衛(wèi)星導航信號抗干擾能力探析

伍 俊 潘 定

湖南衛(wèi)導信息科技有限公司，湖南 長沙 410005

衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)了全球全時限特性，且具有信息實時性以及信息精度準確的特點，可以隨時進行其載體的位置以及運行速度的精準測定，已經(jīng)廣泛應用在軍事方面和民用各行業(yè)中?，F(xiàn)在世界上有四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，分別是美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、前蘇聯(lián)/俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)、歐洲航天局的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國的北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)。我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)，所提供的信息內(nèi)容廣泛而豐富，不僅可以滿足國家軍事防御，還被應用在很多民用行業(yè)領(lǐng)域。當前我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具備了更多的關(guān)于民用方面的功能，比如可以實現(xiàn)個人用戶的位置定位，進行道路交通的定位和情況監(jiān)測，用于氣象信息觀測、航空運輸信息采集、應急救援等諸多方面，為人們的生活工作帶來了更多的便利。

1 衛(wèi)星導航及信號干擾概述

導航衛(wèi)星是指人造地球衛(wèi)星，其從衛(wèi)星上進行發(fā)射無線電信號，服務(wù)于地面、空中、海洋以及各空間用戶，實現(xiàn)各用戶所需的信息定位。其中每個衛(wèi)星導航系統(tǒng)均有其相應的設(shè)備配置、特定的工作頻段、定位機理和其相應的星歷信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個衛(wèi)星導航系統(tǒng)都有著不同之處，但是關(guān)于衛(wèi)星導航信號抗干擾的技術(shù)均屬于普遍性應用。衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)隨科技能力的提高而不斷發(fā)展創(chuàng)新，在當下已經(jīng)有了較為豐富的研究經(jīng)驗和成果，可是面對日益復雜的無線電環(huán)境，在衛(wèi)星導航抗干擾技術(shù)的應用方面仍存在一些問題需要解決。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)最大的弱點就是在越接近地球表面時信號衰減最嚴重，此時空間內(nèi)的低功率無線電信號對衛(wèi)星導航信號造成的干擾也最嚴重。而衛(wèi)星導航信號抗干擾能力不大，碼元以及載波在衛(wèi)星導航信號抗干擾能力低下時極易丟失。衛(wèi)星導航信號頻率以及調(diào)制特性公開，其數(shù)據(jù)的傳輸格式固定，很容易對接收機進行欺騙式干擾。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的這些弱性特點使得接收機在復雜的干擾環(huán)境中會逐漸失去穩(wěn)定的工作性能，嚴重情況下可完全喪失定位功能。

衛(wèi)星導航信號干擾從信號類型方面進行劃分，分別是調(diào)幅等幅波，窄帶頻率調(diào)制信號，寬帶頻率調(diào)制信號，掃描等幅波，相移鍵控法(PSK)偽噪聲等。從目前衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)方面進行劃分，分別是壓制干擾和模擬性干擾，模擬性干擾又稱欺騙式干擾。本文主要從衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)方面對目前衛(wèi)星導航系統(tǒng)接受的兩種干擾體制進行分析。

壓制干擾：此干擾體制對于衛(wèi)星導航信號產(chǎn)生的危害性最大，其通過干擾信號直接到達接收機對用戶所需的信號進行淹沒，導致正常信號無法被解讀，信息丟失，最終可造成接收機無法正常接收和追蹤衛(wèi)星導航信號，達到干擾目的。壓制干擾一般為瞄準式、相關(guān)式以及阻塞式三種碼型。這三種壓制干擾通過不同的形式以及特點實施信號干擾，對衛(wèi)星導航信號造成危害。

欺騙式干擾：是以假信號形式出現(xiàn)的干擾信號，通過讓接收機對假信號的接收進行錯誤信息傳輸，達到其干擾衛(wèi)星導航信號的目的。欺騙式干擾的表現(xiàn)形式有兩種：轉(zhuǎn)發(fā)式和產(chǎn)生式。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾通過將衛(wèi)星導航信號延時并且放大進行發(fā)送的干擾方式，使到達接收機端的信號與真實信號發(fā)生時間上的延遲，造成信息錯誤，失去導航功能。產(chǎn)生式干擾是通過制作與真實信號相近的假信號對接收機實施“欺騙”行為，造成接收機接收到虛假信息。因為人們沒有辦法預先進行長碼信息的解讀，所以抗干擾技術(shù)無法對產(chǎn)生式干擾進行抑制。

