CRPA抗干擾天線系統的性能驗證：從演算法模擬到輻射場測試的工程實踐

在複雜電磁風暴中堅守PNT的「空間盾牌」– CRPA的重要性

全球導航衛星系統（GNSS）已成為現代國防、航空、航海、自動駕駛及關鍵基礎設施等領域不可或缺的PNT（定位、導航與授時）資訊來源，然而，GNSS訊號的固有脆弱性使其極易受到日益複雜和多樣化的蓄意干擾（Jamming）攻擊。傳統的單天線GNSS接收機在面對定向強干擾時，往往性能急劇下降甚至完全失效，在這樣的背景下，可控輻射模式天線（Controlled Reception Pattern Antenna, CRPA）技術應運而生，它透過部署多個天線單元構成陣列，並利用先進的自適應訊號處理演算法，在空間域選擇性地接收期望的衛星訊號，同時抑制來自特定方向的干擾訊號，如同為GNSS接收機打造了一面智慧的「空間盾牌」。

然而，CRPA系統的複雜性遠超傳統天線，其性能不僅取決於天線陣列的設計，更高度依賴於內部精密的自適應波束成形和零點抑制演算法。因此，對CRPA系統進行全面、嚴格且貼近真實作戰環境的性能驗證，成為確保其在複雜電磁對抗中發揮預期作用的關鍵環節，也是研發工程師面臨的核心挑戰。本主題將深入探討CRPA的工作原理、關鍵性能指標，並重點闡述從早期演算法級模擬、實驗室傳導測試到最終輻射場（OTA）測試的完整驗證流程與方法學。

CRPA技術核心：自適應波束成形與零點抑制原理

CRPA系統的核心在於其「智慧」地利用空間維度資訊，它通常由一個包含多個（例如4至16個或更多）天線單元的天線陣列和一個訊號處理單元組成。

• 自適應波束成形 (Adaptive Beamforming)：
  該技術的目標是動態地調整天線陣列的接收方向圖。透過為每個天線單元接收到的訊號分配一個可調節的複數權重（幅度和相位），然後將加權後的訊號進行相干疊加。訊號處理單元會根據即時的訊號環境，運行特定的自適應演算法（如最小均方誤差LMS、遞迴最小二乘RLS、最小變異數無失真響應MVDR、線性约束最小變異數LCMV等），不斷優化這些權重，使得天線陣列的主波束能夠「智慧地」指向期望的GNSS衛星訊號方向，從而最大化接收到的訊號干擾雜訊比（SINR）。
• 零點抑制 (Null Steering)：
  與形成主波束增益相對應，自適應演算法會在偵測到的干擾訊號到達方向上，形成非常深的接收「零點」或低增益旁瓣，從而將干擾訊號的功率大幅衰減，達到抑制效果。一個N單元的天線陣列理論上可以形成N-1個獨立的零點。

CRPA系統的關鍵性能指標 (KPIs)

評估CRPA系統的性能，通常關注以下關鍵指標：

• 干擾抑制比 (J/S Handling)：
  衡量CRPA系統在多大程度上能夠抑制輸入的干擾訊號，通常以能夠維持GNSS接收機正常鎖定追蹤所需的最小輸出J/S值或最大可容忍輸入J/S值來表徵。
• 波束指向精度與穩定性：
  主波束指向期望衛星的準確度和在動態環境下的穩定追蹤能力。
• 零點深度與寬度：
  在干擾方向上形成的零點的衰減程度（深度）以及該零點對抗干擾訊號頻率或角度微小變化的寬度。
• 收斂時間 (Convergence Time)：
  自適應演算法在偵測到新的干擾或環境變化後，調整權重達到穩定抑制效果所需的時間。
• 角度覆蓋範圍 (Angular Coverage)：
  CRPA能夠有效形成波束和零點的空間角度範圍。
• GNSS觀測量品質：
  經過CRPA處理後，輸出給GNSS接收機的訊號所對應的C/N₀值、偽距及載波相位測量雜訊等。

