基于混合擴(kuò)頻的導(dǎo)航衛(wèi)星抗干擾技術(shù)

摘要：隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事上的廣泛應(yīng)用，研究導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。文中創(chuàng)新的將跳時(shí)技術(shù)與現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，提出基于直擴(kuò)／跳時(shí)(DS／TH)混合擴(kuò)頻的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)方案。并分別在4種衛(wèi)星導(dǎo)航干擾模式下，對(duì)此方案進(jìn)行了抗干擾性能仿真及分析。結(jié)果表明在信噪比為-33 dB誤碼率為10-4時(shí)，該方案抗干擾性能比傳統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)至少提高17 dB，尤其對(duì)于抗脈沖干擾，其性能可以改善20 dB左右。
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航；跳時(shí)；混合擴(kuò)頻；抗干擾

    衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)在眾所周知的頻率上發(fā)射，調(diào)制方式廣為人知，傳輸功率小，信噪比較低，這些成為其易受干擾的重要原因。造成衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)容易被干擾的最直接原因就是發(fā)射的信號(hào)太弱，如果采用混合擴(kuò)頻體制，則可加大信號(hào)的增益。本文著重研究將跳時(shí)與直擴(kuò)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航中，利用跳時(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過時(shí)間的合理分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)整體框圖
    跳時(shí)技術(shù)把時(shí)間軸分成若干時(shí)隙，由跳時(shí)碼決定在哪個(gè)時(shí)隙來發(fā)送信號(hào)。跳時(shí)系統(tǒng)能夠用合理的時(shí)間分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾。但跳時(shí)系統(tǒng)對(duì)定時(shí)要求嚴(yán)格，簡(jiǎn)單的跳時(shí)抗干擾性能不強(qiáng)，所以很少單獨(dú)使用，通常與其他方式相結(jié)合，組成各種混合方式。將DS／TH混合擴(kuò)頻技術(shù)與現(xiàn)有的導(dǎo)航衛(wèi)星相結(jié)合，構(gòu)成一種新穎的基于混合擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以增強(qiáng)抗干擾能力?？紤]可實(shí)現(xiàn)性和前向兼容性，
此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地保留了原有導(dǎo)航系統(tǒng)體制，如直擴(kuò)部分的處理方式和參數(shù)等，直接從原系統(tǒng)繼承。DS／TH導(dǎo)航系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    在此系統(tǒng)中共存在有兩類PN碼序列：直擴(kuò)序列和跳時(shí)序列。導(dǎo)航信號(hào)在經(jīng)過DS碼擴(kuò)頻后，將其直擴(kuò)后的每一碼片分成若干時(shí)隙，根據(jù)跳時(shí)序列{Cj}選擇時(shí)隙來發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)跳時(shí)。
    系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)可表示為：
   
    其中f0為載波頻率，Td為導(dǎo)航信號(hào)一比特持續(xù)時(shí)間，Ts為直擴(kuò)后的每一碼片長(zhǎng)度，Nd為直擴(kuò)倍長(zhǎng)度，Tc為每一時(shí)隙長(zhǎng)度，Nc為時(shí)隙個(gè)數(shù)，D(t)為導(dǎo)航電文，P(t)為直擴(kuò)碼，C(t)則用來進(jìn)行跳時(shí)。碼片持續(xù)時(shí)間變短，為保證功率相等，幅度要變?yōu)樵瓉淼谋?。通過上述分析可知，在DS／TH系統(tǒng)中，直擴(kuò)碼決定信號(hào)幅度的大小，跳時(shí)碼則用來決定信號(hào)的發(fā)送時(shí)刻。
1．2 系統(tǒng)跳時(shí)序列的研究
    在DS／TH系統(tǒng)中，直擴(kuò)碼部分參數(shù)都從原衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)繼承，而對(duì)于跳時(shí)部分，則需進(jìn)行詳細(xì)的研究，使系統(tǒng)能在抗干擾方面達(dá)到最優(yōu)效果。系統(tǒng)主要涉及跳時(shí)序列的3個(gè)主要參數(shù)，時(shí)隙、周期以及漢明自相關(guān)。
1．2．1 跳時(shí)時(shí)隙
    DS／TH系統(tǒng)總的處理增益為：
    GDS／TH=GDS+GTH=GDS+10·log(1／D)    (4)
    其中D為跳時(shí)所設(shè)置的占空比，D=1／Nc(Nc為時(shí)隙數(shù))，所以Nc越大，DS／TH系統(tǒng)的處理增益越大，抗干擾性能越好?？垢蓴_性能與時(shí)隙個(gè)數(shù)Nc是成正比的。但系統(tǒng)帶寬會(huì)隨著時(shí)隙數(shù)的增大而變寬，因此必須根據(jù)實(shí)際情況來決定其大小。
1．2．2 跳時(shí)周期
    跳時(shí)周期的增大，使相同的功率被分散到了更多的譜線中，信號(hào)的幅度變小，對(duì)功率譜起到了平滑作用，從而也減少了較強(qiáng)功率譜線數(shù)目。通常為了提高時(shí)隙利用率，主要采用全時(shí)隙跳時(shí)序列，即跳時(shí)序列最大值Nk=Np-1，Np=Nc。
1．2．3 漢明自相關(guān)
    為實(shí)現(xiàn)對(duì)跳時(shí)碼的捕獲，跳時(shí)序列必須具有較好的自相關(guān)性能，同時(shí)異相自相關(guān)越小越好。文中主要討論剩余類跳時(shí)序列。二次同余序列、三次同余序列和雙曲同余序列是目前性能優(yōu)良的3類同余跳時(shí)序列。其中，二次同余序列的自相關(guān)性能最好，異相自相關(guān)值最小，所以在基于DS／TH混合擴(kuò)頻的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中選用了二次同余序列作為跳時(shí)序列。
1．3 系統(tǒng)整體參數(shù)
    本系統(tǒng)的研究目標(biāo)是將跳時(shí)和直擴(kuò)相結(jié)合的混合擴(kuò)頻體制應(yīng)用到導(dǎo)航系統(tǒng)中，大幅度提高擴(kuò)頻處理增益，將信號(hào)頻帶擴(kuò)展到400 MHz，不僅使系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)，而且使信號(hào)能夠以非常低的功率譜密度隱蔽在其它系統(tǒng)信號(hào)之中或是重疊發(fā)射成為可能，從根本上改善系統(tǒng)的頑存性。

