ＧＰＳ＋ＩＮＳ＋Ｐｓｅｕｄｏｌｉｔｅｓ：全球定位系統(tǒng)抗干擾的新技術(shù)途徑

李耐和

美國的軍事優(yōu)勢在很大程度上仰仗全球定位系統(tǒng)(GPS)，而且這種依賴與日俱增。但是GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)比較弱，而且以固定的頻率發(fā)射，因此，軍用GPS接收機(jī)很容易受到敵方的干擾。為了防止敵方在戰(zhàn)時(shí)通過干擾GPS信號(hào)削弱美方的軍事優(yōu)勢，美國在繼續(xù)提高GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度的同時(shí)，采取了多種措施加強(qiáng)GPS系統(tǒng)的抗干擾能力。

對GPS的干擾一般分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩類。美軍以往的對抗措施主要是改進(jìn)GPS衛(wèi)星星座、改進(jìn)用戶接收機(jī)和增設(shè)備份導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，美國正在開發(fā)一些創(chuàng)新概念的全球定位系統(tǒng)抗干擾技術(shù)：國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)等部門已經(jīng)完成了演示驗(yàn)證“機(jī)載偽衛(wèi)星”(airbOrne pseudO—satellites，也稱pseudolites)的“全球定位試驗(yàn)”(GPX)計(jì)劃，正在進(jìn)行技術(shù)向裝備的轉(zhuǎn)化，同時(shí)，美軍還在研制“微機(jī)電慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”(MEMS—INS)作為GPS的備份，已取得一定進(jìn)展。

因此，美軍新的全球定位系統(tǒng)抗干擾技術(shù)途徑被簡單地表述為“GPS+INS+Pseudolites”。

“機(jī)載偽衛(wèi)星”

“機(jī)載偽衛(wèi)星”就是將GPS導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射機(jī)裝在戰(zhàn)場上空的數(shù)架無人機(jī)上，構(gòu)成偽GPS星座，取代GPS衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航。一般，4架“獵人”無人機(jī)作為偽衛(wèi)星，就可以覆蓋300千米見方的戰(zhàn)區(qū)，發(fā)射的GPS信號(hào)蓋過敵方的干擾信號(hào)。機(jī)載偽衛(wèi)星采用現(xiàn)成的波束成形天線與信號(hào)處理器，在受到干擾情況下仍能接收GPS衛(wèi)星的信號(hào)、確定自己的位置，并采用低數(shù)據(jù)速率向地面發(fā)射類似GPS的信號(hào)，把定位信息“轉(zhuǎn)告”給GPS接收機(jī)。由于偽衛(wèi)星距離地面比GPS衛(wèi)星近得多，它們發(fā)出的信號(hào)將蓋過干擾信號(hào)，從而使多數(shù)用戶能夠不受干擾機(jī)的影響，繼續(xù)利用GPS導(dǎo)航服務(wù)。

利用偽衛(wèi)星克服GPS干擾的優(yōu)點(diǎn)是：其發(fā)射信號(hào)功率比衛(wèi)星高，使用起來比大功率GPS衛(wèi)星更快捷，另外，偽衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)施簡單，不必改動(dòng)現(xiàn)有GPS用戶接收機(jī)的硬件，而只要對軟件做些改變就可以使用偽衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。缺點(diǎn)是，載機(jī)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致偽衛(wèi)星的位置不太確定，因此，與采用GPS衛(wèi)星星座相比，偽衛(wèi)星的導(dǎo)航定位誤差將增加約20％。DARPA曾利用7500米高度上的公務(wù)機(jī)以及約3000米高度上的“獵人”無人機(jī)，對單個(gè)偽衛(wèi)星裝置進(jìn)行原理試驗(yàn)，其導(dǎo)航精度從采用真實(shí)衛(wèi)星時(shí)的2．7米下降到4．3米。

在1999／2000財(cái)年進(jìn)行首次成功的演示之后，DARPA利用七元天線陣列以及現(xiàn)成的數(shù)字波束成形器，著手制作抗干擾的偽衛(wèi)星。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室和羅克韋爾·柯林斯公司采用時(shí)空自適應(yīng)處理技術(shù)，研制出具有40－55分貝抗干擾能力的系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在美國空軍GPS波振面模擬中心的微型吸音室進(jìn)行測試，并做了一些初步的野外試驗(yàn)，表明其符合設(shè)計(jì)要求。2002年4月，偽衛(wèi)星系統(tǒng)集成在F－16戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行了完整的吸音室試驗(yàn)，結(jié)果也滿足計(jì)劃要求，后來，在美國霍洛曼空軍基地進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在干擾機(jī)工作時(shí)仍能保持高精度的偽衛(wèi)星信號(hào)。

