无人机导航系统抗干扰措施

　　摘要：通过介绍无人机导航系统的接收机特性，分析了无人机GPS 信号不稳定的原因，并采取合理布局GPS接收天线的位置、在GPS 接收天线与设备特别是有源设备之间加入隔离装置等措施，提高了无人机导航系统的抗干扰性。

　　引言

　　无人机关键技术之一是导航/飞控系统，它是无人机安全飞行、有效完成任务的重要保证。当前的卫星定位系统包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass 及中国正在研究的"北斗"系统。其中，GPS 导航系统主要负责GPS 信息采集、电子罗盘信息采集、坐标转换、飞行控制策略确定及控制任务执行等工作。GPS 的灵敏度非常高，如何提高GPS 导航控制系统的抗干扰性就显得相当重要。

　　1 GPS 导航系统的接收机特性

　　GPS 是一种全向天线，需要借助于低噪声放大器来提高其增益，达到高增益和高灵敏度的性能要求。

　　GPS 卫星信号所包含的载波、测距码（包括P 码、C/A码）、数据码（导航电文，或称D 码）都在同一个基本频率f0=19 MHz 控制下产生的。其中载波是GPS 卫星信号取无线电波中L 波段的两种不同频率的电磁波。其中的一个载波上调制有2 MHz 的伪随机噪声码（称为粗码或C/A码）、20 MHz 加密的伪随机噪声码（称为精码或P 码）。在另一个载波上调制有精码和导航电文，区别不同卫星采用码分多址，C/A 码用于普通测距并过渡到捕获精码，精码用于精密测距，一般用户只能用C/A 码。

　　在20 000 km 高空飞行的GPS 卫星，向地面用户发送的导航定位信号（GPS 信号）是一种可供用户共享的空间信息资源，但其信号强度极其微弱，即使在天顶运行的GPS 卫星，其信号到达GPS 接收天线时，信号电平约为-129.6 dBm,如此微弱的GPS 信号极易受到系统电磁环境的电子干扰。而GPS 接收机依赖于GPS 卫星（SV）发射的外部射频（RF）信号工作，所以GPS 接收机很容易受到RF 干扰的影响。RF 干扰能使GPS 接收机导航性能降低或使GPS 接收机跟踪完全丢失。

　　1.1 电磁环境电平

　　电磁环境电平的定义：在规定的试验地点和时间内，当试验样品未通电时，已存在的辐射及传导的信号和噪声电平。

　　图1 中是GJB 151A-1997 中给出的RE102 极限值曲线。

图1 RE102 极限值曲线

　　GPS 接收机接收到的信号电平必须低于RE102 极限值曲线。

　　1.2 GPS 灵敏度

　　GPS 灵敏度是指GPS 接收机的灵敏度，是GPS 接收机为重要的性能指标之一，它包括：跟踪灵敏度、捕获灵敏度、初始启动灵敏度。

　　GPS ICD（Interface Control Document,接口控制文档） 文件规定的GPS 系统L1 频段C/A 码信号功率值为-160 dBW,即GPS 灵敏度S=-130 dBm.GPS工作频率f=1575.42 MHz,其信号波长λ=19 cm。

　　1.3 GPS 天线系数

　　工程上常根据天线增益来计算天线系数，表示为：

　　换算成dB 表示为：

　　为了计算方便，写成如下形式：

　　式中，f 为频率（MHz）；G 为GPS 天线增益。

　　GPS 天线增益包括无源天线增益和有源放大器增益两部分，其中无源天线增益Gp=-4 dB,有源部分的增益Ga=40 dB。

　　通过式（3）可知，工作频率f=1575.42 MHz 的GPS 天线，其无源部分的天线系数AF = 38.1979 dB。

　　根据RE102 极限值，在f=1575.42 MHz 上背景电平的幅度值约为L=46 dBμV/m。

　　GPS 接收机前端的信号能量为：

　　所以，GPS 接收机前端信号能量为47.8 dBμV即-59.2 dBm。

　　由于GPS 接收机的灵敏度为-130 dBm,满足RE102的设备级辐射发射的信号要比GPS 灵敏度高大约70 dB,可能对GPS 接收机造成干扰。也就是说，无人机系统在该频点的信号电平很可能超过GPS 信号电平，进而对GPS 接收装置造成干扰。

