全球定位系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)研究

齊志強(qiáng)

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

自海灣戰(zhàn)爭以來，GPS開始被大規(guī)模應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，GPS精確制導(dǎo)武器在戰(zhàn)爭中發(fā)揮的作用越來越大，GPS在定位、導(dǎo)航、授時、通信、指揮、控制、情報偵察、交通管制等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。美國甚至要求2000年之后美國國防部的飛機(jī)、艦船、戰(zhàn)車和非直接火力武器系統(tǒng)必須裝備GPS[1]。為了打破全球定位系統(tǒng)對美國的依賴，歐洲、俄羅斯和我國都在積極研發(fā)自己的全球定位系統(tǒng)，我國的北斗系統(tǒng)正在緊張的布局階段，即將投入使用。然而，由于衛(wèi)星信號太弱，GPS抗干擾能力弱成為其最大弱點(diǎn)，這成為GPS應(yīng)用的瓶頸。如何提高GPS的抗干擾能力，成為了GPS能否發(fā)揮效用的關(guān)鍵。文中就常用的抗干擾措施的原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析，這些方法雖然是針對GPS進(jìn)行的研究，但同樣適用于我國的北斗系統(tǒng)，可以直接進(jìn)行移植。

1 GPS干擾來源和方法

GPS信號弱，其干擾來源可能是有意的也可能是無意的。從技術(shù)層面上可將干擾分為欺騙式干擾和壓制式干擾。

欺騙式干擾指地面上或空中的發(fā)射機(jī)，發(fā)射與GPS衛(wèi)星相同或相似，但強(qiáng)度更大些的信號，使GPS接收機(jī)誤認(rèn)為是衛(wèi)星發(fā)來的信號，對其進(jìn)行捕獲和跟蹤，從而擾亂接收機(jī)的正常工作使其無法正常定位或輸出錯誤的定位信息。由于GPS衛(wèi)星的軍用信號是加密的，可抗欺騙干擾，要想對GPS軍用信號進(jìn)行欺騙干擾難度很大。

壓制式干擾是指發(fā)射與GPS信號同頻段的強(qiáng)干擾信號，把一定范圍的GPS信號遮蓋了。壓制式干擾可能是故意的，也可能是非故意的，如電路板電磁兼容問題引起的輻射信號、調(diào)頻廣播電臺或雷達(dá)信號的諧波引起。壓制式干擾對軍用和民用接收機(jī)都有效果，且實(shí)現(xiàn)簡單，制作成本低，是軍用接收機(jī)面臨的主要威脅，也是目前抗干擾技術(shù)研究的主要方向。

2 GPS抗干擾的措施

衛(wèi)星信號弱是造成GPS抗干擾能力弱的根本原因。衛(wèi)星信號弱是因?yàn)樾l(wèi)星距地球表面太遠(yuǎn)，衛(wèi)星發(fā)射功率不可能很大，而且國際電信聯(lián)盟對導(dǎo)航衛(wèi)星信號在地球表面的強(qiáng)度有限制。目前主要從發(fā)射端和接收端兩個方面來解決GPS抗干擾能力弱的問題：增大衛(wèi)星信號的功率和從接收機(jī)端提高抗干擾能力。

增大衛(wèi)星信號功率主要包括3個方法：增大GPS衛(wèi)星信號的發(fā)射功率、單獨(dú)增加GPS軍用信號功率和增加局部區(qū)域的信號功率。增大GPS衛(wèi)星信號的發(fā)射功率的方法受限于供電和衛(wèi)星造價，提高空間有限；單獨(dú)增加GPS軍用信號功率可減輕供電負(fù)擔(dān)，但信號強(qiáng)度依然不夠高；采用點(diǎn)波束天線可明顯增加局部區(qū)域的信號強(qiáng)度，但其覆蓋范圍有限，控制復(fù)雜。增大衛(wèi)星信號功率的3種方法對抗干擾能力的改善度如表1所示。

