导航接收机噪声电磁辐射阻塞效应分析

李 媚，魏光辉，赵宏泽，郑建拥，杜 雪

（1.陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应国家重点实验室，河北 石家庄 050003；2.河北科技大学信息科学与工程学院，河北 石家庄 050018）

0 引 言

卫星导航信号经过远距离传播到达地面端时已非常微弱，使得导航接收机极易受到各种电磁辐射信号干扰，影响系统定位性能［1-2］。在体系作战条件下，用频装备持续增加，大功率用频装备在正常发射工作信号的同时，不可避免地会发射谐波信号和杂散噪声信号，电磁环境更加复杂、恶劣［3］；卫星导航接收机更易发生失锁问题，从而失去导航定位功能。研究电磁辐射干扰对导航接收机的影响已经成为研究热点［4］，可为抗电磁干扰研究提供效应机理支持。

国内外学者深入研究了电磁辐射对导航定位接收机的影响［5-8］，主要集中在电磁辐射对信号接收质量的影响分析方面，如从等效载噪比（carrier to noise ratio，CNR）［9-10］、误码率及信号捕获能力［11］、码跟踪能力［12］等方面研究电磁辐射对导航接收机性能的影响，但对导航接收机整体进行电磁辐射效应研究较少。在考虑不同电磁辐射信号对导航接收机的干扰影响中，主要以连续波干扰研究为主［13-15］。文献［16］研究了超宽带脉冲信号对导航接收机CNR的影响，以CNR是否减小及减小程度表征电磁信号对全球定位系统（global positioning system，GPS）接收机的影响。文献［17］分析了连续波和脉冲调制连续波对GPS接收机信号CNR降级的影响。但以上文献均未涉及接收机是否能够正常工作。文献［18］对导航接收机进行了连续波电磁辐射效应试验，并提出了干扰预测方法，将每颗卫星的敏感功率阈值与当前干扰功率比较得到干扰余量，并对干扰余量从大到小排序，以最低可定位卫星颗数位置处的干扰余量来判断导航接收机是否正常工作，该方法只是定位于单频连续波干扰的预测，对多频及噪声干扰效应评估的效果并未涉及。文献［19-21］在双频、多频连续波效应试验中分别对不同装备进行了电磁环境效应评估，在随机噪声［22］试验中，主要对通信装备进行了电磁环境效应试验，能够较好地预测通信装备的电磁环境生存能力，但其仅在带内进行了研究，且导航接收机的效应规律［23］与通信装备有所差别。针对导航接收机的噪声电磁辐射干扰效应定量研究还未有发现，其在噪声干扰下的带内及带外综合效应评估方法还有待进一步研究。

本文以某型导航接收机为研究对象，首先基于干扰机理分析，建立了噪声电磁辐射阻塞效应评估模型，为噪声干扰效应评估分析提供理论支撑；接着通过单频连续波电磁辐射效应试验，确定导航接收机敏感判据，测量其单频电磁辐射临界干扰场强曲线；而后提出了导航接收机敏感度数据两点校准方法，对待评估状态下简化导航接收机敏感度测量及提高其准确度意义重大；最后在随机噪声及单频连续波复合噪声电磁辐射作用下对导航接收机的阻塞效应进行评估，验证噪声电磁辐射阻塞效应评估模型的有效性。

1 噪声电磁辐射阻塞效应评估模型

根据文献［24］对装备复杂电磁环境敏感类型的判断方法，为了确定受试导航接收机的电磁辐射阻塞效应敏感类型，进行了调幅波与单频连续波临界阻塞干扰场强测试。在辐射频偏f i-f0＝0 MHz时，测得导航接收机调幅波和单频连续波临界干扰场强有效值之比为Eame／Esine＝1.12，由此可确定受试导航接收机对电磁辐射场强有效值（平均功率）敏感。

假设接收机受到多个单频连续波干扰时，电磁波经过天线耦合进入到接收机输入端的信号为

式中：Di与D s分别为接收机天线对干扰信号和有用信号的耦合系数（包括极化方向的影响）；E i与E s分别为接收机天线处的干扰信号和有用信号的电场强度幅值；ωi与ωs分别为干扰信号和有用信号的角频率。

