全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)綜述

蘭詩梅

（貴陽學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)綜述

蘭詩梅

（貴陽學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

如今全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國防和國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在民用和軍事行動方面人們對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)依賴性不斷增強(qiáng)，衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的競爭也日益加劇。但是衛(wèi)星通信是一種容易受到干擾的通信體制，因此必須研究一些有效并且可行的抗干擾方法避免干擾。本文對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中通信抗干擾技術(shù)和算法進(jìn)行了一系列的研究，總結(jié)了抗干擾技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；抗干擾

1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的干擾

如今，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為人類活動中一個非常重要的組成部分。然而，面對各種復(fù)雜的干擾，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并不能很好地應(yīng)付。因此，我們需要深入分析造成干擾的因素，研究有效的措施，應(yīng)用抗干擾技術(shù)確保全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行。實(shí)際上，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主控站、監(jiān)控站以及其上行鏈路都相對安全，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾主要是來自于接收機(jī)的干擾。我們可以將接收機(jī)的干擾分為兩種：壓制式干擾和欺騙式干擾[1]。

1.1 壓制干擾

壓制式干擾主要的方式是屏蔽正常的信號，通過干擾機(jī)發(fā)出干擾信號，屏蔽掉該區(qū)域所有的正常信號，使其接收機(jī)不能正常工作。

1.2 欺騙干擾

欺騙式干擾主要的方式是通過干擾機(jī)發(fā)出與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常信號有著相似參數(shù)的虛假信號，同樣采取干擾接收機(jī)的方式，使接收機(jī)產(chǎn)生錯誤的信息，當(dāng)接收機(jī)與信號同步時，干擾機(jī)發(fā)出的虛假信號就會和正常的衛(wèi)星信號一同進(jìn)入接收機(jī)。而當(dāng)干擾機(jī)發(fā)出的干擾信號功率大于衛(wèi)星正常信號時，正常信號將與干擾信號混合，于是便得不到正確的信號，只能得到錯誤的信號。

2 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾措施主要兩種，一是導(dǎo)加強(qiáng)衛(wèi)星的抗干擾能力，二是加強(qiáng)用戶接收機(jī)的抗干擾能進(jìn)行力。相對而言，由于對衛(wèi)星干擾距離遠(yuǎn)、成本高，使得對衛(wèi)星的干擾十分困難。因此，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾主要是對其接收機(jī)進(jìn)行干擾。因此，我們主要研究的也是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)抗干擾的技術(shù)。下面介紹一下主要的幾種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)：

2.1 時域?yàn)V波

時域?yàn)V波是在一種早期存在的信號處理系統(tǒng)，它能處理時域內(nèi)的信號，其簡單并且可靠[2]。另外，時域?yàn)V波技術(shù)還是單孔徑技術(shù)，能有效處理連續(xù)波干擾源、多窄帶噪音干擾源、回波消除、多徑干擾、多個窄帶的干擾等問題，其抗干擾效果良好，但是處理不了寬帶干擾的問題。

2.2 空域?yàn)V波

空域?yàn)V波技術(shù)也稱為自適應(yīng)陣列陷零技術(shù)，它主要是利用天線作為空間濾波的方法，利用各種天線陣列，可以推測干擾源的位置，并形成帶指向的波束[3]。由于天線陣列區(qū)分不同方向信號，利用這一特征，可以在干擾方向形成零陷，達(dá)到抑制干擾信號的目的。利用一個處理器連接微波網(wǎng)絡(luò)，再由微波網(wǎng)絡(luò)連接自適應(yīng)陣列中多個不同的陣元，處理器即可調(diào)節(jié)從微波網(wǎng)絡(luò)傳來的各種信號，并控制多個陣元的增益和相位的變化，在天線的方向上產(chǎn)生相對干擾方向的零點(diǎn)，從而抵消信號的干擾。

2.3 自適應(yīng)波束形成

自適應(yīng)波束形成是通過調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)幅度和相位，

改變陣元天線方向，使其主瓣對準(zhǔn)期望信號的方向，這樣，便可提高抗干擾能力，獲得較高的信號增益[4]。主要是按照一定準(zhǔn)則來確定自適應(yīng)權(quán)，利用不同的自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)的。其中常用的準(zhǔn)則有NV準(zhǔn)則（最小噪聲方差）、MSE準(zhǔn)則（最小均方誤差）、LH準(zhǔn)則（最大似然比)、SNR準(zhǔn)則（最大信噪比）等。常用的自適應(yīng)算法是開環(huán)算法和閉環(huán)算法[5]。

3 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)算法研究

無論是時域?yàn)V波、空域?yàn)V波還是自適應(yīng)波束處理，都必須在干擾方向上形成自適應(yīng)零陷。由于不同自適應(yīng)算法在數(shù)值穩(wěn)定性和收斂速度方面的不同；其自由度越高，抗干擾的數(shù)量越多，計算量也就越大，就越難以實(shí)現(xiàn)，所以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的核心就是自適應(yīng)算法。

3.1 基于自適應(yīng)處理抗干擾算法

在自適應(yīng)處理中，最優(yōu)準(zhǔn)則有最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則、最大輸出信干噪比（MSINR）準(zhǔn)則、最小方差準(zhǔn)則（MV）等。

(1)最大信干噪比(MSINR)準(zhǔn)則自適應(yīng)處理的輸出可以表示為：

(2)最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則輸出為y=wHx，輸出誤差為：e=d-y=d-wHx。MMSE準(zhǔn)則是使誤差信號均方值最小化：得到最優(yōu)權(quán)值為

