GPS接收机抗干扰性能仿真研究

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58 Ｒadio Communications Technology Vol. 40 No. 1 2014
GPS 接收机抗干扰性能仿真研究
刘荣，王立平，陈杨
( 中国人民解放军63880 部队，河南洛阳471003)
摘要: 从压制式干扰对GPS 信号捕获的影响和对GPS 信号跟踪的影响2 个方面分析了对GPS 接收机实施干扰
的可行性; 进行了GPS 干扰性能仿真，建立了P 码GPS 接收机、P 码GPS 信号和GPS 下行信道的数学模型和仿真模型;
对单载波干扰信号、阶梯波扫频干扰信号和噪声调频干扰信号下P 码GPS 接收机的抗干扰容限进行了仿真实验，并给
出了实验结果，最后对抗干扰容限仿真实验结果进行了分析。
关键词: GPS; 抗干扰; 仿真; 实验
中图分类号: TN97 文献标识码: A 文章编号: 1003 － 3114( 2014) 01 － 58 － 3
Simulation Ｒesearch on Anti － jamming Performance of GPS Ｒeceiver
LIU Ｒong，WANG Li － ping，CHEN Yang
( Unit 63880，PLA，Luoyang He’nan 471003，China)
Abstract: Aiming at the impact of oppressive jamming on GPS signal acquisition and tracking， the feasibility of interference
implementation in GPS receiver is analyzed． The GPS interference performance simulation is performed， and the mathematical model and
simulation model of P － code GPS receiver，P-code GPS signal and GPS downlink channel are established． The anti － jamming tolerance
of P － code GPS receiver is simulated and tested under single carrier interference signal， step wave sweeping interference signal and
noise FM jamming signal． The simulation results are given and analyzed．
Key words: GPS; anti-jamming; simulation; experiment
收稿日期: 2013 － 10 － 29
作者简介: 刘荣( 1978—) 女，工程师。主要研究方向: 电子装备试
验技术。
0 引言
GPS 系统在军事上广泛深入的应用，使得对
GPS 的干扰与反干扰正逐步成为现代战争中的重要
组成部分。从近几年全世界发生的高科技局部战争
可以看出，GPS 以它的实时导航定位、定时功能和全
天候、全球性等优点，在飞行导航、精确制导、战场环
境监测等方面发挥了重要作用。目前世界各国都密
切关注和积极研究GPS 系统的干扰和抗干扰技术，
以确保在未来军事斗争中取得制信息权的优势。因
此，对GPS 系统的抗干扰性能与干扰技术开展研
究，对我国的国防事业发展具有重大的意义。
1 对GPS 接收机干扰可行性分析
导航、定位和测时等各类GPS 接收机中，对
GPS 卫星信号的捕获、跟踪并解算伪距是接收处理
的关键环节［1］。因此，对接收机的捕获、跟踪环路
实施干扰，通过破坏接收机捕获和跟踪环路的正常
工作，就可使接收机无法跟踪到卫星的GPS 信号，
从而丧失导航定位功能。
1. 1 压制干扰对GPS 信号捕获的影响
GPS 信号的捕获是一个搜索过程。为了捕获到
卫星信号，接收机需要同时复现卫星信号的码和载
波［2］。其中，距离维与复现码相关联，多普勒维与
复现载波相关联。在进行信号捕获时，接收机分别
在码搜索方向和多普勒搜索方向进行二维搜索。在
搜索过程中，分别对同相和正交信号进行积分和累
加，并且计算或估计包络，将包络与门限相比较，以
确定卫星信号是否存在。
有信号时检测概率Pd
与载波噪声功率密度比
C /N0
有如下关系［3］:
Pd = ∫∞
Ktσn
z
σ2
n
exp － z2
2σ2
n
[ ( + s )] n I0 z 槡2s /n
σ ( ) n
dz ，
( 1)
sn
= 10
C/N0
( 10 +lgT)， ( 2)
式中，z 为随机变量; σn
为均方根噪声功率; s /n 为
预检测信号与噪声之比; I0
为零阶修正的贝塞尔函
数; T 为预检测积分时间。
可以看出Pd
与C /N0
成正比，当C /N0
增大时，
2014 年第40 卷第1 期无线电通信技术59
Pd
