基于软件接收机的卫星导航抗干扰天线性能评估方法.pdf

针对分体式设计的卫星导航抗干扰终端缺少天线性能评估方法，与接收机参数适配难，测试环境构建成本高等问题，基于软件接收机能够可视化导航信号基带处理过程的特点，提出一种多阵元抗干扰天线性能评估方法：从输出信号质量、可捕获性、可跟踪性等方面给出评估方法，设计软件接收机评估抗干扰天线性能；然后以导航型天线、测量型天线、无干扰时的抗干扰天线和有微弱干扰时的抗干扰天线作为实验对象，利用软件接收机对不同天线的输出信号质量、信号可捕获性和信号可跟踪性进行对比分析；最后分析多阵元天线对干扰信号的抑制特性，并实验评估不同干扰功率条件下多阵元天线输出信号质量、可捕获性和可跟踪性曲线。结果表明，利用软件接收机评估卫星导航抗干扰天线性能是可行的。关键词：软件接收机；抗干扰天线；性能评估；信号质量；信号捕获；信号跟踪 中图分类号：P228；TN97 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)03-0063-07 Performance evaluation of satellite navigation anti-jamming antennas based on software receivers WU Zhijia,JIAO Haisong,JIA Zanjie,YU Heli,DAI Taogao,GENG Zeqi（Troops 63883,Luoyang,Henan 471000,China）Abstract：Aiming at the problems of the lack of antenna performance evaluation methods,the difficulty of adapting to the receiver parameters,and the high cost of constructing the testing environment for satellite navigation anti-jamming terminals designed by the split type,the paper proposed a multi-element anti-jamming antenna performance evaluation method based on the characteristic that software receivers can visualize the navigation signal baseband processing:the evaluation means were given from the aspects of output signal quality,signal captureability and signal traceability，and a software receiver was designed to evaluate the performance of anti-jamming antennas;then,taking navigation antennas,measurement antennas,anti-jamming antennas without interference and anti-jamming antennas with weak interference as the experimental objects,the software receiver was used to comparatively analyze the output signal quality,signal captureability and signal traceability of different antennas;finally,the suppression characteristics of multi-array antennas to interference signals were analyzed,and the output signal quality,captureability and traceability curves of the multi-array element antennas under different interference power conditions were evaluated.Results verified the feasibility of using software receivers to evaluate the performance of satellite navigation anti-jamming antennas.Keywords:software receiver;anti-jamming antenna;performance evaluation;signal quality;signal capture;signal tracking 0 引言 随着卫星导航系统的完善与发展，其在全球经济、社会发展和军事斗争中发挥着越来越大的作用，但卫星信号到达地面后已经淹没于噪声之下，且随着电磁传播环境的日益复杂化，原本微弱的卫星导航信号很容易受到无意或有意干扰而导致接收机无法定位1-2，这就要求卫星导航终端须具备一定的抗干扰能力。