表1 增大衛(wèi)星信號功率對抗干擾能力的改善度Tab.1 The improvement of anti-jam corresponding to the satellite power amplitude

增大GPS衛(wèi)星信號功率的方法只能由美國實(shí)施和控制，對我們來說只能從接收機(jī)端提高抗干擾能力。從接收機(jī)端提高抗干擾能力是目前研究GPS抗干擾方法的主流技術(shù)，隨著研究的日益深入，抗干擾方法也越來越多，我們將其大致分為3類：在GPS接收機(jī)中加入抗干擾，利用GPS天線實(shí)現(xiàn)抗干擾和GPS接收機(jī)綜合抗干擾技術(shù)。下面將詳細(xì)分析這些抗干擾技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法、應(yīng)用背景及優(yōu)缺點(diǎn)。

3 主流GPS抗干擾技術(shù)

3.1 在GPS接收機(jī)中加入抗干擾

在GPS接收機(jī)中加入的抗干擾技術(shù)大致分為3種：1）加長對接收信號的預(yù)檢測積分時間；2）將GPS接收機(jī)與慣性測量單元相結(jié)合，在慣性測量單元（IMU）輔助下實(shí)現(xiàn)；3）對干擾信號做自適應(yīng)濾波。

3.1.1 加長對接收信號的預(yù)檢測積分時間

GPS接收機(jī)中，作相關(guān)處理之后的信號在送入碼環(huán)之前要經(jīng)過積分，叫做預(yù)檢測積分或相干積分。加長相干積分時間有利于將接收機(jī)噪聲的影響平均掉，從而使碼環(huán)的跟蹤門限降低，這就提高了接收機(jī)的靈敏度。對干擾來說，加長相干積分時間的效果是類似的，也有利于把干擾的影響平均掉，從而提高接收機(jī)的抗干擾能力。

這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，硬件不需要改動，只在接收機(jī)中調(diào)整軟件參數(shù)即可，但這種方法降低了接收機(jī)的動態(tài)性能，不適合高動態(tài)用戶的需要。

3.1.2 利用慣導(dǎo)輔助

利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）輔助GPS接收機(jī)可提高GPS接收機(jī)的抗干擾能力[2]。在設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)載波和碼跟蹤環(huán)的帶寬時，為提高接收機(jī)的抗干擾能力，應(yīng)使他們的帶寬盡可能的窄。然而衛(wèi)星在高速運(yùn)動，更多時候接收機(jī)平臺也在運(yùn)動，因此接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號多普勒和偽距在不斷變化，這樣GPS接收機(jī)的碼環(huán)和載波環(huán)必須保持足夠的帶寬，以便跟蹤衛(wèi)星多普勒頻率和偽距變化，否則會造成環(huán)路失鎖。利用慣導(dǎo)輔助可以將慣導(dǎo)產(chǎn)生的位置和速度等信息反饋回GPS接收機(jī)的載波和碼跟蹤環(huán)中，軟件將這些信息換算成GPS衛(wèi)星信號的載波相位和偽隨機(jī)碼的基碼數(shù)，用以輔助載波環(huán)和碼環(huán)的跟蹤。這就大大降低了信號變化對環(huán)路跟蹤的要求，使之帶寬縮窄，從而減少進(jìn)入接收機(jī)環(huán)路的干擾功率，提高相關(guān)接收的處理增益，達(dá)到提高抗干擾能力的目的，此方法可將接收機(jī)抗干擾門限提高10～15 dB。

3.1.3 自適應(yīng)濾波

自適應(yīng)濾波器又叫頻譜濾波器，有時域?yàn)V波和頻域?yàn)V波兩種實(shí)現(xiàn)方式，如圖1、圖2所示。

圖1 時間域頻譜濾波器Fig.1 Time-domain filter

圖2 頻率域頻譜濾波器Fig.2 Frequency-domain filter

時域?yàn)V波的核心是時域?yàn)V波器，它由多級抽頭延遲線、加權(quán)系數(shù)相乘器及相加器組成。濾波器根據(jù)GPS信號特性構(gòu)建智能算法模型，通過調(diào)整各路的加權(quán)系數(shù)來消除干擾。頻域?qū)崿F(xiàn)是先對輸入信號做快速傅立葉變換（FFT），干擾信號變成背景白噪聲上疊加的尖峰，通過數(shù)字處理的方法將尖峰處的增益降低，這樣就消除了干擾，然后做反傅立葉變換（IFFT）將信號變回時域。

