張斯媛 楊帆 田炳樟

摘 要：空天電磁環(huán)境的日益復(fù)雜使得衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾性能成為用戶密切關(guān)注的問題。文章提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾性能測試方法，該方法通過測試不同干擾數(shù)量、不同干擾強(qiáng)度及不同方位角下的定位精度，實(shí)現(xiàn)了抗干擾性能的快速與直觀判斷。對某衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備的測試表明，該方法能夠有效評估抗干擾性能，有較強(qiáng)的參考與使用價值。

關(guān)鍵詞：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；接收機(jī)；抗干擾性能；暗室測試

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），是為全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)的國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。2012年年底，中國建成北斗二號系統(tǒng)，正式向亞太地區(qū)提供服務(wù)，2020年左右，將向全球提供服務(wù)。隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國家安全和國計(jì)民生的眾多領(lǐng)域，擁有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值[1]。

隨著空天電磁環(huán)境的復(fù)雜度不斷提髙，加之衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號十分微弱，有意或無意的電磁干擾信號會導(dǎo)致接收機(jī)喪失精確定位的功能[2]。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾問題成為當(dāng)前研究的主要問題之一。

依靠理論和仿真研究，GNSS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)、空間濾波干擾技術(shù)、空時自適應(yīng)抗干擾技術(shù)等抗干擾技術(shù)有了很大提升[3]。然而僅有理論和仿真是不夠的，為了更好地研究和測試抗干擾技術(shù)，還需要建立抗干擾測試平臺。

與外場測試成本高、易受外界干擾、重復(fù)性不強(qiáng)等特點(diǎn)相比，室內(nèi)測試系統(tǒng)作為一種半實(shí)物仿真系統(tǒng)，以其成本低、操作安全、可重復(fù)性強(qiáng)，且能接近真實(shí)環(huán)境等特點(diǎn)，近年來得到了廣泛應(yīng)用。2007年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室和邁阿密大學(xué)構(gòu)建了室內(nèi)無線抗干擾測試環(huán)境用來測試車用GPS接收機(jī)[4]。馮起等[5]在暗室內(nèi)模擬衛(wèi)星信號，測試了自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)的對消方向圖及對消性能。郭淑霞等[6-8]采用基于灰色關(guān)聯(lián)分析的場景映射方法、基于腳本的儀表驅(qū)動技術(shù)等構(gòu)建半實(shí)物仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對衛(wèi)星導(dǎo)航接收端抗干擾性能的測試，并對測試方法進(jìn)行了改進(jìn)，擴(kuò)大模擬信號的視場角范圍，逼近室外真實(shí)的測試環(huán)境。

目前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測試方法及抗干擾性能評價還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文利用已有的抗干擾測試系統(tǒng)，提出了一種抗干擾測試方法，并利用該方法對某衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備進(jìn)行了測試與性能評價。該方法可以快速有效地評估接收機(jī)的抗干擾性能，為未來衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾性能測試提供參考，具有較大的應(yīng)用價值。

2 抗干擾測試系統(tǒng)介紹

本實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號并發(fā)射、模擬復(fù)雜電磁環(huán)境信號、模擬導(dǎo)航接收端運(yùn)行軌跡。該系統(tǒng)主要包括以下分系統(tǒng)：終端性能測試系統(tǒng)、干擾信號控制系統(tǒng)、暗室測試環(huán)境、干擾天線、終端測試轉(zhuǎn)臺等，系統(tǒng)框如圖1所示。

其中，干擾天線及終端測試轉(zhuǎn)臺布置在暗室中，共有6個干擾天線，在終端測試轉(zhuǎn)臺周圍相對終端每隔60°布置一個干擾天線。每個干擾天線都可以獨(dú)立調(diào)整俯仰角，俯仰角范圍為-45°～45°。暗室天線布置如圖2所示。

各分系統(tǒng)及其功能描述如下。

2.1 終端性能測試系統(tǒng)

