卫星导航信号抗干扰能力分析

张鹏 贺刘 黄玺

摘   要：导航信号干扰是影响接收机稳定处理信号的关键因素之一，文章通过数学仿真，对BPSK信号和BOC信号在解调和跟踪阶段针对窄带干扰和匹配谱干扰下的工作性能进行了分析比较，为卫星导航信号抗干扰编码设计提供了参考。

关键词：卫星导航;窄带干扰;匹配谱干扰

接收机对导航信号的接收处理过程包括捕获、跟踪（伪码跟踪和载波跟踪）和解调。不同的处理过程，干扰信号对导航信号的影响效果不尽相同。对捕获、载波跟踪和解调性能起决定性作用的是接收信号与参考信号，即时支路相关输出的信噪比，对伪码跟踪性能起决定性作用的是鉴别器输出的信噪比，它与参考信号的超前、滞后支路相关。

1    导航信号的分析方法

信号体制的验证阶段包括4个验证过程：理论评估、计算机模拟仿真验证、实物模拟仿真验证和试验验证。（1）理论评估：基于导航信号特性以及码/载波跟踪理论，结合实际接收条件对采用某一种信号体制能达到的性能进行评估。（2）计算机模拟仿真验证：通过计算机模拟卫星导航信号产生、接收和处理过程，应用统计的方法对系统性能进行评估。（3）实物模拟仿真：基于可灵活配置的信号发生模拟器和接收机来模拟卫星导航信号产生、接收和处理过程，通过仿真试验来评估信号性能。（4）试验验证：基于广播导航信号，在地面用实际接收机来接收处理导航信号，完成信号体制的最终确认[1]。

这4种验证手段中，后期的验证手段可信度高，但验证周期也长，代价也非常高昂。在未确定最终信号体制之前，无法设计实物的信号模拟器和相应的接收机，信号体制的修改都将会带来硬件上较大的变动，修改设计所需的周期比较长，代价也非常昂贵。理论评估方法可以很快地发现信号设计的问题，大幅降低后续验证过程中不能通过的风险，从而缩短设计周期。计算机模拟仿真方法的效率和可信度较高，可以对信号体制综合适用性理论评估起到很好的补充作用。

在参数化接收平台下，对导航信号各具体指标进行评估，可以沿以下两种技术途径并行实施[2]。

（1）针对典型接收处理流程，对导航信号的性能指标进行理论分析和研究，得到性能指标的理论计算公式，进一步通过数值计算的方式可以得到相应的性能指标的理论值。这种方法的缺点在于：多数情况下很难甚至无法得到性能指标的理论计算公式。但一旦可以推导出相应的理论结果，这种方法具有的评估复杂度低、物理意义明确的优点是极为明显的。

（2）在无法或很难得到性能指标理论分析结果的情况下，可以利用软件接收机平台对导航信号进行处理，通过仿真实验测试得到所需要的性能指标值。之所以强调软件接收机，是因为所具有的参数可配置、算法可重构的优点正好适应了导航信号性能评估的应用需要。当然，相比于上一种方法，这一仿真测试的方法在进行导航信号性能评估时的计算复杂度较高。

2    导航信号抗干扰评估方法

在接收机无任何抗干扰措施的情况下，中心频率位于信号功率谱峰值点的窄带干扰对接收机的干扰效果最为明显，在考虑接收机抗干扰措施的情况下，匹配谱干扰是最难去除的干扰类型。因此，本文主要考虑两种类型的干扰：窄带（干扰带宽远小于信号带宽）干扰和匹配谱干扰。

综合考虑干扰类型和处理过程，将抗干扰性能的评估分为4个方面：解调抗窄带干扰、解调抗匹配谱干扰、码跟踪抗窄带干扰、码跟踪抗匹配谱干扰。抗窄带干扰能力的评价指标采用解调抗窄带干扰品质因数和码跟踪抗窄带干扰品质因数[3]。解调抗窄带干扰品质因数定义为：

（1）

码跟踪抗窄带干扰品质因数定义为：

（2）

抗匹配谱干扰的评价指标采用解调抗匹配谱干扰品质因数和码跟踪抗匹配谱干扰品质因数。解调抗匹配谱干扰品质因数定义为：

（3）

码跟踪抗匹配谱干扰品质因数定义为：

（4）

式（1）—（4）中，Rd为信息速率，Gs（f）为等效基带信号的归一化功率谱密度，单位为1/Hz。β为信号发射带宽，单位Hz，MAX[·]表示取最大值的运算。上述品质因数越大，表明相应处理环节抗对应干扰的能力越強[4]。

3    仿真分析

由图1可知，干扰会影响信号的解调品质因数，进而影响误码率，因此，可以对不同干扰下的误码率影响做出定量的评估。图2给出了在载波中心频点加一个40 dB的窄带干扰所造成的影响。

可以看到，中心频点的干扰对二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK-R）信号的影响要大于对二进制偏移载波（Binary Offset Carrier，BOC）信号的影响。这是因为BOC信号在中心频点上的能量为零。而如果这个窄带干扰放在BOC信号的主瓣峰值处[5]，造成的影响如图3所示。

因此，BOC的解调性能下降要比BPSK信号严重。这一结果也与直观上的分析一致。

4    结语

通过仿真结果可以看出：（1）解调阶段。当受到位于中心频点的窄带干扰时，BOC信号的抗干扰能力强于BPSK信号。但当窄带干扰信号频点位于BOC信号的主瓣峰值处时，BPSK信号的抗干扰能力更强。（2）跟踪阶段。BPSK信号面对窄带干扰和匹配谱干扰时，具有比BOC信号更强的抗干扰能力。

[参考文献]

[1]潘高峰.卫星导航接收机抗干扰技术[D].北京：电子工业出版社，2016.

[2]王瑛，李毅松，苏哲，等.AltBoc卫星导航信号质量分析[J].空间电子技术，2016（5）：26.

[3]王先发，禹化龙，张碧雄.我国未来卫星导航信号的优先选择—BOC调制信号[J].中国电子科学研究院学报，2009（3）：307-312.

[4]刘禹圻，胡修林，燃一航，等.卫星导航信号抗单频干扰性能研究[J].电子学报，2011（6）：1410-1416.

[5]楚恒林，李春霞.BOC调制导航信号关键技术研究[J].无线电工程，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