衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測技術

范廣偉，晁 磊，劉 莉

(1.河北省衛(wèi)星導航技術與裝備工程技術研究中心，石家莊 050081;2.中國電子科技集團公司第54 研究所，石家莊 050081)

衛(wèi)星導航系統(tǒng)［1］在在軍事和民用領域得到世界認可的同時，衛(wèi)星導航系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境的日益復雜以及各類衛(wèi)星導航干擾技術的長足發(fā)展已對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精密應用提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精度、可用性、連續(xù)性和完好性都構(gòu)成嚴重威脅。這些干擾源可能來自“無意”的干擾，也可能來自敵方的有意干擾;有可能來自地面，也有可能來自空中平臺，因此有必要對衛(wèi)星導航系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境進行監(jiān)測。通過對衛(wèi)星導航系統(tǒng)各工作頻段干擾信號進行、分析，對干擾信號的功率、頻率、帶寬等參數(shù)進行準確估計，對干擾類型進行分類，有助于快速定位干擾源并采取正確的應對措施，為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的可靠運行提供安全保障。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)干擾監(jiān)測的發(fā)展主要圍繞以下幾個方面進行:改善測向設備的信噪比和提高對微弱信號的監(jiān)測、測向能力;提高測向準確度;提高對干擾源的定位精度;對干擾類型的分類與識別;干擾對系統(tǒng)功能的影響評估等。干擾監(jiān)測系統(tǒng)建設一般由監(jiān)測中心站以及若干固定式、可搬移式、移動式、便攜式監(jiān)測站組成。各監(jiān)測站對周邊電磁空間干擾信號進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各種干擾源，并輸出有關干擾信號的一些重要的技術參數(shù)，而多站聯(lián)合組網(wǎng)就可以實現(xiàn)對干擾源的準確定位以及對整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)工作環(huán)境的電磁信號監(jiān)測。

1 GNSS 干擾監(jiān)測技術研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星導航系統(tǒng)干擾監(jiān)測技術是在無線電監(jiān)測的基礎之上發(fā)展起來的，隨著無線電應用的日益廣泛，其工作環(huán)境日趨復雜，國內(nèi)外針對無線電干擾監(jiān)測、測向、定位均進行了大量研究，建立了通用或?qū)Ｓ玫谋O(jiān)測系統(tǒng)(專用監(jiān)測系統(tǒng)如民航無線電監(jiān)測系統(tǒng)、衛(wèi)星干擾源監(jiān)測系統(tǒng)等)，開發(fā)了各種不同的干擾監(jiān)測設備，對衛(wèi)星導航系統(tǒng)專用干擾監(jiān)測系統(tǒng)的研究和建設也取得了一些初步成果。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測是在一般的無線電監(jiān)測的基礎之上發(fā)展起來的，專門針對衛(wèi)星導航的資料相對較少，下面簡要介紹一下國外已經(jīng)應用的衛(wèi)星導航的干擾監(jiān)測設備。

美國國家大地測量機構(gòu)(national geodetic survey，NGS)組建了“連續(xù)運行參考站”(continuously operating reference stations，CORS)，該網(wǎng)絡是服務于政府、高校、商業(yè)部門和私人的多功能網(wǎng)絡。到2010 年1 月12 日，該網(wǎng)絡已經(jīng)包含1400 個參考站。在該系統(tǒng)中，包含GPS 監(jiān)測接收設備和數(shù)據(jù)記錄設備，監(jiān)測接收設備每30s 記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄設備形成每小時和每天的數(shù)據(jù)文件，這些數(shù)據(jù)文件包含有接收機在每一時刻的定位信息，通過對這些信息進行后續(xù)處理，即可監(jiān)測站點周圍是否受到有效的GPS 干擾信號。

JLOC(jammer and interference location system)是美國NAVSYS 公司建設的一種較為復雜的基于網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的GPS 信號干擾監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控站、干擾監(jiān)測網(wǎng)絡和客戶端軟件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種干擾源的檢測和定位。

美國Agilent 公司和TCI 公司、德國Plath GmbH 公司和Rohde ＆Schware 公司、俄羅斯IRCOS 公司等也都研制了性能優(yōu)良的干擾源監(jiān)測/測向系統(tǒng)。其中典型指標是頻率覆蓋范圍25 ～3 000 MHz，頻率掃描速率1000MHz/s。部分系統(tǒng)采用開發(fā)架構(gòu)，從而可以提供快速的寬帶信號監(jiān)測、測向及一整套的信號分析方法(提供頻率、方向、位置、編碼種類、調(diào)制參數(shù)、帶寬等參數(shù))。

