衛(wèi)星導航抗干擾技術(shù)及其發(fā)展趨勢

朱明峰，秦 昕，游敬云

（1.中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033；2.火箭軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室，上海201100）

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)具有范圍廣、全天候、全天時的精確授時、精密測量和精準導航能力，并可通過空間衛(wèi)星及定位終端的多普勒變化，為各種動態(tài)導航定位終端提供速度及其速度變化率等動態(tài)參數(shù)，滿足空中、地面、水面運動目標的航跡規(guī)劃、航向糾偏、姿態(tài)校準等技術(shù)需求，因此，衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)已滲透到智慧交通和運輸、自動化工農(nóng)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和通信電力網(wǎng)、銀行和金融交易網(wǎng)等多個民用基礎(chǔ)設(shè)施，并已形成龐大的衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)鏈；同時GNSS接收終端已大量安裝在各種武器、載體平臺、通信系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)等軍用設(shè)備，成為獲取戰(zhàn)爭勝利的倍增器，并將作為未來全維作戰(zhàn)優(yōu)勢、全球精確打擊和機動能力、精確信息獲取和快捷的戰(zhàn)場支援的基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

目前在軌運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要有“四大兩小”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即美國的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）衛(wèi)星導航系統(tǒng)、中國的“北斗”（BDS）衛(wèi)星導航系統(tǒng)、歐洲的“伽利略”（Galileo）衛(wèi)星導航系統(tǒng)等四個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，以及印度的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(IRNSS)和日本的“準天頂”(QZSS)衛(wèi)星導航系統(tǒng)等兩個區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的地位越來越重要，對衛(wèi)星導航進行對抗引起了多國的廣泛關(guān)注，干擾樣式、平臺、策略、效能等諸方面都被深入分析[1-3]，美國提出了導航戰(zhàn)和授時戰(zhàn)[4]，同時多國都研制了多款導航干擾機，因此提高衛(wèi)星導航抗干擾技術(shù)，增強其抗有意和無意干擾的能力，成為導航接收終端設(shè)計、研制的重點和難點。

1 衛(wèi)星導航抗干擾方式

目前，衛(wèi)星導航抗干擾技術(shù)主要體現(xiàn)在導航接收終端，通過自適應(yīng)處理、采用新的調(diào)制方式、多模復(fù)合、組合導航等抗干擾手段，提升其對抗復(fù)雜電磁環(huán)境和人為有意干擾的能力。

1.1 自適應(yīng)信號處理技術(shù)[5]

典型的導航自適應(yīng)信號處理技術(shù)為自適應(yīng)調(diào)零天線，其本質(zhì)上是一種空域濾波器，是陣列天線技術(shù)與自適應(yīng)信號處理技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的一種抗干擾技術(shù)，基本原理是：根據(jù)外界信號的來波方向與功率大小，通過自適應(yīng)信號處理技術(shù)自動調(diào)整陣列天線方向圖的零點深度與零點方向，達到抑制干擾的目的，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)調(diào)零天線抗干擾原理示意圖

由于導航信號淹沒在噪聲以下，噪聲基底可作為自適應(yīng)調(diào)零天線功率最小化的閾值，而不影響導航信號的接收品質(zhì)，所以自適應(yīng)調(diào)零天線與導航接收機的“絕配”，極大提升其抗干擾能力。自適應(yīng)調(diào)零天線將來自不同陣元的信號進行加權(quán)處理，從而在天線陣的方向圖中產(chǎn)生對著干擾源方向的零點，以減低干擾機的效能?？傻窒母蓴_源數(shù)量等于天線陣元數(shù)n減1。

另外，為進一步提高空域調(diào)零天線的性能，達到提高綜合抗干擾能力的目的，采用“空時自適應(yīng)抗干擾陣列天線”、“空域多波束抗干擾天線”，達到既增強了有用信號又抑制了干擾信號的雙重目的。對于空時自適應(yīng)處理陣列理論，設(shè)該陣列單元總數(shù)為N，每個陣元設(shè)定的時域濾波器的階數(shù)為M，則該陣列天線自由度為(N-1)M，即能對抗的干擾源的最大數(shù)量為（N-1）M。