頻譜濾波器對窄帶信號具有很高的抑制度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在干擾為連續(xù)波單頻時，抑制度可達(dá)60 dB。頻譜濾波器主要針對帶寬有限的窄帶干擾，該方法可消除多個干擾源的影響，但在消除每個干擾源時，那一小段內(nèi)的GPS信號也受到影響，如果干擾源數(shù)目太多或干擾信號頻譜較寬，則會在消除干擾的同時消除GPS信號，因此該方法只能消除數(shù)量有限的窄帶干擾。

3.2 由GPS天線實(shí)現(xiàn)的抗干擾技術(shù)

3.2.1 干擾對消器和極化計(jì)

干擾對消器是利用GPS信號深埋在噪聲中，干擾信號強(qiáng)于噪聲的特點(diǎn)。干擾對消器是利用兩副天線，其中一副天線接收干擾和信號，另一副天線只接收干擾信號。例如在飛機(jī)上，機(jī)身頂部和腹部各裝一副天線，上面的天線接收信號和干擾，下面的天線只接收干擾信號。用復(fù)數(shù)加權(quán)的方法調(diào)整只接收干擾信號的權(quán)值，使其幅度與同時接收信號和干擾的天線幅度相等，兩者相減即可實(shí)現(xiàn)干擾對消，如圖3（左）所示。干擾對消用于消除單一干擾源是最有效的，當(dāng)有多個干擾源時，由于各個干擾源對兩副天線來說增益和到達(dá)時間均不相同，因此對一個干擾源合適的復(fù)數(shù)權(quán)值對另一個干擾源并不合適，也就無法消除干擾。

圖3 干擾對消器和極化計(jì)Fig.3 Interference counteract and polarimeter

極化計(jì)是采用一副天線通過兩個輸出饋電單元送出，以形成有不同極化的兩個輸出通道，典型情況是一個右旋圓極化，另一個是左旋圓極化。由這兩個饋電單元觀測到的干擾是不相同的，兩個通道輸出的信號也不相同，利用這種差別便可以消除干擾的影響，如圖3（右）所示。極化計(jì)和干擾對消器類似，也是固定一個權(quán)值為1，調(diào)整另一個權(quán)值使兩路信號幅度相等，也只能消掉一個干擾源。

3.2.2 自適應(yīng)調(diào)零天線

自適應(yīng)調(diào)零天線也叫空間調(diào)零天線或可構(gòu)形接收方向圖天線（CRPA），是一種空域?yàn)V波技術(shù)，是提高GPS接收機(jī)抗干擾能力的重要手段，也是目前美軍裝備采用的主要的抗干擾技術(shù)[3]。這種天線自動產(chǎn)生對著干擾的方向圖零陷點(diǎn)，干擾越強(qiáng)則零陷越深，以抵消干擾。

自適應(yīng)調(diào)零天線工作原理類似干擾對消器，不過是由多個天線組成天線陣，可產(chǎn)生多個零陷，從而可以對抗多個干擾源，能夠產(chǎn)生的最大零陷點(diǎn)數(shù)為陣元數(shù)N減去1。各路天線接收的信號經(jīng)過復(fù)數(shù)加權(quán)后合成為一路信號輸出，加權(quán)是以輸出信號功率最小為準(zhǔn)則計(jì)算各路信號權(quán)值，在總的天線陣的方向圖中產(chǎn)生對著干擾源方向的零點(diǎn)，從而濾除干擾。其原理如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)調(diào)零天線原理圖Fig.4 Schematic diagram of adaptive nulling antenna

