胡禛
(中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009)
衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)在眾所周知的頻率上發(fā)射,調(diào)制方式廣為人知,傳輸功率小,信噪比較低,這些成為其易受干擾的重要原因。造成衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)容易被干擾的最直接原因就是發(fā)射的信號(hào)太弱,如果采用混合擴(kuò)頻體制,則可加大信號(hào)的增益。本文著重研究將跳時(shí)與直擴(kuò)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航中,利用跳時(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),通過時(shí)間的合理分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾,從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能。
跳時(shí)技術(shù)把時(shí)間軸分成若干時(shí)隙,由跳時(shí)碼決定在哪個(gè)時(shí)隙來發(fā)送信號(hào)。跳時(shí)系統(tǒng)能夠用合理的時(shí)間分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾。但跳時(shí)系統(tǒng)對(duì)定時(shí)要求嚴(yán)格,簡單的跳時(shí)抗干擾性能不強(qiáng),所以很少單獨(dú)使用,通常與其他方式相結(jié)合,組成各種混合方式[1]。將DS/TH混合擴(kuò)頻技術(shù)與現(xiàn)有的導(dǎo)航衛(wèi)星相結(jié)合,構(gòu)成一種新穎的基于混合擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),以增強(qiáng)抗干擾能力。考慮可實(shí)現(xiàn)性和前向兼容性,此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地保留了原有導(dǎo)航系統(tǒng)體制,如直擴(kuò)部分的處理方式和參數(shù)等,直接從原系統(tǒng)繼承。DS/TH導(dǎo)航系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 基于DS/TH混合擴(kuò)頻的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)框圖Fig.1 Satellite navigation systems based on the DS/TH hybrid spread spectrum
在此系統(tǒng)中共存在有兩類PN碼序列:直擴(kuò)序列和跳時(shí)序列。導(dǎo)航信號(hào)在經(jīng)過DS碼擴(kuò)頻后,將其直擴(kuò)后的每一碼片分成若干時(shí)隙,根據(jù)跳時(shí)序列{Cj}選擇時(shí)隙來發(fā)送導(dǎo)航信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)跳時(shí)[2-4]。
系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)可表示為:
其中f0為載波頻率,Td為導(dǎo)航信號(hào)一比特持續(xù)時(shí)間,Ts為直擴(kuò)后的每一碼片長度,Nd為直擴(kuò)倍長度,Tc為每一時(shí)隙長度,Nc為時(shí)隙個(gè)數(shù),D(t)為導(dǎo)航電文,P(t)為直擴(kuò)碼,C(t)則用來進(jìn)行跳時(shí)。碼片持續(xù)時(shí)間變短,為保證功率相等,幅度要變?yōu)樵瓉淼谋?。通過上述分析可知,在DS/TH系統(tǒng)中,直擴(kuò)碼決定信號(hào)幅度的大小,跳時(shí)碼則用來決定信號(hào)的發(fā)送時(shí)刻。
在DS/TH系統(tǒng)中,直擴(kuò)碼部分參數(shù)都從原衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)繼承,而對(duì)于跳時(shí)部分,則需進(jìn)行詳細(xì)的研究,使系統(tǒng)能在抗干擾方面達(dá)到最優(yōu)效果。系統(tǒng)主要涉及跳時(shí)序列的3個(gè)主要參數(shù),時(shí)隙、周期以及漢明自相關(guān)。
1.2.1 跳時(shí)時(shí)隙
DS/TH系統(tǒng)總的處理增益為:
其中D為跳時(shí)所設(shè)置的占空比,D=1/Nc(Nc為時(shí)隙數(shù)),所以Nc越大,DS/TH系統(tǒng)的處理增益越大,抗干擾性能越好??垢蓴_性能與時(shí)隙個(gè)數(shù)Nc是成正比的。但系統(tǒng)帶寬會(huì)隨著時(shí)隙數(shù)的增大而變寬,因此必須根據(jù)實(shí)際情況來決定其大小。
1.2.2 跳時(shí)周期
