=1，2；j=1，2…10。以此為基礎，運用和積法可以得到低層相對高一層的權重值，進一步即可得到底層各指標對總目標機載北斗設備抗干擾性能的權重ωk，k=1，2，…10，指標層B和C對上一層的權重信息分別如表2和表3所示。

表1 標度法

表2 指標層B的權重貢獻

表3 指標層C的權重貢獻

根據一致性原則對上述排序進行檢驗，符合要求。由表3中可以得出C1、C2、C3、C5、C6所占權重相對較大，說明干擾抑制度、抗壓制干擾個數、天線陣輸出信噪比、服務可用性概率以及抗欺騙式干擾發現時間在機載北斗設備抗干擾性能中具有重要作用。

5.2 指標數據歸一化處理

在對機載北斗設備進行抗干擾性能評估時，要將指標體系中的10個底層指標分析和處理，得出一個綜合評價值，以便于不同設備間抗干擾能力的比較。由于不同指標間的性質、單位并不相同，不能直接通過簡單的加減進行綜合評估。因此，需要通過歸一化處理［10］，將不同指標值轉換到同一標準下，再經過數學方法得到綜合評估值。

進行歸一化時，對于定量的指標用Mij表示所得樣本值，Mmax和Mmin代表該指標在機載北斗設備中可能出現的極大和極小值［11］，Nij代表經過歸一化［12］算法后的結果，常用的歸一化處理方法主要有以下幾種：

1）正向定量指標：

3）區間指標：

設Mmid表示中間參數：

對于定性指標，無法進行數量上的描述，也需要根據專家學者經驗以及在設備使用過程中的表現，采取打分法總結出其對機載北斗設備抗干擾性能的貢獻程度，并量化表示。

在圖 2 所建立的指標體系中，C1、C2、C3、C4、C5、C7、C8為正向定量指標，選取式（1）對其進行歸一化；C6為反向定量指標，選取式（2）進行歸一化處理；C9、C10為定性指標，通過專家打分［13］的方式進行歸一化。

如天線極化方式這一指標，主要分為線極化、圓極化和橢圓極化。根據專家打分法，可將天線橢圓極化方式賦值0.46，圓極化方式賦值0.33，線極化方式賦值0.21。同理，A/D轉換過程中，32位量化時賦值0.12，64位量化時賦值0.36，128位量化時賦值0.52。將所有定性指標進行同樣處理，即得到定性指標的量化。

5.3 算例分析

在得到經過歸一化處理的機載北斗設備抗干擾性能評估指標后，結合各指標相對總體抗干擾性能權重值，通過和積算法即可得到機載北斗設備的抗干擾性能評估值。根據4.3節給出的步驟對機載北斗設備的抗干擾性能評估過程進行算例分析。

1）建立原始指標集

根據圖2所建指標體系中包含的指標，收集三套機載北斗設備，并建立相應的指標集。其中部分指標數據來源于設備實際測量值，部分來源于設備標稱參數，部分來源于相關參考文獻。評估指標體系如表4所示，三套機載北斗設備對應指標數據如表5所示。

表4 評估指標體系

表5 機載北斗設備指標數據

2）歸一化處理

表 5 所列指標中，X1、X2、X3、X4、X5、X7、X8為正向定量指標，選取式（1）對其進行歸一化；X6為反向定量指標，選取式（2）進行歸一化處理；X9、X10為定性指標，用專家打分法歸一化處理。經過處理后的數據結果，如表6所示。

表6 歸一化處理后的機載北斗設備數據

3）建立權重向量

權重向量的求解過程已在5.1節進行介紹，其向量值為［0.1821，0.1304，

0.1788 ，0.0778，0.1453，0.1207，0.0829，0.0354，0.0336，0.0130］，記為ak，k=1，2…10 。

4）計算綜合抗干擾性能

將歸一化的指標值與對應的權重加權求和，即可得到機載北斗設備抗干擾性能值，用W表示，則經計算，三部機載北斗設備抗干擾性能值如表7所示。

表7 機載北斗設備抗干擾性能值

由評估結果可知，設備1的抗干擾性能最好，設備2次之，設備3相對較差。此結果是對機載北斗設備多個抗干擾性能指標進行綜合評估得出的整體抗干擾性能。而設備相關指標的實驗室測試值、暗室測試值、外場動態測試值及空載平臺任務實收值等均為某一指標的具體測量值，不具有對設備進行綜合評估的意義。而在實際應用中往往需要對不同設備的抗干擾性能進行整體評估并進行等級分類，因此，文中評估方法具有較強的應用價值。

6 結語

本文深入分析并研究了機載北斗設備抗干擾性能評估指標選取原則、指標體系建立的一般過程。在此基礎上，將機載北斗設備抗干擾性能指標分為接收機固有特性抗干擾指標和抗干擾措施評估指標，并進行細化，構建了機載北斗設備抗干擾性能測試評估指標體系。應用專家打分法和層次分析法對指標體系的權重進行了量化分析，同時提出了一種指標歸一化的計算方法。最后，對三套機載北斗設備抗干擾性能進行了評估，得到了評估結果，驗證了指標體系和評估方法的合理性。