無人機導航系統抗干擾措施

摘要：通過介紹無人機導航系統的接收機特性，分析了無人機GPS 信號不穩定的原因，并采取合理布局GPS接收天線的位置、在GPS 接收天線與設備特別是有源設備之間加入隔離裝置等措施，提高了無人機導航系統的抗干擾性。

引言

無人機關鍵技術之一是導航/飛控系統，它是無人機安全飛行、有效完成任務的重要保證。當前的衛星定位系統包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass 及中國正在研究的北斗系統。其中，GPS 導航系統主要負責GPS 信息采集、電子羅盤信息采集、坐標轉換、飛行控制策略確定及控制任務執行等工作。GPS 的靈敏度非常高，如何提高GPS 導航控制系統的抗干擾性就顯得相當重要。

1 GPS 導航系統的接收機特性

GPS 是一種全向天線，需要借助于低噪聲放大器來提高其增益，達到高增益和高靈敏度的性能要求。

GPS 衛星信號所包含的載波、測距碼(包括P 碼、C/A碼)、數據碼(導航電文，或稱D 碼)都在同一個基本頻率f0=19 MHz 控制下產生的。其中載波是GPS 衛星信號取無線電波中L 波段的兩種不同頻率的電磁波。其中的一個載波上調制有2 MHz 的偽隨機噪聲碼(稱為粗碼或C/A碼)、20 MHz 加密的偽隨機噪聲碼(稱為精碼或P 碼)。在另一個載波上調制有精碼和導航電文，區別不同衛星采用碼分多址，C/A 碼用于普通測距并過渡到捕獲精碼，精碼用于精密測距，一般用戶只能用C/A 碼。

在20 000 km 高空飛行的GPS 衛星，向地面用戶發送的導航定位信號(GPS 信號)是一種可供全球用戶共享的空間信息資源，但其信號強度極其微弱，即使在天頂運行的GPS 衛星，其信號到達GPS 接收天線時，信號電平約為-129.6 dBm,如此微弱的GPS 信號極易受到系統電磁環境的電子干擾。而GPS 接收機依賴于GPS 衛星(SV)發射的外部射頻(RF)信號工作，所以GPS 接收機很容易受到RF 干擾的影響。RF 干擾能使GPS 接收機導航精度性能降低或使GPS 接收機跟蹤完全丟失。

1.1 電磁環境電平

電磁環境電平的定義：在規定的試驗地點和時間內，當試驗樣品未通電時，已存在的輻射及傳導的信號和噪聲電平。

圖1 中是GJB 151A-1997 中給出的RE102 極限值曲線。

圖1 RE102 極限值曲線

GPS 接收機接收到的信號電平必須低于RE102 極限值曲線。

1.2 GPS 靈敏度

GPS 靈敏度是指GPS 接收機的靈敏度，是GPS 接收機最為重要的性能指標之一，它包括：跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動靈敏度。

GPS ICD(Interface Control Document,接口控制文檔) 文件規定的GPS 系統L1 頻段C/A 碼信號功率最小值為-160 dBW,即GPS 靈敏度S=-130 dBm.GPS工作頻率f=1575.42 MHz,其信號波長λ=19 cm。

1.3 GPS 天線系數

工程上常根據天線增益來計算天線系數，表示為：

換算成dB 表示為：

為了計算方便，寫成如下形式：

式中，f 為頻率(MHz);G 為GPS 天線增益。

GPS 天線增益包括無源天線增益和有源放大器增益兩部分，其中無源天線增益Gp=-4 dB,有源部分的增益Ga=40 dB。

通過式(3)可知，工作頻率f=1575.42 MHz 的GPS 天線，其無源部分的天線系數AF = 38.1979 dB。

根據RE102 極限值，在f=1575.42 MHz 上背景電平的幅度最大值約為L=46 dBμV/m。

GPS 接收機前端的信號最高能量為：

所以，GPS 接收機前端信號最高能量為47.8 dBμV即-59.2 dBm。

由于GPS 接收機的靈敏度為-130 dBm,滿足RE102的設備級輻射發射的最高信號要比GPS 靈敏度高大約70 dB,可能對GPS 接收機造成干擾。也就是說，無人機系統在該頻點的信號電平很可能超過GPS 信號電平，進而對GPS 接收裝置造成干擾。

2 GPS 導航系統干擾分析

GPS 導航系統干擾通常分為四類：帶干擾、連續波干擾和脈沖干擾。

(1)寬帶(WB)干擾指占用兩個調制帶寬的干擾信號。

它是干擾GPS 信號最有效的方式，一般難以被濾除掉。

(2)窄帶(NB)干擾指占用帶寬大于1 MHz,小于等于整個C/A 碼帶寬的任何有害信號。窄帶干擾主要圍繞著載頻集中發射干擾信號，以達到最大的干擾效果。

(3)連續波(CW)干擾指占用帶寬小于100 MHz 的干擾信號。它主要在一定頻率上產生單尖峰噪聲，如果它集中在擴頻譜信號的截頻附近，將極具破壞性，但它容易從所接收的信號中被濾除掉。

(4)脈沖干擾指采用脈沖持續時間極短、功率很大的信號。這些信號相當于噪聲源，會使數據流產生猝發性誤差，它對理想接收機中的數據檢測器很不利。它可以通過在發射的GPS 信號中加入衰減校正能力，或者通過估計干擾機狀態(有或無)，并在有干擾機時忽略其數據而進行補償。

在某型無人機系統的試飛試驗中，曾出現過無線電數據鏈設備干擾GPS 的現象。無人機在飛行過程中，GPS信號突然不穩定，甚至收不到GPS 信號，導致導航系統誤差增大，飛機不得不帶油返航。

飛機落地后，進行了飛機環境電平測試，發現測控數據鏈設備在GPS 接收機頻帶內有一個固定的脈沖信號，干擾了GPS 信號的正常接收。通過降低測控數據鏈設備機箱輻射、改善濾波器性能等方法濾除了干擾。