卫星制导弹箭抗干扰性能试验方法研究

2023-02-07张正成王栋梁李凡聪王军林

现代电子技术 2023年3期

张正成，王栋梁，李凡聪，王军林

（中国兵器工业试验测试研究院，陕西华阴 714200）

0 引言

自1998年全球卫星定位导航系统（GNSS）建设以来，微电子新兴技术不断涌现，以GNSS为主的组合导航测姿系统迅速发展[1]。我国自北斗卫星导航系统（BDS）投入使用以后，相关产品已广泛应用于各行业。在常规弹药领域，卫星制导已变成了一种低成本的精确制导解决方案，大量的弹箭通过采用复合制导技术，结合不同制导技术的优点，大幅度提高了作战性能[2]。

由于卫星距地面遥远，卫星导航与制导组件收到的卫星信号功率极小[3]，容易受到地面和空中的电磁干扰影响，这些干扰既包括由复杂电磁环境带来的无意干扰，如雷达系统、广播信号和微波通信等，又包括战时的压制干扰、欺骗干扰等有意干扰类型[4]。电磁干扰容易造成导航接收机锁定卫星信号定位失锁，导航精度下降[4]。因此，在卫星制导弹箭研制阶段，通过配置不同的卫星干扰环境条件，实现卫星抗干扰能力评价，是卫星导航与制导组件性能定量评估的关键途径。

在卫星抗干扰试验中，按照试验场景不同主要分为内场试验和外场试验[5]。内场试验在微波暗室中进行，通过卫星模拟器、干扰系统，测试制导舱接收星历情况，评估其抗干扰能力。外场试验分为静态试验和动态试验，制导舱接收真实卫星信号，通过增加干扰源评估其抗干扰能力。本文结合实际工作情况对以上几种试验场景进行分析，研究如何通过少量代表性强的场景，真实、有效地评估测试其抗干扰性能，从而提高武器装备研制效率。

1 试验方法研究

1.1 微波暗室试验

微波暗室利用屏蔽材料屏蔽外界电磁干扰，吸波材料抑制内部电磁多路径反射干扰，进而提供电平低而恒定的磁环境，用来模拟无环境反射的自由空间，具有不受天气因素的影响和通过计算机实现自动化测试的优点[6]。

如图1所示，在微波暗室中布设干扰天线、卫星天线和被试品，在测试间中通过干扰信号模拟器按照设定的干扰场景依次施加干扰，由测试设备得出每种干扰下的最大干信比数据及卫星定位情况。

图1 微波暗室试验法原理图

1.2 外场静态试验

外场按照工作原理不同可以分为静态、动态试验，它们均为通过接收空间真实卫星信号来进行抗干扰试验。如图2所示，静态试验方法为按照预设场景在被试品周围布设干扰天线，通过依次施加不同的干扰，测试最大干信比数据及卫星定位情况。

图2 外场静态试验原理图

1.3 外场动态试验

外场动态试验方法为通过实弹射击在目标弹道线下进行干扰源布设，以进行抗干扰试验。如图3所示，按照理论弹道，在落区布设卫星干扰源G1，满足弹体与G1的斜距d1距离在一定范围内；在航区内布设卫星干扰源G2、G3，满足弹体与G2、G3的斜距d2、d3距离在一定范围内。

图3 外场动态试验原理图

在弹体飞行过程中，通过遥测数据判别卫星定位情况，记录卫星无法正常定位临界时刻的弹体坐标位置。按照电磁波在空间中的衰减，通过式（1）计算干扰信号功率P，得出临界时刻弹上卫星定位装置处的干信比[7]。

式中：P为干扰源发射的干扰信号功率；f为电磁信号频率；R为弹体与干扰源距离。

1.4 试验方法分析

对以上三种抗干扰试验方法进行分析。外场静态试验采用真实的卫星信号，优点在于成本低、测试条件接近真实环境、有利于在真实应用环境中测试设备性能，但是存在可重复性差、容易接收到外界环境的射频干扰而影响测试的精度和可信度。而外场动态试验由于要进行实弹射击，成本高昂，并且受测试环境的限制，存在导航信号不可复现、不可控的劣势，不易实现对导航接收机的定量评估[8]。而微波暗室试验方法，通过导航信号模拟器产生模拟导航信号，可以灵活地配置卫星导航信号和定制不同的场景，并且该试验场景还可以进行接收灵敏度、系统完好性、接收机自主完好性、测距精度等指标测试的试验[8]，能够实现对导航接收机性能的定量评估。