自適應(yīng)調(diào)零天線可以做成一個與GPS接收機(jī)分離的設(shè)備，用以取代GPS接收機(jī)的普通天線，此時需要對加權(quán)輸出信號進(jìn)行D/A變換，然后上變頻到GPS信號的射頻功率。自適應(yīng)調(diào)零天線也有其局限性：為了在方向圖中不造成柵瓣，各陣元間距離必須大于等于λ/2，λ為GPS信號載波波長，這就使得天線陣不可能做的太小；不能區(qū)分寬帶干擾還是窄帶干擾，也不考慮衛(wèi)星信號來向，當(dāng)干擾與衛(wèi)星信號來向比較接近時，干擾被消除的同時信號也被削弱。

3.2.3 波束形成天線

和自適應(yīng)調(diào)零天線類似，波束形成天線也是采用天線陣的形式使加權(quán)輸出最小，不過波束形成天線需要預(yù)先知道衛(wèi)星信號來向，首先使天線波束定向?qū)?zhǔn)所要跟蹤的衛(wèi)星，提高衛(wèi)星信號增益，在此前提下使加權(quán)輸出最小，以達(dá)到消除干擾的目的[4]。

波束形成天線和自適應(yīng)調(diào)零天線的主要區(qū)別在于權(quán)值的計(jì)算方法不同，因?yàn)椴ㄊ纬商炀€需要知道衛(wèi)星信號來向，這就需要3個信息：天線所處的地理位置，天線姿態(tài)和衛(wèi)星的位置。天線所處的地理位置可由外部輸入，天線姿態(tài)可由慣導(dǎo)輸入，衛(wèi)星的位置可由歷書算出，這就需要慣導(dǎo)輔助，位置輸入和歷書注入等。天線所處的位置和衛(wèi)星位置也可由GPS接收機(jī)提供，不過這樣的話接收機(jī)需要先在無干擾環(huán)境下正常定位。

雖然波束形成天線與自適應(yīng)調(diào)零天線相比，由于可以預(yù)知衛(wèi)星信號來向并可提高其增益，從而可以大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但付出的代價也是巨大的。波束形成天線不但計(jì)算量大，而且與自適應(yīng)調(diào)零天線相比，由于要保證衛(wèi)星信號來向占用了一個自由度，從而使得在使用相同天線個數(shù)的情況下，波束形成天線能抗的干擾個數(shù)也減少一個，N陣元天線只能抗N-2個干擾源。波束形成天線與外界交聯(lián)較多，需要專用的數(shù)字GPS接收機(jī)與之相配合，不像自適應(yīng)調(diào)零天線可以做成與GPS接收機(jī)可以分離的設(shè)備；波束形成天線同樣存在不易實(shí)現(xiàn)小體積的缺點(diǎn)，且價格昂貴，只適合用于比較貴重的平臺。

3.3 GPS接收機(jī)綜合抗干擾技術(shù)

每一種抗干擾技術(shù)的應(yīng)用都有特定的要求和約束條件，沒有一種抗干擾方法可適用于所有環(huán)境，因此綜合利用數(shù)種抗干擾技術(shù)所帶來的效果是一種抗干擾技術(shù)所達(dá)不到的。

3.3.1 空間－時域自適應(yīng)處理

時域?yàn)V波器可以以低的成本抑制多個窄帶干擾，而空間調(diào)零天線可以抑制所有類型的干擾，不過代價較高，如果將二者結(jié)合，先用時域?yàn)V波器抑制窄帶干擾，再用自適應(yīng)調(diào)零天線抑制余下的干擾，則會達(dá)到良好的抗干擾效果，這就是空間－時域自適應(yīng)處理（STAP）[5]。

