卫星导航系统抗干扰问题研究

张 浩,靳一恒,吕婷婷

(中国海洋大学信息科学与工程学院,山东 青岛 266100)

0 引 言

卫星导航系统具有全球全天候覆盖、实时性处理以及高精度测算的特点,能够实时地对运动载体的位置、速度进行测定和精确授时,在军事领域和民用领域均得到了广泛应用。目前世界上现有及在建的卫星导航系统有美国的全球定位系统(GPS),俄罗斯的“格洛纳斯”系统(GLONASS),欧共体正在建造的“伽利略”系统(GALILEO)以及我国建立的北斗导航定位系统(COMPASS)。

随着无线电技术的发展,自由空间中存在着密集的电磁波,卫星导航系统所处的工作环境日益复杂和多变,要想保证系统的正常工作,卫星导航系统必须具有足够的抗干扰能力。虽然各个卫星导航系统存在系统配置、定位机理、工作频段、信号和星历数据结构等方面的差异,但一些主流的抗干扰技术在各个系统中普遍适用。卫星导航系统抗干扰技术发展至今,针对系统各个组成模块和不同干扰类型已经有了丰富的研究成果,但还存在一些技术和问题需要完善和解决。本文对卫星导航系统常用抗干扰技术的原理、研究现状、难点问题和发展趋势进行介绍,研究结果可为发展我国北斗卫星导航系统提供参考。

1 卫星导航系统的脆弱性与干扰类型

卫星导航系统一个很大的弱点在于它的脆弱性。卫星信号到达地面时的衰减严重,低功率的电磁信号也能对其造成干扰;信号抗干扰裕度不大,码元、载波在信干比较低时很容易丢失;导航信号频率、调制特性公开,数据传输格式固定,容易实现针对接收机的欺骗式干扰或特定频率的信号压制,以上这些弱点都会使接收机在干扰环境下无法正常工作甚至完全失去定位功能。

卫星导航系统受到的干扰主要有射频干扰和环境干扰两大类。

射频干扰是指卫星导航系统工作环境中由电磁波造成的干扰,可以分为无意干扰与人为干扰。无意干扰是指系统受到的非针对性的干扰,主要包括同一导航系统中来自不同卫星信号的相互干扰、不同系统之间的相互干扰、其他发射系统的频率谐波或者非线性引起的互调产物落在接收机带内造成的干扰、强发射机产生的高功率信号及其谐波导致的卫星信号堵塞[1]。人为干扰是指干扰方采用技术手段,针对特定区域、设备或通信频段进行的干扰,其目的是使接收方无法使用或错误地使用导航系统所提供的信息,包括压制式干扰和欺骗式干扰。另外,射频干扰也可以根据干扰信号的频谱特性分为窄带干扰和宽带干扰。表1示出了常见的射频干扰类型和典型的干扰源[2]。

表1 射频干扰类型和典型的干扰源

环境干扰包括多径效应、遮蔽、地形遮拦和其他由自然环境造成的干扰。其中,抗多径干扰是信号接收需要重点考虑的部分。卫星导航系统接收机接收到的不同卫星的信号来自不同的多径信道,在距离、时间和速度方面都会产生误差,其影响表现在信号上为多径信号相对于直达卫星信号的延迟以及多径信号的功率和相对载波的相位,在接收机性能上表现为对码信号和载波跟踪精度的影响。

2 卫星导航系统抗干扰技术

2.1 抗干扰技术介绍

卫星导航系统抗干扰技术主要分为三类:星上抗干扰、接收机抗干扰、辅助抗干扰。

星上抗干扰是通过对卫星的优化实现的,主要方法有提高信号发射功率、改善码结构以及在卫星上使用新的抗干扰技术。美国为提高GPS的抗干扰能力,计划在2015年发射第三代GPS卫星,GPSⅢ比现有GPS星座的发射功率提高500倍,且新增了比Y码具有更强抗干扰能力的军用M码。虽然改进卫星星座或信号结构的方法可以改善源头上的问题,但是这种方法开支巨大,方案的实施也需要很长的时间。