该信号在进入接收机的射频前端前，一般都会经过限幅器或者带通滤波器的选择抑制，这些电路及其后续信号处理电路一般具有非线性响应特性，在输入信号不太强的情况下，其输出信号可以用幂级数表示为

当输入信号很小时，电路工作于线性区域，只取幂级数的前两项即可；而当输入信号较大时，电路响应出现非线性特征，一般取幂级数的前4项作近似处理。Bi（i＝1，2，3，…）为非线性系数，是与电路的转移特性相关的常数。将式（1）代入式（2），进行幂级数展开并分解后可得到有用信号的基波增益A s为

当有用信号大小不变时，单频与多频电磁辐射共同作用出现临界阻塞干扰时的有用信号增益应相等。若受试用频装备在带内单频电磁辐射作用下的临界干扰场强为Ej0（f），带内多频电磁辐射临界干扰对应的电磁辐射场强组合为（E1，E2，…，E n），则有

根据帕斯瓦尔恒等式中场强和平均功率的关系，效应指数R I也可表示为

对于随机噪声，若噪声电场强度频谱密度为E（f），将频率处于f～f＋df频段的噪声电磁辐射看作频率为f的单频信号，由式（5）和式（6）可得噪声电磁辐射对受试装备的阻塞效应评估模型为

同理，多频复合随机噪声电磁辐射阻塞效应评估模型为

据此，本文提出了噪声及多频复合噪声电磁环境效应评估模型。当R I≥1时，受试装备受到阻塞干扰，技术性能降低或不能正常工作；当R I＜1时，装备能够正常工作。该模型的建立并未区分带内和带外，从理论分析认为，无论带内还是带外，其电磁干扰机理一致，通过该模型均可表示。

2 单频连续波电磁辐射阻塞效应试验

2.1 单频电磁辐射效应试验配置

单频连续波电磁辐射效应试验配置及实测图如图1和图2所示。

图1 导航接收机单频电磁辐射效应试验配置图Fig.1 Configuration diagram of single frequency electromagnetic radiation effect tests for navigation receiver

图2 导航接收机单频电磁辐射效应试验实测图Fig.2 Actual measurement diagram of single frequency electromagnetic radiation effect tests for navigation receiver

采用卫星导航信号模拟器与发射天线（宽带喇叭天线SCHWARZBECK BBHA9120D 1～18 GHz）组成卫星导航信号模拟系统，发射信号强度由内部程控衰减器调节；信号发生器（RIGOL DSG821 9 k Hz～2.1 GHz）与干扰天线（型号同发射天线）组成电磁辐射干扰系统，通过信号发生器输出电平调节辐射场强；接收天线（导航接收机专用圆极化天线）、导航接收机与数据处理计算机组成受试系统，显示接收到的各颗卫星信号的CNR、定位信息等。考虑到导航定位系统工作信号较弱，将整个系统置于微波暗室中进行，避免外界环境对其工作造成干扰。试验过程中，受试系统接收天线距电磁辐射干扰系统发射天线的距离不小于3 m，调节接收天线、发射天线空间布局，使受试系统处于最佳接收状态，受试系统所在空间的电磁场分布均匀性优于3 dB。为了减小邻近接收天线端的相关设备对接收信号的干扰，将导航接收机及计算机置于信号发射器一端，尽量减少试验中各种可能干扰因素的影响。

2.2 试验现象与敏感判据

敏感度判据直接决定了敏感度阈值测量的准确性，在涉及敏感度测量的研究中，大多数电子设备采用干扰余量［25］作为敏感判据，数字通信系统可通过干扰等级［26］或误码率［27］作为敏感判据，雷达采用被测目标回波信号幅值压缩量［28］作为敏感判据。导航接收机则不同，不能用以上判据确定装备是否受到临界干扰。因此，需要通过试验确定其敏感度判据。根据GJB 151B-2013中装备敏感度测量方法，调试受试导航接收系统，使其处于正常定位状态。设定电磁辐射干扰系统，使其发射频率接近导航接收机的工作频率，逐步增加辐射功率，观察受试导航接收系统出现的效应现象。

