殷贊,張發(fā)祥,甄衛(wèi)民,袁亞平

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

GNSS干擾監(jiān)測定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

殷贊,張發(fā)祥,甄衛(wèi)民,袁亞平

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

為了GNSS的干擾檢測與減緩,需研制便于工程化應(yīng)用的GNSS干擾監(jiān)測定位系統(tǒng)。本文論述了一種相關(guān)干涉儀測向定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法,詳細(xì)論述了設(shè)計中采用的關(guān)鍵技術(shù),系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)測試方法及測試結(jié)果。經(jīng)測試驗證該系統(tǒng)具有優(yōu)良的指標(biāo)性能,并且由于硬件實現(xiàn)成本適宜,因而在衛(wèi)星導(dǎo)航干擾檢測與緩解領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);干擾檢測和緩解;測向定位;相關(guān)干涉儀

0 引 言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用在軍、民等領(lǐng)域越來越廣泛。但是,GNSS系統(tǒng)面臨著有意和無意的各種干擾,這些干擾影響了導(dǎo)航系統(tǒng)地面段的測控、運控和用戶的正常運行,對衛(wèi)星導(dǎo)航的精度、可用性、連續(xù)性和完整性都造成了嚴(yán)重的威脅[1]。

為了保護GPS,美國總統(tǒng)于2007年8月20日簽署通過了“定位、導(dǎo)航、授時干擾檢測和緩解計劃(IDM)。為了保護GNSS,聯(lián)合國下屬全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)國際委員會(ICG)將IDM作為重要議題,我國積極參與[2-3],中國電波傳播研究所甄衛(wèi)民擔(dān)任IDM任務(wù)組聯(lián)合主席。

為了GNSS的干擾檢測與緩解,需研制便于工程化應(yīng)用的GNSS干擾監(jiān)測定位設(shè)備, 本文論述的GNSS 干擾監(jiān)測定位系統(tǒng)采用基于頻譜的干擾檢測技術(shù)與基于比相的測向定位技術(shù)。

基于頻譜監(jiān)測的干擾檢測技術(shù)是根據(jù)干擾信號在頻域上呈現(xiàn)的特性計算干擾信號的功率和頻率，以接收信號的統(tǒng)計特性和實際應(yīng)用場合確定合適的干擾監(jiān)測門限,當(dāng)某譜線大于干擾檢測門限時,則判定為干擾信號頻譜。

基于比相的測向定位技術(shù)包括相位干涉儀和相關(guān)干涉儀測向，相關(guān)干涉儀測向不同于干涉儀傳統(tǒng)解模糊方法[4],用相關(guān)來解決相位模糊問題,從而突破了傳統(tǒng)干涉儀測向法天線最小孔徑必須小于1/2波長的限制。相關(guān)技術(shù)和大孔徑天線陣的引入,使相關(guān)干涉儀測向法在干涉儀的基礎(chǔ)上拓展了頻段范圍,提高了測向精度、測向靈敏度和抗干擾能力[5],因此本文測向方法選取相關(guān)干涉儀測向。

1 系統(tǒng)原理和工程化實現(xiàn)分析

本系統(tǒng)測向采用相關(guān)干涉儀測向原理,該原理描述為：遠(yuǎn)場信號在入射到天線陣列時,由于天線陣列中天線元所處的位置不同,陣元間會有一定的距離差,這個陣元間的距離差就會產(chǎn)生不同的相位差。假設(shè)來波信號頻率不變,入射天線陣列的方位不變,則來波在兩個天線元間產(chǎn)生的相位差就不變。利用這個特性,首先收集相應(yīng)頻率點在360°方位上產(chǎn)生的相位差組合作為樣本庫，測向時收集到的相位差組合與樣本庫中的360°樣本進行比對,相關(guān)性最好的那個方位就是來波方位。

相關(guān)干涉儀根據(jù)接收機通道數(shù)分為單通道、雙通道和多通道。單通道體積功耗最小,但測向速度太慢,由于寬帶移相器的引入使測向精度受到一定影響,多通道測向速度快,但通道數(shù)增多使體積功耗和成本增加,工程化應(yīng)用中一般選取雙通道系統(tǒng)。

相關(guān)干涉儀測向工作流程圖如圖1所示,天線陣接收無線電波信號,天線開關(guān)矩陣分時選取兩陣元作為輸出信號,雙通道射頻模塊將兩路射頻信號下變頻到中頻信號,數(shù)據(jù)采集和數(shù)字正交下變頻模塊將兩路中頻信號變換為數(shù)字中頻信號和數(shù)字基帶IQ數(shù)據(jù),監(jiān)測測向模塊完成干擾信號的監(jiān)測和測向,干擾監(jiān)測測向顯控模塊完成顯控功能。以下對主要模塊實現(xiàn)原理進行論述。

圖1 相關(guān)干涉儀測向工作流程框圖

1.1 天線模塊

綜合考慮天線尺寸、重量和測向精度等,天線模塊選取九陣元圓形天線陣,如圖2所示。信號到達(dá)i陣元相對于圓心之間的波程差:

di=Rcos(θi-θ).