辅助抗干扰针对卫星导航系统存在的不足,利用其他导航设备辅助,有效提高卫星导航系统的定位精度和抗干扰能力,主要方法有卫星导航系统与惯性导航系统的组合技术以及伪卫星辅助技术。组合导航技术可以有效解决短时间的卫星信号故障和干扰,对宽带噪声干扰、扫频干扰、音频干扰、脉冲干扰等都具有很好的抑制作用,为高动态接收技术提供了较理想的解决方案。伪卫星技术通过在接收机可视范围内增加可利用的星座数量提高系统的抗干扰能力,但目前还有许多关键问题需要解决,例如如何降低多径效应的影响、如何设计伪卫星的位置及数量以获得最佳的几何分布、在系统软件方面需要应用新的大气修正模型等。

以上两类抗干扰技术成本高、实现复杂,目前研究和应用最广泛的是针对卫星导航接收机的抗干扰技术。如图1所示,接收机结构可以划分为天线、射频前端、基带处理、定位导航运算四个模块,根据干扰信号的类型及干扰原理,可以从接收机结构上进行改进,提出相应的抗干扰措施。在接收机四个结构模块中,抗干扰技术主要在天线、射频前端、基带处理模块实现,其中采用数字信号处理器(DSP)实现的自适应滤波技术是目前研究的一个热点。

图1 一种典型的接收机结构示意图

2.2 接收机抗干扰技术

2.2.1 各结构模块抗干扰技术

1)天线

接收机天线的作用是将卫星信号这种极微弱的电磁波转化为电流,以进行后续的信号处理,对天线的主要要求有:无死角地接收来自各个方向的卫星信号,针对多径效应有防护和屏蔽措施,天线相位中心保持高度稳定、并与其几何中心尽量一致。天线类型主要有单极或偶极天线、四线螺旋形天线、微波传输带天线、锥形天线,目前四线螺旋形天线和微带天线应用较为广泛。

就目前来说,接收机天线多采用天线阵的形式。天线阵列加以特殊类型天线的使用,在抑制宽带干扰、多径干扰方面具有很好的效果。扼流圈天线、极化(矢量)天线技术可以有效消除多径信号。文献[3]研究了简化分布式矢量天线技术,利用多径干扰随反射角度的不同具有不同的极化状态的特点,在极化域上实现了多径干扰的识别。

2)射频前端

射频前端是接收机工作的基础,包括从天线到基带处理间的所有部件,其主要功能是将射频信号变换为中频数字信号,以适合信号处理器的工作范围。在这个过程中射频前端应具有尽可能抑制其他干扰的能力,同时提高接收信号电平至信号处理器可工作的水平,并能提供一定的信号变化动态范围。

① 前端滤波技术

前端滤波技术的应用包括在天线与前置放大器之间放置具有抑制带外大功率的带阻抑制特性和低插入损耗的前置滤波器,以及在每个本地振荡器混频级前后的逐级滤波。逐级滤波使接近末级中频的下变频过程综合出较窄的滤波器带宽,不仅能提高接收机的抗带外射频干扰性能,还能降低中频A/D变换过程的奈奎斯特采样限制。前端滤波技术可以有效抵制外界强功率的干扰。

② 射频干扰检测技术

射频干扰检测技术可检测射频干扰是否存在并同时测量出干扰强度,能有效检测连续波干扰、宽带脉冲干扰、高斯白噪声干扰、信号阻塞和多径干扰。射频干扰检测是通过干扰/噪声功率比(J/N)计量表测量经过接收机天线和射频前端的综合信号电平实现的,J/N计量表位于自动增益控制(AGC)区。因为卫星信号大大低于热噪声电平,所以只要测得AGC控制电平提供的J/N值,就能判断是否有较强的射频干扰正在控制AGC。

③ 自动增益控制技术

自动增益控制技术主要用于接收机的中频级和射频级,是一种使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法,能使幅度变化大的接收信号放大为包络相对恒定的信号,具有压缩动态范围、抑制脉冲干扰和抗快衰落等作用。

根据对输入信号幅度变化的响应速度,AGC可分为快速(小时间常数)自动增益控制系统(FAGC)和慢速(大时间常数)自动增益控制系统(SAGC)。还有学者提出DτAGC,这种AGC在脉冲干扰存在与不存在时分别呈现FAGC和SAGC的特性,抑制干扰的性能更加优化。除此之外还有一种干扰反馈AGC(IFAGC),IFAGC不存在干扰滤波后的吉布斯效应对信号造成的附加损失,比DτAGC的干扰抑制性能更好,对信号的损失更小[4]。

