全频段导航压制干扰信号产生技术研究

刘轶龙，谭志强，许 磊，罗立成，方 真

全频段导航压制干扰信号产生技术研究

刘轶龙1，谭志强2，许 磊1，罗立成1，方 真1

（1 中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081；2 中国人民解放军63891部队，洛阳 471001）

随着卫星导航技术高速发展，卫星导航装备已广泛应用于军事、交通、金融、电力等诸多领域，国内相关场所建设了一些卫星导航欺骗攻防测试环境，但是，对于全频段卫星导航压制干扰技术，国内研究较少。同时，我国北斗系统建设及导航工程应用实际表明，针对导航系统，尤其是针对导航服务频段的有意、无意干扰越来越严重，涉及单载波、脉冲、扫频、宽带白噪声及其组合干扰等多种干扰类型。通过对卫星导航压制干扰信号产生技术开展相关的研究工作，以支撑压制条件下的卫星导航攻防测试环境构建。

卫星导航；压制干扰；产生技术

0 引言

随着卫星导航技术高速发展，越来越多的军事装备和民用平台依赖卫星导航技术，卫星导航已经渗入到了现代人民生活中的每个环节[1]。在军事应用中，卫星导航在帮助夺取与保持空中优势，提高对全球的感知和快速反应能力，实施精确作战和对目标的精确打击，实现高效的战场管理、指挥和控制等方面发挥着重要的作用，卫星导航攻防的主动权可以说在一定程度上决定了战争的主动权[2-5]。

目前针对导航服务频段的有意、无意干扰越来越严重，涉及单载波、脉冲、扫频、宽带白噪声及其组合干扰等多种干扰类型[6-9]，卫星导航终端在导航攻防发展过程中，对于卫星导航压制干扰条件下测试方法和评估环境[10-12]，开展了大量的抗干扰技术研究，但目前单干扰源产生压制干扰信号多针对一个频点，在完成多个导航频段同时压制的条件下，需要多台干扰源配合，单干扰源同时产生全频段导航研制信号有待进一步研究。

目前国内外单通道压制干扰信号产生的主流方式为“基带+射频单元”架构，干扰产生算法以功能模块的方式在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）内实现。本文在采用主流设计架构的基础上，通过设计多个压制干扰通道，开展了全频段卫星导航压制干扰信号产生技术研究，以支撑压制条件下的卫星导航攻防测试环境构建。

1 卫星导航信号特性分析

目前国际上已建设完成“四大两小”六个卫星导航系统，即中国北斗系统（BeiDou System，BDS）、美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System，GALILEO）四个全球导航系统，以及日本准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）、印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）两个区域导航系统，BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四大系统共有民用频点17个，QZSS、IRNSS两个系统共有民用频点8个，总计25个民用频点。按照系统划分，全部民用频点的载波频率、信号带宽、调制方式和落地电平等信号特性如表1～表6所示。

表1 BDS信号分量载波频率、带宽和电平统计表

表2 GPS信号分量载波频率、带宽和电平统计表

表3 GALILEO导航信号分量概况

表4 GLONASS信号分量载波频率、带宽和电平统计表

表5 QZSS信号分量载波频率、带宽和电平统计表

表6 IRNSS信号分量载波频率、带宽和电平统计表

将以上导航信号按照相近频率进行合并，划分为3个频段：

1）频段1：1150 MHz～1300 MHz；

2）频段2：1550 MHz～1650 MHz；

3）频段3：2470 MHz～2520 MHz。

在压制信号产生过程中，为了实现对全部导航频段信号的压制，需同时输出以上3个频段的压制干扰信号。

2 全频段压制干扰信号产生架构设计

全频段卫星导航压制干扰信号采用多通道可重构的架构产生压制干扰信号，通过3个独立基带信号产生通道完成3个导航频段的压制干扰信号生成，之后经射频合路后，完成覆盖全部导航频段的压制干扰信号输出，如图1所示。

采用如图1所示的全频段压制干扰信号产生架构，能够支持1台干扰源同时输出全部3个卫星导航频段干扰信号，便于在工程配套中减少干扰源设备配套数量，从而降低工程实现成本。

每通道可重构压制干扰信号产生采用“基带信号产生单元+变频单元”的设计结构，其中基带信号产生单元由单载波干扰、脉冲干扰、扫频干扰以及宽带白噪声干扰等模块组成，通过开关选择的方式，将输出的I/Q基带数据重构为不同干扰样式的中频数据，经过捷变频单元后输出相应的干扰射频信号。下面对不同的压制干扰信号产生算法进行详细的阐述。

3 压制干扰信号产生算法设计

在导航信号压制干扰过程中，最为有效的干扰类型包括单载波、脉冲、扫频、宽带高斯白噪声及其组合干扰等样式，每种压制干扰信号产生的算法均各不相同。

3.1 单载波干扰

3.2 脉冲干扰

脉冲干扰由一个符合脉宽方波和单载波信号叠加来实现，改变方波的占空比实现脉宽的调整，该方波在基带信号产生单元内实现，方波的占空比可以任意配置，同时脉宽0.1 μs～10 s可调。脉冲干扰的实现结构如图3所示。

