微波脉冲对导航接收机跟踪环路载噪比的影响.pdf
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1、第 卷 第 期国防科技大学学报 年 月 :微波脉冲对导航接收机跟踪环路载噪比的影响赵敏,周星,陈亚洲(陆军工程大学 石家庄校区,河北 石家庄 )摘要:为了明确微波脉冲对导航接收机的最佳干扰参数,通过对微波脉冲干扰下导航接收机跟踪环路相关处理的理论分析,根据微波脉冲谱线、扩频码谱线以及相干积分时间三者之间的关系,提出一种微波脉冲干扰分类方法,推导了不同参数微波脉冲干扰下相关输出功率和载噪比,并进行了试验验证。理论分析与试验结果表明,当微波脉冲宽度大于等于扩频码周期且小于相干积分时间时,进入相干积分器带宽内的多条微波脉冲谱线干扰某一条扩频码谱线,该微波脉冲参数对导航接收机的干扰效果最佳,且优于连续
2、波干扰;随听语音聊科研与作者互动着干扰谱线数量增多,跟踪环路相关输出功率值增加,载噪比减小,干扰效果增强。关键词:导航接收机;微波脉冲;跟踪环路;相关输出功率;载噪比中图分类号:;开放科学(资源服务)标识码():文献标志码:文章编号:(),(,):,;,:;导航接收机是无人装备实施准确定位的关键组成部分,在无人装备中有着广泛地应用。由于卫星运行高度高,星上空间有限,发射到地球表面由导航接收机接收到的导航信号功率密度相对较低,较容易实现对导航信号的电磁干扰 。随着高功率微波武器的出现和实际应用,微波脉冲对电磁敏感度较高的导航接收机构成了巨大威胁,严重制约着无人装备作战性能的发挥 。范宇清等 基于
3、场 路联合仿真给出了以微波源峰值功率为变量的导航接收机敏感器件毁伤评价曲线;李冰等 给出了单频连续波、脉冲调幅和正弦调频信号干扰下电子系统的时间相关、带 宽 相 关 敏 感 类 型 以 及 最 敏 感 信 号;文献 分别揭示了带内和带外连续波对导航接收机的作用规律,提出可以通过载噪比跟踪门限值来评估导航系统是否定位,并指出导航接收机的跟踪环路是敏感薄弱环节。针对导航接收机的跟踪环路,文献 从载波和相位跟踪误差的角度仿真分析了不同类型电磁干扰对导航接收机跟踪性能的影响。考虑到不同参数电磁脉冲会对 导 航 接 收 机 产 生 不 同 的 干 扰 效 应,文献 提出了两种不同的电磁脉冲干扰分收稿日期
4、:基金项目:国家部委基金资助项目()作者简介:赵敏(),女,河北邯郸人,博士研究生,:;陈亚洲(通信作者),男,江苏滨海人,教授,博士,博士生导师,:第 期赵敏,等:微波脉冲对导航接收机跟踪环路载噪比的影响类方法,一种是根据脉冲重复周期和扩频码周期的关系,另一种基于脉冲宽度、相干积分时间以及扩频码周期的关系;针对不同的分类分别推导了不同脉冲干扰下导航接收机相关输出功率表达式,仿真验证了理论的可行性,并分析了不同脉冲干扰对导航接收机的干扰效果。由于微波脉冲兼具连续波和电磁脉冲的双重特性,通过试验发现,微波脉冲对导航接收机的效应规律方面存在一定局限性。本文根据微波脉冲谱线、扩频码谱线以及相干积分时
5、间三者之间的关系,提出一种适用于微波脉冲的干扰分类方法,在此基础上推导了微波脉冲干扰下相关器输出的等效载噪比表达式,并结合试验研究验证理论分析的可行性。理论分析 导航接收机信号捕获理论自动增益控制(,)电路通常位于导航接收机射频前端的最后一级,通过前期试验发现,载波频率为 波段、功率密度为 、脉冲宽度分别为 和 时,单脉冲辐照下均不会对导航接收机产生明显的影响,但当重复频率提升至 和 时,导航接收机的载噪比瞬间出现大幅度下降,接收机定位失锁。通过计算发现,耦合的能量值未达到 电路的饱和值 ,不会对射频前端的 电路造成阻塞效应和损伤效应,主要会对射频前端后级的捕获跟踪环路造成影响,而相关器输出功
