衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)技術(shù)分析

李保東+徐昕誥+陳楊

摘 要 隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星定位導(dǎo)航作為一種新型的星基無線電導(dǎo)航方式，在各個(gè)領(lǐng)域間得到了廣泛的應(yīng)用。然而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身信號(hào)較弱且易受干擾，在很大程度上制約了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，因此對(duì)具有抗干擾能力的衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)極具必要性。本文從衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)入手，簡要分析了衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收技術(shù)。

關(guān)鍵詞 衛(wèi)星導(dǎo)航；抗干擾接收系統(tǒng)；分析

中圖分類號(hào) G2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1674-6708（2016） 154-0036-01

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)利用人造衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，具有覆蓋范圍廣、用戶基數(shù)大的特點(diǎn)，所提供的導(dǎo)航信息也具有精度較高、種類較多的特點(diǎn)，有效地提高了國際導(dǎo)航定位水平。但其也面臨著信道環(huán)境復(fù)雜、干擾形式多樣化的問題，因此對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行分析具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)對(duì)不同類型的干擾信號(hào)會(huì)顯示出不同的受干擾程度，主要干擾類型可以分為掃頻等幅波、調(diào)幅等幅波、脈沖等幅波、相移鍵控法偽噪聲等類型。人為的衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)依據(jù)干擾體制的不同主要分為壓制性干擾與欺騙式干擾兩種。

1.1 壓制式干擾

壓制式干擾主要通過發(fā)射一定干擾信號(hào)以壓制衛(wèi)星導(dǎo)航GPS信號(hào)，使GPS接收機(jī)前端接收不到GPS衛(wèi)星信號(hào)，從而使壓制式干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后壓制了人們需求的有用信號(hào)，使有用信號(hào)中包含的信息混淆化，難以進(jìn)行正常解讀，導(dǎo)致接收機(jī)難以準(zhǔn)確地對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)干擾目的。基于GPS信號(hào)抗干擾性弱的特點(diǎn)，瞄準(zhǔn)式、相關(guān)式以及阻塞式壓制干擾的干擾性較為優(yōu)秀。壓制性干擾信號(hào)的熱點(diǎn)主要是根據(jù)GPS信號(hào)特性設(shè)計(jì)的掃頻式、單頻式干擾，以及白噪式的寬帶干擾。

1.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾主要通過發(fā)射與衛(wèi)星導(dǎo)航GPS信號(hào)相同參數(shù)的假信號(hào)，使接收機(jī)接收到虛假信息，產(chǎn)生錯(cuò)誤的定位導(dǎo)航信息，從而達(dá)到相應(yīng)的干擾目的。欺騙式干擾主要是針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理加以干擾，其干擾形式較為隱蔽，主要針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行干擾。欺騙式干擾主要包括產(chǎn)生式欺騙干擾以及轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾兩種形式。產(chǎn)生式欺騙干擾會(huì)根據(jù)掌握的導(dǎo)航信息制作出參數(shù)接近的欺騙信號(hào)對(duì)接收機(jī)的信號(hào)接收工作進(jìn)行混淆；轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾是將攔截到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行放大或延時(shí)后發(fā)送至信號(hào)接收機(jī)，使得接收機(jī)接收到的信號(hào)發(fā)生變化，從而影響導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于現(xiàn)階段衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，而衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)由于自身特性易受到敵方壓制式干擾與欺騙式干擾的影響，提高衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾能力成為世界各國提升軍事實(shí)力以及綜合國力的重要措施。

2.1 衛(wèi)星優(yōu)化抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)主要通過適當(dāng)提高導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)生功率，以及采用更精準(zhǔn)的原子鐘、方向性更強(qiáng)的星載天線提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)役的GPS星座衛(wèi)星逐漸進(jìn)入了退役期，具有波束發(fā)射能力以及軍用M碼的衛(wèi)星逐漸得到了應(yīng)用。對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的抗干擾技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以有效地提升信息定位、信息導(dǎo)航的抗干擾能力，提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以為信號(hào)傳輸提供一定的記憶功能，在GPS信號(hào)受到壓制式干擾或欺騙式干擾式可以及時(shí)地恢復(fù)正常。將衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，有利于提高接收機(jī)重新捕獲GPS信號(hào)的效率，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)具有高精度特性，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有短期精度特性，通過將二者有機(jī)結(jié)合起來，可以有效地提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.3 偽衛(wèi)星技術(shù)

偽衛(wèi)星技術(shù)主要通過安裝地面虛擬機(jī)或者在無人機(jī)上裝載記載轉(zhuǎn)發(fā)器，構(gòu)成一個(gè)虛擬的GPS衛(wèi)星星座，從而轉(zhuǎn)發(fā)加密的高功率GPS信號(hào)。這些偽衛(wèi)星通過直接發(fā)射的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸，極大地提高了導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度，降低了干擾性。無人機(jī)裝載的偽衛(wèi)星主要使用波束形成天線，在受到壓制式干擾與欺騙式干擾時(shí)仍然可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，并對(duì)位置信息進(jìn)行解碼。偽衛(wèi)星發(fā)射的高功率的加密信號(hào)減輕了接收機(jī)設(shè)備的抗干擾壓力，提高了接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的捕獲能力提高了定位精度。