2 衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)存在問題分析

伴隨著衛(wèi)星導航技術(shù)以及其信號抗干擾技術(shù)能力的發(fā)展提高，對于窄帶信號干擾的抗干擾技術(shù)能力較為成熟，寬帶干擾和多徑干擾兩種抗干擾技術(shù)是當前進行衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)應用和研究的主要領(lǐng)域，雖然這兩種技術(shù)有了一定成熟發(fā)展，但是仍存在一些尚未解決的問題。具體分析如下：

2.1 寬帶干擾技術(shù)

寬帶干擾技術(shù)采用抑制方法，通過天線陣和濾波技術(shù)的結(jié)合運用，再輔以其他技術(shù)共同實現(xiàn)。當前對于此技術(shù)的研究重點在于如何優(yōu)化空時自適應處理算法、自適應算法的穩(wěn)健性、多干擾類型的抑制等。其中子空間投影技術(shù)因為其計算的復雜度較低和具有相對來說較好的抑制干擾信號的效果，使其與各域濾波技術(shù)被廣泛應用和研究。

目前對于寬帶干擾技術(shù)的問題及其研究較困難的方面為：當衛(wèi)星導航信號和干擾信號存在相同的方向，相應的干擾抑制和高動態(tài)下的抗干擾算法，同時多個類型的寬帶干擾同時抑制等。目前已有關(guān)于此問題的研究措施和算法，但其方法有效性均不高，而且多是針對某一難點問題進行的，起不到系統(tǒng)解決的作用，目前所研究的方法和策略在有效性以及實用性方面都存在欠缺。同時對于脈沖干擾信號的抗干擾技術(shù)目前研究尚少，特別是對于超寬帶、長時間、均勻頻譜的信號干擾，缺少相對應的解決措施。

2.2 多徑干擾技術(shù)

多徑干擾技術(shù)原理為通過接收機的前段、內(nèi)部信號、定位結(jié)果幾方面消除干擾信號，應用較為廣泛的是特殊類型的天線技術(shù)以及MEDLL 技術(shù)。當前此技術(shù)的研究重心為抑制天線上方的多徑信號，以及在快速變換環(huán)境中進行多徑抑制等。

3 衛(wèi)星導航信號抗干擾能力探析

衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)一般有接收機抗干擾、星上抗干擾和輔助抗干擾三種技術(shù)。星上抗干擾技術(shù)需要進行衛(wèi)星優(yōu)化，提高衛(wèi)星導航信號的發(fā)射功率、改善信息碼結(jié)構(gòu)及在衛(wèi)星上實施其他先進的技術(shù)。輔助抗干擾技術(shù)主要是改善衛(wèi)星導航信號系統(tǒng)，通過借助其他導航設(shè)施，來不斷提高定位準確度和其抗干擾的能力，比如將衛(wèi)星導航信號系統(tǒng)和慣性導航信號系統(tǒng)進行結(jié)合，通過相關(guān)技術(shù)進行抗干擾能力的提升。其中星上抗干擾和輔助抗干擾需要過高的技術(shù)成本，技術(shù)實現(xiàn)較困難，所以目前衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)研究和應用多采用接收機抗干擾。下面主要對接收機抗干擾能力和技術(shù)進行探析，通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)的接收機進行抗干擾，一般考慮和研究窄帶信號干擾、寬帶信號干擾、多徑信號干擾三種信號干擾類型。接收機抗干擾技術(shù)主要分為按接收機模塊實施抗干擾和自適應濾波技術(shù)兩方面。具體分析研究如下：

3.1 按接收機不同模塊實施抗干擾技術(shù)

3.1.1 天線抗干擾技術(shù)

接收機天線可以使極微弱的衛(wèi)星導航信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎噪娏餍问竭M行信號采集處理。天線可以分為單極、微波傳輸帶、四線螺旋形、錐形等類型，其中微波傳輸帶天線和四線螺旋天線較為廣泛應用。對于天線的技術(shù)方面要求有：可以全方位接受衛(wèi)星信號，有可靠的防護以及屏蔽措施來抑制多徑效應，天線的相位中心與其幾何中心位置保持一致性，并且相位中心必須保持一定的高度。當前接收機天線通常采用的是天線陣列方法，通過輔以特殊的天線，對抑制寬帶干擾和多徑信號干擾可以起到很好的作用。

3.1.2 射頻前段干擾技術(shù)