因此，卫星导航终端抗干扰性能已成为衡量设备导航定位能力的关键 收稿日期：2022-07-30 基金项目：国家自然科学基金项目（41804035）。第一作者简介：武智佳（1994），男，辽宁锦州人，硕士，助理工程师，研究方向为导航及导航对抗。64 导航定位学报 2023 年 6 月 指标；相应的抗干扰算法设计、抗干扰能力评估也成为导航领域的研究焦点。当前卫星导航抗干扰终端的接收机和多阵元抗干扰天线多采用分体式设计。多阵元抗干扰天线各阵元通道对接收的射频信号进行滤波、下变频、模/数转换等过程处理后，通过空时、空频等抗干扰算法求取权值对各阵元信号的幅值、相位进行调整，加权求和后通过上变频、数/模转换等过程处理后送入卫星导航接收机，完成对卫星导航信号的捕获、跟踪和定位解算3-4。因此多阵元抗干扰天线本身的性能也是卫星导航抗干扰终端的重要性能指标，其表现为进行干扰信号抑制处理后，对接收机执行捕获、跟踪以及定位解算过程的影响。目前，针对卫星导航抗干扰设备的测试主要以整机测试为主，需要在室外或室内搭建测试环境，展开测试与评估工作，环境构建成本高，占用资源多，且对与接收机间的适配问题考虑较少，缺少单独对抗干扰天线的评估手段5-6。卫星导航软件接收机可在尽量接近天线的地方将信号数字化，利用软件代码处理数字信号，能够可视化对卫星导航信号的捕获、跟踪以及定位解算过程，7-9，从机理上评估抗干扰处理后信号的可用性，以此反映多阵元抗干扰天线对干扰信号的处理能力、与接收机间适配性，以及接收机本身基带处理算法、选星策略等性能优劣10-12。当前已有学者基于软件接收机开展导航终端性能评估研究工作。文献13即利用软件接收机能够可视化信号处理过程的特点，研究分析了欺骗干扰信号对接收机输出载噪比、跟踪环路的影响9。文献14针对硬件接收机中传统抗干扰方法成本高、体积大和环境受限等问题，利用软件接收机作为抗干扰算法研究平台，实现了子空间分解的时域滤波法和频域滤波法消除窄带干扰。文献15利用软件接收机及多相关器生成技术，详细分析了脉冲干扰对接收机信号捕获与跟踪性能的影响。文献16也基于软件接收机研究了干扰对接收机的影响，并分析了时频域、空域、空时联合 3 种抗干扰方法的抗干扰原理和处理流程。本文利用软件接收机能够可视化信号捕获、跟踪过程的优势，提出一种基于软件接收机评估多阵元抗干扰天线性能的方法。通过对比分析方式，研究不同天线输出信号质量、信号可捕获性和信号可跟踪性，并构建环境测试不同干扰功率条件下，接收机对多阵元抗干扰天线输出信号的处理能力。1 软件接收机评估抗干扰天线性能方法设计 抗干扰天线主要用于接收射频信号，其器件的工作特性将对信号质量产生影响。信号质量的改变，也将进一步影响信号的可捕获性和可跟踪性。1.1 输出信号质量评估 如图 1 所示为测试场景，在微波暗室内模拟发射卫星导航静态定位模拟信号，分别在微波暗室内接入标准天线和待测天线，利用标准天线确定发射模拟信号是否满足测试要求。利用中频信号采集设备采集待测天线输出信号，并转换为中频数据，然后利用软件接收机处理获取载噪比信息。图 1 抗干扰天线性能评估测试场景 1.2 可捕获性评估 按照 1.1 节测试场景，软件接收机设置不同的积分时长，模拟强信号、中等信号和弱信号环境条件，测试抗干扰天线输出信号在不同积分时长条件下的捕获情况。当捕获K颗卫星时，定义评估参数捕获峰值显著度 max()mean()YYKjjjR=1（1）式中：Yj为捕获到第j颗卫星的捕获相关值矩阵（由事后软件接收机计算获取）；max()Yj代表第j颗卫星捕获相关值矩阵Yj中所有数值的最大值；mean()Yj代表第j颗卫星捕获相关值矩阵Yj中所有数值的平均值。1.3 可跟踪性评估 按照 1.1 节测试场景，利用软件接收机观察信号跟踪过程I、Q支路解调情况。当有N颗卫星实现了载波同步和位同步，则定义评估参数 I、Q 支路可区分程度T为 NMjjijITNMQ=1111（2）第 3 期 武智佳，等.基于软件接收机的卫星导航抗干扰天线性能评估方法 65 式中：jI、jQ分别为I、Q支路的单次积分数值；N为已经实现载波同步和位同步的卫星个数；M为用于评估的积分次数。2 抗干扰天线性能评估实验与分析 本文实验评估使用的工具包含中频数据采集器、中频数据回放软件、实时捕获分析软件和事后软件接收机。