GPS干擾系統(tǒng)仿真及仿真結(jié)果研究

引言

MATLAB軟件的編程語(yǔ)言稱為MATLAB語(yǔ)言，是一種高效率的、用于科學(xué)工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，它的語(yǔ)法規(guī)則簡(jiǎn)單，貼近人的思維方式。同時(shí)，MATLAB語(yǔ)言調(diào)試方便，調(diào)試過(guò)程中可設(shè)置中斷點(diǎn)，存儲(chǔ)多個(gè)中間結(jié)果，可把編輯、編譯、連接和執(zhí)行融為一體，并能快速排除程序中的錯(cuò)誤。MATLAB在矩陣運(yùn)算方面特別簡(jiǎn)捷、高效和方便。

MATLAB在數(shù)值計(jì)算、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、特殊函數(shù)和圖形等領(lǐng)域表現(xiàn)出一般高級(jí)語(yǔ)言難以比擬的優(yōu)勢(shì)，本文正是利用這一優(yōu)勢(shì)來(lái)進(jìn)行GPS通信系統(tǒng)的仿真、數(shù)值計(jì)算、干擾效果圖形的繪制。

1仿真系統(tǒng)模型

1.1發(fā)射子系統(tǒng)

GPS使用直接序列擴(kuò)展頻譜技術(shù)，導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼與擴(kuò)頻C/A碼相乘或模2加運(yùn)算后，可對(duì)載波進(jìn)行差分BPSK調(diào)制，以形成射頻擴(kuò)頻信號(hào)，其系統(tǒng)模型如圖1所示。數(shù)據(jù)信息與擴(kuò)頻碼(此處為C/A碼)進(jìn)行模2加后，即可完成擴(kuò)頻調(diào)制，然后用擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制載波，以形成發(fā)射信號(hào)，再經(jīng)放大后發(fā)射出去。

1.2 接收子系統(tǒng)

接收子系統(tǒng)的模型如圖 2 所示。

圖中，接收的信號(hào)經(jīng)射頻濾波放大后，先與本地?cái)U(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理，再與本地同步載波進(jìn)行DBPSK解調(diào)，最后經(jīng)過(guò)積分及門限判決，恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息d(t)在這里，積分器和門限判決的功能是基帶濾波器功能的實(shí)現(xiàn)。A.D.Wllalen已經(jīng)證明，0-T積分器在T時(shí)刻判決，其結(jié)果與基帶匹配濾波器在T時(shí)刻的輸出完全一致。其接收信號(hào)可表示為：

u(t)=s(t)+J(t)+n(t)(1)

1.3信道子系統(tǒng)

設(shè)信號(hào)為s(t),高斯白噪聲為n(t),干擾為J(t),那么，其信道子系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3信道子系統(tǒng)模型

這樣，經(jīng)信道到達(dá)接收機(jī)輸入端的復(fù)合信號(hào)表示為:

r(t)=s(t)+n(t)+J(t)(2)

1.4干擾機(jī)子系統(tǒng)模型

在對(duì)干擾機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素,如干擾機(jī)的功率P」、干擾機(jī)與GPS接收機(jī)之間的距離%、干擾機(jī)的升空高度h、干擾信號(hào)到接收機(jī)的入射角a等。建立干擾機(jī)子系統(tǒng)模型，研究干擾機(jī)的干擾效果，可通過(guò)對(duì)干擾機(jī)子系統(tǒng)模型的分析來(lái)進(jìn)行。在干擾機(jī)子系統(tǒng)模型中，到達(dá)GPS接收機(jī)的干擾信號(hào)能量(或干擾信號(hào)功率)是評(píng)測(cè)干擾效果的重要表征，也是干擾機(jī)子系統(tǒng)仿真分析的主要參數(shù)，此能量式中綜合了諸多因素，如干擾機(jī)在發(fā)射時(shí)的能量(或功率)、干擾機(jī)的升空高度、干擾機(jī)距接收機(jī)的距離、接收機(jī)天線的類型、干擾信號(hào)的頻率等。

2仿真結(jié)果及分析

2.1仿真干擾環(huán)境的設(shè)計(jì)

