税利,张冲,王博,张旭

(中国洛阳电子装备试验中心河南，洛阳 471003)



GNSS接收机抗干扰效能评估方法

税利,张冲,王博,张旭

(中国洛阳电子装备试验中心河南，洛阳 471003)

摘要：GNSS抗干扰能力评估是GNSS系统建设与应用服务中面临的一个重要问题,对抗干扰能力进行评估首先在于具有一种合理的评估体系,因此,本文提出的GNSS接收机抗干扰能力评估体系构建方法具有重要意义。文中系统介绍了GNSS接收机抗干扰能力评估方法的建立过程,包括接收机抗干扰能力的分类,指标体系的构建,以及如何具体实施,具有一定的可实施性。文中将GNSS接收机抗干扰能力分为固有抗干扰能力、主动抗干扰能力和被动抗干扰能力,然后从这三方面建立GNSS接收机的抗干扰效能评估指标,通过德尔菲法得到指标体系中各指标的重要性排序和各层次的重要性判断矩阵,最后通过实测的指标数据加权求和得到GNSS接收机总的抗干扰效能评估结果。

关键词：GNSS接收机;抗干扰;效能评估;层次分析法;德尔菲

0引言

全球卫星导航系统(GNSS)在通信、指挥、控制、情报、计算机、侦察和监视系统中发挥着重要作用。各个经济和军事强国都在大力发展自己的卫星导航系统,主要有美国的GPS,俄罗斯的GLONASS,以及正在研究和部署的欧洲的Galileo系统和我国北斗二代导航系统。GNSS接收机极易受到干扰,因为系统用户与卫星距离遥远,而与干扰源的距离相对近得多,干扰源无需用多大功率就可淹没GNSS接收机上的卫星信号,使得GNSS接收机精度变差甚至无法定位,所以防止卫星导航系统被敌方干扰和破坏成为导航对抗的首要任务[1-3]。如何客观、全面地评价GNSS接收机的抗干扰能力,已成为接收机生产厂家和用户共同关心的重要课题。

由于导航对抗是一个信息不完全动态博弈过程,其中包含了大量的不确定性因素、复杂技术因素和人为因素,对GNSS接收机抗干扰效能评估难度较大。GNSS接收机抗干扰效能综合评估涉及到多指标体系和多种技术手段,对其指标体系应能够全面、客观的反映GNSS接收机的整体抗干扰性能,并具有可测性。目前对GNSS接收机的抗干扰效能评估主要是测试在一个或者两个宽带(窄带)干扰源下的抗干扰能力,对GNSS接收机的抗干扰效能评估不够全面、客观。

本文首先将GNSS接收机的抗干扰能力分为固有抗干扰能力、主动抗干扰能力和被动抗干扰能力,在此基础上建立能够较全面反映GNSS接收机抗干扰性能的指标体系。通过科学合理的多层结构分析,避免了评价指标不全面,又规避了主观的复杂因素。

1GNSS接收机抗干扰效能评估指标体系的构建

对于一个GNSS接收机,由于采用了不同的抗干扰技术,对不同干扰样式的抗干扰能力不同,不能仅通过采用抗干扰措施前后性能的提高差异来比较。

1.1GNSS接收机抗干扰能力分类

有些GNSS接收机的基本参数虽然不是接收机的抗干扰措施,但是它们是形成接收机设计功能的基本条件,实现接收机所必须的系统参数,对接收机的抗干扰能力有较为重要的作用。这些参数包括天线特性,接收机工作模式和接收信号,这些参数的选择会引起接收机抗干扰能力的变化[4]。本文将这些参数所影响的抗干扰能力称为接收机的固有抗干扰能力。

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当GNSS接收机处于干扰环境中时,会采取一些积极的措施或者信号处理等多种手段来阻止、抑制干扰,以改善接收机应对干扰环境的能力。目前的抗干扰措施主要有两种设计思路:

