馬文佳

(北京東方聯(lián)星科技有限公司，北京100085)

“OTrack-AJ”北斗抗干擾芯片應(yīng)用技術(shù)研究

馬文佳

(北京東方聯(lián)星科技有限公司，北京100085)

介紹了北京東方聯(lián)星科技有限公司自主研發(fā)的“OTrack-AJ”北斗抗干擾芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域以及國內(nèi)北斗抗干擾應(yīng)用發(fā)展趨勢，給出了基于該芯片的北斗抗干擾應(yīng)用方案，其在抗干擾、功耗、尺寸等關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

北斗導(dǎo)航；抗干擾；OTrack-AJ

0 引言

近年來，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的日益發(fā)展和完善，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機在航海、航空、航天、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。過去，飛機依賴地面無線設(shè)備導(dǎo)航，只能在固定航線上飛行，有了衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備后才能真正做到自由飛行。美國的GPS制導(dǎo)武器占整個精確制導(dǎo)武器的比例由海灣戰(zhàn)爭的10%急增至伊拉克戰(zhàn)爭的98%，采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS制導(dǎo)代替“慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/地形匹配”制導(dǎo)方式，并使“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈防區(qū)發(fā)射距離增加20%。在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得衛(wèi)星導(dǎo)航接收機在高動態(tài)、抗干擾等性能方面的要求越來越高。

隨著我國北斗系統(tǒng)的正式運行，北斗用戶終端電路的芯片化，為武器系統(tǒng)提供了高精度、低成本、低功耗、小體積的導(dǎo)航定位、測速、授時手段。但是，由于北斗衛(wèi)星信號頻率公開，調(diào)制方式公開，信號功率微弱，因此，制造北斗干擾機非常容易。理論計算和等效試驗表明，一臺5W干擾機，對普通北斗用戶終端的干擾半徑為150km，100kW干擾機對普通北斗用戶終端的作用距離超過3000km。在戰(zhàn)場環(huán)境下，敵方安裝100kW北斗干擾機并不困難，如果我方武器系統(tǒng)上的北斗用戶終端不具備相應(yīng)的抗干擾能力，當(dāng)存在干擾信號時，則無法利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)彈的導(dǎo)航定位。

因此研究抗干擾北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，提高北斗用戶終端抗壓制干擾的能力，使北斗系統(tǒng)在戰(zhàn)場環(huán)境下發(fā)揮其能力，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。本文介紹了國內(nèi)外抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢及主要技術(shù)原理，對各種常用抗干擾技術(shù)的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析，最后簡要介紹了“OTrack-AJ”專用抗干擾芯片架構(gòu)及其應(yīng)用案例。

1 抗干擾原理簡介

數(shù)字抗干擾處理技術(shù)是在原來模擬抗干擾技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字信號處理方法而形成的新技術(shù)。它最根本的就是用數(shù)字處理方法，將由于傳感器(天線)空間位置不同而使同一信號到達(dá)時產(chǎn)生的波程差，用于調(diào)節(jié)各個天線的幅度和相位，在干擾方向形成零陷。

圖1所示為2陣元天線陣列，兩個傳感器(天線)T1和T2的間距為所要接收衛(wèi)星信號s(t)的半波長，在波束形成和自適應(yīng)干擾抵消的應(yīng)用中，最優(yōu)陣元間距為λ/2。干擾信號n(t)=An·ejωt從某個入射角α進(jìn)入傳感器(天線)，由于T1和T2之間有半波長的距離，因此，干擾信號不能同時到達(dá)T1和T2，即存在波程差；那么，根據(jù)波的傳遞規(guī)律，兩個傳感器(天線)T1和T2接收到的干擾信號n(t)存在相應(yīng)的相位差Φ，即分別為An·ejωt和An·ej(ωt+Φ)。同樣，衛(wèi)星信號s(t)=As·ejwt從某個入射角β進(jìn)入天線，也由于T1和T2的位置間距，衛(wèi)星信號s(t)到達(dá)兩個傳感器(天線)T1和T2上時同樣存在相應(yīng)的相位差θ，即分別為As·ejωt和As·ej(ωt+θ)。顯然，此時T1和T2兩個傳感器(天線)接收到的信號分別為X1=As·ejωt+An·ejωt，X2=As·ej(ωt+θ)+An·ej(ωt+Φ)(各天線的熱噪聲忽略不計)。

圖1 自適應(yīng)調(diào)零處理流程Fig.1 Processing of adaptive nulling

以其中一個傳感器(天線)(例如T1)作為參考基準(zhǔn)，對另一傳感器(天線)T2的信號進(jìn)行相位補償調(diào)整，使兩個傳感器(天線)上的干擾信號具備同樣的波形和相位，即同幅同頻同相，再將兩信號相減或反向合路，干擾信號就會被消除。