中频数据采集器用于接收天线输出信号，并存储处理后的中频数据。中频数据回放软件可回放采集的中频数据，输出信号载噪比情况。实时捕获分析软件可设置不同积分时长，实时评估卫星导航信号捕获情况。事后软件接收机可回放中频数据，显示信号捕获和跟踪过程。2.1 输出信号质量评估实验 利用中频数据回放软件统计载噪比情况，同时为验证评估方法的普适性，实验以某普通导航型终端接收天线为参考，并引入测量型终端接收天线和多阵元抗干扰天线进行测试与评估。实验使用天线如图 2 所示。图 2 实验天线实物图 实验设计以无干扰状态下多阵元抗干扰天线、测量型终端接收天线、导航型终端接收天线和有微弱干扰条件下的四阵元抗干扰天线为测试对象。考虑到多阵元抗干扰天线对干扰信号抑制后，可能提升信号输出信干噪比（signal to interference plus noise ratio,SINR），因此将有微弱干扰条件下的多阵元抗干扰天线作为测试对象参与比较。利用卫星导航信号模拟器发射美国全球定位系统（global positioning system，GPS）导航模拟信号，模拟卫星编号为4，8，9，14，15，25，19，20，模拟频点为 L1。微弱干扰条件下，将干扰信号功率调整至到达天线口面干信比为 49 dB、干扰中心频率为 1 575.42 MHz、干扰样式为正交相移键控（quadrature phase shift keying，QPSK）。通过采集中频数据，然后利用中频数据回放软件观察信号质量，得到不同天线采集中频数据的载噪比情况如图 3 所示。图 3 不同天线输出信号质量 由图 3 可以看出，无干扰时多阵元抗干扰天线接收信号载噪比约为 36 dBHz，导航型终端接收天线接收信号载噪比约为 46 dBHz，测量型终端接收天线接收信号载噪比约为 45 dBHz，有微弱干扰时，多阵元抗干扰天线接收信号载噪比约为41 dBHz。即无干扰状态时，导航型天线输出信号质量最好，多阵元抗干扰天线输出信号质量最差。有微弱干扰时，多阵元抗干扰天线输出信号质量会提高，说明多阵元抗干扰天线自适应处理算法增强了卫星导航信号，削弱了噪声信号和干扰信号，提升了输出 SINR。2.2 可捕获性评估实验 利用实时捕获分析软件，快速评估不同积分时长条件下导航天线输出信号的可捕获性。利用事后软件接收机回放中频数据，观察相关峰出现情况并评估峰值显著度。2.2.1 不同积分时长捕获能力快速评估 导航型终端接收天线和测量型终端接收天线在无干扰状态条件下，设置不同积分时长时的捕获结果如图 4 所示。图中 PRN 表示伪随机噪声识别码（pseudo random noise code，PRN）编号。由图 4 可以看出：积分 2、5 ms 执行捕获时，2 种天线输出信号的可捕获性基本相同；而在积分10ms 执行捕获时，测量型终端接收天线明显弱于导航型终端接收天线，说明强信号条件下导航型终端天线性能优于测量型终端接收天线。进一步分析无干扰状态下和微弱干扰条件下多阵元抗干扰天线输出信号可捕获性，实验结果如图 5 所示。66 导航定位学报 2023 年 6 月 图 4 导航型、测量型天线不同积分时长捕获情况 图 5 多阵元抗干扰天线不同积分时长捕获情况 由图 5 可以看出，微弱干扰条件下多阵元抗干扰天线输出信号的可捕获性明显优于无干扰状态。且无干扰状态时，积分 5 ms 执行捕获时，20 号星无法被捕获；积分 2 ms 执行捕获时，15、19、20 号星无法被捕获。2.2.2 峰值显著度评估 利用事后软件接收机回放中频数据得到不同天线输出信号的捕获相关峰情况，其中 9、19 号星捕获情况如图 6 所示。图 6 中 4 种天线对应 9、19 号星捕获相关峰数值分别为：导航型天线无干扰状态为 18.8104、20.6104；测量型天线无干扰状态为 12.9104、13.0104；多阵元抗干扰天线无干扰状态为 9.5104、8.7104；多 阵 元 抗 干 扰 天 线 微 弱 干 扰 状 态 为16.3104、12.4104。由实验结果分析可知，相关峰的高度与天线输出信号的可捕获性呈正相关。导航型终端接收天线、测量型终端接收天线、无干扰状态多阵元抗干扰天线、微弱干扰条件多阵元抗干扰天线输出信号对应所捕获卫星峰值显著度分 第 3 期 武智佳，等.基于软件接收机的卫星导航抗干扰天线性能评估方法 67 图 6 对不同天线输出信号执行捕获的情况 别为 14.5、13.0、5.7、8.1。2.3 可跟踪性评估实验 利用中频信号采集设备分别采集各天线中频数据，并通过事后软件接收机回放中频数据，观察信号跟踪过程I、Q支路积分情况（本软件接收机中I支路输出导航电文），载波同步和位同步后，取 200 次的积分结果求取I、Q支路的可区分程度T。分析 2.1 节采集的中频数据，通过事后软件接收机回放得到信号的跟踪解调情况如图 7 所示。