3)基带处理

基带处理模块的作用包括搜索、捕获并跟踪卫星信号,对电文数据解扩、解调,以及伪距、载波相位、多普勒频移的测量。基带处理性能的优劣直接关系到接收机定位精度、灵敏度指标。在此模块中,码环/载波环跟踪技术的改进和相关技术的应用是提高接收机抗干扰性能主要手段。码环/载波环跟踪技术通过改进接收机的载噪比门限,或者采用自适应跟踪环路实现环路带宽的自动调节,来提高接收机的抗干扰性能和动态跟踪能力,该技术对增强接收机抗宽带性能具有好的效果,而且对多径干扰的抑制具有辅助作用。

针对多径效应,一种最基本的抑制技术为窄距相关器,虽然相关器间距的缩短减小了码相位的测量误差,但同时造成了码环动态性能的降低,而且窄相关器仅对减小码环测量误差有效,无助于载波环的多径抑制性能。有学者提出一种多径信号的极大似然估计方法以减小码相位和载波相位误差,被称为多路径估计延时锁定环(MEDLL)[5],该方法能有效地减小码相位和载波相位测量值的多径误差,消除窄相关接收机中90%的多径效应。

2.2.2 自适应滤波技术

除以上抗干扰技术外,实现接收机抗干扰最有效、最根本的技术是滤波技术。滤波技术主要借助数字信号处理器进行自适应滤波处理,可在前端处理部分以及基带跟踪环路前进行,自适应滤波处理可在时域、频域、空域以及各联合域实现,可抑制窄带干扰、宽带干扰和多径干扰。

1)时域滤波技术

时域滤波技术可以用于消除多个窄带噪声干扰和连续波干扰,另外还能用于多径干扰和回波消除问题,但对宽带干扰作用不大。时域滤波在时域内利用信号特征滤除干扰,借助DSP提供可编程滤波器和相关器,可以配置于接收机前端处理部分,或作为一个单一的部分置于接收机之前。

时域滤波技术效果最明显的是对窄带干扰的抑制,典型应用为自适应时域预测技术。在时域预测技术计算过程中,可以采取线性滤波器或非线性滤波器来预测窄带干扰信号,按照实际条件选择某种最优准则(LMS准则、MMSE准则、RLS准则、LS准则)来追踪干扰。常用的线性滤波器有FIR滤波器、IIR滤波器和插值滤波器,常用的非线性模型是神经网络和多项式滤波器。从工程实现角度看,对窄带干扰滤波的效果最好的预测滤波器是非线性的[6]。

2)频域滤波技术

频域滤波适用于窄带干扰、连续波干扰及较强的带外干扰,但对宽带噪音干扰及多个扫频瞄准式噪声干扰无效。频域滤波首先通过快速傅里叶变换将接收信号由时域变换为频域,通过陷波位置的调整将干扰对应的频谱置零或衰减,处理后的频域分量再反变换到时域完成干扰的滤除。频域滤波可以在接收机的射频或中频进行,或者附加在用户的接收机和天线之间。由于变换处理的复杂性,频域滤波会增加卫星信号的获取和处理时间延迟,而且存在频谱泄露的问题。

3)时频域滤波技术

时频滤波技术主要应用于抑制窄带干扰或某些类型的宽带干扰(AM-FM、LFM、脉冲干扰信号),特别适用于抑制各种时变非平稳干扰。时频滤波通过选择合适的时频分析工具,使有用信号与干扰信号在变换处理后具有能区分开来的特性,然后根据两者特性的不同来进行干扰的滤除。

比较典型的时频分析工具有短时傅立叶变换(STFT)、滤波器组、小波变换和子空间投影技术。针对脉冲型的时变干扰,局部离散余弦变换(LDCT)是一种具有良好效果的时频分析方法[7]。另外,时频域滤波技术还可以与数据恢复算法结合起来,针对滤波后具有缺口的数据,采用恢复算法进行数据恢复,得到接近于未受干扰的原始卫星信号的恢复数据[8]。

4)空域滤波技术

空域滤波技术是通过自适应天线阵来实现信号处理,其输入参量除包含信号的时频内容外,还涉及距离、方位角、仰角、极化形式等,该技术对窄带干扰、宽带干扰以及多径干扰均有抑制作用。空域滤波相对于时域和频域抗干扰的优势在于,实现途径是抑制干扰方向的接收,与干扰信号样式不相关,因此可以实现宽带干扰以及多径干扰的抑制。