试验中发现，导航系统工作功率越强，接收机初始CNR也越高，从初始CNR降至卫星不能定位时的CNR也不同，因此采用文献［19］中的30 d B-Hz作为判据并不准确；但无论哪种工作功率下，随着电磁干扰辐射功率的提高，受试导航接收系统接收到的导航信号CNR都逐步下降，而每颗星的CNR下降程度不同；干扰辐射功率增加到一定数值后逐步开始出现丢星现象，CNR下降较快的卫星较易丢失，当剩余可定位卫星数量少于5颗时，卫星定位信号消失，受试系统失去定位功能。但可能会在数秒内又恢复定位，从而造成失去定位的假象。

因此，若以可定位卫星颗数判定导航接收机是否正常定位导致测试结果不稳定，在兼顾导航接收机抗干扰能力评价和临界干扰场强测试准确度提高的同时，采用变步长升降法调节微波信号源的输出功率，对受试导航接收机进行电磁辐射效应试验，以施加特定幅度的电磁辐射干扰后30 s内导航接收机出现定位功能持续丧失作为敏感判据，测定导航接收机的临界干扰场强。

2.3 临界干扰场强分布

信号模拟器可调节信号最大发射功率为-60 d Bm，最小发射功率为-150 dBm，但当发射功率小于-110 d Bm时，在没有施加干扰时，系统定位状态已经非常不稳定，甚至不能正常定位。因此，试验过程中，将卫星导航信号模拟器播发的10颗星的单颗卫星播发信号功率依次设定为-60 dBm、-90 d Bm、-110 dBm，以测试系统处于较大功率、中等功率、较小功率下的敏感度，能够较全面地评估导航接收机的性能。

受试导航接收机电磁辐射敏感度很高，通过信号发生器测量得到的敏感度功率并不能表征实际的导航接收机敏感度，而接收机天线处的临界干扰场强又难以用场强计直接测量。对此可采用电磁场领域常用的线性内插／外推法，设置信号发生器产生单频连续波，调整其输出功率，使试验点处场强达到5 V／m以上，读取辐射场强测量值E0与微波信号源输出功率P0，辐射功率P对应的辐射场强E计算方式如下：

式中：E与E0以dBV／m为单位；P和P0以dBm为单位。

单频阻塞效应测试时，当干扰信号辐射功率为20 d Bm时，辐射场强为2.5 V／m，即8.0 dBV／m。将该数据代入式（11）中可以得到辐射场强与发射信号功率的关系为E＝P-12。受试导航接收机的单频连续波电磁辐射临界干扰场强如图3所示。

图3 接收机临界干扰场强曲线Fig.3 Critical interference field intensity curve of receiver

由式（3）可知，阻塞效应临界干扰场强应大致与有用信号强度成正比，而图3测试结果似乎并不完全支持这一结论，在±2 M Hz敏感带宽内的场强与敏感带宽外场强随工作信号功率变化不一致。造成这一假象的原因初步分析如下：模拟系统发射的卫星导航信号标定功率在近场辐射条件下并不能完全表征卫星导航信号的强度，机箱的近场辐射泄漏对卫星导航信号的强度有重要影响，这一现象值得后续进一步研究。

3 噪声电磁辐射阻塞效应评估模型验证

由式（7）～式（10）可知，噪声电磁辐射阻塞效应评估中需要单频电磁辐射临界干扰场强作支撑，而单频电磁辐射临界干扰场强与有用信号强度紧密相关。由于导航信号强度太弱，在待评估状态下，即使采用频谱分析仪也难以准确测量其信号强度，在进行噪声电磁辐射阻塞效应评估前，必须对单频临界干扰场强校准［29］与插值处理。

3.1 单频临界干扰场强校准方法

分析图3所示不同工作信号强度下受试导航接收机的临界干扰场强变化规律可以看出：辐射频偏大于2 MHz时，不同工作信号强度对应的临界干扰场强曲线形状基本相同，通过上下平移基本能够重合；而辐射频偏小于2 MHz范围内的临界干扰场强与工作信号强度紧密相关，工作信号强度越小，选频特性越突出，在待评估状态下发射信号强弱未知，不能准确确定导航接收机的临界干扰敏感度。基于上述特点，提出单频临界干扰场强两点校准法，校准步骤如下。