跳時(shí)周期的增大,使相同的功率被分散到了更多的譜線中,信號(hào)的幅度變小,對(duì)功率譜起到了平滑作用,從而也減少了較強(qiáng)功率譜線數(shù)目[4]。通常為了提高時(shí)隙利用率,主要采用全時(shí)隙跳時(shí)序列,即跳時(shí)序列最大值Nk=Np-1,Np=Nc。
1.2.3 漢明自相關(guān)
為實(shí)現(xiàn)對(duì)跳時(shí)碼的捕獲,跳時(shí)序列必須具有較好的自相關(guān)性能,同時(shí)異相自相關(guān)越小越好。文中主要討論剩余類跳時(shí)序列。二次同余序列、三次同余序列和雙曲同余序列是目前性能優(yōu)良的3類同余跳時(shí)序列。其中,二次同余序列的自相關(guān)性能最好,異相自相關(guān)值最小,所以在基于DS/TH混合擴(kuò)頻的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中選用了二次同余序列作為跳時(shí)序列。
本系統(tǒng)的研究目標(biāo)是將跳時(shí)和直擴(kuò)相結(jié)合的混合擴(kuò)頻體制應(yīng)用到導(dǎo)航系統(tǒng)中,大幅度提高擴(kuò)頻處理增益,將信號(hào)頻帶擴(kuò)展到400 MHz,不僅使系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng),而且使信號(hào)能夠以非常低的功率譜密度隱蔽在其它系統(tǒng)信號(hào)之中或是重疊發(fā)射成為可能,從根本上改善系統(tǒng)的頑存性。
DS/TH導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的射頻帶寬為2Rc×Nc,其中Rc為直擴(kuò)碼的碼片速率,Rc=10.23 MHz,Nc為跳時(shí)時(shí)隙數(shù)。對(duì)于二次同余序列,時(shí)隙數(shù)必須為一素?cái)?shù),為使系統(tǒng)帶寬達(dá)到400 MHz,跳時(shí)時(shí)隙Nc=19。系統(tǒng)的整體參數(shù)如表1所示。
表1 系統(tǒng)整體參數(shù)Tab.1 System parameters
衛(wèi)星信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)時(shí),信號(hào)強(qiáng)度極低,遠(yuǎn)低于熱背景噪聲電平,對(duì)接收機(jī)的干擾成為干擾衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種主要手段,從技術(shù)角度出發(fā),可分為兩類:壓制性干擾和欺騙性干擾[8-9]。文中主要針對(duì)單頻干擾、脈沖干擾以及噪聲調(diào)制干擾中的噪聲調(diào)頻、調(diào)幅干擾這4種壓制性干擾進(jìn)行抗干擾分析和測試。
仿真中,為簡便起見,都是基于基帶進(jìn)行的。直擴(kuò)碼碼片速率10.23 Mchip/s,信息速率500 bit/s,對(duì)于現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)來說,導(dǎo)航信號(hào)具有20 460倍的解擴(kuò)處理增益,Gp=43 dB導(dǎo)航信號(hào)帶寬為20.46 MHz,假設(shè)內(nèi)部熱噪聲主要由低噪聲放大器產(chǎn)生,根據(jù)接收機(jī)靈敏度的計(jì)算公式,以及相應(yīng)接收信號(hào)的信噪比為公式,計(jì)算出-133 dBm這種典型的接收信號(hào)強(qiáng)度的相應(yīng)信噪比結(jié)果如表2所示。
若假設(shè)LNA噪聲為0.89 dB,接收端信噪比則為-33 dB。文中將主要針對(duì)-33 dB這種典型的接收信噪比來進(jìn)行仿真。
單頻干擾是直擴(kuò)系統(tǒng)中常見的人為連續(xù)波干擾,由于擴(kuò)頻碼的功率譜并不完全均勻,即不同頻率的功率不同,因此進(jìn)入信號(hào)的干擾功率也就不同,使得不同頻率單頻干擾的誤碼性能不同,同時(shí)不同碼字的功率譜結(jié)構(gòu)還不同,這些都說明了單頻干擾的誤碼性能與擴(kuò)頻碼有關(guān)。當(dāng)單頻干擾信號(hào)中心頻率和直接擴(kuò)頻載波頻率相同時(shí),并非就有最佳的干擾效果。事實(shí)上,單頻干擾的誤碼率性能是由擴(kuò)頻系統(tǒng)的信噪比、信干比、擴(kuò)頻碼以及單頻干擾的頻率與信號(hào)載頻的偏差這4個(gè)因素共同作用的結(jié)果[7]。
圖2 單頻干擾下DS/TH系統(tǒng)抗干擾仿真Fig.2 DS/TH system anti-jamming performance simulation under single-frequency interference
圖2中顯示的是單頻干擾頻率與導(dǎo)航信號(hào)中心頻率相差為1 Hz時(shí),基于DS/TH的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)抗干擾性能仿真。從圖中可以看到,在信噪比為-33 dB,誤碼率為10-4時(shí),加入跳時(shí)的方案比傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)方案抗干擾性能要好17 dB左右。同時(shí)也可清晰看到,隨著信干比的提高,傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾曲線出現(xiàn)了明顯的誤碼平層,而DS/TH系統(tǒng)的誤碼率曲線坡度變陡,誤碼率大幅下降。
