系留气球GPS的抗干扰研究与设计

摘要：系留气球的GPS定位系统能在全球范围内为浮空器系统提供精确的位置、速度和时间信息，为保证浮空器系统正常工作发挥着重要的作用。然而，在电磁环境复杂的高空应用中，经常会受到外界干扰，导致信息参数不准确。针对干扰源和GPS的工作特性进行抗干扰设计，采取相应的软硬件滤波方法，最终提高系留气球GPS工作的稳定性和可靠性。

关键词：系留气球GPS抗干扰滤波

中图分类号：TN972;P228.4文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2011）05-0146-03

Abstract：GPS on tethered aerostat can provide precise position, velocity and time information for aerostat system all around the world, which is important to ensure that aerostat system is working normally. However, GPS is often interfered in the complex electromagnetism environment of high altitude applications, which causes information parameter is not accurate. Contraposing to interference source and work performance of GPS, anti-interference is designed, software and hardware filter method is taken, which improve working stability and reliability of GPS on tethered aerostat finally.

Key words：tethered aerostatGPSanti-jammingfilter

系留气球通过在囊体中充入一定升力气体产生升力，在系留缆绳的牵引下升空，搭载一定的任务载荷完成其预定功能。通过安装在系留气球上的一系列采集设备来完成对其状态的检测，各种现场数据包括温度、湿度、气压、缆绳张力等。其中球上的GPS定位系统实现对系留气球的高度和水平漂移的测量，提供的定位信息在气球收放和滞空控制中具有重要的作用。

GPS定位系统在系留气球应用环境下存在多种干扰因素，总的来说可以分为两类。一类是由自由空间损耗、多径衰落、空气噪声、雨衰等组成的自然条件造成的干扰因素；另一类是由人为因素造成的干扰，大体上可分为压制式干扰和欺骗式干扰。由于传输信道中存在干扰信号，致使GPS系统定位困难，严重时影响系留气球系统的控制。因此，针对实际应用环境，进行相应的GPS抗干扰设计是保证系留气球系统安全可靠的关键。

1、GPS系统工作原理

GPS卫星发射扩频信号为用户提供定位信息，它利用一种伪随机噪声（PRN）序列在频域上扩展GPS信号，这种PRN序列的优点在于：具有良好的单峰自相关特性和可复制性，能够准确测定GPS卫星与GPS接收机之间的信号传输时间；具有低互相关特性，所有卫星可在同一频率上发射信号而不造成互相干扰。GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。所有这些信号分量都是在同一个基本的时钟频率的控制下利用频率合成器产生的 [1]。

测距码包括C/A码（粗捕获码），P码（精码）和由P码加密后形成的Y码。GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码）均属于PRN码。C/A码的码长为Nu = 210-1 = 1023 Bit，码元宽度为τc≈0.97752 us（相应距离为293.1 m），周期Tu = NuTc = 1 ms，码速率fc = 1.023 Mb/s。所有GPS卫星采用的C/A码码长、周期和码速率均相同，不同的GPS卫星采用的C/A码码序不同。在GPS中，由C/A码和P码形成的扩频信号具有很强的多址工作能力。GPS利用不同码序的扩频信号实现对24颗卫星的识别和跟踪。尽管24颗卫星发射同一种载频信号，但可以按不同的伪随机码加以识别。

数据码又称导航电文或D码，它是利用GPS进行导航和定位的基础，包含了有关卫星的星历、工作状态、时间系统、钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等的导航信息。数据码也是二进制码，数码率为50 bit/s。

GPS卫星使用L波段的两种频率的电磁波作为载频，即：

两种载频之间间隔347.82 MHz，等于L2的28.3 ％。L1载波频率为P码码率的154倍，而L2载波频率为P码码率的120倍，所以选择这两个载波，是为了利用双频法测量出由于电离层效应而引起的延迟误差，以便对定位结果加以修正，提高定位精度。L1载波同时被C/A码、P码和数据码分别以同相和正交两种方式做相位调制，其中C/A码信号比P码信号滞后90°，L2载波上只调制有P码（或Y码）和数据码。分别以和表示载波L1和L2经测距码和数据码调制后的信号，其信号结构为[2]：

式中，分别为P码和C/A码的振幅；分别为P码和C/A码的状态：为数据流；，为载波L1和L2的角频率；，为信号初始相位。GPS卫星的测距码和数据码是采用双相调制技术（BPSK）调制到载波上的，调制码的码值只取0或1。当码值取0时，对应的码状态取+1；而码值取1时，对应的码状态取-1。载波和相应的码状态相乘后便实现了对载波的调制，即当码值为0时，调制后的载波相位不变，而当码值为1时，调制后载波相位改变180o。所以当码值从0到l，或从l到0改变时，都将使载波相位改变180o。