步骤1选定适用于待评估状态下的临界干扰场强基准曲线。选择临界干扰场强随辐射频偏变化平缓的某一频点f s1，如辐射频偏5～15 MHz，测试其待评估状态的单频阻塞功率Ps1（单位为dBm）和工作频点对应的单频阻塞功率Ps0（单位为dBm），使校准频点fs1与工作频点fs0的单频阻塞功率差等于Ps1-Ps0，可选定一组临界干扰场强数据为基准。

步骤2在待评估状态下对选定敏感度曲线整体校准。基于阻塞效应临界干扰场强与有用信号强度成正比，各不同频偏对应的临界干扰校准功率P i计算方式如下：

式中：Ei、Es1分别为敏感度曲线上各频点对应的临界干扰场强，单位为dBV／m。

步骤3在敏感带宽内进行局部校准。在辐射频偏±2 M Hz范围内，等比例缩放步骤2所得临界干扰功率P i，可得

式中：P0为步骤2校准后的频偏-2 M Hz频点的临界干扰功率；Pc1和Pc0分别为频偏f s1和频偏f s0的临界干扰功率，单位均为dBm。

3.2 插值算法

为满足效应评估计算的需求，需要对离散测量数据插值处理，一般多选择3次样条插值算法，该算法会在插值点处发生龙格现象，造成局部插值误差过大的问题。导航接收机工作信号较弱，增大的插值误差会导致效应评估计算不准确，而阿克玛插值算法［30］可有效解决该问题，且计算量小，将误差控制在最小范围内。采用两种不同插值算法对导航接收机分别工作在Ps1＝-60 dBm和Ps2＝-90 d Bm工作功率下的临界干扰场强插值处理，结果如图4所示。

图4 导航接收机临界干扰场强插值方法比较Fig.4 Comparison of interpolation methods critical interference field intensity for navigation receiver

由图4虚线框中可见，3次样条插值的局部误差最大接近10 d B，而阿克玛插值结果明显优于3次样条插值算法，与测量敏感度变化趋势能够较好地吻合，更适合较弱工作信号的导航接收机敏感度插值处理。

3.3 噪声电磁辐射效应试验

利用功率放大模块（Ceyear 80244-50 MHz～3 GHz）的底噪输出作为噪声电磁辐射源替代图1中的干扰信号发生器，进行噪声电磁辐射效应试验研究。试验配置图及功放模块如图5所示。

图5 导航接收机随机噪声电磁辐射效应试验配置图Fig.5 Experiment configuration diagram of random noise electromagnetic radiation effect tests for navigation receiver

在随机噪声试验中，关闭信号发生器的信号输出，开启稳压电源，调节电磁辐射干扰系统发射天线与导航接收机天线的距离及导航信号模拟器输出信号强度，使受试导航接收机处于临界阻塞（失去定位）状态，利用频谱分析仪测得受试导航接收机出现临界阻塞干扰时的噪声电磁辐射频谱分布。其中，设置频谱分析仪的噪声频谱分布范围为1.54～1.62 GHz，分辨率带宽为100 k Hz，扫频点数为1 001。接着分别在校准频偏fs0＝0 MHz和fs1＝9 MHz时测得单频临界干扰功率分别为Ps0＝-71 dBm和Ps1＝-56.5 dBm。

单频复合噪声电磁辐射效应试验中，在没有微波干扰信号输入的情况下，调节干扰天线与导航接收机天线的距离和导航信号输出强度，使受试导航接收机在随机噪声干扰下能够正常定位，接着调节微波信号发生器的输出功率，使受试导航接收机在单频复合噪声电磁辐射作用下出现临界阻塞效应。利用频谱分析仪测得该状态对应的单频复合噪声频谱分布，频谱仪设置与上述噪声测量一致。分别测得在频偏0 M Hz和9 M Hz时复合噪声中的单频临界干扰功率分别为-66.1 dBm和-53.5 d Bm。在校准频偏f s0＝0 MHz和f s1＝9 M Hz时分别测得单频临界干扰功率为Ps0＝-66 dBm和Ps1＝-52 d Bm。

