衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用

趙宇昕

摘 要：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用是人類導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的一次飛躍。然而隨著其快速發(fā)展，其易受干擾的問題也越來(lái)越突出。本章首先介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾的研究背景與意義；綜述了國(guó)內(nèi)外抗干擾技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及抗干擾系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航作為一種全新的無(wú)線電導(dǎo)航方式，在軍事領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)弱、易受干擾的問題也越來(lái)越突出，因此迫切需要研究具有抗干擾能力的衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析和討論了不同實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)特點(diǎn)，在總結(jié)GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)和頻率特性的基礎(chǔ)上，分析了干擾對(duì)GPS接收系統(tǒng)的影響；提出了一種基于軟件無(wú)線電技術(shù)的GPS抗干擾接收系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)所需的靈敏度、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍，仿真了射頻模塊的頻率選擇性、增益預(yù)算、噪聲系數(shù)預(yù)算，選擇了適合本系統(tǒng)的射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；分析了信號(hào)處理模塊中A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)、采樣頻率與系統(tǒng)性能的關(guān)系，仿真并分析了信號(hào)處理模塊中量化位數(shù)對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能的影響，分析了系統(tǒng)電磁兼容中的干擾源和敏感源。在理論分析與仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了小型化的微帶GPS天線陣；設(shè)計(jì)了射頻模塊，其中包括低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器和自動(dòng)增益放大器、頻率綜合器；設(shè)計(jì)了高性能的信號(hào)處理模塊，并對(duì)其進(jìn)行了兩代小型化和低功耗改進(jìn)設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了抗干擾算法的硬件程序；后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電磁兼容的GPS抗干擾接收系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)行了測(cè)試。針對(duì)多模式衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展趨勢(shì)，本文總結(jié)并分析了各種模式的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)特點(diǎn)和頻率特性，提出了兩種多?？垢蓴_接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了GPS/GLONASS抗干擾信號(hào)處理子模塊和可用于多模式衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)的多路輸出DDS頻率源。對(duì)多模式衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾系統(tǒng)中關(guān)鍵器件之一的雙頻/多頻功分器進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。針對(duì)雙頻功分器，提出了小型化雙頻雙路微帶平面功分器結(jié)構(gòu)、小型化的雙頻三路微帶平面功分器結(jié)構(gòu)、基于雙模諧振器的雙頻雙路微帶平面功分器結(jié)構(gòu)，采用奇偶模分析了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)得到了參數(shù)設(shè)計(jì)方程，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效性，仿真并實(shí)測(cè)了多款雙頻功分器；針對(duì)多頻功分器，提出了一種耦合式三頻雙

路微帶平面功分器結(jié)構(gòu)、三頻三路微帶平面功分器結(jié)構(gòu)，給出了參數(shù)設(shè)計(jì)方程，加工了實(shí)物，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，所設(shè)計(jì)的功分器達(dá)到了較好的性能。

人類的導(dǎo)航從初的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事活動(dòng)出現(xiàn)后便伴隨人類進(jìn)步而不斷發(fā)展。從早以石頭、樹、山脈作為參照物，漸漸發(fā)展到天文觀測(cè)法，通過天上的太陽(yáng)、月亮和星星來(lái)判斷位置，而我國(guó)四大發(fā)明之一指南針的出現(xiàn)，開創(chuàng)人類導(dǎo)航領(lǐng)域新里程，從此人們可以遠(yuǎn)涉重洋。無(wú)論絲綢之路還是哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸，離開了導(dǎo)航簡(jiǎn)直是無(wú)法想象的。

幾千年來(lái)，人類一直為開發(fā)各種巧妙導(dǎo)航方法或裝置使自己能準(zhǔn)確到達(dá)遙遠(yuǎn)的目的地而努力。隨著無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)，無(wú)線電導(dǎo)航隨之發(fā)明，使導(dǎo)航系統(tǒng)成為航行中真正可依賴工具，這標(biāo)志著近代導(dǎo)航史的開端。

