BPSK调制压制式干扰对北斗接收机B1I信号的影响研究

中国华阴兵器试验中心 袁春兴 苏东初 杨 健 王瑞刚 解双建

随着北斗导航在社会各行各业的广泛应用，行业内越来越重视干扰信号对北斗导航造成的影响。干扰信号主要分为无意的自然干扰和有意的人为干扰。对于自然干扰，业内已有较为成熟的处理方案，而有意的人为干扰问题却越来越突出，特别是容易对北斗接收机造成重大干扰的压制干扰方式。

压制干扰即发射干扰信号以压制在北斗接收机射频前端的北斗导航信号，通过时域和频域的信号强度覆盖，使得北斗接收机无法正常解调北斗导航信号，从而达到干扰北斗接收机正常工作的目的。一些研究结果表明：压制干扰方式可能是对北斗导航信号解调威胁最大的干扰方式，常见对北斗接收机的压制干扰方式有窄带干扰和宽带干扰等。

北斗卫星发出导航信号，通过大气层达到用户段，这一过程中，导航信号的强度被大幅度衰减，用户接收机的天线输入端最小电平仅有-133dBm，极易受到压制信号的干扰。研究压制信号对北斗导航信号的干扰原理与过程，对北斗接收机的正常与高质量工作具有重要意义。

本文通过分析，研究了窄带和宽带BPSK调制下的压制干扰信号对北斗直扩接收机B1I信号的影响，对压制干扰信号的特性与北斗接收机在干扰下的效能、抗干扰手段的研究存在一定价值。

1 导航信号概述与生成

北斗卫星发射的信号从结构上分为三个层次：载波、测距码、数据码。测距码和数据码一起通过调制依附在正弦波形式的载波上。北斗导航系统的B1I信号采用BPSK调制，BPSK调制信号表示为：

式中，A为信号幅值；C为测距码；D为数据码；f为信号载波频率（1561.098MHz）；φ为载波初始相位。

图1为北斗B1I信号结构示意图。在卫星信号发射端，PRN编号为i的卫星首先将数据码与测距码异或相加，从而完成数据码对测距码的调制。接着，将两者的组合码再对载波进行BPSK调制，使整个测距码信号以载波中心频率被卫星发射出去。如图2所示。

图1 北斗B1I信号结构示意图

图2 北斗B1I信号频谱图

2 压制式干扰信号概述与生成

由于B1I信号采用BPSK调制，为了达到更好的干扰效果，压制式干扰信号同样采用BPSK调制。

压制式干扰主要分为窄带压制和宽带压制。窄带干扰是指干扰信号带宽小于扩频信号带宽的干扰信号，其主要参数有起始频率、终止频率和干扰带宽。在实际工作环境中，BPSK窄带干扰（BPSK-NBI）可通过直接数字频率合成器（DDS）产生BPSK信号后再将其调制到导航载频上产生。BPSK窄带干扰的随机二进制码码元速率调快即可产生宽带BPSK干扰（BPSK-WBI）。

BPSK干扰IBPSK(t)的数学模型为：

式中，PJ为干扰功率；fc为干扰载频；θ为调制载波随机相位；an为随机二进制非归零比特流；Tb为二进制比特的码元宽度。

an的表达式为：

调整PJ、fc、Tb的值即可产生不同功率、载频和带宽的BPSK干扰信号。为了最大限度压制接收机，往往使Tb等于相应导航频点对应测距码的码片宽度。BPSK干扰的功率频谱PBPSK(f)为：