“全球定位試驗(yàn)”計(jì)劃已于2004年中期完成。一系列的現(xiàn)場演示表明：由4個(gè)機(jī)載偽衛(wèi)星組成的完整導(dǎo)航系統(tǒng)能夠在干擾條件下，為包括精確武器在內(nèi)的多種用戶提供精確導(dǎo)航。演示包括偽衛(wèi)星信號(hào)的成形波束發(fā)射天線以及控制偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹笓]控制系統(tǒng)。目前，DARPA的這項(xiàng)成果正處于向作戰(zhàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化中。

“微機(jī)電慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”

慣性導(dǎo)航利用慣性傳感器(陀螺和加速度計(jì))的測量信息，直接計(jì)算出載體的姿態(tài)、速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)完全自主的導(dǎo)航。它既不向外界發(fā)射能量，也不依賴外界的任何信息，因此具有不受干擾，可在空中、太空、地下、水下的任何地方使用，動(dòng)態(tài)性能好、輸出信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。為了應(yīng)對損失GPS衛(wèi)星后可能出現(xiàn)的“壓倒效應(yīng)”，美軍方提出要為GPS導(dǎo)航方式提供備份，并已經(jīng)確定以“慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”(1NS)作為GPS的首選備份系統(tǒng)，另外一個(gè)備份是“增強(qiáng)型定位系統(tǒng)”(EPLS)。

“微機(jī)電慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”(MEMS-INS)是利用最新微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制造的小型廉價(jià)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以用于各種軍事系統(tǒng)的導(dǎo)航。它可以在一些GPS信號(hào)過于微弱以至于無法工作的建筑內(nèi)部、茂密的植被下以及水下提供導(dǎo)航，直到GPS信號(hào)得以恢復(fù)，它還有助于重新獲取GPS系統(tǒng)的信號(hào)。MEMS—INS體積小、成本低，不僅可以為空·地彈藥和地·地彈藥提供制導(dǎo)功能，而且支持火炮和瞄準(zhǔn)設(shè)備的瞄準(zhǔn)與定位功能。

MEMS—INS計(jì)劃的合同商是諾斯羅普·格魯曼公司導(dǎo)航系統(tǒng)分部(以前的利頓制導(dǎo)與控制系統(tǒng)公司)、德雷珀實(shí)驗(yàn)室以及克佛特制導(dǎo)與導(dǎo)航公司。目前，他們正在努力研制性能、功率和體積都滿足要求的產(chǎn)品，即陀螺儀漂移率小于1～10°／小時(shí)，加速度計(jì)偏差小于0．5mg，體積小于163厘米³，功耗小于3瓦，成本在1200美元以下。

慣性測量裝置(1MU)由加速度計(jì)及陀螺儀組成。美國公司正努力利用微機(jī)電方法生產(chǎn)中型陀螺儀，其體積和相對誤差大約是期望值的10倍。小型、高效的微機(jī)電陀螺儀制作起來相當(dāng)困難，雖然目前的誤差范圍在1—20°／小時(shí)，但是為經(jīng)濟(jì)可承受慣性測量裝置在軍事計(jì)劃中的大量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對于戰(zhàn)術(shù)用戶來說，MEMS-INS方案的1°／小時(shí)的精度不能解決所有問題，大多數(shù)飛機(jī)、艦艇、太空船及導(dǎo)彈需要更高的精度?？梢灶A(yù)見，一旦MEMS-INS的成本以及性能都達(dá)到預(yù)期要求，其軍事應(yīng)用乃至民用將明顯增加，就像今天的GPS一樣。

極端工作環(huán)境下的GPS系統(tǒng)

美軍正在繼續(xù)推進(jìn)偽衛(wèi)星在地理定位與導(dǎo)航上的應(yīng)用，進(jìn)一步解決GPS系統(tǒng)在受到拒止及極端環(huán)境下的工作問題，以支持更廣泛的平臺(tái)及任務(wù)，包括洞穴內(nèi)的車輛或飛行器導(dǎo)航，建筑物內(nèi)或高樓林立環(huán)境下的部隊(duì)機(jī)動(dòng)、瓦礫中的傳感器或機(jī)器人運(yùn)行、在敵方區(qū)域的傳感器等等。目前已經(jīng)確定了一些實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的方法，即加大信號(hào)強(qiáng)度(“More Stuff")、利用現(xiàn)成信號(hào)(“FreeStu”)和挖掘“自然”信號(hào)(“NoStuff”)。

加大信號(hào)強(qiáng)度

為了加強(qiáng)戰(zhàn)區(qū)內(nèi)GPS信號(hào)的強(qiáng)度，方法之一是構(gòu)建能穿透地表、廢墟和建筑的“信標(biāo)”(beacon)，同時(shí)使多徑效應(yīng)(multipath)以及環(huán)境帶來的其他信號(hào)失真最小。信標(biāo)的種類很多，包括聲學(xué)、地震、電場、磁場、射頻、光、重力、輻射等。為了抑制雜波，要利用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)。還可以利用歷