(1)

圖2 天線模塊示意圖

則信號到達(dá)第i個陣元相對于圓心的時延:

τi=di/C=Rcos(θi-θ)/C.

(2)

天線陣列的導(dǎo)向矢量[6]為

A=[e-jw0τ1,e-jw0τ2,…e-jw0τ9],

(3)

其中:R為天線陣半徑；ω0為信號角頻率；θ為來波入射方向;θi代表第i個陣元與水平方向之間的夾角。天線輸出信號矢量模型為

X(t)=AS(t)+N(t),

(4)

式中:A為天線陣導(dǎo)向矢量;S(t)為窄帶遠(yuǎn)場空間信號;N(t)為噪聲數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集及數(shù)字下變頻模塊

如圖3所示，數(shù)據(jù)采集及數(shù)字下變頻采用共時鐘的兩個ADC對射頻模塊輸出的中心頻率為75 MHz,最大帶寬是20 MHz的信號模擬中頻信號進行數(shù)字化采樣及下變頻處理,由于數(shù)據(jù)具有很高的速率,只有通過抽取器使速率降低,并通過增益調(diào)整和補償濾波器調(diào)整等信號調(diào)理后才便于后續(xù)信號處理。

圖3 數(shù)據(jù)采集及下變頻模塊原理框圖

根據(jù)帶通采樣定理[7],采樣頻率選擇為100 MSPS,數(shù)字正交下變頻[7]是將數(shù)字化后的信號與NCO輸出的正余弦信號進行混頻后形成正交的IQ兩路信號,設(shè)數(shù)字化后中頻信號為

s(n)=Acos(2πf0nts+φ0).

(5)

離散本振信號為

siLO(n)=cos(2πf0nts).

(6)

sqLO(n)=sin(2πf0nts).

(7)

中頻信號與本振信號作IQ正交處理并通過低通濾波器后,得到兩路正交信號:

I(n)=0.5Acosφ0,

Q(n)=-0.5Asinφ0.

(8)

1.3 監(jiān)測測向模塊

如圖4所示,監(jiān)測測向模塊包括頻譜分析模塊和測向模塊,測向模塊包括相位差計算、方向粗估計、二次插值和真北校準(zhǔn)等。相位差計算模塊通過計算兩路IQ數(shù)據(jù)得到兩陣元之間相位差;使用各基線對應(yīng)的相位差數(shù)據(jù)與事先存儲的樣本相位差通過方向粗估計模塊進行相似度計算,找出來波信號的入射方位角粗略值;二次插值模塊對相關(guān)系數(shù)進行二次插值,得到較為精確的信號入射方位角;真北校準(zhǔn)模塊利用電子羅盤測得的磁北方向和磁偏角數(shù)據(jù)庫對測得的方位角校正為真北角度。

圖4 監(jiān)測測向模塊原理框圖

1.3.1 相位差計算

根據(jù)1.1節(jié)所述,圓陣天線陣元i相對于圓心的相位差為

Δφi=2π×di/λ=2πRcos(θi-θ)/λ.

(9)

求得天線端相位差Δφi便能求得來波信號方向角θ,通過中頻輸出端測得的兩通道間相位差,不是天線陣元感應(yīng)電動勢的真實相位差φi,j,它們之間存在由兩路接收通道的電子元器件參數(shù)公差和其他因素引起的未知公共相移φ0,故中頻端測得的相位差稱之為偽相位差

φpi,j=φi,j+φ0.

(10)

1) 接收機通道間相位差(偽相位差)

對于已經(jīng)做完IQ 正交變換及抽取的零中頻信號而言,求解中頻輸出端初相的方法很多,最基本的方法是利用IQ 正交求取相位,方法為

φ0=arctan[-Q(n)/I(n)].

(11)

但是對于低信噪比的情況下,該方法精度較差。由于FFT法能夠有效抑制高斯白噪聲,所以對于信噪比較低時,可以采用基于FFT法求取相位的方法。

對于輸入信號s1(n),s2(n)分別進行FFT變換表示為

s2(k)=s2I(k)+j*s2Q(k).