終端性能測試系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)測試參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)生導(dǎo)航信號、處理與顯示測試數(shù)據(jù)以及終端測試轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制等功能。系統(tǒng)采用多波束導(dǎo)航信號模擬器模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號。

2.2 干擾信號控制系統(tǒng)

干擾信號控制系統(tǒng)分為天線動作控制系統(tǒng)及信號源發(fā)生系統(tǒng)。天線動作控制系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)，控制天線俯仰角；信號源發(fā)生系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)，向干擾天線傳輸干擾信號相關(guān)參數(shù)。

2.3 暗室測試環(huán)境

暗室測試環(huán)境可以屏蔽外界信號，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)僅接收干擾信號模擬源所產(chǎn)生的信號。

2.4 干擾天線

接收干擾信號控制系統(tǒng)指令并發(fā)射相應(yīng)的干擾信號。

2.5 終端測試轉(zhuǎn)臺

控制衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的角度及高度等位置狀態(tài)。

3 抗干擾測試方法

本文主要針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行抗干擾性能的測試，因此將整個接收機(jī)看作整體，以衛(wèi)星信號為輸入，將接收機(jī)的導(dǎo)航定位結(jié)果作為輸出，考察接收機(jī)的抗干擾性能。

GNSS在用戶區(qū)段內(nèi)受到的電磁干擾，從技術(shù)上可以分為壓制干擾和欺騙干擾。一些研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明：在所有對GNSS信號的潛在威脅中，壓制干擾是最大的威脅。因此本文測試方法考慮測試壓制干擾下性能，該性能與干擾抑制度呈正相關(guān)。接收機(jī)的干擾抑制度為接收機(jī)能夠正常工作時所對應(yīng)的接收機(jī)輸入端的最大干信比[9]。顯然，干擾抑制度越大，接收機(jī)的抗干擾能力越強(qiáng)。

根據(jù)使用場景，本文提出了單頻點(diǎn)多天線寬帶干擾測試方法，用以檢測衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在干擾抑制度方面的抗干擾性能。測試的具體方法為：將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)放置于終端測試轉(zhuǎn)臺，打開衛(wèi)星信號模擬源，待衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端正常定位后，施加不同數(shù)量的干擾信號，并使干擾到達(dá)接收天線的強(qiáng)度保持一致，不斷增加干擾信號的輸出功率，待定位精度達(dá)到臨界時（高程差不超過20 m，且能正常定位）或干擾發(fā)射源施加干擾值達(dá)到極限時記錄干擾強(qiáng)度及經(jīng)度、緯度及高程誤差。受干擾源發(fā)射極限限制，干信比極限值為94 dB。在完成一個方位角的測試后，改變接收陣列方位角重復(fù)測試，以初始方位角為0°，每次旋轉(zhuǎn)45°，重復(fù)上述測試步驟，分別記錄8個方向上的測試數(shù)據(jù)。在得到測試數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析得出結(jié)論。圖3給出了測試方法的流程示意。

4 測試結(jié)果

基于本文提出的測試方法，在測試平臺上進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾性能測試。

本次測試使用的衛(wèi)星信號為北斗B3頻點(diǎn)信號；干擾信號類型為寬帶干擾，帶寬為20.46 MHz。

表1給出了本次測試中的干擾天線俯仰角。表2為不同干擾數(shù)量時輸出干擾信號的天線，“○”表示該干擾天線在某次測試中處于工作狀態(tài)。

本次測試結(jié)果如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以看出，該設(shè)備抗干擾性能較好，在干擾數(shù)量小于6個時，該設(shè)備的抗干擾極限不低于92 dB；在干擾數(shù)量等于6個時，該設(shè)備的抗干擾極限最低為70 dB。從設(shè)備實(shí)際使用場景判斷，該設(shè)備抗干擾性能符合要求。

5 結(jié)語

本文提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾測試方法，該方法具有易于判斷抗干擾性能、操作簡單、接近真實(shí)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。該方法為接收機(jī)抗干擾性能的評估提供了一種快捷、可靠的途徑，有較強(qiáng)的參考與使用價值。對某衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備的測試結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。