一种机载北斗设备抗干扰性能评估方法∗

侯立志 何 晶 傅玉鑫 周 凯

（1.94498部队 南阳 474370）（2.空军工程大学信息与导航学院 西安 710077）

1 引言

卫星导航系统作为军事领域中一种重要的导航方式，不仅能全天候地在全球范围内为军事系统和各种武器平台提供精确的位置、速度和时间信息，还能保持对全球战略目标的实时感知，对夺取和保持未来战争中的空间优势、实施非线性作战和对目标的精确打击、对军队和装备进行快速输送以及实行高效的战场指挥与控制等方面都起到了至关重要的作用，已然成为军事领域中一项重要的基础设施，在各个阶段影响着战争的方式和效能。

随着我国北斗卫星导航系统的不断发展和广泛应用，如何测试和评估设备的抗干扰性能，已成为目前亟待解决的重要问题。构建机载北斗设备抗干扰性能评估指标体系是全面、合理评价机载北斗设备抗干扰性能的核心工作。本文通过探讨机载北斗设备抗干扰性能评估的基本理论、指标选取原则以及指标体系建立的一般过程，构建较为全面的机载北斗设备抗干扰性能评估指标体系，并结合层次分析法，对机载北斗设备抗干扰性能进行评估，并给出评估实例。

2 卫星导航面临的主要干扰威胁和主要抗干扰手段

2.1 主要威胁

由于卫星运行轨道距离地面较远，卫星信号发射功率较小，且传播过程中存在各种损耗，信号到达地球表面时已变得十分微弱。加之周围环境中存在各种无意的自然干扰和有意的人为干扰，北斗导航系统面临着严峻的挑战。各种人为干扰主要是指压制式干扰和欺骗式干扰。压制式干扰信号主要包括扫描等幅波、宽带高斯噪声、脉冲等幅波以及窄带、宽带频率调制信号［1］；欺骗式干扰信号主要包括转发式欺骗干扰信号和产生式欺骗干扰信号［2］。任何一种干扰信号都将对机载北斗设备的导航定位功能产生较大影响。因此，机载北斗设备必须具备一定的抗干扰能力才能抑制来自外界的各种干扰。

2.2 主要抗干扰手段

针对机载北斗设备面临的威胁，目前应用于机载北斗设备的抗干扰技术主要包括天线阵抗干扰技术、信号处理抗干扰技术、组合导航抗干扰技术以及固有特性抗干扰技术。

1）天线阵抗干扰技术

天线阵抗干扰技术主要针对压制式干扰信号产生抑制作用，它主要采用空域和空时滤波技术，其中空域滤波技术又可分为自适应天线阵调零技术和波束形成技术［3］。由于自适应调零天线能够自动灵活调整极化，将最大接收方向调整到所需信号的来波方向，抗干扰性能较好，目前已被广泛应用。

2）信号处理抗干扰技术

信号处理抗干扰技术主要包括频域滤波抗干扰技术、时域滤波抗干扰技术以及干扰信号进入接收机后的信号处理技术。

频域滤波抗干扰技术主要针对等幅干扰、窄带干扰以及功率较大的带外干扰；时域滤波抗干扰技术对窄带干扰和连续波干扰有较好的抑制作用，最大可实现30dB［4］的抑制能力；干扰信号就进入接收机后，在信号处理过程中用抗干扰算法来提高接收机的卫星跟踪、卫星信号捕获、抗多径以及抗欺骗式干扰的能力。

3）组合导航抗干扰技术

组合导航抗干扰技术主要是指两种或两种以上的导航方式进行组合，以提高设备的抗干扰性能。常用的组合导航方式就是卫星导航系统与惯性导航系统的组合。

通过数据分析和计算，采用北斗与惯导进行组合导航的情况下，能将抗压制式干扰能力提高11dB左右［5］。不仅如此，当组合导航系统的定位结果出现跳变时，就“怀疑”遭到了欺骗式干扰，此时组合导航系统将会放弃北斗的导航定位结果，而仅采用惯导的输出结果，从而避免遭受欺骗式干扰。