与传统方法不同，基于采样率的观点，这里周期性脉冲序列产生采用NCO来实现。将脉冲周期折算为频率控制字，将脉宽折算为门限。NCO仍然选用单载波信号产生时的NCO，位宽为16位。

3.3 扫频干扰

扫频干扰参数化表达式如式（1）所示：

扫频干扰框图与单载波信号干扰产生类似，如图4所示，不同的是扫频干扰的NCO由两级累加器构成。扫频速率对应二阶频率控制字（Differential Frequency Control Word，DFCW）；当前频率对应FCW，为频率控制字。

为兼顾分辨率和频率动态范围，这里选取第一阶累加器位长为32位，频率控制字如式（2）所示：

二阶累加器位长为16位，频率控制字如式（3）所示：

3.4 宽带高斯白噪声

采用数字化实现高斯白噪声产生。数字化实现分为两个步骤：先产生均匀分布的白噪声序列，然后通过均匀分布的白噪声获得高斯白噪声。这两步中均有多种方法可供选择，这里使用序列实现均匀分布的白噪声，然后通过反函数映射方法实现均匀分布向高斯分布的转换。为获得带限高斯白噪声，还需要将高斯白噪声通过一定带宽的有限长单位冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器进行滤波。带限高斯白噪声实现框图如图5所示。

FIR滤波器通过将升余弦滤波器离散化实现，离散化工作在上层软件完成。选定高斯白噪声的带宽后，根据表达式获得滤波器离散值后，置入到基带信号产生单元。升余弦滤波器表达式如式（4）所示：

4 仿真验证结果

4.1 单载波干扰

4.2 脉冲干扰

4.3 扫频干扰

本文所设计压制干扰产生技术可同时输出3个频段的扫频压制干扰信号，设置扫频带宽为 100 MHz，频率步进4.8 kHz，中心频点分别为 1225 MHz、1600 MHz和2495 MHz时，能够对全频段导航信号实现压制干扰，仿真结果如图8所示。

4.4 宽带高斯白噪声

本文所设计压制干扰产生技术可同时输出3个频段的宽带高斯白噪声压制干扰信号，设置白噪声干扰信号带宽为150 MHz，中心频点分别为 1225 MHz、1600 MHz和2495 MHz时，能够对全频段导航信号实现压制干扰，仿真结果如图9所示。

5 测试验证结果

为了验证上述全频段设计架构可行性，开发了基于单片Xilinx Kintex-7 FPGA+3片AD9371的信号处理板卡，并在此基础上设计了全频段导航压制干扰源。通过使用Septentrio PolaRx5TR接收机作为测试对象，将卫星导航信号模拟器输出的导航信号与全频段导航压制干扰源输出的压制干扰信号合路后，有线输出至接收机，从而完成对本文提出方法的试验验证，测试环境如图10所示。

设置模拟GPS L1、GPS L2以及GPS L5导航信号输出电平均为-133 dBm，当设置三个通道压制干扰信号输出电平导航带内功率为-80 dBm时，三个频点导航信号接收载噪比均降低为25 dB/Hz左右；当设置三个通道压制干扰信号输出电平导航带内功率大于-70 dBm时，原本正常锁定定位的GPS三个频点导航信号均失锁且不能定位，全频段压制干扰生效。经测试验证，单台三通道压制干扰源可实现全频段导航信号压制。

6 结论

本文针对卫星导航攻防测试中的全频段导航信号压制干扰问题，提出了一种多通道可重构的压制干扰信号产生设计架构，给出了单载波干扰、脉冲干扰、扫频干扰以及宽带高斯白噪声干扰的理论生成模型与算法，通过Matlab工具进行了仿真验证，并经过实际试验验证，测试结果表明该设计架构及模型算法能够支撑全频段导航压制干扰信号产生，频段覆盖1150 MHz～1300 MHz、1550 MHz～ 1650 MHz以及2470 MHz～2520 MHz，可在工程设计中应用推广。

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Research on Technology of Interference Signal Generation for All Satellite Navigation Frequencies

LIU Yilong, TAN Zhiqiang, XU Lei, LUO Licheng, FANG Zhen

With the rapid development of satellite navigation technology, satellite navigation equipment has been widely used in many fields such as military, transportation, finance, electric power and so on. Some test environments of satellite navigation deception attack and defense have been built in recent years. However, there are few studies on full-band satellite navigation interference generation technology. At the same time, the intentional and unintentional interference is getting more and more serious, involving multiple types of interference such as single carrier, pulse, frequency sweep, white noise and their combined interference. This work would give contribution to the construction of satellite navigation attack and defense test environment.

Satellite Navigation; Interference; Generation Technology

TN974

A

1674-7976-(2022)-01-016-07

2021-11-10。

刘轶龙（1988.01—），河北保定人，硕士，工程师，主要研究方向为卫星导航攻防与信号模拟产生技术。