通用导航接收机的脉冲干扰评估方法
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【摘 要】由于卫星导航信号本身的特点，其到达地面的信号功率非常小，导航接收机极易受到同频段脉冲信号的干扰。为了实现对导航接收机的有效保护，需要准确评估脉冲信号的干扰效果，制定合理的接收机保护门限。分析了脉冲信号对通用导航接收机的干扰机理，提供了通用导航接收机保护门限的分析方法，利用导航软件，接收机通过蒙特卡洛仿真得到了基于等效信噪比的保护门限参考值，完成了实物测试验证。
1 引言
卫星导航定位系统所处的L频段具有技术成熟、性价比高等优势，该频段内的应用除卫星无线电导航业务外，还有卫星地球探测、通信等其他业务。故卫星导航系统不可避免地会受到各种无线电设备的干扰，其中，脉冲形式的信号对北斗导航信号的干扰是影响卫星导航正常运行的一大问题，脉冲信号会对导航接收机产生有害干扰，甚至会导致其无法正常工作[1-2]。
现如今各种无线设备应用越来越广泛，电磁环境变得愈加复杂，脉冲干扰随时有可能出现在复杂电磁环境下的具体应用场景中，机场的航空无线电测距设备（TACAN（Tactical Air Navigation，战术空中导航系统），DME（Distance Measuring Equipment，测距仪），ILS（Instrument Landing System，仪表着落系统）等）、某些微波接力机、地球探测卫星等，都可能成为潜在的脉冲干扰源[3]。卫星导航系统的信号到达地面时信噪比很低，极易受到电磁信号的影响和干扰，所以迫切需要采取有效的频谱管理手段来减少卫星导航系统因遭受脉冲干扰而运行中断的情况。
要实现对卫星导航频谱资源的有效保护，首先要对导航接收机受干扰的程度进行科学的分析。国外针对此问题进行了大量的研究工作，目前用来评估卫星导航接收机干扰效果的参数有很多种。《Understanding GPS： principles and applications》中阐述了采用锁相环偏差度数来进行评估的方法[4]；《高动态GNSS软件接收机载波跟踪算法研究》一文中直接采用失锁概率为10%时的载噪比作为正常工作门限[5]；在部分专利中还有同时利用PLL（Phase Locked Loop，锁相环）和DLL（Delay Locked Loop，延迟锁相环）来制定正常工作门限的情况，但并未给出定量的表示；还有学者主张利用信号能量大小来评估正常工作的门限（未给出定量表示）。在日益复杂的电磁环境下，需要对干扰效果进行准确评估，以制定相应的保护措施保障导航接收机的正常工作。特别是对于脉冲形式的干扰，其对接收机的干扰效果明显，干扰机理较复杂，需要进一步深入研究。因此，本文主要研究脉冲干扰对卫星导航接收机的干扰评估方法，建立合理的干扰评估模型，并通过建立软件接收机进行仿真分析得到脉冲干扰下导航接收机正常工作的参考门限值，最后验证了结论的正确性。
2 脉冲信号对导航接收机的干扰机理
一般来说可将脉冲信号看作为一个宽带信号，实际的脉冲信号对导航接收机的干扰效果既与脉冲信号的带宽、功率大小有关，也与脉冲信号持续时间、重复周期等因素有关。脉冲信号对导航接收机的干扰表现在导航电文的接收误码率性能，以及导航接收机捕获或跟踪的性能上。
接收机的跟踪误差与信噪比具有直接关系。跟踪环路包括载波跟踪环和码跟踪环，是卫星导航接收机进行导航定位的关键环节。通过对载波频率、相位以及测距码相位变化进行跟踪，从而为导航解算模块完成定位功能提供伪距、伪距率和导航电文信息。在复杂电磁环境中，如果导航定位信号的载噪比过低，则跟踪环的测量误差将会增大，进而引起跟踪环路失锁，导致接收机不能正常工作。在载波跟踪环与码跟踪环中，载波跟踪环是受干扰影响最大的薄弱环节。导航接收机的抗干扰性能主要取决于载波跟踪环的性能。
GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）接收机中的载波跟踪环通常采用科斯塔斯环，科斯塔斯环的测量误差主要来自于两个方面。一是相位颤动，即为每个不相关的相位误差源平方和的平方根，包括热噪声（含外界干扰）和振荡器噪声引起的误差；另一方面是由环路所处的动态环境引起的动态应力误差。科斯塔斯环保持跟踪状态的经验判别方法为：测量误差的相位颤动不能超过科斯塔斯环鉴相器相位牵引范围的1/4，对于二象限反正切鉴相器，其相位恳范围是180°[6-8]。
在热噪声背景下，跟踪环路的相位抖动方差（σtPLL）与跟踪环路相关器后输出的载噪比的关系如公式（1）所示：
（1）
公式（1）中，BL是载波环等效噪声带宽；C/N0是载波功率与噪声功率谱密度比；TL为载波环的预检测积分时间。