4）固有特性抗干扰技术

北斗设备定型后，有些基本的性能参数虽然不是为了对抗干扰信号而设置，但它们是形成接收设备整体功能所必备的基本条件，且能实现一定的干扰抑制作用，是机载北斗设备必须的系统参数，如北斗接收机的天线特性、阵列通道性能［6］以及接收机所接收到的信号的码型等。

3 抗干扰性能评估指标体系建立的原则和一般过程

为了能够将繁杂的性能评估问题用科学的计量方法进行量化、分析和处理，首先须针对机载北斗设备抗干扰性能构造一个科学的评估指标体系。该指标体系能够将大量相互关联、相互制约的复杂因素之间的关系调理化、层次化，同时能够区分不同指标对整体抗干扰性能的重要程度。此外，要对只能定性评估的因素进行适当的量化处理，以便于整体抗干扰性能的分析。

机载北斗设备的抗干扰性能评估指标体系是对机载北斗设备进行正确合理评估的基础，其层次化的结构是体系的骨骼，各个具体指标则是体系的血与肉。因此，具体评估指标的选取必须兼顾可测性、系统性、完备性、简明性、独立性、客观性以及一致性原则。构建机载北斗设备抗干扰性能评估指标体系要在全局分析的基础上首先拟定出指标体系的框架结构，结合对相关单位的调研以及对该领域权威的专家进行咨询，对指标体系进行细化和定型，再通过反馈的意见不断进行改进和完善，具体流程如图1所示。

图1 评估指标体系建立过程

根据该指标体系建立过程，构建机载北斗设备抗干扰性能指标体系的主要步骤如下。

1）属性特征分析

根据机载北斗设备的特点，确定与其抗干扰性能相匹配的指标，并对指标的静态和动态属性、定性和定量属性进行分析和判断。

2）结构分析

将机载北斗设备的抗干扰性能指标体系分为两个方面，即机载北斗设备所固有的抗干扰性能指标和因采取抗干扰措施而具有的评估指标。再分别对两个方面的指标进行细化。

3）信息来源分布

指标信息通常来源于统计分析的结果、资料数据库、询问专家、相关单位调研的结果或者主观的判断等。

4）归一化分析

无论是定性指标还是定量指标，在进行评估前必须经过归一化处理，否则无法进行评估。如天线极化方式为定性指标，就需要通过专家打分的方式对其进行量化分析。

5）实践中检验

指标体系建立以后，要在实际工作中不断地接受检验和反馈，根据意见进行修改和完善。

4 机载北斗设备抗干扰性能评估指标体系的构建

机载北斗设备的抗干扰性能主要包括两个方面，一是机载北斗设备固有抗干扰性能，另一个为机载北斗设备采取的抗干扰措施。

4.1 机载北斗设备固有特性抗干扰指标

机载北斗设备内部的噪声功率和其所处干扰环境息息相关，导致在北斗接收机处理前端的载噪比直接与北斗接收机内部的A/D实现损耗［7］以及天线增益相关。此外，天线的极化方式也会引起其抗干扰性能的变化。以上指标都可作为机载北斗设备抗干扰性能的影响因素，可作为机载北斗设备的固有特性抗干扰指标。

4.2 机载北斗设备抗干扰措施评估指标

针对机载北斗设备面临的压制式干扰和欺骗式干扰，在建立评估指标体系的过程中，结合机载北斗设备所采用的不同的抗干扰技术来研究其抗干扰性能改善情况，在此基础上进行指标的选取、提炼、归纳和总结，并进行定量或者定性的描述，以便在后续抗干扰性能评估时的计算与分析。根据第3部分对指标选取原则的描述，选取以下指标作为抗干扰性能评估量。