(12)

求出各個通道信號的初相位以后,兩個通道之間相位差可以表示為

(13)

式中,k0對應(yīng)頻譜能量最大譜線.

2)天線陣元感應(yīng)電動勢相位差

雙通道相關(guān)干涉儀圍繞如何從測得的偽相位差中消除φ0得到真實相位差,方法有兩種,一種是增加校準(zhǔn)信號源測出,但是增加了硬件成本。本文采用不增加硬件但是犧牲一組基線去得到真實相位差的折中方法,原理為

已測得偽相位差φpi,k和φpj,k,則兩者相減可得真實相位差φi,j=φpi,k-φpj,k.

這樣做還消除了天線與接收機之間線纜對測向樣本數(shù)據(jù)庫的影響,避免了更換線纜就要重新采樣的弊端。

1.3.2 方向粗估計

在工業(yè)制造業(yè)中，自動化的程度越高，那么生產(chǎn)設(shè)計的智能化也會逐步增加，在現(xiàn)階段機械設(shè)計制造環(huán)境中倡導(dǎo)自動化發(fā)展，那么智能化也必將成為重要發(fā)展趨勢，在很多實踐活動中就有所體現(xiàn)。譬如在機床設(shè)計上，盡管我國的機床設(shè)計總量很大，但是真正的高級機床大部分依賴進口，如果未來機械設(shè)計制造的自動化程度攀升，智能化程度也會增加，那么高級機床的設(shè)計也會得到發(fā)展。

如果對于某一實際目標(biāo)信號,某一方位上測得的相位差矩陣為

N=[φ1,2,φ1,3,φ1,4,φ1,5,φ1,6,φ1,7,φ1,8,φ1,9].

(14)

方向粗估計方法一般采用相關(guān)系數(shù)法和余弦函數(shù)法[8]。

相關(guān)系數(shù)法將實際測得的相位差矩陣N與相位差樣本M逐一進行相關(guān)處理,計算出72個相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的方位角即為來波方向。相關(guān)系數(shù)計算采用基于夾角余弦的計算方法,公式為

(15)

j=0,1,…,71,

使R取最大值的那一組相位樣本測量結(jié)果所對應(yīng)的方位值,就是目標(biāo)信號方位值的估計值。

余弦函數(shù)法不直接使用實測相位差與樣本相位差之間的差作相關(guān)處理,而是用差值的余弦作相關(guān)運算

(16)

當(dāng)信噪比較低時,相關(guān)系數(shù)法存在相位跳變模糊問題,所以在工程化實現(xiàn)中本文采用余弦函數(shù)法。

1.3.3 二次插值

由于原始相位差樣本所對應(yīng)的方位角數(shù)目有限,因此如果目標(biāo)的實際方位在有限個方位值的兩個值之間時,則可用曲線擬合法進行插值運算,以求得準(zhǔn)確的方位角。

圖5示出曲線擬合法的原理,方位基準(zhǔn)點θL,θM,θH是等間距的θM對應(yīng)于相關(guān)函數(shù)的最大值RM，θL和θH是在θM兩邊最鄰近的基準(zhǔn)點,與它們相對應(yīng)的相關(guān)函數(shù)值分別為RL,RH.只要RL,RM,RH不共線,則這三個點可以確定一個拋物線,這個拋物線對稱于通過其峰值的垂線。

圖5 曲線擬合原理圖

由圖5可以得到下列參量：

(17)

(18)

方位角的修正項為

(19)

拋物線的頂點所對應(yīng)的方位角為

θP=θM+Δθ·QAZ,

(20)

式中： Δθ為方位基準(zhǔn)點之間的間隔;θM為相關(guān)函數(shù)最大值RM對應(yīng)的方位角。

顯然,如果拋物線的頂點與基準(zhǔn)點重合則基準(zhǔn)點本身就是被測信號的方位角的真實值,若拋物線的頂點位于兩個基準(zhǔn)點之間,由上式確定的θP就是被測信號方位角。

1.3.4 真北校準(zhǔn)

由于測向設(shè)備測出的方位角是相對值,為了在地圖中直觀的顯示,需進行真北校準(zhǔn)。

真北校準(zhǔn)分為兩步,第一步：根據(jù)電子羅盤測得的真北方向修正測向設(shè)備測出的方位角,第二步：由于磁北與真北之間存在一個夾角,此夾角隨著時間,地理經(jīng)緯度和高度變化,采用磁偏角模型進行修正。推薦使用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的世界磁偏角計算模型或其他經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2 干擾監(jiān)測定位系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)能實時檢測GNSS導(dǎo)航頻段,對干擾信號進行頻譜分析和參數(shù)測量,可測量干擾源來波方向,根據(jù)測向結(jié)果對干擾源進行交匯定位。單臺設(shè)備時,移動設(shè)備分時多點定位結(jié)果進行交叉定位;多臺設(shè)備時,多臺設(shè)備同時測向并實現(xiàn)交叉定位。