6、率是决定导航信号质量的关键因素 。因此,可以通过不同脉冲重频、脉宽 和占空比微波脉冲干扰下导航接收机相关器输出功率来定量分析干扰效果,从而确定最佳干扰参数。在不考虑微波脉冲的上升沿和下降沿的情况下,微波脉冲可以简化为矩形脉冲信号调制连续波,微波脉冲干扰信号经过射频前端和模数转换(,)后,到达相关器输入端处的数学表达式为:()槡 ()()()式中:()是矩形脉冲信号,为采样时间;为脉冲重复周期,脉冲宽度 为;为微波脉冲功率密度,为微波脉冲的载波频率,为微波脉冲载波相位。在导航接收机相关器中,如图 所示,微波脉冲信号与本地产生的载波 ()和粗捕获(,)码 ()相乘,实现载波剥离和码剥离,还原导航信
7、号。图 导航接收机相关器框图 为了提高导航接收机捕获弱信号的能力,本文所用北斗导航接收机采用相干积分和非相干积分叠加的方法减小相关值噪声,其中相干积分时间,为积分时间内的采样数,非相干积分次数为 ,此时相关器输出功率为:槡 ()()()()式中,和 分别为微波脉冲载波频率和相位与本地产生载波频率 和相位 的估计误差。利用指数形式傅里叶级数将周期矩形脉冲信号展开,取近似且只保留主瓣频谱得:()()()式中,为傅里叶级数系数,为谱线数量。将该矩形脉冲信号搬移到中心频率 处,得到周期微波脉冲的频谱,如图 所示。图 周期微波脉冲信号频谱图 从图 中可以看出,其包络为 函数,由频谱间隔为 的多条谱线组成
8、,信号能量主要集中在主瓣内,主瓣频谱宽度为 ,所含谱线数 为 ,中心谱线系数 为 ,其中,为微波脉冲幅值,为脉冲占空比。同理,周期 码也可以展开为:()()()()()()国 防 科 技 大 学 学 报第 卷式中,为傅里叶级数系数,其频谱包络与微波脉冲类似,均为 函数 ,码码元周期为 ,所含谱线数为,将式()和式()代入式(),当干扰频率估计误差()时(其中 代表第 条 码谱线),相关器输出功率为:()()()()()从式()中可以看出,码和微波脉冲的众多谱线均会影响相关器输出功率。当微波脉冲干扰信号谱线位于相干积分器带宽 内,则代表该条干扰谱线漏过相关处理,从而对后级跟踪环路造成干扰,若干扰
9、谱线与最大幅值的 码谱线重合,相关器的输出功率显著增加,导航接收机受到较为严重的干扰。微波脉冲干扰对导航接收机载噪比的影响根据上述理论分析得知,相关器输出功率与微波脉冲参数、干扰频偏、相干积分器带宽以及 码参数相关。因此,根据 码、相干积分器和微波脉冲干扰信号三者频谱关系,分成六种情况来定量分析相关器输出功率。第一种情况:微波脉冲宽度 远大于相干积分时间 且微波脉冲间隔 小于重新捕获时间,此种情况下微波脉冲干扰、相干积分器和 码三者主瓣频谱包络如图 所示。图 微波脉冲干扰、相干积分器和 码三者主瓣频谱的关系图(且 ),从图 中可以看出,微波脉冲干扰信号谱线的主瓣频谱宽度为 ,相干积分器的频谱宽
