摘要：通過介紹無人機導航系統(tǒng)的接收機特性，分析了無人機GPS 信號不穩(wěn)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(tǒng)的抗干擾性。

引言

無人機關鍵技術之一是導航/飛控系統(tǒng)，它是無人機安全飛行、有效完成任務的重要保證。當前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass 及中國正在研究的"北斗"系統(tǒng)。其中，GPS 導航系統(tǒng)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(zhí)行等工作。GPS 的靈敏度非常高，如何提高GPS 導航控制系統(tǒng)的抗干擾性就顯得相當重要。

1 GPS 導航系統(tǒng)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(wèi)星信號所包含的載波、測距碼(包括P 碼、C/A碼)、數(shù)據(jù)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(chǎn)生的。其中載波是GPS 衛(wèi)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(qū)別不同衛(wèi)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(wèi)星，向地面用戶發(fā)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(wèi)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(tǒng)電磁環(huán)境的電子干擾。而GPS 接收機依賴于GPS 衛(wèi)星(SV)發(fā)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(huán)境電平

電磁環(huán)境電平的定義：在規(guī)定的試驗地點和時間內(nèi)，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。

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(guī)定的GPS 系統(tǒng)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(shù)

工程上常根據(jù)天線增益來計算天線系數(shù)，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(shù)AF = 38.1979 dB。

根據(jù)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)干擾分析

GPS 導航系統(tǒng)干擾通常分為四類：帶干擾、連續(xù)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(fā)射干擾信號，以達到最大的干擾效果。

(3)連續(xù)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(chǎn)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(xù)時間極短、功率很大的信號。這些信號相當于噪聲源，會使數(shù)據(jù)流產(chǎn)生猝發(fā)性誤差，它對理想接收機中的數(shù)據(jù)檢測器很不利。它可以通過在發(fā)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(tài)(有或無)，并在有干擾機時忽略其數(shù)據(jù)而進行補償。

在某型無人機系統(tǒng)的試飛試驗中，曾出現(xiàn)過無線電數(shù)據(jù)鏈設備干擾GPS 的現(xiàn)象。無人機在飛行過程中，GPS信號突然不穩(wěn)定，甚至收不到GPS 信號，導致導航系統(tǒng)誤差增大，飛機不得不帶油返航。

飛機落地后，進行了飛機環(huán)境電平測試，發(fā)現(xiàn)測控數(shù)據(jù)鏈設備在GPS 接收機頻帶內(nèi)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(shù)據(jù)鏈設備機箱輻射、改善濾波器性能等方法濾除了干擾。

我們對無人機發(fā)生的電磁干擾現(xiàn)象進行了分析：

(1)測控鏈路的C 波段設備小信號工作時，差分GPS 天線接收信號的旁邊有寬帶干擾信號存在，并且兩個天線距離太近，影響正常GPS 信號接收;(2)UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下，在GPS 工作頻率附近的1 590 MHz 受到對講機干擾;(3)對無人機的設備艙施加10 kHz~18 GHz 外界干擾時，光電平臺抖動，圖像出現(xiàn)條紋，通信鏈路C 波段失鎖，KU 天線失鎖，油量傳感器異常。(4)測控鏈路視距UHF 設備干擾了正常GPS 信號的接收。

測控鏈路的C 波段設備小信號工作時，差分GPS 天線接收信號在1.2~1.8 GHz 頻帶范圍內(nèi)的信號能量約為-100 dBm,比GPS 接收機靈敏度高30 dB.而當該小信號不工作時，該頻帶范圍的信號能量回復到-150 dB 以下，遠遠小于GPS 接收機的靈敏度，不會影響到GPS 接收機的信號接收。

經(jīng)RE102 測試發(fā)現(xiàn)，在UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下，1 590 MHz 附近的環(huán)境電平約為67 dBμV,即能量約為-40 dBm,比第二節(jié)中得出的GPS 接收機前端的信號最高能量-59.2 dBm 高出約20 dB,因此GPS 容易受到干擾。

而當UHF 天線不處于發(fā)射狀態(tài)時，該環(huán)境電平下降到20 dBμV 左右，能量約為-87 dBm,比-59.2 dBm 低約30 dBm,不會對GPS 的接收造成干擾。

3 改善GPS 導航系統(tǒng)抗干擾性

由于無人機GPS 接收機的靈敏度非常高，在GPS 接收天線附近工作的設備特別是有源設備極容易造成其環(huán)境電平的上升而對GPS 導航系統(tǒng)造成干擾。

我們通過增加機載設備與GPS 接收機的隔離度來降低干擾，既：

(1)合理布局GPS 接收天線的位置，將GPS 接收天線安放在UHF 天線的副瓣位置。由于天線副瓣位置處的天線發(fā)射功率最小，因此對GPS 接收天線造成的干擾也就最少。

(2)在GPS 接收天線與測控鏈路的C 波段設備的小信號工作通道之間加入濾波器或衰減器，將影響GPS接收頻段的信號濾除，這樣保證測控鏈路的C 波段設備小信號工作時傳導到GPS 接收器前端的信號小于GPS的靈敏度。

4 結語

利用電磁環(huán)境、GPS 靈敏度及GPS 天線系數(shù)的概念對實際工作情況下的GPS 導航系統(tǒng)的抗干擾性進行了定量分析。實測結果表明，測控鏈路的C 波段設備易受到寬帶信號的干擾。并且在UHF 天線發(fā)射狀態(tài)下，GPS導航系統(tǒng)易受1 590 MHz 的GPS 工作頻率附近的信號干擾，嚴重影響了GPS 信號的接收。通過增加濾波器或衰減器、調整GPS 接收天線位置等整改措施后，GPS 導航系統(tǒng)能夠正常地接收GPS 信號。

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