干擾監(jiān)測定位系統(tǒng)包括天線、主機,顯控終端(含軟件)和數(shù)據(jù)通信終端等,如圖6所示,監(jiān)測測向天線完成接收空間電磁波信號,導(dǎo)航衛(wèi)星天線和導(dǎo)航授時模塊完成本地站點定位和授時功能;監(jiān)測測向主機接收天線的信號,完成干擾信號的監(jiān)測測向功能;監(jiān)測定位軟件實現(xiàn)對監(jiān)測測向設(shè)備的通信與控制,并將監(jiān)測測向定位結(jié)果顯示在顯控終端上;數(shù)據(jù)通信終端可將監(jiān)測結(jié)果上傳中心。

圖6 干擾監(jiān)測定位系統(tǒng)組成框圖

2.1 監(jiān)測測向天線

監(jiān)測測向天線包括天線陣元、電子羅盤和射頻開關(guān),均安裝于天線罩內(nèi),實現(xiàn)監(jiān)測測向天線一體化設(shè)計。天線陣元接收空間中的電磁信號,電子羅盤提供磁北方向,開關(guān)矩陣選擇兩個天線陣元接到兩路輸出通道上。

天線陣采用9陣元按同心圓均勻布陣,封裝于同一玻璃鋼罩內(nèi),所有陣元均相同,采用印制板偶極子天線。

在測向模式下,可選擇多個測向天線中的任意兩個天線信號作為輸出;在監(jiān)測模式下,可將監(jiān)測天線的信號作為輸出，如圖7所示。

圖7 天線陣組成框圖

2.2 監(jiān)測測向主機

主機采用雙通道模式,由2個監(jiān)測測向信道、頻率綜合器、中頻處理模塊、導(dǎo)航授時模塊和電源模塊等組成,如圖8所示。

圖8 監(jiān)測測向主機組成框圖

監(jiān)測測向信道接收天線輸出的兩路導(dǎo)航頻段無線電信號,以頻率綜合器產(chǎn)生的本振信號為基準(zhǔn),將感興趣的信號變換到中頻,在中頻處理模塊中完成中頻信號的采樣、提取基帶IQ數(shù)據(jù)、頻譜分析、相位差提取等工作。中頻處理板通過網(wǎng)絡(luò)與上位機應(yīng)用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、通過串口與導(dǎo)航授時模塊之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,通過SPI口控制監(jiān)測測向信道和頻率綜合器。

監(jiān)測測向信道包含了從天線輸入至中頻輸出的信號處理部分電路,模塊采用二級變頻模式,將射頻信號下變頻為中心頻率為75MHz的中頻信號,帶寬為寬帶20MHz和窄帶500kHz兩種可選。

中頻處理單元主要由濾波、A/D、DSP電路、FPGA電路和時鐘電路等部分組成,根據(jù)需要,時鐘可采用外部參考時鐘輸入或本地晶振產(chǎn)生兩種方式,如圖9所示。

圖9 中頻處理模塊硬件組成

中頻處理模塊將中頻信號帶通采樣后,送入FPGA芯片進行數(shù)字混頻、濾波、抽取,然后將FPGA處理后的數(shù)據(jù)送入DSP進行處理。DSP主要完成各種控制邏輯以及各種算法。

導(dǎo)航授時模塊可以接收導(dǎo)航衛(wèi)星定位授時信號,完成定位和授時功能。

2.3 應(yīng)用軟件

該軟件由導(dǎo)航頻段干擾頻譜監(jiān)測、干擾信號分析、干擾信號測向,干擾源定位、數(shù)據(jù)管理等功能模塊組成。

軟件流程圖如圖10所示,軟件初始化成功后,通過網(wǎng)口連接的測向設(shè)備,進入多頻道掃描,對干擾信號逐個測向,實時刷新顯示界面,還可以跳轉(zhuǎn)到對掃描到的干擾信號進行信號分析界面或定位界面。

圖10 應(yīng)用軟件流程圖

2.4 采樣校準(zhǔn)分系統(tǒng)

采樣校準(zhǔn)分系統(tǒng)是為了獲取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)而搭建,如圖11所示,該系統(tǒng)由監(jiān)測測向主機和天線(含升降桿和數(shù)控轉(zhuǎn)臺)、模擬信號源和發(fā)射天線、采集校準(zhǔn)軟件等組成。

