劉軼龍，譚志強(qiáng)，許 磊，羅立成，方 真

全頻段導(dǎo)航壓制干擾信號產(chǎn)生技術(shù)研究

劉軼龍1，譚志強(qiáng)2，許 磊1，羅立成1，方 真1

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2 中國人民解放軍63891部隊(duì)，洛陽 471001）

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)高速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航裝備已廣泛應(yīng)用于軍事、交通、金融、電力等諸多領(lǐng)域，國內(nèi)相關(guān)場所建設(shè)了一些衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙攻防測試環(huán)境，但是，對于全頻段衛(wèi)星導(dǎo)航壓制干擾技術(shù)，國內(nèi)研究較少。同時(shí)，我國北斗系統(tǒng)建設(shè)及導(dǎo)航工程應(yīng)用實(shí)際表明，針對導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其是針對導(dǎo)航服務(wù)頻段的有意、無意干擾越來越嚴(yán)重，涉及單載波、脈沖、掃頻、寬帶白噪聲及其組合干擾等多種干擾類型。通過對衛(wèi)星導(dǎo)航壓制干擾信號產(chǎn)生技術(shù)開展相關(guān)的研究工作，以支撐壓制條件下的衛(wèi)星導(dǎo)航攻防測試環(huán)境構(gòu)建。

衛(wèi)星導(dǎo)航；壓制干擾；產(chǎn)生技術(shù)

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)高速發(fā)展，越來越多的軍事裝備和民用平臺依賴衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)滲入到了現(xiàn)代人民生活中的每個(gè)環(huán)節(jié)[1]。在軍事應(yīng)用中，衛(wèi)星導(dǎo)航在幫助奪取與保持空中優(yōu)勢，提高對全球的感知和快速反應(yīng)能力，實(shí)施精確作戰(zhàn)和對目標(biāo)的精確打擊，實(shí)現(xiàn)高效的戰(zhàn)場管理、指揮和控制等方面發(fā)揮著重要的作用，衛(wèi)星導(dǎo)航攻防的主動權(quán)可以說在一定程度上決定了戰(zhàn)爭的主動權(quán)[2-5]。

目前針對導(dǎo)航服務(wù)頻段的有意、無意干擾越來越嚴(yán)重，涉及單載波、脈沖、掃頻、寬帶白噪聲及其組合干擾等多種干擾類型[6-9]，衛(wèi)星導(dǎo)航終端在導(dǎo)航攻防發(fā)展過程中，對于衛(wèi)星導(dǎo)航壓制干擾條件下測試方法和評估環(huán)境[10-12]，開展了大量的抗干擾技術(shù)研究，但目前單干擾源產(chǎn)生壓制干擾信號多針對一個(gè)頻點(diǎn)，在完成多個(gè)導(dǎo)航頻段同時(shí)壓制的條件下，需要多臺干擾源配合，單干擾源同時(shí)產(chǎn)生全頻段導(dǎo)航研制信號有待進(jìn)一步研究。

目前國內(nèi)外單通道壓制干擾信號產(chǎn)生的主流方式為“基帶+射頻單元”架構(gòu)，干擾產(chǎn)生算法以功能模塊的方式在現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本文在采用主流設(shè)計(jì)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)多個(gè)壓制干擾通道，開展了全頻段衛(wèi)星導(dǎo)航壓制干擾信號產(chǎn)生技術(shù)研究，以支撐壓制條件下的衛(wèi)星導(dǎo)航攻防測試環(huán)境構(gòu)建。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號特性分析

目前國際上已建設(shè)完成“四大兩小”六個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即中國北斗系統(tǒng)（BeiDou System，BDS）、美國全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Navigation Satellite System，GALILEO）四個(gè)全球?qū)Ш较到y(tǒng)，以及日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）、印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）兩個(gè)區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四大系統(tǒng)共有民用頻點(diǎn)17個(gè)，QZSS、IRNSS兩個(gè)系統(tǒng)共有民用頻點(diǎn)8個(gè)，總計(jì)25個(gè)民用頻點(diǎn)。按照系統(tǒng)劃分，全部民用頻點(diǎn)的載波頻率、信號帶寬、調(diào)制方式和落地電平等信號特性如表1～表6所示。

