多星座卫星导航对抗测试系统设计与实现

董树理，葛海龙，刘 敏

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

0 引言

GPS、北斗卫星导航系统的信号到达地面用户接收机时非常微弱，使得导航信号淹没在噪声中。如：GPS信号的最大接收功率不会超过-150 dBW，其L1,L2,L5频点的接收功率一般在-150～-162 dBW之间[1]。虽然卫星导航信号采用扩频通信体制，具有较大的扩频增益，可以将淹没在噪声中的信号提取出来，但当干扰信号非常强，并且干扰类型复杂、干扰信号角度多变时，卫星导航接收机仍然会受到较大的影响[2]。

由于卫星导航系统抗干扰能力差，因此提升卫星导航接收机的抗干扰能力，是各国在卫星导航领域研究的热点。目前，新的抗干扰算法和技术已应用在产品中，但在实际干扰环境下，如何验证并测试抗干扰性能是一个难点。为此，需构建涵盖各种典型干扰场景的室内测试平台，模拟干扰信号、导航信号之间三维和动态连续变化，测试用户接收机的抗干扰性能。

国内外关于导航对抗测试的相关研究多集中在对干扰、抗干扰技术的研究上，主要体现为对干扰样式的分类、干扰多变性的研究和抗干扰技术的研究等，关于测试环境构建的研究主要集中于外场测试、实验室仿真测试相关技术[3-6]，关于利用导航暗室进行测试条件构建的研究较少。国内关于暗室的建设及应用主要集中在天线测试、电器部件EMC测试等领域，研究主要向吸波材料的优化、暗室形状优化2个方向发展[7-10]。基于暗室的导航对抗测试条件建设整体设计研究少见于报道，仅有部分关于其中天线分布、测试方法等技术的仿真研究[11-13]。

1 现有测试条件及模式分析

目前，针对卫星导航及导航对抗的性能测试和抗干扰性能评估主要有外场测试、全数字仿真和半实物仿真等方法。

1.1 外场测试

外场测试是指在室外大区域建立卫星导航接收机和导航对抗设备的无线测试环境，利用实际卫星信号，对设备的性能进行测试的方法。具体方法是卫星导航接收机接收空间实际卫星信号进行导航定位，测试其定位精度、抗干扰性能等指标。外场测试的优点在于测试条件接近真实环境、有利于在真实应用环境测试设备性能，缺点在于测试成本高、可重复性差，而且可能接收到外界环境的射频干扰而影响测试的精度和可信度。部分指标外场测试条件建设投入大，甚至不具备测试条件。如：接收机的测速精度测试，在外场进行测试需要建设标准测速场地，投入大，技术复杂。而接收灵敏度、系统完好性、接收机自主完好性监测和测距精度等指标测试由于需要改变卫星信号，在外场条件下不具备测试条件。导航对抗设备在外场测试易对附近卫星导航接收机造成影响。

1.2 全数字仿真

全数字仿真是指利用基于软件的卫星导航信号模拟、卫星导航软件接收机，对系统性能进行仿真评估。全数字仿真虽然成本低、安全性好，但由于卫星导航系统的复杂性，导致全数字式仿真无法完整、真实地反映现实中的卫星导航信号性能。因此，目前全数字仿真局限于理论研究和设计开发阶段；另外，软件接收机在导航信号测试、卫星导航信号模拟器研制等领域发挥了重要作用。

1.3 半实物仿真

半实物仿真是将数学模型、模拟设备和物理设备联系在一起而形成的一种仿真系统，是计算机仿真与物理效应仿真相结合的产物。半实物仿真系统具有研制周期短、质量高和成本低等优点，使其成为仿真领域中的一个重要分支。目前，半实物仿真用于卫星导航及导航对抗测试主要包括注入式仿真和微波暗室辐射式仿真2种模式。

微波暗室仿真测试，目前主要利用卫星导航信号模拟器等信号模拟设备，在微波暗室内构建无线测试环境，对卫星导航和导航对抗设备性能进行测试。卫星导航信号和干扰信号通过辐射方式将模拟的卫星导航信号送入接收机，其测试场景如图1所示。

图1 卫星导航设备暗室辐射式测试场景示意图

注入式仿真测试，是将卫星导航信号模拟器模拟的卫星信号直接通过射频电缆或仿真测试系统注入卫星导航接收机，通过仿真信号在空间传播过程中的衰减、衰落和时延等特性，以及接收机的运动等场景，进行测试。该方法有利于误差分离等各项技术的研究，确保测试的精度。

半实物仿真测试成本低、可控性好、重复性强且有利于测试信号和内容的保密，测试精度较高，方便进行卫星导航设备接收性能、导航对抗性能测试，是卫星导航测试技术的发展趋势。目前，基于暗室的导航对抗测试中，卫星导航信号采用单天线模拟的方式，经同一天线发射多颗卫星模拟信号，无法反映信号的空间位置关系，无法对各种空域抗干扰技术进行测试。

2 多星座卫星导航对抗测试系统

卫星导航抗干扰设备主要采用的抗干扰技术包括：时域滤波技术、频域滤波技术、空域滤波技术和空时自适应滤波技术等[14-16]。尤其是空时自适应技术，具备抗多种干扰的能力，并且具有干扰识别和定位的能力，处理性能优于传统的抗干扰技术，在实际的抗干扰接收机中得到广泛应用。在国内的抗干扰技术应用中，以阵列天线和多波束技术为代表的抗干扰技术发展较为成熟。

