董樹理，葛海龍，劉 敏

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號到達地面用戶接收機時非常微弱，使得導(dǎo)航信號淹沒在噪聲中。如：GPS信號的最大接收功率不會超過-150 dBW，其L1,L2,L5頻點的接收功率一般在-150～-162 dBW之間[1]。雖然衛(wèi)星導(dǎo)航信號采用擴頻通信體制，具有較大的擴頻增益，可以將淹沒在噪聲中的信號提取出來，但當干擾信號非常強，并且干擾類型復(fù)雜、干擾信號角度多變時，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機仍然會受到較大的影響[2]。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力差，因此提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的抗干擾能力，是各國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點。目前，新的抗干擾算法和技術(shù)已應(yīng)用在產(chǎn)品中，但在實際干擾環(huán)境下，如何驗證并測試抗干擾性能是一個難點。為此，需構(gòu)建涵蓋各種典型干擾場景的室內(nèi)測試平臺，模擬干擾信號、導(dǎo)航信號之間三維和動態(tài)連續(xù)變化，測試用戶接收機的抗干擾性能。

國內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)航對抗測試的相關(guān)研究多集中在對干擾、抗干擾技術(shù)的研究上，主要體現(xiàn)為對干擾樣式的分類、干擾多變性的研究和抗干擾技術(shù)的研究等，關(guān)于測試環(huán)境構(gòu)建的研究主要集中于外場測試、實驗室仿真測試相關(guān)技術(shù)[3-6]，關(guān)于利用導(dǎo)航暗室進行測試條件構(gòu)建的研究較少。國內(nèi)關(guān)于暗室的建設(shè)及應(yīng)用主要集中在天線測試、電器部件EMC測試等領(lǐng)域，研究主要向吸波材料的優(yōu)化、暗室形狀優(yōu)化2個方向發(fā)展[7-10]?；诎凳业膶?dǎo)航對抗測試條件建設(shè)整體設(shè)計研究少見于報道，僅有部分關(guān)于其中天線分布、測試方法等技術(shù)的仿真研究[11-13]。

1 現(xiàn)有測試條件及模式分析

目前，針對衛(wèi)星導(dǎo)航及導(dǎo)航對抗的性能測試和抗干擾性能評估主要有外場測試、全數(shù)字仿真和半實物仿真等方法。

1.1 外場測試

外場測試是指在室外大區(qū)域建立衛(wèi)星導(dǎo)航接收機和導(dǎo)航對抗設(shè)備的無線測試環(huán)境，利用實際衛(wèi)星信號，對設(shè)備的性能進行測試的方法。具體方法是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機接收空間實際衛(wèi)星信號進行導(dǎo)航定位，測試其定位精度、抗干擾性能等指標。外場測試的優(yōu)點在于測試條件接近真實環(huán)境、有利于在真實應(yīng)用環(huán)境測試設(shè)備性能，缺點在于測試成本高、可重復(fù)性差，而且可能接收到外界環(huán)境的射頻干擾而影響測試的精度和可信度。部分指標外場測試條件建設(shè)投入大，甚至不具備測試條件。如：接收機的測速精度測試，在外場進行測試需要建設(shè)標準測速場地，投入大，技術(shù)復(fù)雜。而接收靈敏度、系統(tǒng)完好性、接收機自主完好性監(jiān)測和測距精度等指標測試由于需要改變衛(wèi)星信號，在外場條件下不具備測試條件。導(dǎo)航對抗設(shè)備在外場測試易對附近衛(wèi)星導(dǎo)航接收機造成影響。

1.2 全數(shù)字仿真

全數(shù)字仿真是指利用基于軟件的衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬、衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機，對系統(tǒng)性能進行仿真評估。全數(shù)字仿真雖然成本低、安全性好，但由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致全數(shù)字式仿真無法完整、真實地反映現(xiàn)實中的衛(wèi)星導(dǎo)航信號性能。因此，目前全數(shù)字仿真局限于理論研究和設(shè)計開發(fā)階段；另外，軟件接收機在導(dǎo)航信號測試、衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器研制等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

1.3 半實物仿真

半實物仿真是將數(shù)學(xué)模型、模擬設(shè)備和物理設(shè)備聯(lián)系在一起而形成的一種仿真系統(tǒng)，是計算機仿真與物理效應(yīng)仿真相結(jié)合的產(chǎn)物。半實物仿真系統(tǒng)具有研制周期短、質(zhì)量高和成本低等優(yōu)點，使其成為仿真領(lǐng)域中的一個重要分支。目前，半實物仿真用于衛(wèi)星導(dǎo)航及導(dǎo)航對抗測試主要包括注入式仿真和微波暗室輻射式仿真2種模式。