空-時二維自適應(yīng)濾波抗干擾是現(xiàn)在比較流行的方法，處于研究前沿?？諘r二維處理的思想是將一維的空域?yàn)V波推廣到時間與空間的二維域中，形成空時二維處理的結(jié)構(gòu)，在高斯雜波背景加確知信號的模型下，根據(jù)似然比檢測理論導(dǎo)出的一種空時二維處理自適應(yīng)處理結(jié)構(gòu)，稱為“最優(yōu)處理器”。

該算法的實(shí)現(xiàn)有兩個關(guān)鍵步驟：協(xié)方差矩陣的產(chǎn)生和權(quán)值的產(chǎn)生。該方法是一種比較理想的算法，實(shí)現(xiàn)難度較大，這里要求協(xié)方差矩陣為一個復(fù)共軛矩陣，權(quán)值為一個非常敏感的復(fù)數(shù)列，如果協(xié)方差矩陣運(yùn)算精度不足或稍有誤差，都會導(dǎo)致權(quán)值產(chǎn)生劇烈波動。因此，幾乎所有應(yīng)用空-時聯(lián)合濾波的算法都采用了一種逼近算法，即多級維納嵌套濾波降秩算法（MSNWF）。

3.3.2 空間－頻率自適應(yīng)處理

將STAP中的自適應(yīng)濾波器從時域改為在頻域上實(shí)現(xiàn)時，便稱作空間－頻率自適應(yīng)處理（SFAP）。對自適應(yīng)濾波器而言，在頻域上實(shí)現(xiàn)比在時域上實(shí)現(xiàn)時效率高一些，二者本質(zhì)上是一樣的，處理器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 空間—頻率自適應(yīng)處理Fig.5 Spatial frequency adaptive processing

3.3.3 自適應(yīng)調(diào)零與波束形成結(jié)合

自適應(yīng)調(diào)零天線與波束形成天線二者硬件平臺比較接近，算法中很多模塊可以共用，因此將二者結(jié)合代價較低。波束形成必須預(yù)先知道衛(wèi)星的方位和俯仰，否則波束形成算法就無法實(shí)施，一旦實(shí)施了波束形成算法，就會形成針對某幾顆衛(wèi)星的波束指向，而在其他方向可能還有未跟蹤上的衛(wèi)星卻被削弱從而無法捕獲。

將自適應(yīng)調(diào)零與波束形成結(jié)合，在不知道衛(wèi)星的方位和俯仰時采用自適應(yīng)調(diào)零算法，使接收機(jī)一開始工作就具有一定的抗干擾能力；當(dāng)解算出衛(wèi)星的方位和俯仰后采用波束形成算法，形成指向衛(wèi)星的波束，從而提高接收信號的信噪比，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。如果GPS接收機(jī)有N個通道，可以安排波束指向N-1顆衛(wèi)星，讓剩余的一個通道輸出對總的增益最大，并在該通道上繼續(xù)捕獲未跟蹤上的衛(wèi)星。

將自適應(yīng)調(diào)零與波束形成結(jié)合，只需在波束形成硬件平臺上對軟件進(jìn)行升級改造便可以大大提高系統(tǒng)的健壯性，彌補(bǔ)波束形成算法的一些缺點(diǎn)和不足，因此是波束形成算法工程應(yīng)用的一個研究方向。該方法依然存在無法與GPS接收機(jī)分離，體積大，價格昂貴等缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語

從本質(zhì)上講，所有從GPS接收機(jī)端采用的抗干擾技術(shù)都是用濾波的形式實(shí)現(xiàn)的，只是實(shí)現(xiàn)的方法和手段不同。有的是從縮窄濾波器帶寬入手，有的是從時域、頻域或空域?yàn)V波，也有的是幾種方法的綜合運(yùn)用。各種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用的對象和場合，在實(shí)際運(yùn)用中我們要根據(jù)需要，靈活選取抗干擾實(shí)現(xiàn)方法，采用最低的代價達(dá)到預(yù)期的目的。本文所述的GPS抗干擾方法可以直接移植到我國自主研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)BD2上[6]，因此對將來的北斗抗干擾應(yīng)用也具有一定的參考價值。

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