陳建華, 陳樹(shù)新, 吳 昊, 陳禮波
(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院 軍用導(dǎo)航國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,西安 710077)
據(jù)民航資源網(wǎng)報(bào)道,去年4月,成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)短短17 d就發(fā)生9起“無(wú)人機(jī)擾航100多趟航班受影響”的事件。要想減少甚至杜絕此類無(wú)人機(jī)干擾航班事件,關(guān)鍵在于對(duì)GNSS干擾信號(hào)源實(shí)施測(cè)向定位。然而,由于干擾信號(hào)功率極小并且工作樣式多變,測(cè)向誤差通常不穩(wěn)定。在實(shí)際GNSS系統(tǒng)工作尺度下對(duì)測(cè)向誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究顯然不現(xiàn)實(shí),因而通過(guò)縮比模型類比研究實(shí)際測(cè)向誤差可操作性較強(qiáng)。
雷達(dá)、通信等領(lǐng)域?qū)δ繕?biāo)的測(cè)向誤差研究成果較多[1],在系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,文獻(xiàn)[2]中基于PCB板和元器件設(shè)計(jì)了HF波段的測(cè)向系統(tǒng);文獻(xiàn)[3]中基于LabVIEW和USRP設(shè)計(jì)了高頻信號(hào)的發(fā)生與測(cè)量系統(tǒng),使用STM32微處理器控制,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互;文獻(xiàn)[4]中基于USRP設(shè)計(jì)了完成室內(nèi)無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的仿真系統(tǒng)。為了從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)通信導(dǎo)航干擾信號(hào)的測(cè)向誤差規(guī)律進(jìn)行研究,本文基于USRP和LabVIEW設(shè)計(jì)了縮比模型[5]下的GNSS干擾測(cè)向誤差分析系統(tǒng),并且以實(shí)驗(yàn)的形式對(duì)比分析了測(cè)向誤差的理論值和實(shí)驗(yàn)值。
無(wú)源測(cè)向的方法很多,例如振幅法、相位法和空間譜估計(jì)等。為簡(jiǎn)化測(cè)向算法帶來(lái)的研究復(fù)雜度,僅選取比相法中的二單元干涉測(cè)向進(jìn)行討論。
兩個(gè)天線單元之間的連線稱為測(cè)向基線,其間距D被稱為天線孔徑,一般用D與目標(biāo)信號(hào)的波長(zhǎng)λ的比值來(lái)描述測(cè)向系統(tǒng)的精度,該比值一般取1~2,越大,測(cè)向結(jié)果越精確。假設(shè)二單元干涉測(cè)向的模糊問(wèn)題已經(jīng)得到解決,忽略測(cè)向系統(tǒng)誤差,則GNSS干擾信號(hào)來(lái)波方向可以表示為[10]
(1)
式中:θ為來(lái)波方向與基線垂線的夾角,順時(shí)針為正;Δφ表示2個(gè)天線單元所感應(yīng)到目標(biāo)信號(hào)的相位差。
在實(shí)際的復(fù)雜電磁環(huán)境中進(jìn)行測(cè)向作業(yè),目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)傳播路徑之后各物理參量會(huì)發(fā)生較大的變化,同時(shí)環(huán)境中也存在自然噪聲和有意無(wú)意的人為干擾,這些都是影響測(cè)向結(jié)果的重要因素。根據(jù)相關(guān)研究[11],這一偏差的大小跟該體制下獲得的Δφ的標(biāo)準(zhǔn)差σφ有關(guān),并且建立了如下式所示的模型,SNR表示目標(biāo)信號(hào)的信噪比,
(2)
GNSS干擾具有工作距離遠(yuǎn)、干擾范圍廣的特點(diǎn)。從人力、物力、財(cái)力方面來(lái)講,要設(shè)計(jì)同尺寸的模擬系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。但是基于其工作的基本原理,設(shè)計(jì)一個(gè)最大限度符合真實(shí)條件的GNSS干擾信號(hào)測(cè)向“縮比模型”是可行的[6]?;谶@一思路,考慮GNSS干擾信號(hào)在傳播過(guò)程中由于各種環(huán)境因素引起的信號(hào)衰減所導(dǎo)致的測(cè)向誤差變化,系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。
為了研究不同傳播環(huán)境對(duì)測(cè)向誤差的影響,考慮到測(cè)向結(jié)果的誤差水平主要是由于測(cè)向系統(tǒng)所接收干擾信號(hào)的強(qiáng)度決定的,本系統(tǒng)對(duì)干擾源部分的設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)化處理,用LabVIEW設(shè)計(jì)導(dǎo)航干擾信號(hào)射頻載波的發(fā)送程序,并驅(qū)動(dòng)USRP1發(fā)送射頻載波信號(hào),得到合理忽略GNSS干擾信號(hào)內(nèi)容的模擬干擾源。
通用軟件無(wú)線電外設(shè)(Universal Software Radio Peripherals, USRP)收發(fā)器是軟件定義無(wú)線電發(fā)展過(guò)程中里程碑式的產(chǎn)品,它與LabVIEW軟件配合可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)收發(fā),其適中的價(jià)格、小巧的體積,迅速成為了實(shí)驗(yàn)、教學(xué)和科研領(lǐng)域的熱門(mén)器件。
圖2是NI-USRP2920的內(nèi)部構(gòu)成原理[13],NI-USRP可以看做是由模擬射頻收發(fā)和固定功能的FPGA兩個(gè)模塊構(gòu)成,將其通過(guò)以太網(wǎng)線連接到計(jì)算機(jī)上即可作為軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)。