微波暗室仿真測試，目前主要利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器等信號模擬設(shè)備，在微波暗室內(nèi)構(gòu)建無線測試環(huán)境，對衛(wèi)星導(dǎo)航和導(dǎo)航對抗設(shè)備性能進行測試。衛(wèi)星導(dǎo)航信號和干擾信號通過輻射方式將模擬的衛(wèi)星導(dǎo)航信號送入接收機，其測試場景如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備暗室輻射式測試場景示意圖

注入式仿真測試，是將衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器模擬的衛(wèi)星信號直接通過射頻電纜或仿真測試系統(tǒng)注入衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，通過仿真信號在空間傳播過程中的衰減、衰落和時延等特性，以及接收機的運動等場景，進行測試。該方法有利于誤差分離等各項技術(shù)的研究，確保測試的精度。

半實物仿真測試成本低、可控性好、重復(fù)性強且有利于測試信號和內(nèi)容的保密，測試精度較高，方便進行衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備接收性能、導(dǎo)航對抗性能測試，是衛(wèi)星導(dǎo)航測試技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，基于暗室的導(dǎo)航對抗測試中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號采用單天線模擬的方式，經(jīng)同一天線發(fā)射多顆衛(wèi)星模擬信號，無法反映信號的空間位置關(guān)系，無法對各種空域抗干擾技術(shù)進行測試。

2 多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對抗測試系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備主要采用的抗干擾技術(shù)包括：時域濾波技術(shù)、頻域濾波技術(shù)、空域濾波技術(shù)和空時自適應(yīng)濾波技術(shù)等[14-16]。尤其是空時自適應(yīng)技術(shù)，具備抗多種干擾的能力，并且具有干擾識別和定位的能力，處理性能優(yōu)于傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)，在實際的抗干擾接收機中得到廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)的抗干擾技術(shù)應(yīng)用中，以陣列天線和多波束技術(shù)為代表的抗干擾技術(shù)發(fā)展較為成熟。

在微波暗室進行干擾、抗干擾測試時，如果衛(wèi)星信號采用單天線模擬方式，在特定場景下多星合成射頻信號，利用單天線從一個方向輻射，這種方法無法模擬衛(wèi)星信號空間位置關(guān)系。例如，衛(wèi)星信號單天線輸出測試方法只能測試波束形成天線中的法向波束，而無法測試其他波束，不能真實反映波束形成天線抗干擾接收機的實際性能。因此，在微波暗室干擾、抗干擾測試環(huán)境中要實現(xiàn)抗干擾能力的測試，需要多通道衛(wèi)星信號源，采用多天線輸出方式將每個衛(wèi)星信號通過單獨的天線發(fā)出，構(gòu)造一個能夠模擬多星座衛(wèi)星導(dǎo)航信號空域特征的半物理仿真環(huán)境，同時還需要多種不同的干擾源，在不同位置發(fā)射干擾信號以實現(xiàn)大角域的動態(tài)干擾信號模擬，此方法模擬的測試環(huán)境逼近了外部真實的衛(wèi)星信號及干擾信號分布場景。

多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對抗測試系統(tǒng)主要用來為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機測試提供射頻仿真試驗環(huán)境，需滿足如下功能要求：

① 支持多星座的真實衛(wèi)星信號來波方向仿真，能夠模擬實際導(dǎo)航衛(wèi)星信號空間變化規(guī)律；

② 覆蓋頻段包括：北斗、GPS等；

③ 能夠模擬多種復(fù)雜電磁環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航信號與干擾信號、多徑信號等空間合成輸出，提供全面、準確的測試場景及測試信號；

④ 具有進行衛(wèi)星導(dǎo)航接收機高動態(tài)、抗干擾測試的射頻仿真環(huán)境。

系統(tǒng)可用于對各類型衛(wèi)星導(dǎo)航接收機接收性能的測試，對接收機進行導(dǎo)航對抗測試，開展對GNSS接收機不同抗干擾技術(shù)和抗干擾能力的研究測試。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對抗測試系統(tǒng)主要由微波暗室、導(dǎo)航信號模擬分系統(tǒng)、干擾信號模擬分系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)、測試設(shè)備分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和時頻與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)等組成，為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的抗干擾性能測試提供一個完備的室內(nèi)信號測試環(huán)境。在微波暗室頂部和四周墻壁布設(shè)導(dǎo)航星座模擬天線，干擾天線布設(shè)于四周墻壁上，通過導(dǎo)航信號模擬分系統(tǒng)，將每個衛(wèi)星的信號通過單獨的天線發(fā)出；由于不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用不同的軌道設(shè)計和衛(wèi)星布局，在設(shè)計仿真測試系統(tǒng)時，需要考慮這些不同軌道衛(wèi)星可能的分布情況，建成的輻射式仿真測試系統(tǒng)能夠盡可能真實地模擬典型空間衛(wèi)星分布情況；同時，通過在不同仰角和方位的干擾天線，干擾信號模擬分系統(tǒng)模擬多種不同的干擾信號。測試系統(tǒng)主要組成如圖2所示。