20世紀(jì)20年代，無(wú)線電信標(biāo)——第一個(gè)無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)問世，開創(chuàng)了航空和海洋導(dǎo)航的新篇章。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出各種導(dǎo)航系統(tǒng)，如儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)、伏爾/測(cè)距器、羅蘭C、奧米伽、塔康和臺(tái)卡等陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。但這一類導(dǎo)航系統(tǒng)普遍存在信號(hào)覆蓋區(qū)域有限、技術(shù)落后、定位精度低等不足等缺點(diǎn)。1963年12月，第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的入軌運(yùn)行，開創(chuàng)了陸?？招l(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航的新時(shí)代。1994年4月，美國(guó)宣布GPS全面建成達(dá)到初始運(yùn)行能力，1996年1月，俄羅斯的GLONASS達(dá)到滿星運(yùn)行，它們的應(yīng)用使無(wú)線電導(dǎo)航產(chǎn)生了一場(chǎng)技術(shù)革命，也標(biāo)志著衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)代真正到來(lái)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種全新的星基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它不僅具有全球性、全天候和連續(xù)的緊密三維定位能力，而且能實(shí)時(shí)地對(duì)軍民各種運(yùn)動(dòng)載體的速度、姿態(tài)進(jìn)行精確測(cè)定以及精確授時(shí)。在民用方面，廣泛應(yīng)用于海洋、陸地和空中運(yùn)輸?shù)膶?dǎo)航。如今衛(wèi)星導(dǎo)航已滲透國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。在軍事應(yīng)用方面，衛(wèi)星導(dǎo)航同樣得到了全方位應(yīng)用，從根本上解決了空中、陸地和海上各種軍事運(yùn)載體、武器的定位和導(dǎo)航問題。GPS在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、美國(guó)對(duì)伊拉克實(shí)施”沙漠之狐”行動(dòng)、以美國(guó)為首的北約對(duì)南聯(lián)盟的戰(zhàn)爭(zhēng)中都發(fā)揮了極其重要的作用?？梢娦l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為重要的軍事民用基礎(chǔ)設(shè)施，誰(shuí)掌握這種技術(shù)和能力，誰(shuí)就在軍事、外交和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擁有主動(dòng)權(quán)，這也引起了所有大國(guó)的關(guān)注和重視。

GNSS（Global Navigation Satellite System）泛指全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，它包 含了美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、我國(guó)的北斗（COMPASS）等系統(tǒng)。到目前為止，只有美國(guó)的GPS和俄羅斯的GLONASS具有全球定位導(dǎo)航的能力，其中GPS技術(shù)較為領(lǐng)先，占有市場(chǎng)大部分份額，GLONASS因衛(wèi)星壽命過短以及俄羅斯經(jīng)濟(jì)原因，尚不能保證星座完整性，隨著補(bǔ)星，其后可能滿星座運(yùn)行。歐洲的GALILEO系統(tǒng)正處于部署星座階段。我國(guó)的北斗系統(tǒng)第一代已經(jīng)建成，目前正處于第二代星座的部署階段，屆時(shí)我國(guó)將成為繼美國(guó)俄羅斯之后第三個(gè)擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為一個(gè)功能強(qiáng)大的軍事傳感系統(tǒng)，已成為天戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、遠(yuǎn)程作戰(zhàn)、導(dǎo)彈戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的重要武器，并且敵我雙方對(duì)控制導(dǎo)航作戰(zhàn)權(quán)的斗爭(zhēng)將發(fā)展成為導(dǎo)航戰(zhàn)。衛(wèi)星導(dǎo)航在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但作為軍事戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用，有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，那就是到達(dá)地面的信號(hào)弱、容易受到干擾。特別是敵方施加有意干擾時(shí)，普通衛(wèi)星接收機(jī)將完全失鎖而無(wú)法接收導(dǎo)航定位信號(hào)，這對(duì)于軍事設(shè)備來(lái)說是致命的。例如，GPS信號(hào)在眾所周知的頻率上發(fā)射，發(fā)射功率不大，信噪比低，導(dǎo)航衛(wèi)星又在離地面兩萬(wàn)公里之遙，信號(hào)到達(dá)地面已十分微弱，非常容易受到干擾或欺騙。一個(gè)很常用的例子是GPS的L1信號(hào)到達(dá)地面信號(hào)小功率電平-160dBW，其信號(hào)強(qiáng)度僅相當(dāng)于16000km外一個(gè)25W的燈泡發(fā)出的光，比電視天線所接收到的功率低10億倍，即便是無(wú)意發(fā)射的信號(hào)也可能干擾接收機(jī)。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)在復(fù)雜干擾環(huán)境中抗干擾能力的強(qiáng)弱已成為其發(fā)揮作用的關(guān)鍵，因此，深入研究衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)受干擾的機(jī)理，提出衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾的方法，研究實(shí)用的衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)，具有非常重要的軍事意義和現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展也有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。endprint