探讨卫星导航抗干扰功能设计及测试方法

(北京卫星导航中心,北京 100094)

0 引言

在科学水平快速提高的背景下,促进了卫星导航事业的快速发展,不管在军事领域还是人民生活中,卫星导航都具有重要作用,可以准确定位,提供准确的数据信息,然而,在卫星导航应用过程中,由于微波干扰信号与大自然雷暴等因素的影响,导致电磁环境具有多样化特点,导航难度逐渐增加,降低了卫星导航的应用性能。基于此,测试人员当下的重要研究课题之一是分析抗干扰技术,进行有效地科学试验,提高导航系统的抗干扰能力。

1 卫星导航抗干扰技术

1.1 天线抗干扰技术

卫星导航抗干扰主要分为接收机抗干扰、天线抗干扰、卫星抗干扰等,而干扰类型主要分为压制型与干扰型。在卫星通信中,较为常见的是天线抗干扰技术,其主要包括三种:第一,智能天线技术。在卫星信号接收时,需要利用智能天线,按照设定程序,大量子波束将会指向工作区,使系统保持良好的工作状态。第二,自适应调零天线,可以加权处理天线的阵元,当面对干扰源方向时可以进行调零,可以降低卫星导航受到的干扰。第三,多波束天线,可以根据实际需求,改变波束的范围与方向,对提高抗干扰能力具有重要作用[1]。

1.2 扩展频谱抗干扰技术

在卫星导航应用过程中,卫星导航信号落地功率低,伴随着5G等应用逐渐增加,频谱越来越复杂,导航容易受到干扰,而扩频通信具备抗干扰能力强、低截获性以及抗多径的特点,因此,可以使用扩展频谱抗干扰技术,即直接序列扩频技术,使导航成为宽带信号,通过解扩稀释干扰源的能量,提高抗干扰能力与信噪比。

1.3 编码调制技术

在控制卫星系统的差错时,可以运用前向纠错,采用R-S码、BCH码、vertibi译码等,当卫星受到干扰信号的影响时,可以采用级联编码技术,其由两种编码技术组合而成,比单一编码更加具有优势,近年来获得了广泛应用。卫星抗干扰可以采用格状编码调制与连续相位调制,可以使卫星系统具有良好的性能,扩大抗干扰的容限。

1.4 限幅技术

限幅技术在卫星抗干扰技术中占据重要组成成分,其主要分为两种形式,分别是软限幅与硬限幅,其中硬限幅为非线性,在压缩信号源时采用增大信号的方式,干扰类型与工作压缩比率之间具有紧密联系,而软限幅主要分为限幅区与线性区,具有较高的应用性能。美国和俄罗斯等国家导航都应用了限幅技术,避免发射器过于饱和而无法发射信号。

2 探讨机载卫星导航抗干扰功能设计

卫星导航在国际区域性战争重要作用,从某种角度上而言,导航领域信息战的本质是导航战,即获得电子频谱的控制权。来自敌对方的有意干扰或者环境中如雷达的谐波等,容易影响卫星导航信号,进而降低导航精度,甚至直接出现阻塞的现象,严重影响了卫星导航的效能与使用,因此需要采用抗干扰加固处理,使卫星导航具有良好的抗干扰能力与接收能力,彼此在战争环境下,依然具备较强的作战性能。在机载武器平台中,卫星导航的作用不言而喻,然而从目前情况来看,卫星导航系统尚且需要完善,才能更好的利用导航资源,确保导航接收机可以抵抗外界信号的干扰[2]。

卫星导航可以提供目标的重要信息,例如精密时间、三维速率、三维空间坐标等,然而卫星导航的缺点在于信号功率低,甚至淹没在噪声中,容易受到外界信号的干扰。针对目前卫星导航存在的捕获能力低、动态跟踪效果差、容易受到干扰等问题,可采取以下有效解决措施:第一,信号发射器应当提高发射功率。第二,信号接收端应当提高抗干扰能力,采用波束形成与空间滤波等方式,自动进行调零工作。第三,提高卫星导航的跟踪捕获能力、抗干扰能力。为了使导航接收机具有良好的功能,采用自适应调整技术,不断提高其抗干扰能力,调零天线可以对各种压制性干扰产生抑制作用,其中包括宽频带噪声等,测试应当使用空间滤波技术,提高卫星系统的应用功能,使其具有良好的抗干扰能力。

3 卫星导航抗干扰功能测试方法

3.1 设计原理与方案

卫星导航抗干扰测试主要由三个系统组成,分别为干扰信号仿真、卫星信号仿真、控制与测试评估等系统,各个系统中之间协同工作,在开展抗干扰测试项目时,可以在人机交互界面上进行,对测试系统进行有效控制,掌握测试的环境,了解用户轨迹、空间环境、轨道参数、导航分布等信息。经过仿真测试后,将会产生数据信息,利用射频信号仿真模块,还可以产生仿真信号。测试人员可以利用射频功率合成器,灵活切换无线测试与有线测试,同时输出干扰仿真信号与无线仿真信号,为顺利进行测试提供便利。测试系统可以同时测试多台设备,分路与合路仿真信号,利用射频合成与控制矩阵开关,可以增强自动化程度。