1）干扰抑制度

在机载北斗设备正常工作的条件下所能施加的最大干扰信号强度，即为干扰抑制度。它能反映机载北斗设备的抗压制式干扰的能力，即干扰抑制度值越大，抗压制式干扰能力就越强。

2）抗压制干扰个数

机载北斗设备正常工作的条件下所能抑制的压制式干扰个数。以自适应调零天线为抗干扰技术的机载北斗设备所能抑制的最大干扰个数为阵元数减1。

3）天线阵输出信噪比

天线阵输出信噪比能够衡量机载北斗设备天线阵对干扰信号的抑制能力，可作为机载北斗设备抗干扰性能的评估指标，也是目前常用的性能指标。

4）可定位概率

可定位概率即机载北斗设备在某时刻可用卫星数不少于4的概率。概率为1时表示能够定位，概率为0时表示不可定位。

5）服务可用性概率

服务可用性概率指的是定位精度在门限范围内的概率。机载北斗设备服务可用的条件为PDOP值小于5。

6）欺骗式干扰发现时间

从机载北斗设备接收到欺骗式干扰信号开始到发现所持续的时间。发现时间越短，抗欺骗式干扰能力越强。

7）抗欺骗式干扰个数

机载北斗设备正常工作条件下所能抑制的最大欺骗式干扰个数。能抑制的欺骗式干扰个数越多，抗欺骗式干扰能力越强。

4.3 机载北斗设备抗干扰性能评估指标体系的构建

基于4.1和4.2对机载北斗设备固有抗干扰特性指标以及抗干扰措施指标的分析，基于层次化的分析方法构建机载北斗设备抗干扰性能评估指标体系如图2所示。

图2 北斗接收机抗干扰性能测试评估指标体系

根据层次分析的方法，基于上述对机载北斗设备固有抗干扰性能和抗干扰措施的分类，构建了如图2所示的机载北斗设备抗干扰性能评估指标体系。其中，一级指标两个：固有特性指标和抗干扰措施指标；二级指标十个，即干扰抑制度、抗压制式干扰个数、天线阵输出信噪比、可定位概率、服务可用性概率、欺骗式干扰发现时间、抗欺骗式干扰个数、天线增益、天线极化方式以及A/D量化位数。

5 基于层次分析法的机载北斗设备抗干扰性能评估方法

层次分析法［8］是将与目标问题有关的元素分成若干层次，在此基础上进行综合定性和定量分析，最后通过归一化分析和一致性判定，得出机载北斗设备抗干扰性能值。

5.1 判断矩阵的构造和权重的计算

本文采用德尔菲法［9］，吸收卫星导航抗干扰领域不同专家学者的知识和经验，得到指标比较矩阵，大大提高了各指标权重确定的客观性。在得到指标体系中，利用1-9标度法进行两两标度，具体标度方法如表1所示。得到各层次指标间两两比较矩阵，即A-Bi、Bi-Cj重要性比较矩阵，其中i=1，2；j=1，2…10。以此为基础，运用和积法可以得到低层相对高一层的权重值，进一步即可得到底层各指标对总目标机载北斗设备抗干扰性能的权重ωk，k=1，2，…10，指标层B和C对上一层的权重信息分别如表2和表3所示。

表1 标度法

表2 指标层B的权重贡献

表3 指标层C的权重贡献

根据一致性原则对上述排序进行检验，符合要求。由表3中可以得出C1、C2、C3、C5、C6所占权重相对较大，说明干扰抑制度、抗压制干扰个数、天线阵输出信噪比、服务可用性概率以及抗欺骗式干扰发现时间在机载北斗设备抗干扰性能中具有重要作用。

5.2 指标数据归一化处理

在对机载北斗设备进行抗干扰性能评估时，要将指标体系中的10个底层指标分析和处理，得出一个综合评价值，以便于不同设备间抗干扰能力的比较。由于不同指标间的性质、单位并不相同，不能直接通过简单的加减进行综合评估。因此，需要通过归一化处理［10］，将不同指标值转换到同一标准下，再经过数学方法得到综合评估值。