自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)飛機、精確制導彈藥、C4ISR等武器平臺，可使導航定位終端抗干擾能力大幅提高。美軍典型的自適應(yīng)調(diào)零天線產(chǎn)品應(yīng)用包括JDAM精確制導彈藥采用4陣元自適應(yīng)調(diào)零天線、“戰(zhàn)斧”巡航導彈采用5陣元自適應(yīng)調(diào)零天線、F-16戰(zhàn)斗機采用7陣元自適應(yīng)調(diào)零天線、F-22戰(zhàn)斗機采用更為先進的7陣元空時自適應(yīng)處理天線等。根據(jù)相關(guān)資料分析，可知自適應(yīng)調(diào)零天線可使導航定位終端的抗干擾能力提升30～50 d B。

1.2 調(diào)制新體制

GNSS普遍采用直接序列擴頻（DS）技術(shù)，由數(shù)據(jù)信號疊加高頻偽隨機碼（PRN）擴展信號調(diào)制載波，擴頻信號占據(jù)著比傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率更寬的帶寬，這種帶寬的冗余可以抑制干擾信號的副作用，并減少傳輸信號的功率峰值，使其有效地隱藏于噪聲背景下，增加了信號的隱蔽性和抗截獲性。新一代導航信號大量采用BOC(Binary Offset Carrier)、CBOC(Composite Binary Offset Carrier)和TMBOC(Time-Multiplexed Binary Offset Carrier)等調(diào)制方式，一方面可增加信號測量精度和抗多徑的能力，另一方面可實現(xiàn)軍民信號頻譜分離，具備在特殊狀態(tài)下，干擾民用信號、對軍用接收終端的影響較少的能力。同時，BOC具備上下2個邊帶，可以調(diào)制不同的信息，增加了導航信息傳遞的可靠性。另外，采用導頻信號，不調(diào)制導航電文，可以進行長時間積分，有利于捕獲相關(guān)峰。圖2給出了PLL抖動誤差與輸入C/N0的關(guān)系，通過仿真發(fā)現(xiàn)采用導頻信號的長時間積分，減少PLL熱噪聲抖動，可以降低跟蹤門限的C/N0值，達到抗干擾的目的。

圖2 PLL抖動誤差仿真

1.3 多模復(fù)合技術(shù)

隨著“四大兩小”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展和完善，現(xiàn)有衛(wèi)星導航定位終端逐漸由傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)接收定位向多系統(tǒng)聯(lián)合的多模復(fù)合接收定位發(fā)展，可用頻點由GPS系統(tǒng)的L 1/L 2向GLONASS的G1/G2、GALILEO的E1/E5/E6等擴展，信號帶寬由GPS系統(tǒng)擴展至整個衛(wèi)星導航信號頻段(1 160～1 615 MHz)和S頻段，如表1所示。

表1 導航系統(tǒng)的信號類型及特性

相對單模接收終端，多模復(fù)合導航接收終端的可用衛(wèi)星數(shù)量顯著增多，其定位精度、完好性和連續(xù)性等指標均得到改善；當一個導航系統(tǒng)遭到破壞時，可以采用其它導航系統(tǒng)，同時，各種導航系統(tǒng)采用不同的技術(shù)體 制，如GPS、Galileo和BDS采 用CDMA，而GLONASS采用TDMA，并且信號帶寬、頻點不盡相同，提高了導航終端對衛(wèi)星的可信利用和抗干擾能力。