卫星导航主要由三部分组成,分别是传输单元、处理单元、接收单元。在接收卫星信号时,主要应用自适应调零天线,在抗干扰处理过程中主要应用相关处理器,在定位信息时,主要应用导航接收机。传输信号的部位主要包括导航接收机、抗干扰处理器、自适应调零天线,利用射频电缆传输信号。在对设备和系统输出信息时,主要利用数据总线进行输出。特征差别主要包括两方面,分别是空间域特征和时域特征。从本质上讲,抗干扰的主要研究方向是分离信号,当混合信号与期望信号之间具有较大的特征差别时,可以降低分离的难度,提高分离效率,在干扰测试系统中主要包括上位机、微波暗室、干扰信号模拟源、导航信号、上位机等,具有多种功能,例如,转台运动控制、仪表驱动、保存参数数据库、构建测试场景、实现系统自检等。干扰信号与导航信号根据上位机的信息,可以产生相互呼应的信号,具有多样化的干扰模式,可以远程控制多路信号,复杂化干扰信号。在仿真系统中,微波暗室可以接受信号,主要对象是干扰模拟源与导航信号等,被用于导航接收端,并且利用转台可以对接收端的动态性能进行测量,从而有效控制接收端,使其保持在相对稳定的状态[3]。

自适应调整技术的工作原理是对干扰装置设置门限值,利用干扰信号与有用信号之间的差别,进行自适应调零。若是干信比在门限值规定的范围内,说明导航接收机处于正常运行状态,抗干扰装置没有发生任何改变。若是干信比超过门限值规定的范围,则需要对各阵元进行适当调整,确保获得最佳的权重值,干扰信号与零陷位置相对应,从而对干扰数量进行抵消。在阵列天线中,干扰信号与卫星信号可以利用噪声放大器,将信号不断放大,确保抗干扰处理器中接收到发送的射频信号,在射频模块的作用下,可以进行变频处理,之后还需要进行数字下变频处理,在A/D变换完成后,射频信号可以转变为零中频数字信号。在自适应运算过程中,处理单元应当根据相关的规定与准则,运算零中频信号,并且对其给予最优加权量,根据规定的准则,阵列输出可以达到最大值。经过D/A转变后,射频信号转变为中频模拟信号,可以恢复被抑制后的信号,并且利用上变频器,使卫星导航接收机接收到射频信号。

3.2 测试方法

安装位置在一定程度上影响了调零天线的抗干扰能力,大致分为干扰与遮挡两方面,自适应调零天线与导航天线相比,具有较大的天线口面。由于纬度变化或姿态变化,天线与卫星之间的仰角将会逐渐变小,导致减少可见星数量,会影响到DOP值,增加定位误差[3]。

在抗干扰测试中常见的方法主要有两种,一种是微波暗室测试,而另一种是室外真实场景测试,二者都需要在地面完成测试。测试前需要准备测试的设备,主要包括直流电源、测试设备、干扰模拟源、普通天线、干扰发射天线等。在标定干扰天线位置时,可以使用单发射天线,圆心是抗干扰天线的位置,在1 测试范围内,放置位置可以是圆周的任意点。同时可以使用三发射天线,圆心依然是抗干扰天线的位置,先将一个干扰天线进行固定处理,保持夹角为60度或120度,分别放置另外两个干扰天线。

在标定干扰源信号时,根据标定后的位置放置干扰天线与普通天线,之后可以从不同的角度,让干扰发射天线发射宽带干扰信号,而且还要发射三种频点,有利于增加发射功率,等到定位信息无法被接收机获取时,可以对发射功率进行记录,掌握干扰信号的干扰范围。在测试抗干扰能力时,在转台上应当使用抗干扰天线,对干信比与发射功率进行调整,在转台上完成360度旋转试验,对速度精度与定位精度进行准确判断,确保符合规定要求。在卫星导航系统中,自适应调零技术具有重要作用,其技术水平较高,具有可行的应用原理,而且测试过程较为简单[5]。

测试需要选择具有代表性的干扰源,利用多极化的方式,从有线与无线的角度上反映接收机受到电磁环境的影响,干扰源调制方式具有多样化特点,可以采用脉冲、单音、多音、线性调频、宽频等方式,极化方式主要分为圆极化、线极化、垂直极化、水平极化等。在无线测试的过程中,可以组合测试天线极化与调制方式,对干扰信号的强度、类型、个数等进行适当调整。

4 结论

综上所述,由于卫星导航的特点,导航信号较弱,对定位导航功能的应用产生一定影响,甚至阻碍了卫星导航的发展,对天线、接收机及算法采取不同的选择,应用于不同场景。提高其抗干扰性能,尽量减少复杂电磁环境与恶意干扰的影响。同时,建立测试评估系统,不断优化评估方法,测试不同场景抗并定性分析抗干扰能力,具有良好的实际意义,增强导航系统应用的稳定性与鲁棒性。