NI-USRP用作發(fā)射器時(shí),它從PC端以16位的分辨率接收數(shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)數(shù)字上變頻(DUC)為射頻信號(hào),再經(jīng)發(fā)送放大器后送發(fā)射天線發(fā)送;當(dāng)被用作接收器時(shí),首先將所要接收的信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的載波頻率相混頻,下變頻后以用戶指定的速率進(jìn)行降采樣處理,后送PC端處理。NI-USRP2920的發(fā)射和接收增益為0~31 dB,輸出功率范圍為14.5~20 dBm(50~2.2 GHz)[13]。
(1) 模擬干擾源。對(duì)測(cè)向誤差分析系統(tǒng)的模擬干擾源部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),僅考慮“零內(nèi)容”的GNSS干擾信號(hào),即工作在特定頻點(diǎn)的導(dǎo)航載波信號(hào)。本文選取了BDS的工作頻點(diǎn)1 561 MHz,正交采樣速率設(shè)定為400 kHz,發(fā)送增益取20 dB,模擬干擾源發(fā)送程序的前面板和框圖如圖3所示[3]。
圖2 NI-USRP原理圖
(2) 測(cè)向誤差分析。本測(cè)向誤差分析方法是基于對(duì)測(cè)向機(jī)接收端導(dǎo)航干擾信號(hào)強(qiáng)度與噪聲水平的分析得到的。一般來(lái)講,測(cè)向機(jī)所處地點(diǎn)的電磁環(huán)境(噪聲水平)是相對(duì)穩(wěn)定的,故在對(duì)測(cè)向誤差分析部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),導(dǎo)航干擾信號(hào)傳播到測(cè)向設(shè)備端的強(qiáng)度是應(yīng)當(dāng)被重點(diǎn)關(guān)注的。基于這一點(diǎn)的考慮,任務(wù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)與干擾信號(hào)發(fā)射源工作在相同的頻點(diǎn)接收機(jī)。
圖4為設(shè)計(jì)導(dǎo)航干擾信號(hào)測(cè)向誤差分析程序[3],各接收參數(shù)參照模擬干擾源設(shè)置。另外使用頻譜分析工具niUSRP EX Spectral Monitoring(Interactive) VI測(cè)試所接收到的干擾信號(hào),一方面可以對(duì)導(dǎo)航干擾信號(hào)頻譜有一個(gè)直觀的感性認(rèn)識(shí);另一方面也可以對(duì)其功率水平進(jìn)行精確地測(cè)量,如圖5所示。
圖5 接收端頻譜分析工具
考慮到設(shè)備儀器限制以及取電方便,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選在一個(gè)空曠的大教室進(jìn)行架設(shè)(室內(nèi)凈空間1 200 cm×800 cm×350 cm)。如圖6所示,M是具有強(qiáng)方向性的喇叭天線,作為誤差分析系統(tǒng)接收天線,固定在靠南墻一側(cè)的中間位置;J是無(wú)方向性天線,作為模擬干擾源的發(fā)射天線,其在以M為圓心以d為半徑的圓弧上任意設(shè)置;θ代表J關(guān)于M的相對(duì)方位角,順時(shí)針為正。
實(shí)驗(yàn)的總體思路是用角度誤差的實(shí)測(cè)值|Δθ|來(lái)驗(yàn)證理論分析得到的角度誤差理論值σθ。首先,按照導(dǎo)航模擬干擾源發(fā)射天線和測(cè)向誤差分析系統(tǒng)的接收天線的設(shè)置的幾何關(guān)系,計(jì)算出發(fā)射天線關(guān)于接收天線的真實(shí)相對(duì)方位角θ;其次,令模擬干擾源處于關(guān)機(jī)狀態(tài),接收系統(tǒng)測(cè)得該頻段噪聲基底值N;然后,打開(kāi)模擬干擾源使其發(fā)射干擾信號(hào),轉(zhuǎn)動(dòng)喇叭接收天線方位使接收系統(tǒng)頻譜儀上顯示的干擾信號(hào)功率值S最大,記錄最大功率值和此時(shí)喇叭天線轉(zhuǎn)盤(pán)的角度測(cè)量值θ′;最后,根據(jù)本文理論分析計(jì)算得出σθ,將它與實(shí)測(cè)得到的角度誤差測(cè)量值作對(duì)比,完成對(duì)理論分析的驗(yàn)證。
以上步驟可以變換發(fā)射天線關(guān)于接收天線的相對(duì)方位角θ和徑向距離d,進(jìn)行若干次實(shí)驗(yàn)得到多組數(shù)據(jù),降低人為因素帶來(lái)的偶然誤差,提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟如圖7所示。
圖7 實(shí)驗(yàn)步驟流程圖
考慮到影響模擬干擾源發(fā)射天線位置的因素至少有相對(duì)方位角θ和徑向距離d兩個(gè)方面,在教室范圍內(nèi)對(duì)它們做如下設(shè)定:①d=600 cm,θ分別取-60°,-30°,0°,30°,60°;②θ=30°,d分別取200,400,600 cm。針對(duì)上述兩種情形,按照實(shí)驗(yàn)步驟分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。
表1 徑向距離固定,變換相對(duì)方位角
表2 相對(duì)方位角固定,變換徑向距離
實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差以及人為誤差,與式(1)、(2)所做的理論研究基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)測(cè)角所得的值均比設(shè)定值大,原因在于測(cè)角轉(zhuǎn)動(dòng)天線總是順時(shí)針?lè)较?,停止時(shí)實(shí)際上已經(jīng)越過(guò)了最大值。
本文基于“縮比”的思想將大尺度的GNSS干擾源縮小到與教室尺寸相當(dāng),基于USRP模擬實(shí)際的GNSS干擾源,采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了測(cè)向誤差及其基本規(guī)律,并且與測(cè)向誤差理論研究作對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的正確性。