2、干扰原因与特性分析

干扰是指那些与信号无关但在信号输入、传输和输出过程中出现的一些不确定的电气瞬变现象[3]。这些瞬变现象会使数据在传输过程中发生变化或者使测量误差增大。系留气球系统中干扰源概括起来主要有以下几种：

2.1来自供电系统的干扰

GPS系统的供电环境是一个覆盖范围相当广的电网，电源开关操作、雷击浪涌、风机启/停和阀门传动装置开关引起的谐波和电网暂态冲击等造成电源的稳定性较差。供电系统的波动会影响到采集设备电源的质量。供电系统和采集系统的地之间存在地电位差[4]。如果将两个系统的地线连接在一起就会产生环路电流,造成系统间的地环路干扰。

2.2来自电磁辐射的干扰

GPS系统工作中所受电磁干扰主要来自现场的雷达、无线电通讯设备和雷电等的电磁辐射。尤其是雷达设备的使用加重了对输出信号的高频共模干扰。

2.3来自传输过程的干扰

在GPS系统的工作过程中, 由于整套系留气球涉及到的电器设备较多,电缆在走线过程中不可避免会出现模拟信号线、数字信号线、控制线和电源线在一个线束中排线的情况，这样线间耦合就会产生传输过程的干扰[4]。

从干扰本质上分析指空间传播的信号功率过大以至于影响了对期望信号的接收。在空间传播的信号功率与传播距离的平方成反比衰减。由于GPS卫星离地面大于20000 km，到达地球的GPS信号的功率是非常低的，所以即便是在没有主动干扰的情况下，它也很可能不能正常发挥效能[5]。

在Ll频率上，GPS C/A码和P码的最低信号接收功率分别约为-160 dBW和-163 dBW，P(Y)码在L2频率上的最低接收功率为-166 dBW。一旦干扰信号的强度大到超过GPS系统的干扰容限，接收机相关器就无法进行本地码和接收码之间的相关操作，从而导致接收机失锁，不能正常工作。

3、抗干扰策略与设计

由于GPS系统的设备已经确定，抗电磁干扰策略采用硬件层面滤波器设计和软件层面数字滤波处理两种方法。硬件滤波处理是根据系统应用环境和GPS频点来设计带通滤波器。软件滤波处理指采用滤波算法剔除非法数值和平滑数值曲线。

着重介绍GPS滤波器的设计方法。抗干扰GPS系统组成如图1所示：包括GPS天线、接收机、馈电网络滤波器和采集控制系统。GPS天线需要通过馈线进行馈电，因此，在设计滤波器时，不仅要进行滤波，还要求串接在馈线的滤波器能够提供馈电，以保证GPS天线的正常工作。馈电网络滤波器是带通滤波器，具体设计参数如表1所示。

实际所用滤波器的综合通常是以低通滤波器元件值作为基础，然后通过相应的变换来实现所要综合的滤波器。它可以看成是低通原型的衰减特性经过下列变换所得到的[6]：

根据实际计算进一步得到实际滤波器元件真实值：

根据，，（电阻），（电导），得出串联支路的电感和电容为：

通过比较滤波器加载前后的仿真效果图可以看出，增加滤波器后干扰源明显被抑制了20 dB。从实际使用角度来看，GPS天线被干扰的程度大大降低，有利于系统设备的正常运行。

5、结语

GPS带通滤波器的使用一方面要保证GPS设备的正常工作，这就要求滤波器带宽不能太窄，以保证设备的正常工作带宽；另一方面要求最大程度上抑制除GPS工作频点一定带宽范围内的其他频段。这就要求在设计滤波器时，要尽可能掌握干扰来源和频段，只有如此，才能保证任务系统或外界环境产生的干扰最终被抑制到设备可接受范围之内，使设备能够正常工作。

参考文献

[1]狄旻珉,张尔扬.一种多级GPS抗干扰接收机设计[J].通信学报,2005,26(11):82-86．

[2]尚建平.GPS抗干扰技术研究[D]．武汉：武汉大学，2004．

[3]彭辉.干扰技术在数控机床中的应用[J].武汉交通职业学院学报,2008,10(2):83-86．

[4]李宝龙.地线干扰与抑制[J].火控雷达技术,2004,33(4):82-83．

[5]宋玉珍,刘炼.利用GPS探测海洋大气环境和大气波导[J].舰船电子工程,2010,30(07):153-155．

[6]李豹,曹可劲,马建国.GPS软件接收机跟踪环路设计[J].电子设计工程,2010,18(02):4-6．

作者简介

朱弘(1974-)，男，安徽安庆人，硕士，主要从事浮空器测控和地面、机载雷达监控的研究工作.

郭立俊(1980-)，男，安徽六安人，硕士，主要从事浮空器测控和SAR监控研究与设计。

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”