采樣校準(zhǔn)分系統(tǒng)一般架設(shè)于空曠無遮擋、電磁環(huán)境好的標(biāo)準(zhǔn)場地,調(diào)整測向天線干擾發(fā)射天線高度使其四周無遮擋,放置干擾發(fā)射天線與測向天線距離使其滿足遠(yuǎn)場條件,調(diào)整發(fā)射天線與測向天線同高。

采樣流程如圖12所示,采樣軟件主要完成各基線樣本的提取,其流程與測向相同。采樣軟件通過界面可以設(shè)置同時采樣的多個頻段,設(shè)置完成后啟動采樣。采樣進程按照設(shè)置,逐個頻點進行樣本獲取,并存入文件。同時通過串口控制轉(zhuǎn)臺,通過網(wǎng)口控制信號源。

圖11 采樣校準(zhǔn)系統(tǒng)

圖12 采樣軟件流程圖

3 系統(tǒng)驗證及結(jié)果分析

3.1 測試場景

應(yīng)在開闊的測試場條件下進行,遠(yuǎn)離強輻射源,無再次輻射場;測試在滿足遠(yuǎn)場測試條件下進行,測試框圖如圖13所示。

圖13 外場測試框圖

3.2 測試方法

1) 測向精度測試

在工作頻段范圍內(nèi)隨機選取K個頻點,每個頻點測試時隨機轉(zhuǎn)動L次監(jiān)測測向天線,調(diào)整干擾源發(fā)射功率使到達(dá)接收機端信號功率高于底噪,并標(biāo)定來波信號真實方位為θ,記錄測量角度θi,j,統(tǒng)計測向精度,公式為

(21)

2) 測向靈敏度測試

在低中高頻段范圍內(nèi)隨機選取若干個測試頻點,減小干擾源發(fā)射功率直至測向精度超出測向精度要求(測向精度測量方法如上),記錄此時接收點處場強值。

3) 定位精度

兩套監(jiān)測測向天線間隔100m,干擾源發(fā)射天線與監(jiān)測測向天線之間R為1 000 m,交匯定位若干次,統(tǒng)計圓概率誤差(CEP)。

3.3 測試結(jié)果

1) 測向精度

按照3.2節(jié)中所述方法,選取K為12,L為6,統(tǒng)計72個測向結(jié)果的均方根值,測向精度為1.98度(含電子羅盤)。

2) 測向靈敏度

按照3.2中所述方法,在工作頻段低中高各隨機抽取頻點,結(jié)果記錄如表1所示。

表1 測向靈敏度記錄表

3) 定位精度

按照3.2節(jié)中所述方法,根據(jù)9次定位結(jié)果,計算得到CEP誤差為8.6%R.

4 結(jié)束語

本文論述的GNSS 干擾監(jiān)測定位系統(tǒng)具備良好的性能指標(biāo),能夠滿足GNSS干擾監(jiān)測領(lǐng)域的干擾源檢測與查找的需求,并且實現(xiàn)成本適宜,有利于工程化應(yīng)用推廣。

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Design and Realization of GNSS Interference Monitoring and Location System

YIN Zan, ZHANG Faxiang, ZHEN Weimin,YUAN Yaping

(ChinaResearchInstituteofRadio-wavePropagation,Qingdao266107,China)

For the normal operation of GNSS and its users, GNSS interference detection and Mitigation project is put forward in many countries. For the GNSS interference detection and Mitigation, it is essential to develop GNSS interference monitoring and location system suitable for engineering application. The design and realization of direction finding and location system based on correlation interferometer is proposed in this paper. The adoptive key techniques used in the design are discussed in detail, and the test methods and results are given in this paper. Because of its excellent performance and the low realization cost, the system has the broad application prospect in the field of satellite navigation interference detection and Mitigation.

GNSS; IDM; direction finding and location; correlation interferometer

2016-09-20

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.010

TN966

1008-9268(2016)06-0048-07

殷贊(1985-),男,工程師,主要從事電磁環(huán)境和衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測研究和設(shè)備研制。

張發(fā)祥(1973-),男,高級工程師,主要從事電磁環(huán)境和衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測應(yīng)用研究。

甄衛(wèi)民(1963-),男,研究員,主要從事空間環(huán)境、電磁環(huán)境和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究?，F(xiàn)任中GPS協(xié)會理事,中國空間學(xué)會空間物理專業(yè)委員會委員等。

袁亞平(1972-),男,高級工程師,主要從事電磁環(huán)境和衛(wèi)星應(yīng)用研究。

聯(lián)系人：殷贊 E-mail: 272054530@qq.com