相比随机噪声试验，单频复合噪声试验中干扰天线位置距离接收天线更远，因此在两个校准频点的临界干扰功率都大于随机噪声试验中对应校准点临界干扰功率，符合常规试验现象。

3.4 敏感度校准结果分析

分别在随机噪声和单频复合噪声下对单频临界干扰场强校准，并采用阿克玛插值算法进行插值处理。根据第3.1节中校准方法及上述噪声试验中获取的校准点数据，对待评估状态随机噪声和单频复合噪声干扰下的数据校准结果如图6所示。

图6 校准后的干扰敏感度Fig.6 Interference sensitivity after calibration

可见，通过校准步骤1可选择-110 d Bm时的敏感度为基准，说明该评估环境下的系统工作信号相对较小；经过步骤2单点校准后，敏感度整体向上平移；在±2 M Hz敏感带宽内进行两点校准后，无论是噪声还是单频复合噪声干扰，敏感带宽内选频特性均比基准敏感度曲线明显，说明待评估环境下的系统工作信号稍弱于基准信号工作强度。由此可知，校准不仅能够确定系统工作信号的强弱，同时减小了待评估环境下敏感度测试的工作量，对提高敏感度数据的准确度意义重大。

3.5 效应评估模型验证

根据式（7）～式（10），分别对导航接收机进行随机噪声和单频复合噪声干扰效应试验，利用上述在噪声试验中采集的噪声数据，以验证效应评估模型在随机噪声和单频复合噪声下的干扰效应。效应指数计算结果如表1所示。

表1 校准后导航接收机噪声干扰效应指数Table 1 Effect index of noise interference for navigation receiver after calibration

可见，在随机噪声和单频复合噪声干扰下的效应指数均接近于1，说明噪声信号对受试导航接收机造成了有效干扰，其最大误差为1.8 d B，小于标准规定的±3 d B允差，在效应评估试验可接受范围内，验证了噪声干扰下的效应评估模型的有效性。由于试验条件的限制，本文只对单频复合噪声干扰进行了验证，但模型适用于多频复合噪声干扰效应评估中，多频复合频点也可以任意选择。

4 结 论

从干扰机理分析出发，建立装备噪声电磁环境效应评估模型，对某型导航接收机进行电磁环境效应试验，评估其在噪声干扰环境下的工作性能。结论如下：

（1）确定了导航接收机的敏感度判据，发现了单频连续波电磁辐射效应规律。以受试导航接收机持续丧失定位30 s作为敏感度判据，确定装备在频偏-21～59 MHz工作带宽内均比较敏感，其中，频偏在±2 MHz内最为敏感；在正频偏内呈现两个明显的台阶，频偏范围分别在2～18 M Hz和19～50 MHz，频偏大于50 MHz时临界干扰场强迅速增大；在频偏小于-2 MHz时的临界干扰场强随辐射频偏增大而迅速增大。可见，受试导航接收机抗负频偏电磁辐射干扰的能力远大于抗正频偏电磁辐射干扰的能力，且频偏在±2 MHz内的敏感度变化与工作功率大小变化不一致，值得深入研究。

（2）提出待评估状态下的敏感度数据校准方法，分别在随机噪声和单频复合噪声干扰状态下，选择受试导航接收机在工作频点及频偏为9 M Hz时的单频阻塞功率，对敏感度数据进行两点校准，可解决待评估状态下系统发射信号强度未知，敏感度数据不易准确测量的问题。

（3）提出可同时适用于带内和带外的受试装备噪声干扰效应评估模型，并对随机噪声及单频复合噪声干扰下的受试导航接收机进行了验证，其效应评估指数均大于1，最大误差为1.8 d B，满足装备效应评估标准要求，验证了模型的有效性与实用性。

（4）导航接收机工作信号较弱，敏感度数据及噪声频谱数据的波动对效应评估影响较大，会产生较大的误差，尤其要注意噪声频谱［31］数据的采集方式，这将是下一步的研究工作。