基于混合擴頻的導航衛星抗干擾技術

摘要：隨著衛星導航系統在軍事上的廣泛應用，研究導航系統的抗干擾技術已經成為當務之急。文中創新的將跳時技術與現有導航系統相結合，提出基于直擴／跳時(DS／TH)混合擴頻的導航衛星系統方案。并分別在4種衛星導航干擾模式下，對此方案進行了抗干擾性能仿真及分析。結果表明在信噪比為-33 dB誤碼率為10-4時，該方案抗干擾性能比傳統導航信號至少提高17 dB，尤其對于抗脈沖干擾，其性能可以改善20 dB左右。
關鍵詞：衛星導航；跳時；混合擴頻；抗干擾

衛星導航信號在眾所周知的頻率上發射，調制方式廣為人知，傳輸功率小，信噪比較低，這些成為其易受干擾的重要原因。造成衛星導航信號容易被干擾的最直接原因就是發射的信號太弱，如果采用混合擴頻體制，則可加大信號的增益。本文著重研究將跳時與直擴技術相結合應用到衛星導航中，利用跳時技術的優點，通過時間的合理分配來避開附近發射機的強干擾，從而提高系統的抗干擾性能。

1 系統方案設計
1．1 系統整體框圖
跳時技術把時間軸分成若干時隙，由跳時碼決定在哪個時隙來發送信號。跳時系統能夠用合理的時間分配來避開附近發射機的強干擾。但跳時系統對定時要求嚴格，簡單的跳時抗干擾性能不強，所以很少單獨使用，通常與其他方式相結合，組成各種混合方式。將DS／TH混合擴頻技術與現有的導航衛星相結合，構成一種新穎的基于混合擴頻體制的衛星導航系統，以增強抗干擾能力。考慮可實現性和前向兼容性，
此系統在設計時盡可能地保留了原有導航系統體制，如直擴部分的處理方式和參數等，直接從原系統繼承。DS／TH導航系統框圖如圖1所示。

在此系統中共存在有兩類PN碼序列：直擴序列和跳時序列。導航信號在經過DS碼擴頻后，將其直擴后的每一碼片分成若干時隙，根據跳時序列{Cj}選擇時隙來發送導航信號，從而實現跳時。
系統發射機的輸出信號可表示為：

其中f0為載波頻率，Td為導航信號一比特持續時間，Ts為直擴后的每一碼片長度，Nd為直擴倍長度，Tc為每一時隙長度，Nc為時隙個數，D(t)為導航電文，P(t)為直擴碼，C(t)則用來進行跳時。碼片持續時間變短，為保證功率相等，幅度要變為原來的倍。通過上述分析可知，在DS／TH系統中，直擴碼決定信號幅度的大小，跳時碼則用來決定信號的發送時刻。
1．2 系統跳時序列的研究
在DS／TH系統中，直擴碼部分參數都從原衛星導航系統繼承，而對于跳時部分，則需進行詳細的研究，使系統能在抗干擾方面達到最優效果。系統主要涉及跳時序列的3個主要參數，時隙、周期以及漢明自相關。
1．2．1 跳時時隙
DS／TH系統總的處理增益為：
GDS／TH=GDS+GTH=GDS+10·log(1／D) (4)
其中D為跳時所設置的占空比，D=1／Nc(Nc為時隙數)，所以Nc越大，DS／TH系統的處理增益越大，抗干擾性能越好。抗干擾性能與時隙個數Nc是成正比的。但系統帶寬會隨著時隙數的增大而變寬，因此必須根據實際情況來決定其大小。
1．2．2 跳時周期
跳時周期的增大，使相同的功率被分散到了更多的譜線中，信號的幅度變小，對功率譜起到了平滑作用，從而也減少了較強功率譜線數目。通常為了提高時隙利用率，主要采用全時隙跳時序列，即跳時序列最大值Nk=Np-1，Np=Nc。
1．2．3 漢明自相關
為實現對跳時碼的捕獲，跳時序列必須具有較好的自相關性能，同時異相自相關越小越好。文中主要討論剩余類跳時序列。二次同余序列、三次同余序列和雙曲同余序列是目前性能優良的3類同余跳時序列。其中，二次同余序列的自相關性能最好，異相自相關值最小，所以在基于DS／TH混合擴頻的衛星導航系統中選用了二次同余序列作為跳時序列。
1．3 系統整體參數
本系統的研究目標是將跳時和直擴相結合的混合擴頻體制應用到導航系統中，大幅度提高擴頻處理增益，將信號頻帶擴展到400 MHz，不僅使系統的抗干擾能力大大增強，而且使信號能夠以非常低的功率譜密度隱蔽在其它系統信號之中或是重疊發射成為可能，從根本上改善系統的頑存性。

DS／TH導航衛星系統的射頻帶寬為2RcxNc，其中Rc為直擴碼的碼片速率，Rc=10．23 MHz，Nc為跳時時隙數。對于二次同余序列，時隙數必須為一素數，為使系統帶寬達到400 MHz，跳時時隙Nc=19。系統的整體參數如表1所示。