2 “OTrack-AJ”抗干擾芯片的特點及功能

“OTrack-AJ”是北京東方聯(lián)星科技有限公司自主研發(fā)的用于衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾，支持多陣元天線、所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中頻抗干擾處理芯片。該芯片支持7陣元天線抗干擾系統(tǒng)和雙4陣元天線抗干擾系統(tǒng)在硬件上復(fù)用，具有抗多種干擾的能力，抗單個寬帶干擾干信比優(yōu)于95dB，抗多個寬帶干擾干信比優(yōu)于85dB。

(1)“OTrack-AJ”的特點

支持單模7陣元天線和雙模4陣元天線。

支持所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中頻抗干擾處理，包含BDSB1/B3/RDSS、GPSL1/L2、GlonassF1等中頻信號抗干擾處理。

具有抗各類干擾的能力，包含單載波、白噪聲、BPSK、脈沖、掃頻等干擾。

抗干擾性能：7陣元天線抗干擾系統(tǒng)最多能抗6個干擾，4陣元天線抗干擾系統(tǒng)最多能抗3個干擾。

工作電壓：支持1.8V或3.3V。

8路AD數(shù)據(jù)輸入，每一路16bit數(shù)據(jù)，支持最高80MHz的采樣頻率。

輸出2路8bit中頻數(shù)據(jù)，2路2bit或4bit基帶數(shù)據(jù)。

芯片采用CMOS工藝，QFN封裝，尺寸為14mm×14mm。

(2)“OTrack-AJ”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖2所示，“OTrack-AJ”由5個功能模塊組成，其中3個接口模塊，2個數(shù)據(jù)處理模塊。接口模塊包含8路AD接口、中頻輸出處理、芯片工作模式控制；處理模塊包含帶通濾波、抗干擾處理。其中芯片工作模式控制模塊包含一些芯片參數(shù)控制引腳、SPI-FLASH以及串口。各部分功能如下。

8路AD接口：用來對8路數(shù)據(jù)進(jìn)行時鐘同步。

帶通濾波：用來濾除數(shù)據(jù)帶外干擾，根據(jù)信號的頻帶濾除帶外信號。

抗干擾處理：是整個芯片的核心部分，主要完成干擾的去除。該模塊內(nèi)含一個空域濾波器，空域濾波技術(shù)是將多個陣元的天線陣進(jìn)行幅度和相位的調(diào)整，從而在天線方向圖中產(chǎn)生對著干擾方向的零點，以降低干擾源效果?？沼驗V波技術(shù)與單純的時域、頻域技術(shù)相比優(yōu)勢明顯，而且實現(xiàn)比較簡單，計算量小。

中頻輸出處理：用來對抗干擾輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，支持信號上變頻，也可直接輸出基帶信號。

芯片工作模式控制：包含SPI接口、AD配置接口、芯片參數(shù)控制引腳等。

圖2 OTrack-AJ芯片框圖Fig.2 Block diagram of“OTrack-AJ”chip

3 基于“OTrack-AJ”抗干擾系統(tǒng)設(shè)計

“OTrack-AJ”的一個典型應(yīng)用如圖3所示。抗干擾系統(tǒng)由射頻模塊，AD轉(zhuǎn)化、抗干擾處理芯片、DA轉(zhuǎn)換和上變頻電路三部分組成。

圖3 應(yīng)用解決方案框圖Fig.3 Block diagram of application solution

基于上述方案設(shè)計的抗干擾組件尺寸小于100mm×100mm×15mm，功耗小于10W。根據(jù)不同應(yīng)用場景需求，可以輸出抗干擾后的射頻給導(dǎo)航接收機使用，也可以直接輸出中頻信號給導(dǎo)航接收機處理。

“OTrack-AJ”芯片應(yīng)用的實物圖如圖4所示。

圖4 “OTrack-AJ”應(yīng)用實物圖Fig.4 “OTrack-AJ”application physical map

4 結(jié)束語

Beidou正式運營后，我國的軍用領(lǐng)域都迫切需要低功耗、小尺寸的北斗抗干擾系統(tǒng)，以提高軍用產(chǎn)品的戰(zhàn)場生存能力。文中介紹的OTrack-AJ芯片和抗干擾系統(tǒng)能滿足軍用抗干擾領(lǐng)域的迫切需求，打破了國外對導(dǎo)航核心技術(shù)的壟斷，使得我國在北斗抗干擾核心技術(shù)及其應(yīng)用上掌握了充分自主權(quán)。

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Research on Beidou Anti-jamming Applications Based on “OTrack-AJ” Chip

MA Wen-jia

(Beijing OLinkStar Co.Ltd.，Beijing 100085，China)

Main application areas of “OTrack-AJ” Chip and Beidou Anti-jamming application development trends are introduced in this paper.This paper also studied Beidou Anti-jamming applications based on “OTrack-AJ” chip.Beidou Anti-jamming system reached international cutting edge technology level on key features such as JNR(Jamming Noise Rate)，power and dimension.

Beidou；Anti-jamming；OTrack-AJ

2015-11-15；

2014-01-05。

馬文佳(1982-)，男，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航芯片設(shè)計、抗干擾處理方面的研究。 E-mail:mawj@olinkstar.com

TP39

A

2095-8110(2016)02-0038-04