由公式（1）可见，相位方差为载噪比的单调函数，对于常采用的载波跟踪环电路（如科斯塔斯环），载噪比C/N0与载波相位误差有一一对应的关系，因此，等效载噪比可以有效地描述干扰对信号的影响效果。
3 脉冲干扰评估模型
脉冲干扰的效果与脉冲强度、宽度、重复频率（脉冲宽度和重复频率可以合并为脉冲占空比），以及接收机的重捕获时间有关。国际电联提出了导航接收机对脉冲干扰的兼容性评估模型。这些模型主要在ITU-R-M.2030标准建议文件中进行了定义，以有效噪声功率谱密度的方式，对脉冲干扰信号的干扰水平提出了估计方法。
干扰评估模型不仅要考虑干扰信号的形式，还要考虑接收机抗干扰措施的影响。对于一般的无意脉冲干扰信号，导航接收机的主要手段是使用脉冲消隐器并进行饱和处理。国内常见的导航接收机多为饱和型，接收机在中频前端设定固定的饱和门限，当检测到功率大于饱和门限的时候采取将信号削波的方式来对信号进行处理。图1给出了一个饱和接收机工作原理的时域图：
由图1可见，当检测到对应的信号电平高于饱和门限的时候，将其置为最大饱和电平处理，消除掉了超出饱和门限的干扰信号，但是依然保留了低于饱和门限的大部分干扰信号。对于该类GNSS接收机，其相关器后的有效噪声干扰谱密度N0，EFF可以定义为：
（2）
公式（2）中，N0是接收机热噪声谱密度；PDCLIM为无单位的小数，表示超出饱和门限的所有脉冲的净集总占空比；NLIM表示ADC量程与噪声电平值的相对大小；I0，WB为针对特定RNSS接收机应用的总宽带等效射频干扰RFI功率谱密度，单位为W/Hz；RI为低于饱和门限的相关器后集总脉冲干扰与接收机热噪声功率比[9]。
对于具体的实际接收机，饱和门限和NLIM是确定的，在已知脉冲干扰的概率、占空比和重推德适笨梢院苋菀椎氐玫焦式（2）中PDCLIM和RI。利用公式得到有效噪声干扰谱密度N0，EFF，进而可得到该脉冲引起的等效载噪比恶化值，实现了对脉冲干扰效果的量化与评估。
4 基于等效信噪比的接收机门限值的确定
导航接收机的抗干扰性能主要取决于载波跟踪环的性能，锁相环的相位偏差状态直接反应接收机的工作状态，当误差在某一个值时接收机将很容易失锁或者测距误差过大，该值的确定与接收机的具体工程实现方法有关。对于一般的通用导航接收机，在脉冲干扰环境下，当锁相环相位偏差的标准差大于7°时接收机很容易失锁，可视为不能正常工作。但在实际的干扰评估场景中，锁相环相位差的标准差不易获得，而且一般使用等效载噪谱密度比作为脉冲信号对导航接收干扰效果的评估指标，所以为了准确判断导航接收机的工作状态，需要确定以等效载噪谱密度为评估指标时导航接收机正常工作的门限值。
为了真实反映脉冲干扰对实际接收机的干扰过程，通过建立卫星导航软件接收机，对PLL跟踪误差的标准差与等效载噪比的对应关系进行仿真。其中干扰信号为射频脉冲干扰信号，参数如表1所示：
矩形脉冲干扰信号波形如图2所示。
在Matlab中建立软件接收机进行蒙特卡洛仿真，统计得到干扰信号C/N0（等效干信比）与锁相环跟踪误差的标准差的对应关系如图3所示。
通过上面的仿真可知，当PLL标准差在7°时，所对应的等效信噪比接近于理论的计算值39.5 dB・Hz，所以在脉冲干扰的影响下，将锁相环跟踪误差的标准差大于7°的情况视为接收机不能正常工作，则对应的等效信噪比判定门限为39.5 dB・Hz。对于特定的接收机，为了提高判定精度，可以根据需要确定PLL标准差值，并用同样的方法得到相应的等效信噪比。该结论结合脉冲干扰评估模型及公式（1）和（2），即可评估具体应用场景下某脉冲干扰是否会影响导航接收机的正常工作状态。
最后，搭建实物测试环境，对真实北斗接收机受脉冲干扰的情况进行测试，验证由软件接收机得到的结论。通过控制仿真的条件，如干扰的占空比、干扰的峰值功率、干扰的重复频率等获得载噪比的变化，多次测量得到统计结果如图4所示。
图4为实物测试结果，其中接收机采用北斗多模接收机，脉冲信号由Agilent的E4438C矢量信号源产生。在测试中，当等效信噪比在39 dB・Hz附近时，接收机出现闪锁现象，在误差范围内与文中评估模型和软件接收机得到的结论相符。
5 结束语
本文从脉冲干扰对卫星导航接收机的干扰机理入手，研究干扰评估模型和门限指标，得到接收机在脉冲干扰下工作状态的评估方法，利用导航软件接收机通过蒙特卡洛仿真得到基于等效载噪比的保护门限参考值，并对其进行了测试验证。根据实验结果可知，该评估模型可有效评估脉冲信号的干扰效果，为实现对导航接收机的有效保护提供了技术参考。
参考文献：
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