图 7 不同天线输出信号执行跟踪时解调情况 68 导航定位学报 2023 年 6 月 由图 7 可以看出，多阵元抗干扰天线（无干扰）的I、Q支路信号距离较近且抖动较大，该种条件下带来的跟踪误差、误码率较大。对比导航型天线，其I、Q支路输出差异较大，导航电文可解调性强，误码率低，信号跟踪误差小，测量型终端接收天线和微弱干扰的多阵元抗干扰天线输出信号可跟踪性次之，得到 4 种天线的T值分别为 12.1、8.9、3.5、5.9。3 抗干扰天线干扰信号抑制特性分析 多阵元抗干扰天线对干扰信号的抑制能力与天线的硬件特性及自适应调零算法性能相关，其对不同功率干扰信号的抑制特性，对卫星导航终端在复杂电磁环境下的工作性能具有一定的影响。针对该特性设计评估方法，并进行实验分析。在微波暗室内模拟发射一定数量的卫星导航静态定位模拟信号，微波暗室内接入标准天线和待测天线，利用标准天线确定发射模拟信号数据是否满足测试要求。测试时先测试出微弱干扰条件下可达到的最大载噪比，然后以该值减少 2 dB 功率为基准，逐步增强干扰功率直至接收机不定位，利用中频信号采集设备分别采集中频数据，事后通过软件接收机回放得到信号输出质量、可捕获性和可跟踪特性。实验以北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）B3/GPS L1 双四阵元抗干扰天线为测试对象；利用 2 MHz 带宽的 QPSK 调制干扰信号构建干扰信号环境，利用卫星导航信号模拟器模拟发射 GPS L1 信号，利用实时软件接收机采集中频数据，利用中频数据回放软件观察数据采集质量，利用软件接收机回放数据观察信号捕获和跟踪情况。3.1 信号输出质量分析 按照实验方案，利用中频数据回放软件回放 数据 得到不 同干 扰功率 条件 下多阵 元抗干扰天线输出信号质量变化情况，实验结果如图 8所示。由图 8 可以看出，相比于无干扰状态，存在微弱干扰时将提高多阵元抗干扰天线的输出信号质量，且只有在接近接收机跟踪门限时，载噪比下降速度较快，说明卫星导航多阵元抗干扰 天线 接近跟 踪门 限前都 能很 好地抑 制干扰信号。图 8 多阵元抗干扰天线输出载噪比情况 3.2 信号可捕获性和可跟踪性分析 按照实验方案，利用事后软件接收机回放中频数据，得到不同干扰功率条件下多阵元抗干扰天线输出信号的峰值显著度R，I、Q支路可区分程度T，实验结果如图 9 所示。图 9 多阵元抗干扰天线输出信号捕获和跟踪特性 由图 9 可以看出，相比于无干扰状态，在一定干扰功率范围内，干扰信号的存在将提升多阵元抗干扰天线输出信号的可捕获性和可跟踪性。超过该功率值后，随着干扰功率的升高，捕获相关峰显著程度下降，I、Q支路可区分程度越来越差，误码率上升。4 结束语 本文基于卫星导航软件接收机提出了一种多阵元抗干扰天线性能测试与评估方法，并设计测试场景进行了实验分析与验证。测试以导航型终端接收天线为标准，通过对比分析的方式，测试评估了测量型天线、抗干扰天线输出信号质量、可捕获性和可跟踪性；为掌握抗干扰天线对干扰信号 第 3 期 武智佳，等.基于软件接收机的卫星导航抗干扰天线性能评估方法 69 抑制特性，实验评估了不同干扰功率条件下的抗干扰天线输出信号质量、可捕获性和可跟踪性的特性曲线。通过本文的研究，可为设计调整卫星导航接收机的捕获、跟踪参数及方法策略，以及提升与抗干扰天线的适配性提供思路，为抗干扰天线设计、性能评估等提供参考。参考文献 1 ISSAM S M,ADNANE A,MADIABDESSALAM A I T.Anti-jamming techniques for aviation GNSS-based navigation systems:SurveyC/The Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE).2020 IEEE 2nd International Conference on Electronics,Control,Optimization and Computer Science(ICECOCS).Kenitra,Morocco:IEEE,2020:1-4.2 刘富,舒展,谢维华.卫星导航对抗能力现状及发展趋势J.导航定位学报,2020,8(6):1-5,13.3 武成锋,彭元,何子君,等.卫星导航干扰与抗干扰技术综述J.导航定位与授时,2014,1(2):5.4 韩其位.GNSS 天线阵抗干扰接收机性能评估与优化技术研究D.长沙:国防科学技术大学,2015.5 聂俊伟.GNSS 天线阵抗干扰算法及性能评估技术研究D.长沙:国防科学技术大学,2012.6 肖砷宇.北斗抗干扰卫星导航天线系统的设计实现D.西安:西安电子科技大学,2018.7 GAO Y,YAO Z,LU M.Design and 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