2.4 幅相對(duì)消技術(shù)

幅相對(duì)消技術(shù)是一種雙孔徑技術(shù)，采用了無人機(jī)頂部天線以及底部天線的雙天線模式，分別對(duì)干擾性信號(hào)與有用信號(hào)進(jìn)行接收，并通過對(duì)所有接收到的信號(hào)進(jìn)行整合與分析，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行消除。幅相對(duì)消技術(shù)可以應(yīng)用于復(fù)雜的信道環(huán)境中，其雙孔徑需要安裝于飛頂部與底部的統(tǒng)一垂線上。

2.5 自適應(yīng)天線技術(shù)

由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗干擾性較弱，很容易湮沒在干擾信號(hào)中。自適應(yīng)天線技術(shù)依據(jù)這一特點(diǎn)，依據(jù)接收準(zhǔn)則對(duì)天線陣元的幅度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并通過相位加權(quán)達(dá)到良好的接收效果，使陣列方向圖在干擾信號(hào)方向?qū)崿F(xiàn)足夠深的零陷，從而最大限度地對(duì)輸入總功率進(jìn)行抑制。自適應(yīng)天線技術(shù)通過有序結(jié)合天線陣列信號(hào)形成多波束模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)干擾信號(hào)的抑制，使強(qiáng)干擾電頻降低至低噪聲水平，提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空域抗干擾能力。

2.6 頻域?yàn)V波技術(shù)

頻域?yàn)V波技術(shù)使用于帶寬有限的窄帶干擾、某些類型的寬帶干擾、等幅干擾以及較強(qiáng)的帶外干擾。頻域?yàn)V波技術(shù)主要通過時(shí)頻分析將干擾信號(hào)與有效信號(hào)進(jìn)行分離，并對(duì)干擾信號(hào)加以抑制。對(duì)于窄帶干擾與等幅干擾一般在頻域內(nèi)特定位置利用陷波法加以抑制，而對(duì)于某些類型的寬帶干擾與較強(qiáng)的帶外干擾，可以直接以普通濾波進(jìn)行抑制。

2.7 時(shí)域?yàn)V波技術(shù)

時(shí)域?yàn)V波技術(shù)是對(duì)信號(hào)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行處理的單孔徑技術(shù)，時(shí)域?yàn)V波可以有效地抑制窄帶干擾以及連續(xù)波干擾。不過時(shí)域?yàn)V波技術(shù)在對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制時(shí)，會(huì)在一定程度上對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行抑制。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收技術(shù)研究策略

1）深入研究信源參數(shù)估測(cè)工作?，F(xiàn)階段衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)在復(fù)雜傳播環(huán)境下的估測(cè)算法都是基于均勻線陣的，確實(shí)具備較高的抗干擾性能以及準(zhǔn)確性。不過二維DOA較之傳統(tǒng)的一維DOA包含了更多的位置信息，更為符合接收機(jī)接收信號(hào)的需要，因此衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)應(yīng)當(dāng)深入研究信源參數(shù)的估測(cè)工作，加強(qiáng)二維DOA估計(jì)的研究。

2）深入非平穩(wěn)干擾抑制的研究。衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)可以深入研究采用分?jǐn)?shù)階傅里葉變化估計(jì)的非平穩(wěn)干擾抑制參數(shù)，并分析其產(chǎn)生的誤差對(duì)于抗干擾性能的影響，從而提高對(duì)干擾信號(hào)參數(shù)估測(cè)的準(zhǔn)確性，提高抗干擾算法抵抗非平穩(wěn)干擾的能力。

3）隨著衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收技術(shù)研究的深入，利用凸優(yōu)化技術(shù)可以對(duì)絕大多數(shù)非凸優(yōu)化問題進(jìn)行簡化，并提高凸優(yōu)化問題解決的便捷性?；谕箖?yōu)化技術(shù)的文件波束形成的干擾抑制技術(shù)，可以作為衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)論

總而言之，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為一種新型的空基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)全球GPS技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展展現(xiàn)出了一系列優(yōu)勢(shì)，解決了空間層面上各類運(yùn)行平臺(tái)的定位導(dǎo)航問題。然而受制于其以受信號(hào)弱、抗干擾性差的特性，在信息導(dǎo)航戰(zhàn)的復(fù)雜信道環(huán)境下是否具備優(yōu)秀的抗干擾能力影響了其只能的發(fā)揮水平，因此提升衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)技術(shù)具有一定的必要性。