史資料以減少多徑效應(yīng)，例如，在類似“9．11”后世貿(mào)中心的搜救行動(dòng)中，可以借助以往的GPS測量記錄，并結(jié)合其他探測傳感器對受害人進(jìn)行定位。

加強(qiáng)GPS信號(hào)強(qiáng)度的努力，不僅涉及發(fā)射信標(biāo)，而且包括用戶接收機(jī)。美軍開發(fā)了用于惡劣環(huán)境的“標(biāo)簽”(tag)結(jié)構(gòu)用戶接收機(jī)。這樣，在火災(zāi)建筑物內(nèi)的搜救人員或被跟蹤的傳感器可以發(fā)射信號(hào)，利用接收機(jī)星座就能對其定位。

加大信號(hào)強(qiáng)度的主要目的，是使信號(hào)在難以穿透、高度多徑以及雜波等環(huán)境下，在建筑物、廢墟及洞穴內(nèi)部都能夠正常傳輸。雖然信號(hào)加強(qiáng)之后，在穿透障礙或抵御干擾時(shí)效果不錯(cuò)，但覆蓋范圍還不是很理想，在敵方領(lǐng)土內(nèi)使用時(shí)還存在著無法提供本地信標(biāo)和標(biāo)簽接收機(jī)的問題。下面利用現(xiàn)成電磁信號(hào)的辦法可以一試。

利用現(xiàn)成信號(hào)

這種方法是利用戰(zhàn)區(qū)內(nèi)現(xiàn)成的人為產(chǎn)生的信號(hào)(existingman—made signals Ofopportunity)如電視和電臺(tái)廣播、衛(wèi)星和手機(jī)通信，解決GPS信號(hào)薄弱地方的導(dǎo)航問題，當(dāng)然，也可以在戰(zhàn)區(qū)附近布設(shè)“參考信號(hào)站”，這種信號(hào)對建筑或地面的穿透力不必很強(qiáng)。

例如，在敵方領(lǐng)土上的無人值守地面?zhèn)鞲衅鳎銰PS．接收機(jī)很容易受到敵方干擾而失效。這時(shí)就可以利用人為產(chǎn)生的現(xiàn)成電磁信號(hào)進(jìn)行自我定位。這種地理定位軟件接收機(jī)很結(jié)實(shí)、耐用，可以與通信、測量及信號(hào)情報(bào)設(shè)備共享硬件，不需要添加新的資源就可以提供地理定位功能。未來的軟件無線電臺(tái)既可以進(jìn)行抗干擾通信、又可以用作導(dǎo)航，而且不需要增加戰(zhàn)區(qū)的后勤負(fù)擔(dān)，是優(yōu)選的辦法之一。

為了更好地利用人為產(chǎn)生的現(xiàn)成電磁信號(hào)，有可能需要少量投資以加大信號(hào)強(qiáng)度、構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)為了便于識(shí)別這些信號(hào)，需要對戰(zhàn)區(qū)內(nèi)部或附近的“參考信號(hào)站”預(yù)先做一些工作，使它們發(fā)射的信號(hào)具備特殊的波形，并將波形特征提供給用戶接收機(jī)。

挖掘“自然”信號(hào)

上述兩種辦法利用的都是人為產(chǎn)生的信號(hào)。令科學(xué)家感興趣的是，在沒有人為信號(hào)的古代，人類的祖先甚至動(dòng)物群是如何確定遷徙路線、發(fā)現(xiàn)食物、尋找配偶以及溫暖干燥的棲身之處的呢?現(xiàn)代人能不能喚醒已經(jīng)退化的本能，并借助靈敏的量子傳感器和強(qiáng)大的計(jì)算能力，利用大自然中的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航與地理定位呢?

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)以及基于原子光學(xué)干涉測量的傳感器技術(shù)發(fā)展神速。我們是否能夠利用這些技術(shù)，明察秋毫地感知重力信號(hào)、地球磁場或其他自然信息，并利用感應(yīng)到的詳細(xì)資料來進(jìn)行導(dǎo)航和地理定位?既然陰暗世界中的老鼠與昆蟲、密林荒原中的鳥類與獸群都能知其所在，人們總應(yīng)該有辦法利用“自然”信號(hào)做到這一點(diǎn)。

無疑，上述設(shè)想將對利用極其微弱信號(hào)的傳感器，以及多徑雜波信號(hào)處理等技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。我們可能需要重新研究在GPS受到干擾的空中、地面與隱蔽環(huán)境下的絕對／相對導(dǎo)航與地理定位問題，尋求性能更高、更為“皮實(shí)”、經(jīng)濟(jì)上可以承受、在困難環(huán)境下具備全面覆蓋能力的實(shí)際應(yīng)用方案。