窄带干扰和宽带干扰信号频谱图如图3和图4所示。

图3 2.046MHz带宽压制干扰信号

图4 20.46MHz带宽压制干扰信号

如图3所示，调整BPSK码速率2.046Mbps，产生带宽为2.046MHz的压制信号。

如图4所示，调整BPSK码速率20.46Mbps，产生带宽为20.46MHz的压制信号。

从图3和图4可看出压制信号的功率谱与BI1导航信号的功率谱形状十分类似，同样具有主谱瓣和延拓的旁瓣，除了调制的比特流与幅度不同之外，两者并无明显差异，这使得BPSK调制的压制信号与B1I导航信号混淆之后难以分离。并且BPSK调制的压制干扰信号，使得原本的周期性载波信号变成了具有非周期干扰信号，造成原本在频域上的单峰离散谱变成了具有一定带宽的连续谱，扩大了干扰信号影响的频谱范围。

3 干扰半实物仿真试验

为了接近真实情况分析压制式干扰对北斗接收机信号处理的影响，本文搭建测试平台进行了测试试验。测试平台由北斗导航测试暗室、GNS-8460卫星导航信号模拟器、SMBV100A信号发生器、C230-AT-R北斗导航接收机，性能测试采用TX-6B终端性能测试转台、FSQ26矢量信号分析仪。利用卫星导航信号模拟器产生北斗导航信号，信号发生器产生宽带和窄带压制导航干扰信号，测试不同干扰条件下对北斗导航接收机的影响。

测试平台如图5所示。

图5 测试平台连接图

3.1 测试步骤

测试过程步骤如下所示：

（1）设置检测平台场景为相应干扰场景。按要求设定B1I导航信号，并播发信号，120s后检测平台播发干扰信号。

（2）检测平台通过串口设置接收机输出定位和测速精度数据。

（3）如果接收机在检测开始2min后没有上报定位、测速数据、上报定位和测速数据过程存在30s以上中断，则判定接收机工作异常。

（4）如果接收机正常上报定位和测速数据结果，待结果数据不少于设定的个数或者采集时间达到设定时间，检测平台设置接收机停止定位结果输出，并统计接收机的定位和测速误差。如果上报数据少于设定的个数或误差过大则判定接收机工作异常。

（5）如果接收机工作正常，则干信比增加1dB继续测试。

在测试评估阶段，检测平台将接收机上报的定位测速信息与检测平台设置的已知位置速度信息进行比较，计算位置和测速误差。位置误差有三种表达方式：空间位置误差，水平误差和高程误差。水平误差计算方法如下：

式中，Δr为水平误差；ΔE为东向位置误差分量；ΔN为北向位置误差分量。空间位置误差计算方法如下：

式中，ΔH为水平误差。东向位置误差分量、北向位置误差分量、高程位置误差分量的计算方法如下：

式中，j为参加统计的定位信息样本序号；n为样本总数；x′i,j为接收机输出的位置分量值；xi,j为检测平台仿真的已知位置分量值；i取值E（东向）、N（北向）或H（高程）。

检测平台对n个测量结果按照从小到大进行排序。取第[n·95%]个结果作为本次检定的定位精度。如果该值大于指标要求的规定，则判定接收机工作异常。

接收机正常工作条件下最大干信比定义为接收机的干扰抑制度。

3.2 测试结果

试验内容与测试结果如表1所示。

表1 测试结果表

在试验中，搭建了三种不同测试环境，其中卫星信号功率和干扰信号调制样式保持一致。窄带干扰带宽为典型值2.046MHz，宽带干扰带宽为典型值20.46MHz。可以看出，在这三种测试情况下，窄带干扰信号下接收机的干扰抑制度均稍大于宽带干扰信号下接收机的干扰抑制度，这说明宽带干扰效果相对窄带干扰较为明显。

结语：本文首先介绍了导航信号和压制式干扰信号，着重介绍了信号生成方法，为后面半实物仿真试验奠定了基础。后在半实物仿真条件下，研究了BPSK调制压制式干扰信号对北斗导航信号的影响。试验结果得出：同步加大宽带干扰和窄带干扰的功率，宽带干扰首先使得该试验北斗接收机无法正常工作，被测接收机具有较低的宽带干扰抑制度，宽带干扰综合干扰效果较好。