表1 BDS信號分量載波頻率、帶寬和電平統(tǒng)計(jì)表

表2 GPS信號分量載波頻率、帶寬和電平統(tǒng)計(jì)表

表3 GALILEO導(dǎo)航信號分量概況

表4 GLONASS信號分量載波頻率、帶寬和電平統(tǒng)計(jì)表

表5 QZSS信號分量載波頻率、帶寬和電平統(tǒng)計(jì)表

表6 IRNSS信號分量載波頻率、帶寬和電平統(tǒng)計(jì)表

將以上導(dǎo)航信號按照相近頻率進(jìn)行合并，劃分為3個(gè)頻段：

1）頻段1：1150 MHz～1300 MHz；

2）頻段2：1550 MHz～1650 MHz；

3）頻段3：2470 MHz～2520 MHz。

在壓制信號產(chǎn)生過程中，為了實(shí)現(xiàn)對全部導(dǎo)航頻段信號的壓制，需同時(shí)輸出以上3個(gè)頻段的壓制干擾信號。

2 全頻段壓制干擾信號產(chǎn)生架構(gòu)設(shè)計(jì)

全頻段衛(wèi)星導(dǎo)航壓制干擾信號采用多通道可重構(gòu)的架構(gòu)產(chǎn)生壓制干擾信號，通過3個(gè)獨(dú)立基帶信號產(chǎn)生通道完成3個(gè)導(dǎo)航頻段的壓制干擾信號生成，之后經(jīng)射頻合路后，完成覆蓋全部導(dǎo)航頻段的壓制干擾信號輸出，如圖1所示。

采用如圖1所示的全頻段壓制干擾信號產(chǎn)生架構(gòu)，能夠支持1臺干擾源同時(shí)輸出全部3個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航頻段干擾信號，便于在工程配套中減少干擾源設(shè)備配套數(shù)量，從而降低工程實(shí)現(xiàn)成本。

每通道可重構(gòu)壓制干擾信號產(chǎn)生采用“基帶信號產(chǎn)生單元+變頻單元”的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中基帶信號產(chǎn)生單元由單載波干擾、脈沖干擾、掃頻干擾以及寬帶白噪聲干擾等模塊組成，通過開關(guān)選擇的方式，將輸出的I/Q基帶數(shù)據(jù)重構(gòu)為不同干擾樣式的中頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過捷變頻單元后輸出相應(yīng)的干擾射頻信號。下面對不同的壓制干擾信號產(chǎn)生算法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

3 壓制干擾信號產(chǎn)生算法設(shè)計(jì)

在導(dǎo)航信號壓制干擾過程中，最為有效的干擾類型包括單載波、脈沖、掃頻、寬帶高斯白噪聲及其組合干擾等樣式，每種壓制干擾信號產(chǎn)生的算法均各不相同。

3.1 單載波干擾

3.2 脈沖干擾

脈沖干擾由一個(gè)符合脈寬方波和單載波信號疊加來實(shí)現(xiàn)，改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)脈寬的調(diào)整，該方波在基帶信號產(chǎn)生單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，方波的占空比可以任意配置，同時(shí)脈寬0.1 μs～10 s可調(diào)。脈沖干擾的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

與傳統(tǒng)方法不同，基于采樣率的觀點(diǎn)，這里周期性脈沖序列產(chǎn)生采用NCO來實(shí)現(xiàn)。將脈沖周期折算為頻率控制字，將脈寬折算為門限。NCO仍然選用單載波信號產(chǎn)生時(shí)的NCO，位寬為16位。

3.3 掃頻干擾

掃頻干擾參數(shù)化表達(dá)式如式（1）所示：

掃頻干擾框圖與單載波信號干擾產(chǎn)生類似，如圖4所示，不同的是掃頻干擾的NCO由兩級累加器構(gòu)成。掃頻速率對應(yīng)二階頻率控制字（Differential Frequency Control Word，DFCW）；當(dāng)前頻率對應(yīng)FCW，為頻率控制字。

為兼顧分辨率和頻率動態(tài)范圍，這里選取第一階累加器位長為32位，頻率控制字如式（2）所示：

二階累加器位長為16位，頻率控制字如式（3）所示：

3.4 寬帶高斯白噪聲

采用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)高斯白噪聲產(chǎn)生。數(shù)字化實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)步驟：先產(chǎn)生均勻分布的白噪聲序列，然后通過均勻分布的白噪聲獲得高斯白噪聲。這兩步中均有多種方法可供選擇，這里使用序列實(shí)現(xiàn)均勻分布的白噪聲，然后通過反函數(shù)映射方法實(shí)現(xiàn)均勻分布向高斯分布的轉(zhuǎn)換。為獲得帶限高斯白噪聲，還需要將高斯白噪聲通過一定帶寬的有限長單位沖激響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波器進(jìn)行濾波。帶限高斯白噪聲實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