2 试验方案设计

2.1 试验参数确定

2.1.1 干扰源类型

本文中的干扰源类型主要针对有意干扰展开，有意干扰是指战时卫星干扰机针对卫星导航信号恶意产生的干扰信号，按照工作原理不同分为欺骗式干扰与压制式干扰。其中，欺骗式干扰又分为转发式和生成式，转发式干扰是将卫星信号接收后处理播出；生成式干扰是利用卫星导航信号模拟器按照卫星信号格式产生伪信号并播出。压制式干扰是使用大功率信号发生设备产生的噪声信号，进而提升接收端噪声信号的电平，使北斗导航接收机的输入信噪比恶化，导致北斗导航接收机定位失效[9]。

由于压制式干扰的设备制造成本低、信号产生快，是实际战场上应用最多的北斗导航干扰信号类型[4]，因此本文在分析抗干扰试验时以压制式展开。本次试验的干扰信号主要针对北斗卫星的B3频段，故干扰信号中心频率设置为1 268.52 MHz，干扰信号带宽为20.46 MHz。干扰源干扰样式由单音连续波干扰、单音频扫频式干扰、窄带扫频式干扰、宽带扫频式干扰、脉冲干扰组成，具体信号参数如表1所示。

表1 干扰样式参数

2.1.2 干扰信号功率标定

为将试验测试结果进行量化，在试验前需标定干扰天线口面的信号功率大小。具体流程为将标定天线（增益G0）法向对准干扰天线并放置在其旁边，使用频谱仪观察标定天线接收到的强度P，逐步增强其发射功率，当达到接收机天线口面接收信号功率时，被测产品接收天线口面干扰信号功率JP按以下公式计算[10]：

2.1.3 干扰源的布局

为了接近真实情况分析压制式干扰对卫星制导舱的影响，需要对干扰源布局进行分析。测试环境如图1所示，由微波暗室、卫星导航信号模拟器、干扰信号模拟器（矢量信号源）、频谱分析仪、性能测试转台等组成。在暗室顶部不同位置共布设18个发射天线，模拟BD2和BD3各9个卫星通道。

在干扰源布设时，常见以单源和两源、三源、四源的多干扰源进行布局[11]，根据大量研究表明，干扰源的布局对干扰性能的影响很大。当三源干扰时全效干信比JSR=71 dB，四源干扰时全效干信比JSR=70 dB，相比三源干扰时性能仅提升1 dB，由此可见增加干扰源个数并不能明显提高干扰性能[12]。因此，本文在干扰源设置时按照单干扰和三干扰进行。

2.2 单干扰源抗干扰试验方案

试验方案为：根据B3频点设置输出-130 dBm射频信号至被试品天线口面为指定信号电平，并播发信号。如图4所示，干扰天线俯仰角为-10°下播发干扰信号，通过干扰功率标定，对应干信比起始值设为80 dB。当制导舱正常上报定位结果，如图4所示，转台0°～360°方位角循环往复运动，转台每旋转一周，记录180 s内干扰信号下的干信比解算误差，以5 dB为步进间隔增加干扰信号功率，当无法满足时，回调5 dB再以1 dB步进间隔增加干扰信号功率，重复以上步骤，直至干信比到达接收机无法定位，记录符合要求的干信比数据。

图4 单干扰源抗干扰试验示意图

然后将干扰天线俯仰角分别调为0°和5°，重复以上步骤，获取不同天线俯仰角下的干信比数据。当在70帧有效定位时，水平精度优于10 m，高程精度10 m，则判断为抗干扰成功。

2.3 三干扰源抗干扰试验方案

试验方案为：根据B3频点设置输出-130 dBm射频信号至被测天线口面为指定信号电平，并播发信号，干扰天线俯仰角为-10°下播发干扰信号，通过干扰功率标定，对应干信比起始值设为70 dB。当制导舱正常上报定位结果，如图5所示，转台按照2（°）/s以0°～360°方位角循环往复运动，转台每旋转一周，记录180 s内干扰信号下的干信比解算误差，以5 dB为步进间隔增加干扰信号功率，当无法满足定位精度时，回调5 dB再以1 dB步进间隔增加干扰信号功率，重复以上步骤，直至干信比到达接收机无法定位，记录符合要求的干信比数据。