10、度为 ,较窄的微波脉冲干扰信号主瓣频谱宽度完全落入相干积分器频带内,即所有的脉冲干扰谱线漏过相干积分器,仅干扰了一条 码谱线。假设被干扰的谱线序号为 ,如果 ,则干扰谱线将不能落入相干积分器主瓣带宽内,此时相关器输出功率近似为 ;将 代入式(),则相关器输出功率为:()()()由于 码频谱具有对称性,有。考虑到所有脉冲干扰谱线都集中在相关积分器中,即 ,因此式()中的 可以忽略不计。式()可简化为:()()()()脉冲 功 率 谱 密 度 是 归 一 化 的,因 此 有 ,相关器输出功率可 进 一 步 简化为:()()对比式()和文献 推导的连续波相关器输出功率发现,两者的相关器输出功率相同。
11、第二种情况:微波脉冲宽度 大于等于 码周期 且小于相干积分时间,此种情况下上述三者主瓣频谱包络的关系如图 所示。图 微波脉冲干扰、相干积分器和 码三者主瓣频谱的关系图(),由图 可以看出,含中心谱线在内的多条脉冲干扰谱线干扰了第 条 码谱线,脉冲干扰谱线的数量为 ,即脉冲干扰谱线数由脉冲重复周期 和相干积分时间决定。当相干积分时间 和脉冲宽度 一定时,脉冲重复频率越小,脉冲频谱间隔越窄,脉冲干扰谱线数越多。此时相关器输出功率为:第 期赵敏,等:微波脉冲对导航接收机跟踪环路载噪比的影响 ()()第三种情况:当脉冲重复周期 与 码周期 相近时,两者的频谱包络如图 所示。可以看出,微波脉冲和 码的频
12、谱间隔相近,所有的 码谱线均可能被微波脉冲干扰谱线干扰,此时相关器输出功率为:()()()()从式()中可以看出,相关器输出功率涉及 ,因此干扰频率的设置与前两种情况有所差异,这种情况下微波脉冲干扰谱线不再受 的限制都能起作用,微波脉冲干扰谱线包络不足以窄到被相干积分器包络覆盖,无论占空比如何,由于脉冲干扰谱线之间的频谱间隔接近于 码谱线,所有的干扰谱线都会对相关器的输出功率带来影响,这意味着相关器输出功率与占空比关系不大。图 码谱线和微波脉冲干扰信号谱线关系图()第四种情况:微波脉冲宽度 小于 码周期 且大于等于码元宽度,两者的频谱包络如图 所示。图 码谱线和微波脉冲干扰信号谱线关系图()所
13、有的脉冲干扰谱线干扰多条 码谱线。受干扰的 码谱线数为 。此时相关器输出功率为:()()()第五种情况:微波脉冲宽度 小于 码码元宽度,两者的频谱包络如图 所示。本地 码谱线包络落入了微波脉冲干扰谱线包络,微波脉冲重复频率 略大于 码带宽 ,部分脉冲干扰谱线干扰了全部 码谱线,起干扰作用的脉冲干扰谱线数为 。将该值代入式(),此时相关器的输出功率为:()()()图 码谱线和微波脉冲干扰信号谱线关系图()第六种情况:微波脉冲周期 小于 码码元宽度,三者的频谱包络如图 所示。此时微波脉冲干扰谱线包络完全覆盖本地 码谱线包络,微波脉冲重复频率 远大于 码带宽 ,在某一时刻,只有一条中心脉冲干扰谱线落
14、入 码带宽内,对最靠近干扰频率 的 码谱线产生干扰,将 代入式(),此种情况下的相关器输出功率为:()()()如果 ,则干扰频率 将会落入相干积分器的带宽 外,相关器输出功率接近于 。因此得到相关器输出功率为:()()根据图 可知微波脉冲中心脉冲干扰谱线系国 防 科 技 大 学 学 报第 卷图 微波脉冲干扰、相干积分器和 码谱线关系图(),数 与占空比 成正比,即相关器输出功率与微波脉冲占空比密切相关。随着占空比的提高,微波脉冲对导航接收机的干扰效果将逐渐增强。当占空比为 时,式()和式()相等,此时干扰效果等效于连续波。载噪比 指的是 带宽内接收到的信号功率与噪声功率的比值,它可以有效评估微
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