自适应空域滤波干扰抑制技术可以分为两类:自适应零陷形成和自适应波束形成。零陷方法根据某种最优准则自适应调整各阵元的权值,在干扰来向上形成零陷以抑制干扰,这种方法不需要信号的先验信息,可以实现盲抑制,但对期望信号无增强作用。波束形成方法在已知干扰方向形成零陷的同时,还能在期望信号来向形成主瓣以增强期望信号,但需要在滤波前结合波达方向估计(DOA)算法对期望信号的来向进行估计。空域滤波技术常用的最优化准则有MSNR准则、MMSE准则、LCMV准则,常用的自适应算法有LMS、RLS、ML、QRD-SMI以及MUSIC算法。在选择自适应算法时,要对算法的复杂度、收敛速度、权值更新速度、权值收敛后的稳态误差等进行综合考虑。

5)空时联合自适应抗干扰技术

由于空域滤波技术存在自由度的限制,空时联合自适应处理技术被提出并发展起来,空时联合抗干扰同时利用天线阵和延迟抽头获取空时样本,在不增加天线阵元的情况下,通过时间抽头来增加阵列的自由度与可抑制干扰的数目。空时自适应技术对抑制窄带干扰、宽带干扰、多径干扰、相关干扰都具有好的效果,是当前接收机抗干扰技术的一个研究热点。

空时联合自适应抗干扰技术涉及的问题和主要研究点:

① 运算量与降维处理:空时联合在计算量上的增加是很大的,以降低计算量为目的的降维处理是目前空时算法研究的重点之一。在降维处理的研究中,学者们提出了二维Capon法、局域联合处理法、广义相邻多波束法、多级维纳滤波法等方法[9],此外,子空间投影技术能避免大运算量的协方差矩阵估计及其求逆运算,在保持抗干扰性能的不变的情况下可以大幅度降低运算复杂度。

② 误差问题:由于加工装配精度的限制,实际的天线阵列总存在着一定误差,主要包括阵元位置误差、阵元间的互耦以及通道的不一致性。对阵列误差的校正主要有有源校正和自校正两种,现有的校正算法往往只考虑了仅一种阵列误差存在的情况,而且没有考虑多径信号的存在。

③ 干扰与卫星信号来向相同时的干扰抑制:在空时滤波过程中,若卫星导航信号与干扰信号来向相同或夹角很小,天线增益在干扰来向上实现陷零的同时,也会对卫星信号造成极大衰减。在这种情况下,改进空时算法只能有限地缩小可抑制干扰与期望信号的夹角范围,若要抑制与卫星信号来向相同的干扰,还需要辅助其他手段,或再利用其他域(如极化域)的信息。

2.3 接收机抗干扰技术小结

在进行卫星导航接收机抗干扰设计时,主要考虑的干扰类型有三大类:窄带干扰、宽带干扰和多径干扰。如表2所示,针对每种干扰类型有不同的抗干扰技术,一种抗干扰技术也不能同时抑制所有干扰类型,一个高性能的导航系统会同时采用多种抗干扰技术以实现对各个类型干扰的抑制。

表2 典型的干扰类型与抗干扰技术

3 卫星导航系统抗干扰技术发展趋势

3.1 抗干扰技术发展近况及存在的问题

卫星导航抗干扰技术发展至今,窄带干扰的抗干扰技术研究已经较为成熟,尤其是自适应滤波的准则、算法很多,算法的改进也较为完善,可以实现多个窄带干扰的同时抑制,而且有好的抗干扰效果。宽带干扰和多径干扰的抗干扰技术的研究是目前学者们研究比较集中的领域,但依旧存在一些问题没有解决。

1)对于宽带干扰,最主要的抑制手段是采用天线阵加以自适应滤波技术,其他技术作为辅助手段。目前的研究热点集中在空时自适应处理算法的优化、稳健的自适应算法、多干扰类型抑制以及盲自适应抗干扰,子空间投影技术由于其较低的计算复杂度和好的干扰抑制效果被结合各域滤波技术广泛研究和应用,另外,一些新的联合域或结合其他技术的天线阵形式也被提出,进一步改善接收机的抗干扰性能。文献[11]采用极化阵列,提出了极化域与空域联合的抗干扰方法(JPSA),此方法的一大亮点是能成功抑制与期望信号来向相同的干扰。文献[12]提出了以压缩感知天线阵为基础的阵列处理方案,该方案能降低阵列系统的计算量和功耗,提升接收机的整体抗干扰性能。