将相应会增大; 而C /N0
受干扰而减小时，Pd
将会
随之降低，使接收机在进行卫星GPS 信号捕获时不
能正常捕获到信号。
1. 2 压制干扰对GPS 信号跟踪的影响
1. 2. 1 压制干扰对载波跟踪环的影响分析
通常接收机中使用科斯塔斯( Costas) 环作为载
波跟踪环。当干扰信号功率比超过跟踪门限时，测
量误差就会超过允许的误差界限，从而导致载波跟
踪环失锁［4］。科斯塔斯环的主要相位误差是相位
颤动和动态应力误差。相位颤动主要取决于热噪声
和振荡器噪声等误差源的影响，而动态应力误差则
取决于环路带宽和阶数。跟踪环的1 σ 经验方法门
限可由式计算:
σPLL = σ2t
PLL + σ2v
+ θ2 槡A + θe
3 ≤15° ， ( 3)
式中，σPLL
是1 σ 的锁相环热噪声; σtPLL
是1 σ 的锁
相环热噪声; σv
是由振动引起的振荡器颤动; θA
是
由阿仑方差引起的振荡器颤动。
由于振荡器噪声可能是瞬时的，或者可以忽略，
因而热噪声的影响对相位颤动是决定性的［5］。其
计算公式如下:
σtPLL = 360
2π
Bn
[ C/N ]
0
1 + 1
2T[ C/N ] 槡( 0 )
， ( 4)
式中，Bn
是载波环噪声带宽; C /N0
是载波和噪声的
功率比; T 为预检测积分时间。
可以看出，热噪声与C /N0 、噪声带宽以及预检
测积分时间紧密相关。如果对GPS 实施干扰，导致
C /N0
减小时，热噪声就会随之增大，从而可能会超
出门限值，使跟踪环失锁。
1. 2. 2 压制干扰对码跟踪环的影响分析
与载波跟踪环类似，码跟踪环的主要误差源是
热噪声颤动和动态应力误差［6］。其经验方法的跟
踪门限的计算如下:
3σDLL = 3σtDLL + Ｒe ≤ d ， ( 5)
σtDLL = 4F1 d2Bn
( C/N )
0
2( 1 － d) + 4F2 d
T( C/N ) 槡( 0 )
( 基码) ，( 6)
式中，3σDLL
为码环的测量误差; 3σtDLL
为热噪声码
跟踪颤动; Ｒe
为码环的动态应力误差; d 为相关器
间距; F1
为DLL 鉴别器相关器相关因子，对于全时
间超前/滞后码相关器，为1 /2; F2
为DLL 鉴相器类
型因子，对于全时间超前/滞后码相关器，为1; Bn
为码环噪声带宽( Hz) ; T 为预检测积分时间( s) 。
可以看出，与载波环相似，DLL 颤动也与
C /N0 、噪声带宽以及预检测积分时间紧密相关。如
果对GPS 实施干扰，导致C /N0
减小，则颤动就会相
应增大，当颤动超出门限值时，码跟踪环失锁，导致
接收机无法正常跟踪锁定GPS 信号，而出现错误定
位信息或者无法定位现象。
2 GPS 干扰性能仿真
2. 1 GPS 系统数学模型
2. 1. 1 GPS 信号数学模型
L1
频率上的GPS 信号可以表示为:
SiL1 = APL1Pi( t) Di( t) cos( 2πf1 t + iP1
) +
AcCi( t) Di( t) sin( 2πf2 t + iC
) 。( 7)
L2
频率上的GPS 信号表示为:
SiL2 = APL2Pi( t) Di( t) cos( 2πf2 t + iP2
) ， ( 8)
式中，i 表示卫星编号; SiL1
和SiL2
分别表示L1
和L2
上
的信号; AP
和AC
分别表示P 码和C /A 码的振幅;
Pi( t) = ± 1表示P 码的相位，Ci( t) = ± 1 表示C /A
码的相位。
2. 1. 2 GPS 下行信道数学模型
电磁波自由空间传播损耗［7］Lf
为:
( Lf
)
dB = 10lg(4πd) λ
2
= 20lg 4πdf
3 × 10 ( ) 8
( dB) ， ( 9)
式中，d 表示发射天线到接收天线的距离; λ 表示电
磁波波长。
多普勒频移fd
为:
fd = fvr
c
， ( 10)
式中，f 表示信号频率; vr
表示径向速度; c 表示光
速。
天线噪声和接收机噪声均可以等效为热噪声，
其最大噪声单边功率谱密度n0
为:
( n0
)
dB = 10lg( kT) ( dBW/Hz) ， ( 11)
室温T = 290°kT，kT /h = 6. 043 × 1012 ( Hz) 。
2. 1. 3 干扰信号数学模型
单载波干扰Jd
为:
Jd
( t) = Acos( 2πfc t + ) ; ( 12)
扫频干扰Js
为:
Js
( t) = Acos( 2πfc t + ∫t
－∞
ks( τ) dτ) ; ( 13)
噪声调频干扰Jz
为:
Jz
( t) = Acos( 2πfc t + ∫t
－∞
kn( τ) dτ) 。( 14)
假设到达接收机天线的卫星GPS 信号强度为
1，则干扰信号和GPS 信号的功率比为:
JS
= 12
A2 ， ( 15)
式中，A 为信号幅度; fc
为载波频率;  为信号初始
60 Ｒadio Communications Technology Vol. 40 No. 1 2014
相位; s( τ) 为被调制信号，一般是阶梯波或三角波;