1.4 多組合抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星導航可與慣性導航（INS）、雷達高度表、地形匹配、光電制導等組合，形成復(fù)合制導方式，可大大提升導航定位終端的抗干擾性能。目前，組合比較普遍的是GNSS/INS。絕大多數(shù)的遠程精確打擊武器及攻擊彈藥、作戰(zhàn)武器平臺都采用了GNSS/INS組合導航定位技術(shù)，利用GNSS定位信息對INS進行輔助，降低INS誤差隨時間的積累，大大提高了導航精度。同時，INS也可對GNSS導航定位終端進行輔助，解決了GNSS導航定位終端的高動態(tài)應(yīng)用問題，并提高了其抗干擾能力。

組合導航設(shè)備利用衛(wèi)星導航長期高精度的優(yōu)勢和慣導短時高精度抗干擾的優(yōu)勢，構(gòu)成互補。技術(shù)體制上，組合導航分為松組合、緊組合與超緊組合。松組合利用GPS與慣導各自輸出的定位解算結(jié)果進行融合定位；緊組合融合GPS與慣導的偽距與偽距率進行綜合定位；超緊組合使用融合后的定位結(jié)果對GPS的信號捕獲與跟蹤進行輔助，提高導航設(shè)備的動態(tài)性能。

1.5 反欺騙干擾技術(shù)[6]

通過基于載噪比C/N0的檢測技術(shù)來實施。大部分GPS接收終端將載噪比C/N0作為衡量所接收到的信號質(zhì)量的一個參數(shù)。因為接收到的信號噪聲功率基本恒定，而信號功率通常也是恒定的，受到遮擋、路徑損耗增大的情況下接收到的信號功率會變小，所以可以檢測信噪比值，如果超出正常信號載噪比值，則很可能為欺騙信號。同時因為衛(wèi)星與接收終端之間的距離較大，在開闊地的情況下，衛(wèi)星的移動和電離層的變化會引起接收信號功率的一個平緩的變化，所以，當接收終端接收到的載噪比發(fā)生一個突然增加的變化且載噪比增加值超出正常值范圍時，就說明接收終端接收到了一個更高功率的欺騙信號。接收終端可以連續(xù)地監(jiān)測信號載噪比的狀態(tài)，并找到所有出現(xiàn)的信號載噪比不尋常的突變。

通常欺騙干擾機采用單一信號發(fā)射天線，這樣所有信號都從一個方向到達接收終端，欺騙信號入射角度與真實信號存在差異，所以可以采用雙天線或多天線的結(jié)構(gòu)，配合信號處理部分進行欺騙信號檢測。

2 衛(wèi)星導航抗干擾技術(shù)發(fā)展趨勢

衛(wèi)星導航接收終端的核心是抗干擾和定位授時高精度，而抗干擾是高精度的保障，因此GNSS優(yōu)先要做的事情是“除了抗干擾，還是抗干擾和抗干擾”。

2.1 從系統(tǒng)角度全面提升衛(wèi)星導航抗干擾能力

未來的導航系統(tǒng)將站在系統(tǒng)的角度，從空間段、地面段和用戶段全面提升其抗干擾能力。

在空間段，對導航衛(wèi)星采用“增功率、點波束、加星鏈”等方式提升其抗干擾能力。低功耗、小型化等器件的發(fā)展，為導航衛(wèi)星發(fā)射功率提升提供了技術(shù)基礎(chǔ)，據(jù)報道，GPSIII的功率相對于GPSII提升4 dB以上；利用高增益點波束天線，能對選定地區(qū)集中更高的功率，可提高信號強度，GPSIII的點波束可提升20 dB抗干擾能力；采用高頻段星間鏈路，增加了可視衛(wèi)星數(shù)目，可使用戶的精度、連續(xù)性和完善性更好，寬帶星間鏈路組成一個空間網(wǎng)絡(luò)，提供對所有衛(wèi)星的持續(xù)連通能力。持續(xù)連通能力使得實現(xiàn)“連通一顆即連通整網(wǎng)”的運行概念成為可能，實現(xiàn)對星座的實時、連續(xù)和動態(tài)監(jiān)視，保障導航信息的實時性和有效性。GPSⅢ運行結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?！氨倍贰毙l(wèi)星采用Ka頻段星間鏈路進行星間測距、自主導航和星間通信，提升了抗攻擊的能力。