宽带干扰抑制技术还存在需要继续研究的问题和难点在于卫星信号与干扰信号方向相同时的干扰抑制、高动态环境下的稳健抗干扰算法、多个类型宽带干扰的同时抑制等。这些问题虽然也有学者进行研究并提出了一些措施和算法,但新颖、有效的方法不多,而且这些方法往往都是针对一个难点进行,而不能兼顾其他的问题,方法的有效性和实用性都需要完善。另外,并不是所有宽带干扰类型的抗干扰方法都有较为深入的研究,目前针对脉冲干扰抗干扰技术的研究还很少,尤其是长时间、超宽带、均匀频谱的干扰,还没有非常有效的解决方案。

2)对于多径干扰,接收机主要在三个阶段进行消除,前端处理、内部信号处理、对定位结果进行事后处理,目前应用较广的技术为特殊类型天线以及多个天线的空间多样性技术和MEDLL技术。除此之外,有学者提出利用接收机的测量数据进行参数估计并结合自适应滤波消除多径的方法,也被利用到一些接收机的生产中。另外,文献[13]提出了一种新颖的LTE信号辅助的导航信号多径消除算法,该方法利用LTE信道估计的结果辅助导航信号的信道估计,在高分辨率信道特征支撑下有效分离多径并提高处理能力,此方法为多径信号的抑制提供了一种新的思路。

目前多径干扰抗干扰方法的研究难点在于来自天线上方多径信号的抑制、快速变换环境下的多径抑制以及短延时多径的抑制。目前有学者通过改进天线阵的自适应算法增大可抑制干扰的俯仰角范围,但还没有克服天线上方多径信号难以抑制的问题。虽然目前分析多径信号对接收机影响的文献很多,但关于短延时多径信号的研究却较少,采用窄相关器以及MEDLL技术改进的接收机主要针对长延时多径信号,对短延时信号抑制效果不佳。文献[14]推导了短延时多径信号环境下各天线间伪距差值、载波相位差值及信噪比比值的表达式,提出了基于扩展卡尔曼滤波技术的多径抑制技术,另外文献[13]提出的LTE信号辅助的方法也对于研究短延时多径信号的抑制方法具有一定意义。

3.2 抗干扰技术的发展趋势

卫星导航系统抗干扰技术经过多年的研究取得了不断进步,使得抗干扰的能力大为提升。结合当前电子信息领域的软硬件发展,总体来说,卫星导航系统抗干扰技术会有下面两个发展趋势:

1)数字化与硬件算法的发展。随着超高速AD转换器件的发展和FPGA、DSP硬件水平的不断提高,将会使得抗干扰导航接收机在性能上大幅度提升,在未来可有望实现GPS接收机的完全数字化。可编程逻辑器件的使用为设计提供了很大的灵活性,同时使得产品的维护和升级更加容易。另外,自适应算法在硬件中实现时有难易上的不同,实时的大量的数据吞吐对硬件仍是挑战,因此抗干扰算法的研究也在向适用于高速、并行、实时处理的方向发展。

2)多功能智能型抗干扰接收机。现有抗干扰技术都只是对其中某类干扰有较好的表现,而卫星导航接收机面临的干扰是多种多样的,干扰监测技术高性能、小型化的发展使得智能型抗干扰接收机的实现有了技术保证[15],另外,认知无线电、人工智能及神经网络等多项技术都可以融合到接收机中,使接收机能够智能地调整抗干扰算法。如文献[16]设计了一种集信息库、信号检测、逻辑判决和抗干扰模块于一体的接收机,该设计能检测出不同类型的干扰并决策出不同的抗干扰方法。

4 结束语

本文分析了卫星导航系统的脆弱性以及干扰来源,从接收机结构出发分析了天线、射频前端、基带处理三大模块的抗干扰技术,并对目前广泛应用的自适应滤波技术进行了研究。总结了卫星导航系统各类抗干扰技术、针对不同干扰类型的抗干扰方法、几种热点技术的发展现状和研究难点以及卫星导航系统抗干扰技术的发展趋势。本文所阐述的提高卫星导航系统抗干扰性能的抗干扰技术均可应用到我国北斗导航系统中,为发展我国北斗全球卫星导航系统提供相关参考。

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