在微波暗室进行干扰、抗干扰测试时，如果卫星信号采用单天线模拟方式，在特定场景下多星合成射频信号，利用单天线从一个方向辐射，这种方法无法模拟卫星信号空间位置关系。例如，卫星信号单天线输出测试方法只能测试波束形成天线中的法向波束，而无法测试其他波束，不能真实反映波束形成天线抗干扰接收机的实际性能。因此，在微波暗室干扰、抗干扰测试环境中要实现抗干扰能力的测试，需要多通道卫星信号源，采用多天线输出方式将每个卫星信号通过单独的天线发出，构造一个能够模拟多星座卫星导航信号空域特征的半物理仿真环境，同时还需要多种不同的干扰源，在不同位置发射干扰信号以实现大角域的动态干扰信号模拟，此方法模拟的测试环境逼近了外部真实的卫星信号及干扰信号分布场景。

多星座卫星导航对抗测试系统主要用来为卫星导航接收机测试提供射频仿真试验环境，需满足如下功能要求：

① 支持多星座的真实卫星信号来波方向仿真，能够模拟实际导航卫星信号空间变化规律；

② 覆盖频段包括：北斗、GPS等；

③ 能够模拟多种复杂电磁环境下，卫星导航信号与干扰信号、多径信号等空间合成输出，提供全面、准确的测试场景及测试信号；

④ 具有进行卫星导航接收机高动态、抗干扰测试的射频仿真环境。

系统可用于对各类型卫星导航接收机接收性能的测试，对接收机进行导航对抗测试，开展对GNSS接收机不同抗干扰技术和抗干扰能力的研究测试。

3 系统总体设计

多星座卫星导航对抗测试系统主要由微波暗室、导航信号模拟分系统、干扰信号模拟分系统、卫星导航接收机分系统、天线分系统、转台分系统、测试设备分系统、控制分系统和时频与网络分系统等组成，为卫星导航接收机的抗干扰性能测试提供一个完备的室内信号测试环境。在微波暗室顶部和四周墙壁布设导航星座模拟天线，干扰天线布设于四周墙壁上，通过导航信号模拟分系统，将每个卫星的信号通过单独的天线发出；由于不同的卫星导航系统采用不同的轨道设计和卫星布局，在设计仿真测试系统时，需要考虑这些不同轨道卫星可能的分布情况，建成的辐射式仿真测试系统能够尽可能真实地模拟典型空间卫星分布情况；同时，通过在不同仰角和方位的干扰天线，干扰信号模拟分系统模拟多种不同的干扰信号。测试系统主要组成如图2所示。

图2 多星座卫星导航对抗仿真测试系统组成

4 导航卫星星座模拟与仿真验证

4.1 星座模拟设计

卫星星座方案设计依据覆盖性、复杂性、可靠性、可维护性、安全性和可扩展性等原则要求，可采用若干个固定天线安装在暗室顶部、四周墙面组成离散天线阵的设计方案。

卫星星座环境模拟方案需要满足卫星星座信号空时特性模拟以及抗干扰测试需求，离散天线布局主要用来模拟被测天线阵元所面临的卫星星座模拟环境。因此，离散天线布局要求如下：

① 同一仰角轨道平面内的卫星信号空间夹角可以满足不同波束宽度指标的波束形成技术测试；

② 各轨道间同一方位角的卫星信号的仰角夹角也应该满足不同波束宽度指标的波束形成技术测试。

各离散天线间的仰角间隔和同一仰角卫星间的空间夹角，其角度定义如图3所示。

其中，sat1和sat2是同在一个仰角平面内的2个相邻天线；sat1和sat3是相邻仰角平面上方位角相同的2个相邻天线；θ，φ分别定义为仰角、方位角；ΔΦ为从被测设备到2个天线的视线夹角，即2个天线方向间的空间夹角。

图3 角度定义

对7元圆阵平面阵的形成的波束宽度进行仿真分析，7元圆阵3 dB波束宽度为47°，同时随着天线阵规模增大，波束宽度变小。

因此，为满足7元阵抗干扰测试需求，对卫星星座模拟的需求如下：

① 同一仰角轨道平面内的卫星信号空间夹角需要低于47°；

② 各轨道间同一方位角的卫星信号的仰角夹角也应该低于47°。

为满足需求，在暗室共设24个天线，其中包含位于暗室天顶中心点的收发一体天线。相邻天线之间的最小空间夹角设计为10°～46°。

4.2 仿真验证

为了验证离散天线布局是否满足发射卫星信号的需要，要求离散天线阵最大程度地接近于真实的卫星星座时间和空间的变化；同时为实现各种抗干扰场景的构建，要求离散天线阵能够覆盖所有类型的接收终端测试需求。

通过设计方案中的24阵元离散天线阵可用来模拟实际卫星的轨迹。由图4可以看出，实际卫星轨迹并不完全经过布设的天线，但是在偏离实际轨迹点小于47°的空间夹角以内必定有一个离散天线存在。因此，可以通过离散天线阵中最靠近的实际卫星轨迹的固定天线发射相应的卫星信号。

图4 离线天线阵分布与实际卫星轨迹示意图

图4中，实线表示某一卫星的实际轨迹，虚线为离散天线组成的模拟轨迹。通过离散卫星轨迹模拟结果与实际卫星轨迹的比较，可以看出离线天线阵可以近似模拟真实卫星在空间上的运动轨迹。

5 结束语

基于各种抗干扰技术的卫星导航设备已逐步得到应用，但在实际干扰环境下如何验证并测试抗干扰性能是个棘手的问题。为此，基于导航暗室构建无线仿真测试环境，模拟实际环境中可见星座导航信号及可能面临的多种复杂干扰，可较为全面地测试卫星导航接收机的动、静态性能，完成复杂电磁环境下抗干扰能力的定量测试与评估。