圖3 GPSⅢ運行結(jié)構(gòu)圖

在控制段，將監(jiān)測、注入站移到本土加強其抗干擾能力。美國將在GPSⅢ階段改變上行注入策略，取消海外注入站，將全球布站收縮為本地布站，僅利用本土注入站在星地之間建立高速上行通道，借助星間鏈路向全星座分發(fā)導航電文等數(shù)據(jù)，僅需一副注入天線就可實現(xiàn)“一點通，全網(wǎng)通”，同樣可實現(xiàn)全星座、全弧度、全時段注入。GLONASS利用量子-光學站（激光站）、場控制設(shè)備等增加控制段的抗干擾能力。

隨著小型化、低功耗器件的飛速發(fā)展，量子計算、智能計算的跨越式進步，在接收終端的抗干擾新技術(shù)將會更加層出不窮。

2.2 多域融合提升其抗干擾能力

GNSS本身就存在多個冗余，從空間上，僅可見4顆導航衛(wèi)星既可實現(xiàn)定位，而現(xiàn)在GPS、GLONASS和BDS在中低緯度一般可見7顆以上衛(wèi)星，在某些時間段可見十幾顆衛(wèi)星。從頻點上，每個衛(wèi)星導航系統(tǒng)都存在多個頻點，除了消除電離層、對流層誤差外，還可以作為頻域備份，僅對一個頻點的干擾不能從本質(zhì)上影響定位結(jié)果。

GNSS為了進一步提升其抗干擾能力，將會加強多域融合抗干擾能力。具體體現(xiàn)在：進一步加強導航系統(tǒng)間融合，未來將把GNSS的每顆衛(wèi)星同等看待進行幾何精度因子（GDOP）最大化選取，衛(wèi)星信號捕獲、跟蹤、解算將高度融合；增進其他系統(tǒng)的融合導航，包含通信網(wǎng)、移動網(wǎng)、天文導航等定時信息的融合，多授時定位手段為導航終端提供時空基準能力。同時在處理方式上，將空域、時域、頻域、碼域、極化域融合，全面提升其抗多源、寬帶、突發(fā)和欺騙等干擾方式的能力。

2.3 智能化提升衛(wèi)星導航抗干擾能力

隨著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，未來導航接收終端將進化為導航智能體，利用智能對消技術(shù)，增加導航接收抗噪聲和有意干擾的能力；采用智能選擇技術(shù)，為多星座、多體制、多角度、多時延等提供真實、可信的可用衛(wèi)星數(shù)；采用智能決策技術(shù)，通過對各種干擾調(diào)制樣式、帶寬、功率等參數(shù)的訓練和對抗，建立干擾博弈數(shù)據(jù)庫，增加導航接收終端對各種干擾的自適應(yīng)反制能力。

2.4 硬件新技術(shù)提升衛(wèi)星導航抗干擾能力

在硬件設(shè)計上，通過高精度時鐘（如量子時鐘）縮短衛(wèi)星捕獲窗口，減少衛(wèi)星的首次定位時間、重捕時間；利用多通道集成相關(guān)技術(shù)，增加信號的捕獲和跟蹤能力；利用高性能計算技術(shù)，縮短導航解算和定位時間。

3 結(jié)束語

本文分析了自適應(yīng)處理、多調(diào)制信號、多模復(fù)合、組合導航、抗欺騙等典型衛(wèi)星導航抗干擾技術(shù)，并提出抗干擾技術(shù)朝著體系抗干擾、多域融合和智能化方向發(fā)展的趨勢，為導航抗干擾接收終端的設(shè)計、研制、測試和驗證提供技術(shù)參考。