　　2 GPS 导航系统干扰分析

　　GPS 导航系统干扰通常分为四类：带干扰、连续波干扰和脉冲干扰。

　　（1）宽带（WB）干扰指占用两个调制带宽的干扰信号。

　　它是干扰GPS 信号有效的方式，一般难以被滤除掉。

　　（2）窄带（NB）干扰指占用带宽大于1 MHz,小于等于整个C/A 码带宽的任何有害信号。窄带干扰主要围绕着载频集中发射干扰信号，以达到的干扰效果。

　　（3）连续波（CW）干扰指占用带宽小于100 MHz 的干扰信号。它主要在一定频率上产生单尖峰噪声，如果它集中在扩频谱信号的截频附近，将极具破坏性，但它容易从所接收的信号中被滤除掉。

　　（4）脉冲干扰指采用脉冲持续时间极短、功率很大的信号。这些信号相当于噪声源，会使数据流产生猝发性误差，它对理想接收机中的数据检测器很不利。它可以通过在发射的GPS 信号中加入衰减校正能力，或者通过估计干扰机状态（有或无），并在有干扰机时忽略其数据而进行补偿。

　　在某型无人机系统的试飞试验中，曾出现过无线电数据链设备干扰GPS 的现象。无人机在飞行过程中，GPS信号突然不稳定，甚至收不到GPS 信号，导致导航系统误差增大，飞机不得不带油返航。

　　飞机落地后，进行了飞机环境电平测试，发现测控数据链设备在GPS 接收机频带内有一个固定的脉冲信号，干扰了GPS 信号的正常接收。通过降低测控数据链设备机箱辐射、改善滤波器性能等方法滤除了干扰。

　　我们对无人机发生的电磁干扰现象进行了分析：

　　（1）测控链路的C 波段设备小信号工作时，差分GPS 天线接收信号的旁边有宽带干扰信号存在，并且两个天线距离太近，影响正常GPS 信号接收；（2）UHF 天线发射状态下，在GPS 工作频率附近的1 590 MHz 受到对讲机干扰；（3）对无人机的设备舱施加10 kHz~18 GHz 外界干扰时，光电平台抖动，图像出现条纹，通信链路C 波段失锁，KU 天线失锁，油量传感器异常。（4）测控链路视距UHF 设备干扰了正常GPS 信号的接收。

　　测控链路的C 波段设备小信号工作时，差分GPS 天线接收信号在1.2~1.8 GHz 频带范围内的信号能量约为-100 dBm,比GPS 接收机灵敏度高30 dB.而当该小信号不工作时，该频带范围的信号能量回复到-150 dB 以下，远远小于GPS 接收机的灵敏度，不会影响到GPS 接收机的信号接收。

　　经RE102 测试发现，在UHF 天线发射状态下，1 590 MHz 附近的环境电平约为67 dBμV,即能量约为-40 dBm,比第二节中得出的GPS 接收机前端的信号能量-59.2 dBm 高出约20 dB,因此GPS 容易受到干扰。

　　而当UHF 天线不处于发射状态时，该环境电平下降到20 dBμV 左右，能量约为-87 dBm,比-59.2 dBm 低约30 dBm,不会对GPS 的接收造成干扰。

　　3 改善GPS 导航系统抗干扰性

　　由于无人机GPS 接收机的灵敏度非常高，在GPS 接收天线附近工作的设备特别是有源设备极容易造成其环境电平的上升而对GPS 导航系统造成干扰。

　　我们通过增加机载设备与GPS 接收机的隔离度来降低干扰，既：

　　（1）合理布局GPS 接收天线的位置，将GPS 接收天线安放在UHF 天线的副瓣位置。由于天线副瓣位置处的天线发射功率，因此对GPS 接收天线造成的干扰也就少。

　　（2）在GPS 接收天线与测控链路的C 波段设备的小信号工作通道之间加入滤波器或衰减器，将影响GPS接收频段的信号滤除，这样保证测控链路的C 波段设备小信号工作时传导到GPS 接收器前端的信号小于GPS的灵敏度。

　　4 结语

　　利用电磁环境、GPS 灵敏度及GPS 天线系数的概念对实际工作情况下的GPS 导航系统的抗干扰性进行了定量分析。实测结果表明，测控链路的C 波段设备易受到宽带信号的干扰。并且在UHF 天线发射状态下，GPS导航系统易受1 590 MHz 的GPS 工作频率附近的信号干扰，严重影响了GPS 信号的接收。通过增加滤波器或衰减器、调整GPS 接收天线位置等整改措施后，GPS 导航系统能够正常地接收GPS 信号。