FIR濾波器通過將升余弦濾波器離散化實(shí)現(xiàn)，離散化工作在上層軟件完成。選定高斯白噪聲的帶寬后，根據(jù)表達(dá)式獲得濾波器離散值后，置入到基帶信號產(chǎn)生單元。升余弦濾波器表達(dá)式如式（4）所示：

4 仿真驗(yàn)證結(jié)果

4.1 單載波干擾

4.2 脈沖干擾

4.3 掃頻干擾

本文所設(shè)計(jì)壓制干擾產(chǎn)生技術(shù)可同時(shí)輸出3個(gè)頻段的掃頻壓制干擾信號，設(shè)置掃頻帶寬為 100 MHz，頻率步進(jìn)4.8 kHz，中心頻點(diǎn)分別為 1225 MHz、1600 MHz和2495 MHz時(shí)，能夠?qū)θl段導(dǎo)航信號實(shí)現(xiàn)壓制干擾，仿真結(jié)果如圖8所示。

4.4 寬帶高斯白噪聲

本文所設(shè)計(jì)壓制干擾產(chǎn)生技術(shù)可同時(shí)輸出3個(gè)頻段的寬帶高斯白噪聲壓制干擾信號，設(shè)置白噪聲干擾信號帶寬為150 MHz，中心頻點(diǎn)分別為 1225 MHz、1600 MHz和2495 MHz時(shí)，能夠?qū)θl段導(dǎo)航信號實(shí)現(xiàn)壓制干擾，仿真結(jié)果如圖9所示。

5 測試驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證上述全頻段設(shè)計(jì)架構(gòu)可行性，開發(fā)了基于單片Xilinx Kintex-7 FPGA+3片AD9371的信號處理板卡，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了全頻段導(dǎo)航壓制干擾源。通過使用Septentrio PolaRx5TR接收機(jī)作為測試對象，將衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器輸出的導(dǎo)航信號與全頻段導(dǎo)航壓制干擾源輸出的壓制干擾信號合路后，有線輸出至接收機(jī)，從而完成對本文提出方法的試驗(yàn)驗(yàn)證，測試環(huán)境如圖10所示。

設(shè)置模擬GPS L1、GPS L2以及GPS L5導(dǎo)航信號輸出電平均為-133 dBm，當(dāng)設(shè)置三個(gè)通道壓制干擾信號輸出電平導(dǎo)航帶內(nèi)功率為-80 dBm時(shí)，三個(gè)頻點(diǎn)導(dǎo)航信號接收載噪比均降低為25 dB/Hz左右；當(dāng)設(shè)置三個(gè)通道壓制干擾信號輸出電平導(dǎo)航帶內(nèi)功率大于-70 dBm時(shí)，原本正常鎖定定位的GPS三個(gè)頻點(diǎn)導(dǎo)航信號均失鎖且不能定位，全頻段壓制干擾生效。經(jīng)測試驗(yàn)證，單臺三通道壓制干擾源可實(shí)現(xiàn)全頻段導(dǎo)航信號壓制。

6 結(jié)論

本文針對衛(wèi)星導(dǎo)航攻防測試中的全頻段導(dǎo)航信號壓制干擾問題，提出了一種多通道可重構(gòu)的壓制干擾信號產(chǎn)生設(shè)計(jì)架構(gòu)，給出了單載波干擾、脈沖干擾、掃頻干擾以及寬帶高斯白噪聲干擾的理論生成模型與算法，通過Matlab工具進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，測試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)架構(gòu)及模型算法能夠支撐全頻段導(dǎo)航壓制干擾信號產(chǎn)生，頻段覆蓋1150 MHz～1300 MHz、1550 MHz～ 1650 MHz以及2470 MHz～2520 MHz，可在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用推廣。

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Research on Technology of Interference Signal Generation for All Satellite Navigation Frequencies

LIU Yilong, TAN Zhiqiang, XU Lei, LUO Licheng, FANG Zhen

With the rapid development of satellite navigation technology, satellite navigation equipment has been widely used in many fields such as military, transportation, finance, electric power and so on. Some test environments of satellite navigation deception attack and defense have been built in recent years. However, there are few studies on full-band satellite navigation interference generation technology. At the same time, the intentional and unintentional interference is getting more and more serious, involving multiple types of interference such as single carrier, pulse, frequency sweep, white noise and their combined interference. This work would give contribution to the construction of satellite navigation attack and defense test environment.

Satellite Navigation; Interference; Generation Technology

TN974

A

1674-7976-(2022)-01-016-07

2021-11-10。

劉軼龍（1988.01—），河北保定人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航攻防與信號模擬產(chǎn)生技術(shù)。