(3)線性約束最小方差：

3.2 基于Givens旋轉(zhuǎn)的QR-RLS算法

當(dāng)遇到復(fù)雜的干擾環(huán)境，比如脈沖干擾時，自適應(yīng)處理要使用能夠高效運(yùn)算并且穩(wěn)定性強(qiáng)的算法，因此，提出一種自適應(yīng)處理算法：基于Givens旋轉(zhuǎn)的QR-RLS算法。

有一個二元素矢量v=[v1，v2]T,設(shè)v1和v2是實(shí)數(shù)，矢量長度角度故

圖1 一個二維矢量的角度旋轉(zhuǎn)

如圖1，將矢量v旋轉(zhuǎn)一個角度?，要完成此旋轉(zhuǎn)，需將正交變換舉證G左乘矢量v，其中

一個n維復(fù)數(shù)矢量vn，可建立一個正交矩陣Gij，其中或vj≠0。

故

為了完成QR分解，可以用一系列Givens旋轉(zhuǎn)使數(shù)據(jù)矩陣[[X (n)K(n)]T,K(n)dT(n)]化為上三角陣，完成數(shù)據(jù)矩陣的QR分解。

圖2 故意Givens旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)QR分解示意圖

4 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)中，由于來自其接收機(jī)的干擾最為常見，因此，多數(shù)抗干擾技術(shù)都是對于其接收機(jī)抗干擾的研究，接收機(jī)的抗干擾能力也得到了極大的提高。對于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說，其抗干擾技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾類：

4.1 故意小型化

主要是對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾設(shè)備的體積和重量進(jìn)行優(yōu)化，體積小、重量低的抗干擾設(shè)備能夠更好的適應(yīng)各

種場所。

4.2 故意數(shù)字化

早期的自適應(yīng)陣列陷零技術(shù)主要是模擬的，使用處理器與微波網(wǎng)絡(luò)相連，然后通過微波網(wǎng)絡(luò)連接自適應(yīng)陣列中多個不同的陣元，調(diào)節(jié)從微波網(wǎng)絡(luò)傳來的各種信號，控制多個陣元的相位和增益的變化，在天線的方向產(chǎn)生相對干擾方向的零點(diǎn)。如果采用數(shù)字實(shí)現(xiàn)，能夠更準(zhǔn)確地在干擾方向上形成零陷，使其抗干擾效果更加強(qiáng)大。

4.3 故意空時處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

目前，利用空時處理技術(shù)能取得很好的抗干擾效果[6]。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾的高采樣率決定了采用空時處理，需要硬件資源實(shí)現(xiàn)高性能全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾算法，就必須能在數(shù)據(jù)極高的吞吐率情況下完成大量計算工作，這對其計算量和算法結(jié)構(gòu)都是一個重大的考驗(yàn)。龐大的計算量將損耗大量的硬件資源；算法結(jié)構(gòu)則決定了硬件資源的分配情況和實(shí)現(xiàn)的難易程度，只有采取良好的算法結(jié)構(gòu)才可以提高硬件的利用率以及數(shù)據(jù)吞吐率，于是簡化并優(yōu)化空時自適應(yīng)算法是實(shí)現(xiàn)空時處理技術(shù)的關(guān)鍵所在。

4.4 故意自適應(yīng)波束形成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)波束形成技術(shù)又稱為自適應(yīng)空域?yàn)V波技術(shù)，通過調(diào)整各陣元加權(quán)進(jìn)行空域?yàn)V波來增強(qiáng)正常信號和抑制干擾信號，并可以根據(jù)不同的信號環(huán)境進(jìn)行變化，改變各陣元的加權(quán)因子，以提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的接收信噪比[7]。

[1]范廣偉，晁磊，劉莉．衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測技術(shù)[J]．四川兵工學(xué)報，2013，34(6)：125-128．

[2]余宜珂，王萌，郭偉，等．GNSS接收機(jī)中頻帶通濾波器群時延對偽距測量影響的研究[J]．電子測量技術(shù)，2014，37(3)：24-28．

[3]孫福余，張鵬，徐亞明，等．載波相位測量原理及在GPS軟件接收機(jī)上的實(shí)現(xiàn)[J]．測繪通報，2014(4)：70-73．

[4]任小偉．載波相位差分相對定位的模糊度求解[J]．導(dǎo)航定位學(xué)報，2014，2(1)：20-22．

[5]郭文飛．抗干擾GPS接收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]．武漢大學(xué)，2011．

[6]周軒，李廣俠，蔡錠波，等．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反欺騙技術(shù)回顧與展望[A]．第四屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集-S7北斗/GNSS用戶終端技術(shù)[C]．2013．

[7]秦彤，喬旭東．射頻識別與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．電腦與電信，2015(4)：19-22．

Overview of Anti-jamming Technology in Global Navigation Satellite System

Lan Shimei
(College of Mathematics and Information Science,Guiyang University,Guizhou 550005,Guiyang)

Now the GNSS has been widely used in various fields of the national economy and national defense.In the civil and military action,the dependence on satellite navigation system constantly enhances.The competition in satellite navigation is also increasingly fierce.The satellite communication is vulnerable to jamming,so it is necessary to study some effective and feasible methods of anti-jamming to avoid interference.This paper conducts a series of researches on communication anti-jamming technology and algorithm of GNSS,summaries the current situation and development trend of anti-jamming technology.

GNSS;anti-jamming

TN96.1

A

1008-6609(2016)07-0012-03

蘭詩梅，女，重慶人,碩士，講師，研究方向：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。

貴州省科技廳項(xiàng)目：“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)的理論研究”，項(xiàng)目合同編號：黔科合J字LKG[2013]48號。