探討衛星導航抗干擾功能設計及測試方法

(北京衛星導航中心,北京 100094)

0 引言

在科學水平快速提高的背景下,促進了衛星導航事業的快速發展,不管在軍事領域還是人民生活中,衛星導航都具有重要作用,可以準確定位,提供準確的數據信息,然而,在衛星導航應用過程中,由于微波干擾信號與大自然雷暴等因素的影響,導致電磁環境具有多樣化特點,導航難度逐漸增加,降低了衛星導航的應用性能。基于此,測試人員當下的重要研究課題之一是分析抗干擾技術,進行有效地科學試驗,提高導航系統的抗干擾能力。

1 衛星導航抗干擾技術

1.1 天線抗干擾技術

衛星導航抗干擾主要分為接收機抗干擾、天線抗干擾、衛星抗干擾等,而干擾類型主要分為壓制型與干擾型。在衛星通信中,較為常見的是天線抗干擾技術,其主要包括三種:第一,智能天線技術。在衛星信號接收時,需要利用智能天線,按照設定程序,大量子波束將會指向工作區,使系統保持良好的工作狀態。第二,自適應調零天線,可以加權處理天線的陣元,當面對干擾源方向時可以進行調零,可以降低衛星導航受到的干擾。第三,多波束天線,可以根據實際需求,改變波束的范圍與方向,對提高抗干擾能力具有重要作用[1]。

1.2 擴展頻譜抗干擾技術

在衛星導航應用過程中,衛星導航信號落地功率低,伴隨著5G等應用逐漸增加,頻譜越來越復雜,導航容易受到干擾,而擴頻通信具備抗干擾能力強、低截獲性以及抗多徑的特點,因此,可以使用擴展頻譜抗干擾技術,即直接序列擴頻技術,使導航成為寬帶信號,通過解擴稀釋干擾源的能量,提高抗干擾能力與信噪比。

1.3 編碼調制技術

在控制衛星系統的差錯時,可以運用前向糾錯,采用R-S碼、BCH碼、vertibi譯碼等,當衛星受到干擾信號的影響時,可以采用級聯編碼技術,其由兩種編碼技術組合而成,比單一編碼更加具有優勢,近年來獲得了廣泛應用。衛星抗干擾可以采用格狀編碼調制與連續相位調制,可以使衛星系統具有良好的性能,擴大抗干擾的容限。

1.4 限幅技術

限幅技術在衛星抗干擾技術中占據重要組成成分,其主要分為兩種形式,分別是軟限幅與硬限幅,其中硬限幅為非線性,在壓縮信號源時采用增大信號的方式,干擾類型與工作壓縮比率之間具有緊密聯系,而軟限幅主要分為限幅區與線性區,具有較高的應用性能。美國和俄羅斯等國家導航都應用了限幅技術,避免發射器過于飽和而無法發射信號。

2 探討機載衛星導航抗干擾功能設計

衛星導航在國際區域性戰爭重要作用,從某種角度上而言,導航領域信息戰的本質是導航戰,即獲得電子頻譜的控制權。來自敵對方的有意干擾或者環境中如雷達的諧波等,容易影響衛星導航信號,進而降低導航精度,甚至直接出現阻塞的現象,嚴重影響了衛星導航的效能與使用,因此需要采用抗干擾加固處理,使衛星導航具有良好的抗干擾能力與接收能力,彼此在戰爭環境下,依然具備較強的作戰性能。在機載武器平臺中,衛星導航的作用不言而喻,然而從目前情況來看,衛星導航系統尚且需要完善,才能更好的利用導航資源,確保導航接收機可以抵抗外界信號的干擾[2]。

衛星導航可以提供目標的重要信息,例如精密時間、三維速率、三維空間坐標等,然而衛星導航的缺點在于信號功率低,甚至淹沒在噪聲中,容易受到外界信號的干擾。針對目前衛星導航存在的捕獲能力低、動態跟蹤效果差、容易受到干擾等問題,可采取以下有效解決措施:第一,信號發射器應當提高發射功率。第二,信號接收端應當提高抗干擾能力,采用波束形成與空間濾波等方式,自動進行調零工作。第三,提高衛星導航的跟蹤捕獲能力、抗干擾能力。為了使導航接收機具有良好的功能,采用自適應調整技術,不斷提高其抗干擾能力,調零天線可以對各種壓制性干擾產生抑制作用,其中包括寬頻帶噪聲等,測試應當使用空間濾波技術,提高衛星系統的應用功能,使其具有良好的抗干擾能力。

3 衛星導航抗干擾功能測試方法

3.1 設計原理與方案

衛星導航抗干擾測試主要由三個系統組成,分別為干擾信號仿真、衛星信號仿真、控制與測試評估等系統,各個系統中之間協同工作,在開展抗干擾測試項目時,可以在人機交互界面上進行,對測試系統進行有效控制,掌握測試的環境,了解用戶軌跡、空間環境、軌道參數、導航分布等信息。經過仿真測試后,將會產生數據信息,利用射頻信號仿真模塊,還可以產生仿真信號。測試人員可以利用射頻功率合成器,靈活切換無線測試與有線測試,同時輸出干擾仿真信號與無線仿真信號,為順利進行測試提供便利。測試系統可以同時測試多臺設備,分路與合路仿真信號,利用射頻合成與控制矩陣開關,可以增強自動化程度。