射頻前段是指從天線處理開始到其基帶處理之間的部件，是接收機進行工作的基礎(chǔ)。其功能是使射頻信號轉(zhuǎn)成中頻信號，使之滿足信號處理器所需。在進行信號轉(zhuǎn)變的過程中通過抑制其他干擾信號，提高有用信號的接受水平。主要分為前端濾波技術(shù)、射頻干擾檢測技術(shù)和自動增益控制技術(shù)。前端濾波技術(shù)是通過前置濾波器進行逐級濾波，使末級中頻在進行變頻過程時輸出較窄的濾波帶寬，可以有效提高接收機機帶外射頻信號干擾的能力，還可以更好的降低中頻轉(zhuǎn)變過程中奈奎斯特采樣的限制，具有較強的抵抗外界強功率信號干擾的能力。其中射頻干擾檢測技術(shù)通過檢測射頻干擾信號來判斷干擾信號強度。自動增益控制技術(shù)是通過在電路中放大其增益，從而使其隨信號強度的變化而不斷進行自動調(diào)整的控制方法。

3.1.3 基帶處理

基帶處理的效果與接收機的定位精度和靈敏度指標之間存在直接關(guān)系，其作用有搜素、追蹤衛(wèi)星導航信號，并對有關(guān)的電文數(shù)據(jù)實現(xiàn)解擴和解調(diào)，測量偽距和載波相位等。基帶處理技術(shù)可以有效增強接收機對于抗擊寬帶性能有較好的作用，同時對于多徑信號干擾有一定的抑制輔助作用。

3.2 自適應濾波技術(shù)

通過接收機實現(xiàn)抗干擾技術(shù)方法除上述內(nèi)容之外，還有濾波技術(shù)，這是接收機抗干擾的根本技術(shù)。該技術(shù)是通過信號處理器實現(xiàn)濾波處理，主要可以分為頻域、時域、空域濾波來實現(xiàn)濾波處理，有效抗擊窄帶、寬帶和多徑信號的干擾。時域濾波技術(shù)主要可以消除窄帶噪聲以及連續(xù)波的信號干擾，其效果最為明顯，同時對于多徑信號干擾和回波消除問題有一定的抑制作用。頻域濾波技術(shù)多應用在窄帶信號干擾、連續(xù)波信號干擾以及強帶外信號干擾?？沼驗V波技術(shù)對多徑信號干擾、窄帶信號干擾和寬帶信號干擾都有較明顯抑制作用。

4 衛(wèi)星導航信號抗干擾能力技術(shù)發(fā)展趨勢

通過多年的研究和應用創(chuàng)新使衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)得到了很大進步和發(fā)展，目前衛(wèi)星導航信號抗干擾能力有了很大提高。當今社會，數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來，信息科技不斷發(fā)展應用，無論是軟件還是硬件設(shè)施與之前相比都有了極大的進步，提升了先進程度。結(jié)合時代背景和信息科技技術(shù)的發(fā)展，可以進行衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)能力方面的展望及研究。衛(wèi)星導航信號抗干擾能力提高的技術(shù)展望主要表現(xiàn)在以下兩方面：

4.1 數(shù)字信息化與硬件算法的共同發(fā)展進步

隨著數(shù)字信息的飛速發(fā)展，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理技術(shù)的進步提高，將來會在很大程度上應用于提高導航衛(wèi)星接收機的抗干擾技術(shù)方面，使其抗干擾能力得到極大提高，也會很大程度上提高定位接收機的數(shù)字化程度。自適應算法在目前硬件設(shè)施上運用存在較困難的現(xiàn)狀，隨著數(shù)據(jù)科技的發(fā)展，這一難題也將會得到解決，使抗干擾算法向著更加高速、實時的方向發(fā)展。

4.2 實現(xiàn)接收機的多功能性和智能化

目前在衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)方面多為針對特定的一類干擾信號進行研究和應用，缺少同時對多種干擾信號進行抑制的技術(shù)。實現(xiàn)接收機抗干擾信號的多功能和智能化是其今后的發(fā)展方向和趨勢，信息科技的發(fā)展為其實現(xiàn)提供了技術(shù)保障。

5 結(jié)語

通過對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進行分析，對其信號干擾的特點進行研究，分析衛(wèi)星導航信號抗干擾能力方面存在的現(xiàn)狀問題，研究目前衛(wèi)星導航信號抗干擾技術(shù)應用的特點，進行衛(wèi)星導航信號抗干擾能力探析，并對其抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢進行研究，希望研究內(nèi)容對于提高我國北斗衛(wèi)星導航信號抗干擾能力技術(shù)的研究應用有所幫助。