對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行干擾的最重要因素就是進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號(hào)功率的大小。GPS接收機(jī)接收到的干擾信號(hào)功率與干擾機(jī)升空高度、干擾機(jī)與接收機(jī)距離以及接收機(jī)天線增益有關(guān)。而天線的接收增益與干擾信號(hào)的入射角有關(guān)。接收增益具有方向性，當(dāng)入射角a=0°時(shí)(即垂直方向)，具有最大增益;當(dāng)a>48°時(shí)，其增益明顯降低。干擾信號(hào)的功率改變會(huì)產(chǎn)生不同的干擾效果，在干擾功率相同時(shí)，不同類型的干擾信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生不同的干擾效果。

通過(guò)以上分析，現(xiàn)將干擾機(jī)升空高度、干擾機(jī)與接收機(jī)距離、干擾信號(hào)的入射角以及干擾信號(hào)類型作為干擾環(huán)境參數(shù)。

2.2仿真結(jié)果分析

一般情況下，寬帶Gold碼干擾效果要比窄帶CW干擾效果好。在相同條件下，達(dá)到同樣的誤碼率時(shí)，Gold碼的干擾功率要比CW的干擾功率小3W左右。

若以誤碼率在0.3以上為有效干擾，采用CW為干擾信號(hào)，干擾機(jī)功率為5W，升空高度為10.0km時(shí)的有效干擾距離至少為10.6km，升空高度為8.0km時(shí)的有效干擾距離至少為8.5km，升空高度為7.0km時(shí)的有效干擾距離至少為7.4km。其CW干擾效果如表1所列。

表1CW碼干擾效果

若以誤碼率在0.3以上為有效干擾，采用Gold碼為干擾信號(hào)，干擾機(jī)功率為1W，升空高度為10.0km時(shí)的有效干擾距離至少為14.8km，升空高度為8.0km時(shí)的有效干擾距離至少為8.5km；干擾機(jī)功率為2W，升空高度為9.0km時(shí)的有效干擾距離至少為13.0km；升空高度為7.0km時(shí)的有效干擾距離至少為10.2km。其干擾效果如表2所列。

表2Gold碼干擾效果

從對(duì)仿真結(jié)果的分析可以看出，要得到好的干擾效果，干擾機(jī)的升空高度非常重要，因此，在GPS干擾模式中，干擾機(jī)平臺(tái)應(yīng)為空基式，搭載GPS干擾機(jī)的具體方式可采取氣球搭載、飛行器搭載、山頂布放等。在干擾信號(hào)類型選取上，寬帶Gold碼擴(kuò)頻干擾要比窄帶CW信號(hào)干擾效果好。

前面的所有分析都是針對(duì)具體的干擾方法，GPS是一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)，要對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效的干擾，就必然需要一個(gè)干擾體系，特別是當(dāng)GPS接收機(jī)采用多種抗干擾措施后，使用少量干擾機(jī)進(jìn)行干擾的效果將會(huì)被大幅度削減。因此，更合理可行的干擾平臺(tái)應(yīng)采用分布式干擾方式，必將有更好的干擾效果。目前，GPS抗干擾的措施主要有被動(dòng)和主動(dòng)兩種。前者雖然能夠有效地抑制干擾信號(hào)，但是很有限，所以，采用分布式干擾應(yīng)采用6個(gè)以上的干擾源，而做到這一點(diǎn)并不是很困難。當(dāng)采用分布式干擾時(shí)，如個(gè)別干擾源被破壞，對(duì)整個(gè)干擾系統(tǒng)效能的影響是很小的。由此可見(jiàn)，采用分布式GPS干擾系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗GPS接收機(jī)的抗干擾能力是一種很好的方法。

3結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用MATLAB建立仿真系統(tǒng)模型與子系統(tǒng)模型，然后對(duì)GPS的干擾系統(tǒng)進(jìn)行仿真結(jié)果分析，然后通過(guò)對(duì)比，即可得到最有效的干擾手段及抗干擾方法。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，GPS干擾模式釆用空基多平臺(tái)分布式干擾系統(tǒng)具有很好的干擾效果。在這個(gè)干擾系統(tǒng)中，可以根據(jù)實(shí)際地形、空間情況，釆用多種干擾機(jī)平臺(tái)。

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