將高斯脈沖作為研究對(duì)象,主要討論其脈沖形成因子α和高斯導(dǎo)函數(shù)的階數(shù)這兩個(gè)因素。通過改變脈沖形成因子的大小可得到不同的信號(hào)帶寬[5]。高斯脈沖波形類似于高斯函數(shù)波形,可以不斷地微分下去,峰值頻率和脈沖帶寬都會(huì)隨著微分階數(shù)的增加而改變。隨著高斯導(dǎo)函數(shù)階數(shù)的增高,高斯脈沖的峰值頻率也相應(yīng)提高。在仿真中采用的脈沖波形是最普遍采用的高斯二階導(dǎo)函數(shù),在表面上它具有無限長的持續(xù)時(shí)間,但是實(shí)際上衰減很快。若假定脈沖只在時(shí)間窗Tm內(nèi)為非零值,Tm=2.2α?xí)r,所導(dǎo)致的截?cái)嗄芰空`差會(huì)比原始能量小50 dB[5]。
圖3 脈沖干擾性能仿真Fig.3 Anti-jamming performance of pulse jamming
圖3為 α=2 μs和 α=20 μs時(shí) DS/TH系統(tǒng)抗脈沖干擾性能仿真。在信噪比為-33 dB,誤碼率為10-4時(shí),基于DS/TH的導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能比傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)改善了20 dB左右。由于脈沖成形因子越大,干擾信號(hào)的帶寬就越窄,能量越集中,因此在α=20 μs時(shí)干擾效果就比α=2 μs時(shí)要好。另外,由于跳時(shí)技術(shù)是按照跳時(shí)序列選擇時(shí)隙來發(fā)送信號(hào),所以在一定程度上,可以躲避由于脈沖干擾所產(chǎn)生的連續(xù)性錯(cuò)誤。
噪聲調(diào)幅特點(diǎn):已調(diào)波的頻譜由載波及兩對(duì)稱旁瓣組成,旁瓣形狀與調(diào)制波功率譜相似,但數(shù)量上減小為1/4。已調(diào)信號(hào)的頻譜實(shí)現(xiàn)了線性搬移,其中心頻率移到了載波頻率ω0處,且頻寬為原來的兩倍。噪聲調(diào)幅時(shí),已調(diào)信號(hào)總功率為載波功率與噪聲旁瓣功率之和,旁瓣功率是已調(diào)波中的起伏部分,對(duì)被干擾的設(shè)備的信號(hào)起遮蓋作用,若想提高干擾的效果,可增大旁瓣功率。
噪聲調(diào)頻特點(diǎn):功率譜與調(diào)制噪聲的概率密度呈線性關(guān)系,功率譜密度分布為高斯分布;噪聲調(diào)頻的總功率與載波功率相等,與調(diào)制噪聲功率無關(guān);噪聲調(diào)頻干擾帶寬與調(diào)制噪聲帶寬無關(guān),決定于調(diào)制噪聲功率σ2和調(diào)頻指數(shù)Kfm。
圖4所示的是DS/TH導(dǎo)航系統(tǒng)在噪聲調(diào)幅干擾下的抗干擾性能,噪聲調(diào)幅干擾的載波為 1 Hz。因?yàn)樵肼曊{(diào)幅的總功率等于載波功率與旁瓣功率之和,干擾能量向兩側(cè)旁瓣分散,影響了干擾效果,誤碼率與單頻干擾相比,有所下降。在誤碼率為10-4時(shí),抗干擾性能也提高了17 dB左右。
圖4 噪聲調(diào)幅性能仿真Fig.4 Noise amplitude modulation performance simulation
圖5顯示的是在噪聲調(diào)頻下DS/TH系統(tǒng)的抗干擾性能仿真,其中Kfm=0.8,噪聲載波為1 Hz。與圖2比較可知,噪聲調(diào)頻信號(hào)的干擾效果要比單頻干擾弱些,在誤碼率達(dá)到10-4時(shí),DS/TH系統(tǒng)的抗干擾性能比現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)性能改善18 dB左右。
圖5 噪聲調(diào)頻性能仿真Fig.5 Noise frequency modulation performance simulation
混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)將兩種或兩種以上的擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合,揚(yáng)長避短,顯著提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[10]。文中制定了基于DS/TH的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)方案,并對(duì)此方案在典型壓制性干擾下的抗干擾性能進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),其抗干擾性能要提高17 dB以上。尤其是抗脈沖干擾,因?yàn)樘鴷r(shí)技術(shù)可以通過有選擇的發(fā)送信號(hào)來躲避由脈沖干擾所產(chǎn)生的連續(xù)性錯(cuò)誤,使抗干擾性能改善了20 dB左右。
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