CRPA性能驗證的階段化工程實踐

CRPA系統的複雜性決定了其性能驗證必須採用一個循序漸進、從理論到實際、從組件到系統的階段化方法。

階段一：演算法級模擬與理論性能評估

此階段主要在軟體環境中（如MATLAB、Python等）進行，重點是驗證波束成形/零點抑制演算法本身的數學正確性、收斂特性和理論上的性能極限。

• 測試內容：
  演算法在理想天線模型和簡化通道模型下的SINR改善能力、零點形成能力、收斂速度、對不同干擾類型的響應等。
• 工程價值：
  快速迭代演算法設計，降低早期開發風險和成本。

階段二：實驗室傳導測試 – 受控環境下的RF性能驗證

在演算法得到初步驗證後，需要將其部署到實際的訊號處理硬體上，並在受控的射頻（RF）傳導環境下進行測試，此階段的核心是使用高傳真GNSS訊號模擬器和干擾產生器，直接向CRPA的各個天線單元的RF輸入端口饋送訊號。

• 測試設置：
  • GNSS訊號模擬：
    OHB XPLORA Pro 因其多個（例如支援4、8、12或更多）可獨立編程和精密同步的RF輸出通道，成為CRPA傳導測試的理想選擇。研發工程師可以利用其對每個通道輸出訊號的功率、相位、時延以及模擬的到達角（透過控制各通道間的差分時延/相位來實現）進行精確控制的能力，模擬多顆衛星訊號分別到達CRPA不同天線單元的情況。其高達50Hz的即時場景更新率和對所有民用GNSS頻段（L1, L2, L5等）的支援，確保了測試的動態性和全面性。
  • 干擾訊號產生：
    XPLORA Pro 同時具備可選配的多個獨立干擾源產生能力，能夠模擬來自不同方向（同樣透過差分時延/相位控制）、具有不同波形（CW, SCW, BBN, Pulsed等）和功率的干擾訊號，這些干擾訊號可以與衛星訊號疊加後送入CRPA。
• 測試內容：
  干擾抑制比（J/S）、多干擾源同時抑制能力、動態干擾跟蹤性能、訊號捕獲/追蹤靈敏度在干擾下的變化、CRPA演算法的收斂時間等。
• 焦點規格助力 (XPLORA Pro)：
  • 多RF輸出與獨立通道控制： 精確模擬多天線陣列接收到的空時訊號。
  • 精密同步： 確保各通道間訊號的相位與時延關係符合預期設定的到達角。
  • 多干擾源與AoA控制： 模擬複雜的多點干擾場景。
  • 寬頻訊號產生： 支援現代化GNSS寬頻訊號及潛在的寬頻干擾。

OHB XPLORA Pro GNSS模擬器以其多通道RF輸出、精密的訊號參數控制以及干擾模擬能力，是CRPA系統傳導測試和演算法驗證的關鍵儀器。

為進一步提升傳導測試的逼真度，尤其是在模擬複雜多徑環境對CRPA性能的影響方面，可以引入ACE9600 先進通道模擬器，ACE9600能夠對XPLORA Pro輸出的各路GNSS和干擾訊號疊加空間通道模型（Spatial Channel Model, SCM）效應，例如模擬訊號的到達角擴展（Angular Spread）、空間衰落以及多徑分量的空時特性，從而更全面地評估CRPA在接近真實傳播條件下的波束成形穩定性和抗多徑干擾能力。