圖2 多星座衛(wèi)星導(dǎo)航對抗仿真測試系統(tǒng)組成

4 導(dǎo)航衛(wèi)星星座模擬與仿真驗證

4.1 星座模擬設(shè)計

衛(wèi)星星座方案設(shè)計依據(jù)覆蓋性、復(fù)雜性、可靠性、可維護性、安全性和可擴展性等原則要求，可采用若干個固定天線安裝在暗室頂部、四周墻面組成離散天線陣的設(shè)計方案。

衛(wèi)星星座環(huán)境模擬方案需要滿足衛(wèi)星星座信號空時特性模擬以及抗干擾測試需求，離散天線布局主要用來模擬被測天線陣元所面臨的衛(wèi)星星座模擬環(huán)境。因此，離散天線布局要求如下：

① 同一仰角軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星信號空間夾角可以滿足不同波束寬度指標的波束形成技術(shù)測試；

② 各軌道間同一方位角的衛(wèi)星信號的仰角夾角也應(yīng)該滿足不同波束寬度指標的波束形成技術(shù)測試。

各離散天線間的仰角間隔和同一仰角衛(wèi)星間的空間夾角，其角度定義如圖3所示。

其中，sat1和sat2是同在一個仰角平面內(nèi)的2個相鄰天線；sat1和sat3是相鄰仰角平面上方位角相同的2個相鄰天線；θ，φ分別定義為仰角、方位角；ΔΦ為從被測設(shè)備到2個天線的視線夾角，即2個天線方向間的空間夾角。

圖3 角度定義

對7元圓陣平面陣的形成的波束寬度進行仿真分析，7元圓陣3 dB波束寬度為47°，同時隨著天線陣規(guī)模增大，波束寬度變小。

因此，為滿足7元陣抗干擾測試需求，對衛(wèi)星星座模擬的需求如下：

① 同一仰角軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星信號空間夾角需要低于47°；

② 各軌道間同一方位角的衛(wèi)星信號的仰角夾角也應(yīng)該低于47°。

為滿足需求，在暗室共設(shè)24個天線，其中包含位于暗室天頂中心點的收發(fā)一體天線。相鄰天線之間的最小空間夾角設(shè)計為10°～46°。

4.2 仿真驗證

為了驗證離散天線布局是否滿足發(fā)射衛(wèi)星信號的需要，要求離散天線陣最大程度地接近于真實的衛(wèi)星星座時間和空間的變化；同時為實現(xiàn)各種抗干擾場景的構(gòu)建，要求離散天線陣能夠覆蓋所有類型的接收終端測試需求。

通過設(shè)計方案中的24陣元離散天線陣可用來模擬實際衛(wèi)星的軌跡。由圖4可以看出，實際衛(wèi)星軌跡并不完全經(jīng)過布設(shè)的天線，但是在偏離實際軌跡點小于47°的空間夾角以內(nèi)必定有一個離散天線存在。因此，可以通過離散天線陣中最靠近的實際衛(wèi)星軌跡的固定天線發(fā)射相應(yīng)的衛(wèi)星信號。

圖4 離線天線陣分布與實際衛(wèi)星軌跡示意圖

圖4中，實線表示某一衛(wèi)星的實際軌跡，虛線為離散天線組成的模擬軌跡。通過離散衛(wèi)星軌跡模擬結(jié)果與實際衛(wèi)星軌跡的比較，可以看出離線天線陣可以近似模擬真實衛(wèi)星在空間上的運動軌跡。

5 結(jié)束語

基于各種抗干擾技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備已逐步得到應(yīng)用，但在實際干擾環(huán)境下如何驗證并測試抗干擾性能是個棘手的問題。為此，基于導(dǎo)航暗室構(gòu)建無線仿真測試環(huán)境，模擬實際環(huán)境中可見星座導(dǎo)航信號及可能面臨的多種復(fù)雜干擾，可較為全面地測試衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的動、靜態(tài)性能，完成復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾能力的定量測試與評估。