衛星導航主要由三部分組成,分別是傳輸單元、處理單元、接收單元。在接收衛星信號時,主要應用自適應調零天線,在抗干擾處理過程中主要應用相關處理器,在定位信息時,主要應用導航接收機。傳輸信號的部位主要包括導航接收機、抗干擾處理器、自適應調零天線,利用射頻電纜傳輸信號。在對設備和系統輸出信息時,主要利用數據總線進行輸出。特征差別主要包括兩方面,分別是空間域特征和時域特征。從本質上講,抗干擾的主要研究方向是分離信號,當混合信號與期望信號之間具有較大的特征差別時,可以降低分離的難度,提高分離效率,在干擾測試系統中主要包括上位機、微波暗室、干擾信號模擬源、導航信號、上位機等,具有多種功能,例如,轉臺運動控制、儀表驅動、保存參數數據庫、構建測試場景、實現系統自檢等。干擾信號與導航信號根據上位機的信息,可以產生相互呼應的信號,具有多樣化的干擾模式,可以遠程控制多路信號,復雜化干擾信號。在仿真系統中,微波暗室可以接受信號,主要對象是干擾模擬源與導航信號等,被用于導航接收端,并且利用轉臺可以對接收端的動態性能進行測量,從而有效控制接收端,使其保持在相對穩定的狀態[3]。

自適應調整技術的工作原理是對干擾裝置設置門限值,利用干擾信號與有用信號之間的差別,進行自適應調零。若是干信比在門限值規定的范圍內,說明導航接收機處于正常運行狀態,抗干擾裝置沒有發生任何改變。若是干信比超過門限值規定的范圍,則需要對各陣元進行適當調整,確保獲得最佳的權重值,干擾信號與零陷位置相對應,從而對干擾數量進行抵消。在陣列天線中,干擾信號與衛星信號可以利用噪聲放大器,將信號不斷放大,確保抗干擾處理器中接收到發送的射頻信號,在射頻模塊的作用下,可以進行變頻處理,之后還需要進行數字下變頻處理,在A/D變換完成后,射頻信號可以轉變為零中頻數字信號。在自適應運算過程中,處理單元應當根據相關的規定與準則,運算零中頻信號,并且對其給予最優加權量,根據規定的準則,陣列輸出可以達到最大值。經過D/A轉變后,射頻信號轉變為中頻模擬信號,可以恢復被抑制后的信號,并且利用上變頻器,使衛星導航接收機接收到射頻信號。

3.2 測試方法

安裝位置在一定程度上影響了調零天線的抗干擾能力,大致分為干擾與遮擋兩方面,自適應調零天線與導航天線相比,具有較大的天線口面。由于緯度變化或姿態變化,天線與衛星之間的仰角將會逐漸變小,導致減少可見星數量,會影響到DOP值,增加定位誤差[3]。

在抗干擾測試中常見的方法主要有兩種,一種是微波暗室測試,而另一種是室外真實場景測試,二者都需要在地面完成測試。測試前需要準備測試的設備,主要包括直流電源、測試設備、干擾模擬源、普通天線、干擾發射天線等。在標定干擾天線位置時,可以使用單發射天線,圓心是抗干擾天線的位置,在1 測試范圍內,放置位置可以是圓周的任意點。同時可以使用三發射天線,圓心依然是抗干擾天線的位置,先將一個干擾天線進行固定處理,保持夾角為60度或120度,分別放置另外兩個干擾天線。

在標定干擾源信號時,根據標定后的位置放置干擾天線與普通天線,之后可以從不同的角度,讓干擾發射天線發射寬帶干擾信號,而且還要發射三種頻點,有利于增加發射功率,等到定位信息無法被接收機獲取時,可以對發射功率進行記錄,掌握干擾信號的干擾范圍。在測試抗干擾能力時,在轉臺上應當使用抗干擾天線,對干信比與發射功率進行調整,在轉臺上完成360度旋轉試驗,對速度精度與定位精度進行準確判斷,確保符合規定要求。在衛星導航系統中,自適應調零技術具有重要作用,其技術水平較高,具有可行的應用原理,而且測試過程較為簡單[5]。

測試需要選擇具有代表性的干擾源,利用多極化的方式,從有線與無線的角度上反映接收機受到電磁環境的影響,干擾源調制方式具有多樣化特點,可以采用脈沖、單音、多音、線性調頻、寬頻等方式,極化方式主要分為圓極化、線極化、垂直極化、水平極化等。在無線測試的過程中,可以組合測試天線極化與調制方式,對干擾信號的強度、類型、個數等進行適當調整。

4 結論

綜上所述,由于衛星導航的特點,導航信號較弱,對定位導航功能的應用產生一定影響,甚至阻礙了衛星導航的發展,對天線、接收機及算法采取不同的選擇,應用于不同場景。提高其抗干擾性能,盡量減少復雜電磁環境與惡意干擾的影響。同時,建立測試評估系統,不斷優化評估方法,測試不同場景抗并定性分析抗干擾能力,具有良好的實際意義,增強導航系統應用的穩定性與魯棒性。