DBM ACE9600 先進通道模擬器（硬體如圖下方，軟體介面如圖上方）可為CRPA測試中的每路RF訊號精確模擬複雜的空間通道傳播效應。

階段三：輻射場測試 – 電波暗室與外場驗證

傳導測試之後，需要在輻射環境下驗證CRPA系統的整體性能，這包括天線陣列本身的方向圖特性、單元間的互耦效應以及整個系統在真實空間訊號入射下的響應。

• 電波暗室（Anechoic Chamber）測試：
  • 環境： 提供一個電磁隔離、無反射的「自由空間」環境。
  • 設置： 將CRPA系統（含天線陣列）放置在轉台上，遠處架設產生GNSS訊號和干擾訊號的發射天線。
  • 測試內容： 精確量測天線陣列的校準後方向圖、在不同干擾入射角下的波束成形和零點抑制效果、系統的角度覆蓋範圍等。
• 外場動態測試（Field Testing）：
  • 環境： 在真實的戶外場地，甚至搭載於實際的運動平台（如車輛、飛行器）上進行測試。
  • 挑戰： 環境複雜多變，難以精確控制所有變數，但最能反映系統的實際應用性能。
  • 測試內容： CRPA系統在真實動態、真實多徑和潛在未知干擾環境下的長時間穩定性、抗干擾效果以及對PNT解算精度的最終貢獻。

在輻射測試階段，奧創系統科技提供的 CRPA測試解決方案 能夠根據不同的測試階段（暗室或外場）和CRPA天線單元數（從4到16個或更多）提供客製化的輻射模擬配置與系統整合服務，該方案可以整合高傳真GNSS模擬器（如XPLORA Pro）和多個獨立控制的干擾源發射天線，並配合暗室的精密定位系統或外場的差分GNSS基准站，進行全面的OTA性能評估；此外，還可提供經過校準的CRPA黃金樣本天線，用於建立性能比對的基準，加速客戶自身CRPA產品的研發與驗證週期。

CRPA性能驗證各階段重點與工具

未來CRPA測試技術的挑戰與展望

隨著GNSS威脅環境的日益複雜化（如更智能的干擾源、更寬頻的干擾訊號、協同欺騙攻擊等），CRPA技術及其測試驗證方法也面臨新的挑戰並呈現新的發展趨勢：

• 應對更智能、更寬頻、更多變的威脅：
  需要測試CRPA對跳頻干擾、脈衝干擾、以及與欺騙訊號結合的混合攻擊的響應。
• AI/ML在CRPA演算法及測試場景產生中的應用：
  AI有望用於優化自適應演算法的收斂速度和抗干擾性能，以及更智能地產生複雜且逼真的測試場景。
• 小型化、低成本CRPA的測試需求：
  隨著CRPA技術向更廣泛的平台（如小型無人機、地面車輛）擴展，對其小型化、低功耗和低成本設計的測試驗證需求也日益增加。
• 與其他PNT增強技術（如IMU、訊號認證、視覺導航等）的整合測試：
  評估CRPA在整個多感測器融合PNT系統中的綜合貢獻。

CRPA系統的性能驗證，本身也構成了一個從監測（威脅環境）、偵測（演算法響應）、告警（性能達標與否）到故障排除（演算法或硬體調試）和評估（整體效能）的完整工程閉環。

CRPA技術作為提升GNSS強韌性的重要手段，其應用已從傳統的固定式（Stationary）大型平台，逐步向移動式（Mobile）、便攜式（Portable）乃至嵌入式（Embedded）系統擴展，這對測試驗證方案的靈活性和可擴展性提出了更高要求。

結論：嚴謹驗證，鑄造GNSS在複雜電磁環境下的堅實盾牌

CRPA技術是應對GNSS定向干擾的的中流砥柱，為在複雜電磁環境中依賴PNT服務的關鍵應用提供了不可或缺的安全保障，然而，其內在的複雜性要求研發工程師必須採用系統化、多階段的嚴謹驗證流程，從演算法的理論推演到實驗室的精確測試，再到接近真實的輻射場景考核，每一步都至關重要，唯有透過如OHB XPLORA Pro等先進GNSS訊號模擬器和奧創系統科技提供的CRPA測試解決方案等專業測試手段，對CRPA系統的各項關鍵性能指標進行全面、客觀的評估與優化，才能最終鑄造出能夠在未來複雜電磁戰場中真正保護GNSS「心臟」的堅實盾牌。

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