2009 年7 月，英國CHRONO TECHNOLOGY 公司公布了他們的一款手持式GPS 干擾監(jiān)測機CTL3500。它是一款低功率、由電池供電的干擾監(jiān)測系統(tǒng)，能夠檢測L1 頻段內(nèi)的GPS 信號、非GPS 信號和干擾信號。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國“北斗”二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)剛剛開始試運行，專門服務于北斗系統(tǒng)的干擾監(jiān)測系統(tǒng)尚未開始部署，但國內(nèi)有關單位已經(jīng)做了一些論證工作，例如國防科技大學、航天5 院503所、中電集團第20 所以及中國船舶集團系統(tǒng)工程部等科研院所開始對衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測技術進行研究，一些學者也發(fā)表了一些關于衛(wèi)星導航系統(tǒng)干擾監(jiān)測方面的文章，例如國防科技大學的韓其位對衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［2］做了分析，國防科技大學的戴雪楊對衛(wèi)星干擾監(jiān)測的現(xiàn)有技術［3］進行了總結(jié)，王哨軍等對衛(wèi)星干擾監(jiān)測的技術實現(xiàn)進行了研究［4］。國內(nèi)雖然進行了一定的研究，但是由于北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)剛剛開始試運行，專門服務于北斗導航系統(tǒng)的干擾監(jiān)測設備還未有成熟的產(chǎn)品，研究大部分還是停留在理論階段。

2 關鍵技術分析

針對衛(wèi)星導航系統(tǒng)中涉及的星上、地面站、用戶端各種接收機的復雜電磁環(huán)境的監(jiān)測，衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測技術主要包括研究衛(wèi)星導航系統(tǒng)中干擾源的測向定位技術［5-7］、干擾檢測與告警技術［8-11］、干擾信號頻譜特征提取技術及干擾類型識別技術［12-14］等，下面分別從這幾個方面對衛(wèi)星導航所涉及的關鍵技術進行展開論述。

2.1 干擾檢測技術

干擾檢測是干擾監(jiān)測的基礎，只有首先檢測到干擾信號才能完成干擾監(jiān)測的諸多后續(xù)工作。1998 年，斯坦福大學的Awele Ndili 和Dr.Per Enge 研究了GPS 接收機的自動干擾檢測技術，該技術能有效檢測高斯白噪聲干擾、寬帶脈沖干擾、相干連續(xù)波干擾、脈沖連續(xù)波干擾、多徑干擾等，但是目前國內(nèi)在GNSS 干擾檢測方面的研究還相對較少。

信號檢測常用的方法有能量檢測法［15］(ED)、匹配濾波器檢測法［16］(MFD)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法［17］(CFD)。但是，由于干擾信號缺乏先驗知識，目前，應用在干擾檢測方面的算法主要包含下面幾種:能量檢測法、時頻分析法、循環(huán)平穩(wěn)分析法、高階統(tǒng)計量分析法、極化分析法及其它數(shù)字信號處理方法。就目前來說，對于無干擾先驗信息的盲檢測，主要應用能量檢測算法，查閱關于干擾檢測方面的文獻，大多都是二元檢測問題，并沒有在給出干擾存在與否同時給出干擾信號的參數(shù)，多數(shù)檢測時針對整段頻譜的，并沒有給出具體的干擾頻點位置，干擾信號功率和干擾類型判斷。高階統(tǒng)計量方法因其對多種噪聲都有很好的抑制作用逐漸成為信號處理的新熱點［18-19］，是近年來發(fā)展較快的現(xiàn)代信號處理方法之一Nikias 最早提出可以利用信號高階累積量［20］進行信號檢測，高階累積量檢測性能優(yōu)于普通的能量檢測器。

2.2 干擾測向技術

傳統(tǒng)測向方法的主要代表是振幅法測向和相位法測向［21］。振幅法測向即根據(jù)測向天線接收信號的相對幅度大小來確定信號的到達角，具體又分為最大信號法、等信號法和比較信號法。相位法測向采用天線陣對導航系統(tǒng)工作空間進行監(jiān)測，根據(jù)各陣元對同一干擾的接收相位差來確定信號的到達角。由于相對相位差來源于相對波程差與波長的比值，而射頻干擾載波波長較短，相位變化對波程差很靈敏，因此相位法測向的準確度較高。干涉儀測向通過直接或間接測量分布在空間不同位置的天線感應信號之間的相位差并求解來波的入射方位角和仰角，是相位法測向的典型代表。

空間譜估計測向［22-23］具有超分辨測向能力，可以實現(xiàn)對多個干擾的同時測向?？臻g譜估計方法克服了傳統(tǒng)測向定位方法精度低的缺點，可以有效解決密集信號環(huán)境中多個輻射源的高分辨率、高精度測向定位問題?？臻g譜估計測向體制基于多元天線陣加多通道所構(gòu)成的傳感器陣列，因此空間譜估計測向系統(tǒng)可以在不同空間位置上同時獲得多個信號樣本，得到比較高的精度。常見的空間譜估計方法有MUSIC、ESPRIT 和Cappon 等，這些方法已經(jīng)成功的應用到測向中;一些較新的空間譜估計方法還有基于高階累積量的空間譜估計和基于多級維納濾波的空間譜估計方法等，這些方向相比常見的測向算法或者有更好的測向性能或者有更小的運算量。

