無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾措施

摘要：通過(guò)介紹無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)特性，分析了無(wú)人機(jī)GPS 信號(hào)不穩(wěn)定的原因，并采取合理布局GPS接收天線的位置、在GPS 接收天線與設(shè)備特別是有源設(shè)備之間加入隔離裝置等措施，提高了無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性。

引言

無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一是導(dǎo)航/飛控系統(tǒng)，它是無(wú)人機(jī)安全飛行、有效完成任務(wù)的重要保證。當(dāng)前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass 及中國(guó)正在研究的"北斗"系統(tǒng)。其中，GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)GPS 信息采集、電子羅盤(pán)信息采集、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、飛行控制策略確定及控制任務(wù)執(zhí)行等工作。GPS 的靈敏度非常高，如何提高GPS 導(dǎo)航控制系統(tǒng)的抗干擾性就顯得相當(dāng)重要。

1 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)特性

GPS 是一種全向天線，需要借助于低噪聲放大器來(lái)提高其增益，達(dá)到高增益和高靈敏度的性能要求。

GPS 衛(wèi)星信號(hào)所包含的載波、測(cè)距碼(包括P 碼、C/A碼)、數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文，或稱(chēng)D 碼)都在同一個(gè)基本頻率f0=19 MHz 控制下產(chǎn)生的。其中載波是GPS 衛(wèi)星信號(hào)取無(wú)線電波中L 波段的兩種不同頻率的電磁波。其中的一個(gè)載波上調(diào)制有2 MHz 的偽隨機(jī)噪聲碼(稱(chēng)為粗碼或C/A碼)、20 MHz 加密的偽隨機(jī)噪聲碼(稱(chēng)為精碼或P 碼)。在另一個(gè)載波上調(diào)制有精碼和導(dǎo)航電文，區(qū)別不同衛(wèi)星采用碼分多址，C/A 碼用于普通測(cè)距并過(guò)渡到捕獲精碼，精碼用于精密測(cè)距，一般用戶只能用C/A 碼。

在20 000 km 高空飛行的GPS 衛(wèi)星，向地面用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)(GPS 信號(hào))是一種可供全球用戶共享的空間信息資源，但其信號(hào)強(qiáng)度極其微弱，即使在天頂運(yùn)行的GPS 衛(wèi)星，其信號(hào)到達(dá)GPS 接收天線時(shí)，信號(hào)電平約為-129.6 dBm,如此微弱的GPS 信號(hào)極易受到系統(tǒng)電磁環(huán)境的電子干擾。而GPS 接收機(jī)依賴(lài)于GPS 衛(wèi)星(SV)發(fā)射的外部射頻(RF)信號(hào)工作，所以GPS 接收機(jī)很容易受到RF 干擾的影響。RF 干擾能使GPS 接收機(jī)導(dǎo)航精度性能降低或使GPS 接收機(jī)跟蹤完全丟失。

1.1 電磁環(huán)境電平

電磁環(huán)境電平的定義：在規(guī)定的試驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間內(nèi)，當(dāng)試驗(yàn)樣品未通電時(shí)，已存在的輻射及傳導(dǎo)的信號(hào)和噪聲電平。

圖1 中是GJB 151A-1997 中給出的RE102 極限值曲線。

GPS 接收機(jī)接收到的信號(hào)電平必須低于RE102 極限值曲線。

1.2 GPS 靈敏度

GPS 靈敏度是指GPS 接收機(jī)的靈敏度，是GPS 接收機(jī)最為重要的性能指標(biāo)之一，它包括：跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動(dòng)靈敏度。

GPS ICD(Interface Control Document,接口控制文檔) 文件規(guī)定的GPS 系統(tǒng)L1 頻段C/A 碼信號(hào)功率最小值為-160 dBW,即GPS 靈敏度S=-130 dBm.GPS工作頻率f=1575.42 MHz,其信號(hào)波長(zhǎng)λ=19 cm。

1.3 GPS 天線系數(shù)

工程上常根據(jù)天線增益來(lái)計(jì)算天線系數(shù)，表示為：

換算成dB 表示為：

為了計(jì)算方便，寫(xiě)成如下形式：

式中，f 為頻率(MHz);G 為GPS 天線增益。

GPS 天線增益包括無(wú)源天線增益和有源放大器增益兩部分，其中無(wú)源天線增益Gp=-4 dB,有源部分的增益Ga=40 dB。

通過(guò)式(3)可知，工作頻率f=1575.42 MHz 的GPS 天線，其無(wú)源部分的天線系數(shù)AF = 38.1979 dB。

根據(jù)RE102 極限值，在f=1575.42 MHz 上背景電平的幅度最大值約為L(zhǎng)=46 dBμV/m。

GPS 接收機(jī)前端的信號(hào)最高能量為：

所以，GPS 接收機(jī)前端信號(hào)最高能量為47.8 dBμV即-59.2 dBm。

由于GPS 接收機(jī)的靈敏度為-130 dBm,滿足RE102的設(shè)備級(jí)輻射發(fā)射的最高信號(hào)要比GPS 靈敏度高大約70 dB,可能對(duì)GPS 接收機(jī)造成干擾。也就是說(shuō)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在該頻點(diǎn)的信號(hào)電平很可能超過(guò)GPS 信號(hào)電平，進(jìn)而對(duì)GPS 接收裝置造成干擾。

2 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)干擾分析

GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)干擾通常分為四類(lèi)：帶干擾、連續(xù)波干擾和脈沖干擾。

