共址干擾對(duì)機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)影響的研究

西南電子技術(shù)研究所 李禹柯

由于在有限的尺寸下搭載了大量的射頻發(fā)射機(jī)，飛行器平臺(tái)上的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)極易受到本機(jī)航電設(shè)備的干擾。為了分析機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的共址干擾情況，本文首先建立了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的干擾模型，然后分析了本機(jī)干擾源對(duì)機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的干擾機(jī)理，并以此評(píng)估了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)受干擾后的性能。通過SIMULINK實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)干擾模型的信號(hào)級(jí)仿真，仿真結(jié)果顯示了本文中干擾模型和分析結(jié)果的正確性，也為飛行器平臺(tái)射頻兼容設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）是機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)中極為重要的一環(huán)。由于GNSS的導(dǎo)航衛(wèi)星處于近同步軌道，其發(fā)出的信號(hào)到達(dá)地面時(shí)已經(jīng)極其微弱，非常容易受到有意和無意干擾的影響。目前已經(jīng)有大量文獻(xiàn)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)受到射頻干擾的影響進(jìn)行了分析，已有的文獻(xiàn)對(duì)衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)抗干擾性能的研究主要集中在對(duì)外部有源干擾的分析，而對(duì)同平臺(tái)上輻射源產(chǎn)生的共址干擾問題缺乏深入的分析。

本文研究了同載具輻射源對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的干擾影響。在本文中，首先建立了干擾源的兩種耦合模型，然后討論了干擾在捕獲、跟蹤、解碼階段的影響。為了驗(yàn)證分析結(jié)果，本文利用商業(yè)軟件MATLAB的SIMULINK工具搭建衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，并注入干擾進(jìn)行仿真。

1 干擾分析

1.1 干擾源分析

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)受到本平臺(tái)的干擾主要有兩類：連續(xù)的寬帶噪聲干擾和脈沖干擾。

（1）連續(xù)的寬帶噪聲干擾

這類干擾的強(qiáng)度較低（仍然大于GNSS信號(hào)強(qiáng)度），但干擾將持續(xù)抬高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的底噪，干擾類型為白噪聲。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航所在的頻段，可以認(rèn)為寬帶噪聲的平均功率不隨頻率而變化。

（2）單音脈沖信號(hào)干擾

這種干擾的強(qiáng)度很高（干信比大于50dB），但是每次干擾持續(xù)時(shí)間很短。脈沖發(fā)射機(jī)在衛(wèi)星導(dǎo)航的頻帶內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)到數(shù)個(gè)單頻點(diǎn)雜散信號(hào)。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)捕獲算法抗干擾分析

GNSS信號(hào)捕獲的算法是通過本地的偽隨機(jī)序列和GNSS衛(wèi)星信號(hào)攜帶的偽隨機(jī)序列相乘后累加，當(dāng)兩個(gè)偽隨機(jī)序列重疊時(shí)相關(guān)性最大，可以得到最大的累加值。通過合理設(shè)定門限，當(dāng)累加值超過門限時(shí)認(rèn)為捕獲成功。具體的捕獲算法可以參見文獻(xiàn)。本文中采用基于FFT的快速捕獲算法。

需要注意的是，當(dāng)積分時(shí)間跨數(shù)據(jù)位時(shí)，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)位的值不同，則會(huì)導(dǎo)致積分結(jié)果反向，從而導(dǎo)致相抵消而影響累加結(jié)果。而捕獲階段衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)并不能獲取數(shù)據(jù)位的時(shí)間信息，所以一般而言捕獲時(shí)的相關(guān)累加時(shí)間不長于半個(gè)數(shù)據(jù)位。因此，捕獲一般要求比跟蹤和解碼更高的靈敏度。

1.3 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤算法抗干擾分析

（1）連續(xù)寬帶噪聲干擾下的衛(wèi)導(dǎo)跟蹤算法抗干擾分析

典型衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的跟蹤算法部分包含了碼環(huán)和鎖相環(huán)兩個(gè)環(huán)路。在兩個(gè)環(huán)路構(gòu)成的跟蹤功能中實(shí)現(xiàn)了載波和碼的剝離以及預(yù)檢測(cè)積分。噪聲（包含干擾產(chǎn)生的等效噪聲）會(huì)導(dǎo)致載波環(huán)和碼環(huán)的顫動(dòng)，碼環(huán)的準(zhǔn)確測(cè)量依賴于載波環(huán)的正確鎖定，而碼環(huán)的震顫是GNSS系統(tǒng)測(cè)量誤差的主要來源。當(dāng)顫動(dòng)的幅度超過一定門限時(shí)，將可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)路脫鎖。

（2）單音脈沖噪聲干擾下的衛(wèi)導(dǎo)跟蹤算法抗干擾分析

按照連續(xù)寬帶噪聲干擾下的衛(wèi)導(dǎo)跟蹤算法抗干擾計(jì)算方法，同樣可以求得對(duì)于連續(xù)的單音干擾。從增益調(diào)節(jié)因子的計(jì)算方法可以看出，當(dāng)干擾頻率對(duì)準(zhǔn)主頻時(shí)，天線接口處的干擾電平門限功率比寬帶噪聲高3dB即可能導(dǎo)致脫鎖。但是對(duì)于脈沖干擾來說，即使干擾電平遠(yuǎn)大于上述門限，也有可能不會(huì)對(duì)鎖定產(chǎn)生影響。