2.3 干擾識別技術

在衛(wèi)星導航接收機實際應用中發(fā)現(xiàn)，空間環(huán)境中存在各種各樣的干擾，干擾形式比較復雜，而非僅僅是穩(wěn)定的窄帶、寬帶、脈沖等典型樣式。為更好地應對實際環(huán)境中復雜多變的各種干擾，使導航系統(tǒng)在干擾環(huán)境中正常工作，需在對空間各種無線電信號進行長期觀測的基礎上，采集各種干擾樣本并對其各種信號特征進行分析，建立干擾頻譜模板和干擾數(shù)據(jù)庫，然后再干擾信號調(diào)制方式識別中提出當前干擾特征與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行對比，才能快速識別干擾，做出快速靈活準確的反應。而對于干擾數(shù)據(jù)庫沒有的模板的信號則無法識別。

干擾信號自動調(diào)制識別的基本方法一般認為有2 類:一種是決策論方法，另一種是統(tǒng)計模式識別方法。決策論方法的理論基礎是假設檢驗，而統(tǒng)計模式識別方法的理論基礎是模式識別。

干擾信號特征識別主要是指對信號調(diào)制方式的識別，調(diào)制識別是指對干擾信號調(diào)制種類的識別，常見的調(diào)制識別方法有:神經(jīng)網(wǎng)絡BP 法［24］、基于高階累積量的調(diào)制識別方法［25］、基于支持向量基的數(shù)字調(diào)制識別方法［26］、基于小波分解的調(diào)制識別方法和星座圖聚類分析調(diào)制識別方法［27］。但是這些算法目前都是應用在通信信號的調(diào)制方式識別，專門針對衛(wèi)星導航干擾識別的應用目前還較少，因此分析干擾特征，把這些算法應用到衛(wèi)星導航信號的干擾識別中還需要進一步深入研究。

2.4 干擾源定位技術

干擾源定位一直以來都是干擾監(jiān)測領域的難點。原因在于干擾源信號形式往往變化多端，如何針對各種不同的干擾源進行準確定位是干擾監(jiān)測系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。干擾源的定位是在單個監(jiān)測站實現(xiàn)測向的基礎之上，聯(lián)合多個監(jiān)測站(包括固定、移動和便攜監(jiān)測定位站)進行組網(wǎng)，實現(xiàn)對空間電磁環(huán)境的聯(lián)合監(jiān)測和測向定位。常用的干擾源定位技術包括到達時間法［28］(TDOA)、到達頻率法［29］(FDOA)、到達角度法［30］(AOA)、它們相組合的方法，以及幅差法干擾源定位技術，基于多波束天線的干擾源定位方法包括基于空間譜估計的干擾源定位、基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡的干擾源定位、衛(wèi)星干擾源定位與自適應調(diào)零一體化。實際應用中具體選用那種方法要根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡設置和性能要求等多方面因素選取合適的定位方法實現(xiàn)干擾源的有效定位。

3 GNSS 干擾監(jiān)測未來發(fā)展方向

通過對國內(nèi)外衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術的分析，衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測將會按照以下幾個方向進行發(fā)展:

1)高性能

隨著微電子技術和干擾技術的不斷發(fā)展，使得為達到同等效果所需的干擾功率越來越低，設備也越來越簡單，這就需要干擾監(jiān)測系統(tǒng)有較高的靈敏度，可以有效監(jiān)測到較弱的干擾信號，因此干擾監(jiān)測接收機的高性能成為主要發(fā)展方向。

2)小型化

干擾監(jiān)測不但需要專門的干擾監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理基站，還需要便攜的小型、手持檢測設備來實現(xiàn)對一些特定區(qū)域突發(fā)干擾的快速監(jiān)測。

3)復合化

最終衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測系統(tǒng)不但要實現(xiàn)對干擾的監(jiān)測，還要實現(xiàn)對不同導航信號的監(jiān)測，還要有組網(wǎng)能力、通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)感興趣區(qū)域的全天候不間斷監(jiān)測和不同監(jiān)測站之間的數(shù)據(jù)交互能力。

衛(wèi)星導航干擾監(jiān)測系統(tǒng)的研究和建設，可以實現(xiàn)對衛(wèi)星導航系統(tǒng)各工作頻段干擾的有效監(jiān)測，為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的有效運行提供保障，為衛(wèi)星導航抗干擾設備的研制提供技術支持，為我國高端導航接收機的研發(fā)與應用奠定基礎。

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