(1)寬帶(WB)干擾指占用兩個(gè)調(diào)制帶寬的干擾信號(hào)。

它是干擾GPS 信號(hào)最有效的方式，一般難以被濾除掉。

(2)窄帶(NB)干擾指占用帶寬大于1 MHz,小于等于整個(gè)C/A 碼帶寬的任何有害信號(hào)。窄帶干擾主要圍繞著載頻集中發(fā)射干擾信號(hào)，以達(dá)到最大的干擾效果。

(3)連續(xù)波(CW)干擾指占用帶寬小于100 MHz 的干擾信號(hào)。它主要在一定頻率上產(chǎn)生單尖峰噪聲，如果它集中在擴(kuò)頻譜信號(hào)的截頻附近，將極具破壞性，但它容易從所接收的信號(hào)中被濾除掉。

(4)脈沖干擾指采用脈沖持續(xù)時(shí)間極短、功率很大的信號(hào)。這些信號(hào)相當(dāng)于噪聲源，會(huì)使數(shù)據(jù)流產(chǎn)生猝發(fā)性誤差，它對(duì)理想接收機(jī)中的數(shù)據(jù)檢測(cè)器很不利。它可以通過(guò)在發(fā)射的GPS 信號(hào)中加入衰減校正能力，或者通過(guò)估計(jì)干擾機(jī)狀態(tài)(有或無(wú))，并在有干擾機(jī)時(shí)忽略其數(shù)據(jù)而進(jìn)行補(bǔ)償。

在某型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的試飛試驗(yàn)中，曾出現(xiàn)過(guò)無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈設(shè)備干擾GPS 的現(xiàn)象。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，GPS信號(hào)突然不穩(wěn)定，甚至收不到GPS 信號(hào)，導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)誤差增大，飛機(jī)不得不帶油返航。

飛機(jī)落地后，進(jìn)行了飛機(jī)環(huán)境電平測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈設(shè)備在GPS 接收機(jī)頻帶內(nèi)有一個(gè)固定的脈沖信號(hào)，干擾了GPS 信號(hào)的正常接收。通過(guò)降低測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈設(shè)備機(jī)箱輻射、改善濾波器性能等方法濾除了干擾。

我們對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)生的電磁干擾現(xiàn)象進(jìn)行了分析：

(1)測(cè)控鏈路的C 波段設(shè)備小信號(hào)工作時(shí)，差分GPS 天線接收信號(hào)的旁邊有寬帶干擾信號(hào)存在，并且兩個(gè)天線距離太近，影響正常GPS 信號(hào)接收;(2)UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下，在GPS 工作頻率附近的1 590 MHz 受到對(duì)講機(jī)干擾;(3)對(duì)無(wú)人機(jī)的設(shè)備艙施加10 kHz~18 GHz 外界干擾時(shí)，光電平臺(tái)抖動(dòng)，圖像出現(xiàn)條紋，通信鏈路C 波段失鎖，KU 天線失鎖，油量傳感器異常。(4)測(cè)控鏈路視距UHF 設(shè)備干擾了正常GPS 信號(hào)的接收。

測(cè)控鏈路的C 波段設(shè)備小信號(hào)工作時(shí)，差分GPS 天線接收信號(hào)在1.2~1.8 GHz 頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)能量約為-100 dBm,比GPS 接收機(jī)靈敏度高30 dB.而當(dāng)該小信號(hào)不工作時(shí)，該頻帶范圍的信號(hào)能量回復(fù)到-150 dB 以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GPS 接收機(jī)的靈敏度，不會(huì)影響到GPS 接收機(jī)的信號(hào)接收。

經(jīng)RE102 測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下，1 590 MHz 附近的環(huán)境電平約為67 dBμV,即能量約為-40 dBm,比第二節(jié)中得出的GPS 接收機(jī)前端的信號(hào)最高能量-59.2 dBm 高出約20 dB,因此GPS 容易受到干擾。

而當(dāng)UHF 天線不處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，該環(huán)境電平下降到20 dBμV 左右，能量約為-87 dBm,比-59.2 dBm 低約30 dBm,不會(huì)對(duì)GPS 的接收造成干擾。

3 改善GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性

由于無(wú)人機(jī)GPS 接收機(jī)的靈敏度非常高，在GPS 接收天線附近工作的設(shè)備特別是有源設(shè)備極容易造成其環(huán)境電平的上升而對(duì)GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)造成干擾。

我們通過(guò)增加機(jī)載設(shè)備與GPS 接收機(jī)的隔離度來(lái)降低干擾，既：

(1)合理布局GPS 接收天線的位置，將GPS 接收天線安放在UHF 天線的副瓣位置。由于天線副瓣位置處的天線發(fā)射功率最小，因此對(duì)GPS 接收天線造成的干擾也就最少。

(2)在GPS 接收天線與測(cè)控鏈路的C 波段設(shè)備的小信號(hào)工作通道之間加入濾波器或衰減器，將影響GPS接收頻段的信號(hào)濾除，這樣保證測(cè)控鏈路的C 波段設(shè)備小信號(hào)工作時(shí)傳導(dǎo)到GPS 接收器前端的信號(hào)小于GPS的靈敏度。

4 結(jié)語(yǔ)

利用電磁環(huán)境、GPS 靈敏度及GPS 天線系數(shù)的概念對(duì)實(shí)際工作情況下的GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性進(jìn)行了定量分析。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，測(cè)控鏈路的C 波段設(shè)備易受到寬帶信號(hào)的干擾。并且在UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)易受1 590 MHz 的GPS 工作頻率附近的信號(hào)干擾，嚴(yán)重影響了GPS 信號(hào)的接收。通過(guò)增加濾波器或衰減器、調(diào)整GPS 接收天線位置等整改措施后，GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)能夠正常地接收GPS 信號(hào)。

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