1) 主动抗干扰措施。主要有阻止干扰信号进入接收机的前端滤波技术和辅助导航的组合导航定位技术两种[3,5]。

2) 被动抗干扰措施。当干扰已经进入接收机后,可考虑在信息处理阶段完成对干扰的抑制,利用抗干扰算法提高接收机的卫星捕获、卫星跟踪和数据处理能力[4,6]。

1.2分层指标体系的构建

图1　GNSS接收机抗干扰效能评估指标体系层次结构图

基于上述对GNSS接收机抗干扰能力和抗干扰措施的分类,结合层次分析法解决问题的思路,本文建立的GNSS接收机抗干扰效能评估指标层次结构如图1所示。本指标体系由3个一级指标构成:GNSS接收机的固有抗干扰能力、主动抗干扰能力和被动抗干扰能力。其中固有抗干扰能力包括天线、工作模式和接收信号3个二级指标,主动抗干扰能力包括前端滤波和组合导航2个二级指标,被动抗干扰能力包括卫星捕获、卫星跟踪和数据处理3个二级指标。每个二级指标下设若干个三级指标。该指标体系共包括26个指标,涵盖了与GNSS接收机抗干扰能力有关的多种要素。其中各指标变量的名称、代码以及含义如下:

D1:天线增益G.提高接收机接收卫星信号的信噪比;

D2:低仰角抑制。低仰角的卫星信号较弱,容易受到干扰,且可以抑制部分多径和来自低仰角的干扰信号;

D3:GPS.美国的全球定位系统,覆盖全球,接收机接收GPS卫星信号进行导航定位;

D4:GLONASS.俄罗斯的全球定位系统,覆盖全球,接收机接收GLONASS卫星信号进行导航定位;

D5:北斗。中国的卫星导航定位系统,目前覆盖中国和周边部分区域,接收机接收北斗卫星信号进行导航定位;

D6:伽利略。欧洲的卫星导航定位系统,目前处于研究和部署阶段;

D7:兼容。接收机可以接收多个系统的卫星信号进行兼容定位;

D8:C/A码。又称民码,主要作为民用,其信号体制为公开,极易受到干扰;

D9:P码。又称军码,主要作为军事用途,卫星信号保密,抗干扰能力强;

D10:频谱滤波。包括带通和带阻滤波,此技术用于限定的窄带和CW干扰源,以及强的带外干扰;

D11:时间滤波。在时间域内对信号特征进行处理,用于多个窄带噪声干扰和CW干扰源,也能用于多路效应和回波抵消干扰问题;

D12:调零技术。采用自适应调零天线,通过天线的波束指向和波束形成抑制干扰,这种办法可同时对付窄带和宽带干扰,常见的有四阵元和七阵元的调零天线；

D13:波束转换。一般利用自适应平面阵列,根据GNSS卫星的选择性和干扰抑制的不同程度来提供波束控制;

D14:幅/相抵消技术。一般用装置在飞机顶端和底端的两个不同的天线模式来接收干扰信号和GNSS+干扰信号的混合信号,这两个信号组合在一起来抵消GNSS+干扰路径中的干扰信号,用于宽带和窄带干扰源;

D15:自适应极化。利用极化调零来消除干扰信号,极化调零的实现是利用一个侦察和跟踪/控制通道来识别和跟踪干扰信号的相位和幅度,再用一个混合连接抵消电路来抵消复合接收信号中的干扰部分;

D16:GNSS/惯导组合导航。GNSS接收机与IMU/INS组合后, 当GNSS接收机受到射频干扰时,IMU/INS系统可提供记忆功能,并使组合系统最终从所产生的任何导航误差中恢复,有紧耦合、超紧耦合;

D17:GNSS/地形辅助导航。由GNSS接收机与无线电高度表和数字地图构成的组合导航系统。

D18:A-GNSS.辅助全球定位系统,将无线通信信号、光跟踪、超声波等定位方法与GNSS相结合组成的导航定位系统;

D19:捕获灵敏度。GNSS接收机输出满足定位精度要求的位置结果时,所对应的最低捕获信号功率;

D20:虚警概率。GNSS接收机捕获到错误的卫星信号的概率;

D21:P码直捕。GNSS接收机不借助C/A码,实现P码的快速直接捕获;

D22:跟踪灵敏度。GNSS接收机能够保持稳定输出符合定位精度要求的位置结果时,所对应的最低跟踪信号功率;

D23:解调灵敏度。GNSS接收机在对卫星信号保持跟踪后,输出符合接收误码率要求所对应的最低接收信号功率;

D24:抗多路径。接收机内部采用窄相关、PAC等一些抗多径信号处理算法,数据处理采用载波伪距或其它残差校验消除大的误差;

D25:抗欺骗干扰。采取一些抗欺骗干扰信号的算法,有效检测或抑制欺骗干扰信号;

D26:矢量接收机。矢量接收机同时接收多颗卫星信号,并且将信号跟踪与位置/速度估计两项任务合并为一个算法,使接收机能够正常工作的最小载噪比降低,提高接收机的抗干扰能力。