进行归一化时，对于定量的指标用Mij表示所得样本值，Mmax和Mmin代表该指标在机载北斗设备中可能出现的极大和极小值［11］，Nij代表经过归一化［12］算法后的结果，常用的归一化处理方法主要有以下几种：

1）正向定量指标：

3）区间指标：

设Mmid表示中间参数：

对于定性指标，无法进行数量上的描述，也需要根据专家学者经验以及在设备使用过程中的表现，采取打分法总结出其对机载北斗设备抗干扰性能的贡献程度，并量化表示。

在图 2 所建立的指标体系中，C1、C2、C3、C4、C5、C7、C8为正向定量指标，选取式（1）对其进行归一化；C6为反向定量指标，选取式（2）进行归一化处理；C9、C10为定性指标，通过专家打分［13］的方式进行归一化。

如天线极化方式这一指标，主要分为线极化、圆极化和椭圆极化。根据专家打分法，可将天线椭圆极化方式赋值0.46，圆极化方式赋值0.33，线极化方式赋值0.21。同理，A/D转换过程中，32位量化时赋值0.12，64位量化时赋值0.36，128位量化时赋值0.52。将所有定性指标进行同样处理，即得到定性指标的量化。

5.3 算例分析

在得到经过归一化处理的机载北斗设备抗干扰性能评估指标后，结合各指标相对总体抗干扰性能权重值，通过和积算法即可得到机载北斗设备的抗干扰性能评估值。根据4.3节给出的步骤对机载北斗设备的抗干扰性能评估过程进行算例分析。

1）建立原始指标集

根据图2所建指标体系中包含的指标，收集三套机载北斗设备，并建立相应的指标集。其中部分指标数据来源于设备实际测量值，部分来源于设备标称参数，部分来源于相关参考文献。评估指标体系如表4所示，三套机载北斗设备对应指标数据如表5所示。

表4 评估指标体系

表5 机载北斗设备指标数据

2）归一化处理

表 5 所列指标中，X1、X2、X3、X4、X5、X7、X8为正向定量指标，选取式（1）对其进行归一化；X6为反向定量指标，选取式（2）进行归一化处理；X9、X10为定性指标，用专家打分法归一化处理。经过处理后的数据结果，如表6所示。

表6 归一化处理后的机载北斗设备数据

3）建立权重向量

权重向量的求解过程已在5.1节进行介绍，其向量值为［0.1821，0.1304，

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

4）计算综合抗干扰性能

将归一化的指标值与对应的权重加权求和，即可得到机载北斗设备抗干扰性能值，用W表示，则经计算，三部机载北斗设备抗干扰性能值如表7所示。

表7 机载北斗设备抗干扰性能值

由评估结果可知，设备1的抗干扰性能最好，设备2次之，设备3相对较差。此结果是对机载北斗设备多个抗干扰性能指标进行综合评估得出的整体抗干扰性能。而设备相关指标的实验室测试值、暗室测试值、外场动态测试值及空载平台任务实收值等均为某一指标的具体测量值，不具有对设备进行综合评估的意义。而在实际应用中往往需要对不同设备的抗干扰性能进行整体评估并进行等级分类，因此，文中评估方法具有较强的应用价值。

6 结语

本文深入分析并研究了机载北斗设备抗干扰性能评估指标选取原则、指标体系建立的一般过程。在此基础上，将机载北斗设备抗干扰性能指标分为接收机固有特性抗干扰指标和抗干扰措施评估指标，并进行细化，构建了机载北斗设备抗干扰性能测试评估指标体系。应用专家打分法和层次分析法对指标体系的权重进行了量化分析，同时提出了一种指标归一化的计算方法。最后，对三套机载北斗设备抗干扰性能进行了评估，得到了评估结果，验证了指标体系和评估方法的合理性。