    DS／TH導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的射頻帶寬為2RcxNc，其中Rc為直擴(kuò)碼的碼片速率，Rc=10．23 MHz，Nc為跳時(shí)時(shí)隙數(shù)。對(duì)于二次同余序列，時(shí)隙數(shù)必須為一素?cái)?shù)，為使系統(tǒng)帶寬達(dá)到400 MHz，跳時(shí)時(shí)隙Nc=19。系統(tǒng)的整體參數(shù)如表1所示。

2 系統(tǒng)抗干擾性能
    衛(wèi)星信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度極低，遠(yuǎn)低于熱背景噪聲電平，對(duì)接收機(jī)的干擾成為干擾衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種主要手段，從技術(shù)角度出發(fā)，可分為兩類：壓制性干擾和欺騙性干擾。文中主要針對(duì)單頻干擾、脈沖干擾以及噪聲調(diào)制干擾中的噪聲調(diào)頻、調(diào)幅干擾這4種壓制性干擾進(jìn)行抗干擾分析和測(cè)試。
2．1 仿真測(cè)試條件
    仿真中，為簡(jiǎn)便起見，都是基于基帶進(jìn)行的。直擴(kuò)碼碼片速率10．23：Mchip／s，信息速率500 bit／s，對(duì)于現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)來說，導(dǎo)航信號(hào)具有20 460倍的解擴(kuò)處理增益，Gp=43 dB導(dǎo)航信號(hào)帶寬為20．46 MHz，假設(shè)內(nèi)部熱噪聲主要由低噪聲放大器產(chǎn)生，根據(jù)接收機(jī)靈敏度的計(jì)算公式，以及相應(yīng)接收信號(hào)的信噪比為公式，計(jì)算出-133 dBm這種典型的接收信號(hào)強(qiáng)度的相應(yīng)信噪比結(jié)果如表2所示。

    若假設(shè)LNA噪聲為0．89 dB，接收端信噪比則為-33 dB。文中將主要針對(duì)-33 dB這種典型的接收信噪比來進(jìn)行仿真。
2．2 單頻干擾
    單頻干擾是直擴(kuò)系統(tǒng)中常見的人為連續(xù)波干擾，由于擴(kuò)頻碼的功率譜并不完全均勻，即不同頻率的功率不同，因此進(jìn)入信號(hào)的干擾功率也就不同，使得不同頻率單頻干擾的誤碼性能不同，同時(shí)不同碼字的功率譜結(jié)構(gòu)還不同，這些都說心頻率和直接擴(kuò)頻載波頻率相同時(shí)，并非就有最佳的干擾效果。事實(shí)上，單頻干擾的誤碼率性能是由擴(kuò)頻系統(tǒng)的信噪比、信干比、擴(kuò)頻碼以及單頻干擾的頻率與信號(hào)載頻的偏差這4個(gè)因素共同作用的結(jié)果。

