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

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。

（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 天線發射狀態下，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RE102 測試發現，在UHF 天線發射狀態下，1 590 MHz 附近的環境電平約為67 dBμV，即能量約為-40 dBm，比第二節中得出的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 天線不處于發射狀態時，該環境電平下降到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境電平的上升而對GPS 導航系統造成干擾。

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

利用電磁環境、GPS 靈敏度及GPS 天線系數的概念對實際工作情況下的GPS 導航系統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 天線發射狀態下，GPS導航系統易受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 導航系統能夠正常地接收GPS 信號。

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