n( τ) 为噪声信号; k 为调制系数; J /S 为干信比。
2. 2 GPS 系统仿真模型
使用Simulink 工具对第2． 1 节中的数学模型进
行GPS 系统仿真建模，GPS 信号［8］、GPS 下行信
道［9］和GPS 接收机仿真模型［10， 11］分别如图1、图2
和图3所示。
图1 P 码GPS 信号仿真模型
图2 GPS 信号下行信道仿真模型
图3 P 码接收机仿真模型
3 GPS 干扰性能仿真实验及结果分析
3. 1 P 码接收机抗干扰容限仿真试验
仿真实验示意图如图4 所示。GPS 信号模拟器
向GPS 仿真接收机注入GPS 信号，GPS 仿真接收机
进行接收。当GPS 仿真接收机收到信号并处于捕
获状态时，干扰信号模拟器向GPS 仿真接收机注入
干扰信号，直至仿真接收机丢失目标。当GPS 仿真
接收机捕获到目标并处于跟踪锁定状态时，干扰信
号模拟器向GPS 仿真接收机注入干扰信号，直至仿
真接收机丢失目标。
图4 仿真实验示意图
单载波干扰、阶梯波扫频干扰和噪声调频干扰
下的P 码接收机抗干扰容限仿真结果如表1 所示。
表1 P 码接收机抗干扰容限仿真结果表
AD 后量
化位数
接收机
状态
单载波干
扰下/dB
阶梯波扫频
干扰下/dB
噪声调频
干扰下/dB
AD 后2
位量化
捕获24 25 26
跟踪锁定25 27 28
AD 后12
位量化
捕获43 31 31
跟踪锁定44 33 32
AD 后32
位量化
捕获43 32 31
跟踪锁定45 34 32
3. 2 P 码接收机抗干扰容限仿真试验结果分析
从实验结果可以看出，3种干扰样式中，接收机
无论是在捕获状态还是在跟踪锁定状态，AD 变换
后量化位数的大小对干扰效果均有一定的影响。单
载波干扰效果受接收机AD 变换后量化位数的影响
较大: 当量化位数为2 时，单载波干扰效果最好，当
量化位数为12 以上时，单载波干扰效果最差。阶梯
波扫频干扰和噪声调频干扰效果受接收机AD 变换
后量化位数的影响相对较小。
4 结束语
GPS 系统是目前全世界应用最为广泛的定位系
统，具有很多的优越性，但它最大的弱点就是容易受
到干扰，相关研究主要涉及2 个方面: 一方面是研究
GPS 系统的抗干扰性能，以提高己方的利用率，另一
方面则是研究对GPS 系统的干扰技术，以破坏或者
干扰对方对GPS 的正常使用。对GPS 接收机的抗
干扰性能进行了仿真研究，利用Simulink 工具建立
了GPS 系统仿真建模和干扰信号仿真模型，并对单
载波干扰信号、阶梯波扫频干扰信号和噪声调频干
扰信号下P 码GPS 接收机的抗干扰容限进行了仿
真实验。
( 下转第64 页)
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钮，可开启蓝牙功能和健康数据传输功能。点击
“数据查看”则发送“获取更多数据”的请求，得到该
用户下所有化验单信息，依据时间先后顺序显示在
TextView 控件上。用户点击“咨询医生”按钮，则向
WEB 服务器发送当前化验单的咨询请求。点击“医
生回复”按钮，可以查看详细的医生建议。
通过实验证明，利用该系统的Android 蓝牙功
能，用户可以获知尿液健康情况，并且根据医生的意
见来调理身体状况。同理，对于心电和血压等其他
生理方面的检测，用户可以通过这种方式来获取信
息，同时又能享受到移动医疗带来的便利。
5 结束语
采用Android 蓝牙技术，结合尿液检测仪器，设
计和实现了健康服务系统。该系统具有很高的灵活
性和可扩展性，在此平台的基础上可以根据用户的
需求，设计出各种不同检测环境下的健康服务系统。
与传统的医疗系统相比，从物理设备上摆脱了布线
的麻烦，使用户随时随地进行健康检测，关注个人健
康; 从系统性能上除了拥有数据展现与查看功能之
外，增加了医生咨询和回复的功能。该方案实现成
本低，应用范围广，并且给用户带来很好的体验感，
具有良好的应用前景和价值。
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櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂2011．
( 上接第60 页)
从实验结果来看，GPS 接收机AD 变换后的量
化位数对GPS 接收机的抗干扰性能有较大的影响。
可以通过适当增加GPS 接收机AD 变换后的量化位
数来提高接收机的抗压制式干扰性能。
从实验结果可以看出，3
种干扰样式中，接收机
无论是在捕获状态还是在跟踪锁定状态，AD 变换
后量化位数的大小对干扰效果均有一定的影响。单
载波干扰效果受接收机AD 变换后量化位数的影响
较大: 当量化位数为2 时，单载波干扰效果最好，当
量化位数为12 以上时，单载波干扰效果最差。阶梯
波扫频干扰和噪声调频干扰效果受接收机AD 变换
后量化位数的影响相对较小。
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2014-10-1 06:50 上传

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