2效能评估方法

层次分析法(AHP)是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。它通过对系统的指标分层次综合,经过归一化和一致性分析,得出系统综合效能[7-8]。

2.1层次分析法

该方法将一个复杂的问题分解成不同多指标(或准则、约束)的若干层次,通过逐层比较各种关联因素的重要性,综合决策者的判断,求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重,最后再加权和的方法递归得到总的效能。

层次分析法的基本步骤是:

1) 建立层次结构模型。在深入分析实际问题的基础上,将有关的各因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次,同一层的诸因素从属于上一层因素,同时又支配下一层的因素。

2) 构造成对比较阵。从第二层开始,对影响上一层每个因素的同一层因素,用成对比较法和1~9比较尺度构造成对比较阵,直到最下层。

3) 计算权向量并做一致性检验。对每一个成对比较阵计算特征向量,并做一致性检验。若检验通过,特征向量(归一化后)即为权向量;若不通过,需重新构造成对比较阵。

4) 计算组合权向量并做组合一致性检验。

2.2指标的重要性评估

每一个指标对GNSS接收机抗干扰效能的重要性影响分为:不重要、略微重要、中度重要、非常重要和相当重要5个等级,分别赋予分值1～5.经过几次反复咨询和反馈,得到GNSS接收机抗干扰效能指标重要度调查表,如表1所示。

表1　GNSS接收机抗干扰效能指标重要度调查表

2.3判断矩阵的构造和总权重的计算

通过对专家问卷的统计分析,得到各指标的重要性排序,进一步利用1～9标度法,得到A-Bi、Bi-Cj和Cj-Dk重要性判断矩阵。其中i=1,2,3,j=1,2,…8,k=1,2,…26分别为B、C和D层指标索引。在此基础上,运用和积法计算得到每一层对自己上一层的权重,进而得到最底层指标对总目标的权重ωk,k=1,2,…26.指标层B、C和D对上一层的权重贡献分别如表2、表3和表4所示。

表2　指标层B的权重贡献

表3　指标层C的权重贡献

表4　指标层D的权重贡献

经过一致性检验,上述排序符合一致性要求。从表4中可以看到D9、D12和D16所占的权重较大,说明P码接收机、调零天线和惯导辅助导航技术在GNSS接收机抗干扰性能上有突出的作用。

通过对评估结果的量化可得到被评估的GNSS接收机抗干扰能力的等级水平。

3结束语

GNSS接收机抗干扰效能评估涉及的因素多,关系复杂,因此建立一套科学、公正、合理、实用和可操作性的评价指标体系具有重要的现实意义。 本文将GNSS接收机的抗干扰能力分固有的抗干扰能力、主动抗干扰能力和被动抗干扰能力,在此基础上建立了一套较全面反映GNSS接收机抗干扰性能的指标体系。然后通过德尔菲法得到指标体系中各指标的重要性排序和各层次的重要性判断矩阵。最后通过实测的指标数据加权求和得到GNSS接收机总的抗干扰效能评估结果。本文对GNSS接收机抗干扰评价指标体系的考虑可能还存在疏漏与不足之处,在未来工作中应进行进一步的研究,提高评估体系的科学性和客观性。

参考文献

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税利(1983-),男,硕士,工程师,主要研究方向为导航与导航对抗。

张冲(1988-),男,硕士,助理工程师,主要研究方向为导航与导航对抗。

王博(1980-),男,硕士,工程师,主要研究方向为测绘与导航。

张旭(1984-),男,硕士,工程师,主要研究方向为数据处理。

Application of Ntrip in the GNSS-RTK Single-Station

SHUI Li,ZHANG Chong,WANG Bo,ZHANG Xu

(LuoyangElectronicEquipmentTestingCenter,Luoyang471003,China)

Abstract:The anti-jamming ability of GNSS receiver is a complicated and important work. We firstly classify GNSS receiver anti-jamming capability into inherent ability, active ability and passive ability. Secondly,proceeding with the above three aspects, we construct the effectiveness evaluation index system. Thirdly,the importance order of the indexes and the importance judgment matrix of every level are obtained by Delphi method. Finally, the total anti-jamming effectiveness of GNSS receiver is evaluated by summing the measured data of indexes

Key words:GNSS receiver; anti-jamming; evaluation of effect; analytic hierarchy process; Delphi method

作者简介

收稿日期：2015-06-08

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)06-0044-06

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.009