    圖2中顯示的是單頻干擾頻率與導(dǎo)航信號(hào)中心頻率相差為1 Hz時(shí)，基于DS／TH的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)抗干擾性能仿真。從圖中可以看到，在信噪比為-33 dB，誤碼率為10-4時(shí)，加入跳時(shí)的方案比傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)方案抗干擾性能要好17 dB左右。同時(shí)也可清晰看到，隨著信干比的提高，傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾曲線出現(xiàn)了明顯的誤碼平層，而DS／TH系統(tǒng)的誤碼率曲線坡度變陡，誤碼率大幅下降。
2．3 脈沖干擾
    將高斯脈沖作為研究對(duì)象，主要討論其脈沖形成因子α和高斯導(dǎo)函數(shù)的階數(shù)這兩個(gè)因素。通過改變脈沖形成因子的大小可得到不同的信號(hào)帶寬。高斯脈沖波形類似于高斯函數(shù)波形，可以不斷地微分下去，峰值頻率和脈沖帶寬都會(huì)隨著微分階數(shù)的增加而改變。隨著高斯導(dǎo)函數(shù)階數(shù)的增高，高斯脈沖的峰值頻率也相應(yīng)提高。在仿真中采用的脈沖波形是最普遍采用的高斯二階導(dǎo)函數(shù)，在表面上它具有無限長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，但是實(shí)際上衰減很快。若假定脈沖只在時(shí)間窗Tm內(nèi)為非零值，Tm=2．2α時(shí)，所導(dǎo)致的截?cái)嗄芰空`差會(huì)比原始能量小50 dB。

    圖3為α=2μs和α=20μs時(shí)DS／TH系統(tǒng)抗脈沖干擾性能仿真。在信噪比為-33 dB，誤碼率為10-4時(shí)，基于DS／TH的導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能比傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)改善了20 dB左右。由于脈沖成形因子越大，干擾信號(hào)的帶寬就越窄，能量越集中，因此在α=20μs時(shí)干擾效果就比α=2μs時(shí)要好。另外，由于跳時(shí)技術(shù)是按照跳時(shí)序列選擇時(shí)隙來發(fā)送信號(hào)，所以在一定程度上，可以躲避由于脈沖干擾所產(chǎn)生的連續(xù)性錯(cuò)誤。
2．4 噪聲調(diào)幅，調(diào)頻干擾
    噪聲調(diào)幅特點(diǎn)：已調(diào)波的頻譜由載波及兩對(duì)稱旁瓣組成，旁瓣形狀與調(diào)制波功率譜相似，但數(shù)量上減小為1／4。已調(diào)信號(hào)的頻譜實(shí)現(xiàn)了線性搬移，其中心頻率移到了載波頻率ω0處，且頻寬為原來的兩倍。噪聲調(diào)幅時(shí)，已調(diào)信號(hào)總功率為載波功率與噪聲旁瓣功率之和，旁瓣功率是已調(diào)波中的起伏部分，對(duì)被干擾的設(shè)備的信號(hào)起遮蓋作用，若想提高干擾的效果，可增大旁瓣功率。
    噪聲調(diào)頻特點(diǎn)：功率譜與調(diào)制噪聲的概率密度呈線性關(guān)系，功率譜密度分布為高斯分布；噪聲調(diào)頻的總功率與載波功率相等，與調(diào)制噪聲功率無關(guān)；噪聲調(diào)頻干擾帶寬與調(diào)制噪聲帶寬無關(guān)，決定于調(diào)制噪聲功率σ2和調(diào)頻指數(shù)Kfm。

    圖4所示的是DS／TH導(dǎo)航系統(tǒng)在噪聲調(diào)幅干擾下的抗干擾性能，噪聲調(diào)幅干擾的載波為1 Hz。因?yàn)樵肼曊{(diào)幅的總功率等于載波功率與旁瓣功率之和，干擾能量向兩側(cè)旁瓣分散，影響了干擾效果，誤碼率與單頻干擾相比，有所下降。在誤碼率為10-4時(shí)，抗干擾性能也提高了17 dB左右。

    圖5顯示的是在噪聲調(diào)頻下DS／TH系統(tǒng)的抗干擾性能仿真，其中Kfm=0．8，噪聲載波為1 Hz。與圖2比較可知，噪聲調(diào)頻信號(hào)的干擾效果要比單頻干擾弱些，在誤碼率達(dá)到10-4時(shí)，DS／TH系統(tǒng)的抗干擾性能比現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)性能改善18 dB左右。

3 結(jié)論
    混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)將兩種或兩種以上的擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，顯著提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。文中制定了基于DS／TH的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)方案，并對(duì)此方案在典型壓制性干擾下的抗干擾性能進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，其抗干擾性能要提高17 dB以上。尤其是抗脈沖干擾，因?yàn)樘鴷r(shí)技術(shù)可以通過有選擇的發(fā)送信號(hào)來躲避由脈沖干擾所產(chǎn)生的連續(xù)性錯(cuò)誤，使抗干擾性能改善了20 dB左右。