其原因有兩點(diǎn)：

第一，設(shè)計(jì)良好的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)前端應(yīng)當(dāng)有保護(hù)電路的限幅器，限幅器可以鉗位大功率信號(hào)。當(dāng)脈沖干擾在統(tǒng)計(jì)特性上壓倒了GNSS信號(hào)加隨機(jī)噪聲時(shí)，它會(huì)俘獲GPS接收機(jī)前端，從而阻止數(shù)字信號(hào)處理過程。對(duì)于環(huán)路而言，這等效于減少了相干累積的時(shí)間，將等比例地降低環(huán)路的等效載噪比。

第二，當(dāng)脈沖幅度高于脫鎖門限，但又沒有觸發(fā)限幅器時(shí)，脈沖帶來的影響將會(huì)被環(huán)路濾波器平均到整個(gè)時(shí)間軸上。通過反饋回路，環(huán)路濾波器可以在兩次脈沖之間的時(shí)間平息脈沖帶來的震顫，從而穩(wěn)定環(huán)路。

但是，當(dāng)脈沖周期與碼環(huán)、鎖相環(huán)的積分時(shí)間相近時(shí)，脈沖會(huì)頻繁對(duì)載波環(huán)檢測(cè)器和鑒相器的輸出產(chǎn)生影響，此時(shí)環(huán)路濾波器無法消化頻繁的脈沖干擾。

2 SIMULINK仿真

在本節(jié)的仿真中，假設(shè)白噪聲噪底取-174dBm/Hz，接收機(jī)天線接口單元接收到得衛(wèi)星信號(hào)為-133dBm，噪聲系數(shù)為4dB，處理損耗為2dB，將上面的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算得載噪比約為35dBHz。

基于SIMULINK的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)仿真架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于SIMULINK的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)仿真架構(gòu)

由于本文的目的是分析衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理部分的抗干擾能力，所以本文的仿真僅包含基帶部分。

本文中模擬的信號(hào)源采用了GPS的C/A碼序列，導(dǎo)航電文按照伯努利分布隨機(jī)生成。干擾源分別采用白噪聲模擬器和一個(gè)脈沖模擬器模塊生成。脈沖為一個(gè)脈沖寬度為0.5μs，脈沖間隔為1.5μs，脈沖個(gè)數(shù)為14個(gè)的脈沖串，此脈沖每2ms發(fā)射一次，脈沖占空比約為1%。

2.1 算例1

第一個(gè)算例為存在寬帶噪聲干擾時(shí)的仿真。設(shè)不存在干擾時(shí)，載噪比為35dBHz。當(dāng)存在干擾信號(hào)且干信比分別為27dB、31.5dB、34.5dB、37.5dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的載噪比分別為32.5dBHz、30dBHz、27.5dBHz和25dBHz。此時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)鎖相環(huán)和碼環(huán)的仿真結(jié)果由圖2給出。

圖2 存在寬帶噪聲干擾時(shí)的碼環(huán)和鎖相環(huán)濾波器輸出偏移量

圖2 中，點(diǎn)代表對(duì)應(yīng)載噪比的仿真結(jié)果，實(shí)線為理論結(jié)算值。可以看出，仿真結(jié)果和理論計(jì)算值相吻合。當(dāng)干信比增加時(shí)，碼環(huán)和鎖相環(huán)的誤差偏移量也隨之增加，并趨近于脫鎖門限。當(dāng)干信比達(dá)到40dB時(shí)，碼環(huán)和鎖相環(huán)將無法維持鎖定狀態(tài)，即衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)受到干擾而失效。

2.2 算例2

第二個(gè)算例為存在脈沖干擾時(shí)的仿真，一個(gè)典型的航電系統(tǒng)脈沖干擾信號(hào)為一系列寬度為0.45μs，脈沖間隔1.5μs的脈沖，一次共發(fā)射14個(gè)脈沖，總長度為25.8μs，每秒發(fā)射500次。脈沖干擾包絡(luò)的圖像如圖3所示。

圖3 脈沖干擾包絡(luò)示意圖

圖3 中橫軸為時(shí)間，縱軸為歸一化的脈沖場(chǎng)強(qiáng)。這里計(jì)算了干信比分別為40dB、60dB和80dB情況下對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的干擾情況。表1中給出了碼環(huán)和鎖相環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出在干信比為40dB的脈沖干擾下碼環(huán)和鎖相環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)差并沒有明顯惡化。當(dāng)脈沖干擾增加到60dB時(shí)，雖然碼環(huán)的鎖定狀態(tài)仍然良好，但是鎖相環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)差已經(jīng)接近了脫鎖的極限，此時(shí)在20s內(nèi)的誤碼率依然為0；而干信比達(dá)到80dB時(shí)，鎖相環(huán)和碼環(huán)均已脫鎖。

表1 碼環(huán)和鎖相環(huán)濾波器的輸出偏移量標(biāo)準(zhǔn)差

將干擾脈沖的參數(shù)代入相關(guān)公式，可以計(jì)算得到干信比J / S的門限約為63dB。這與表1中的仿真結(jié)果吻合。

結(jié)論：本文理論分析了航電設(shè)備共址干擾中常見的兩種干擾形式對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的影響。從文中分析可以看出，碼環(huán)和鎖相環(huán)的穩(wěn)定是保證接收機(jī)正常工作的關(guān)鍵性條件。對(duì)于持續(xù)性的寬帶噪聲干擾，由于擴(kuò)頻處理產(chǎn)生的增益，衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)可以抵抗強(qiáng)于信號(hào)功率40dB的干擾，這取決于衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的擴(kuò)頻碼選擇；而對(duì)于本機(jī)航電設(shè)備的典型脈沖干擾，可以抵抗高于信號(hào)功率約60dB或者70dB的干擾，同樣取決于衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的擴(kuò)頻碼選擇。SIMULINK仿真的結(jié)果驗(yàn)證了分析的正確性，證明本文的分析結(jié)果可以用于實(shí)際機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航抗共址干擾特性分析。