卫星导航信号抗干扰能力探析

2020-11-26伍俊潘定

海峡科技与产业 2020年12期

伍俊潘定

湖南卫导信息科技有限公司，湖南长沙 410005

卫星导航系统实现了全球全时限特性，且具有信息实时性以及信息精度准确的特点，可以随时进行其载体的位置以及运行速度的精准测定，已经广泛应用在军事方面和民用各行业中。现在世界上有四大卫星导航系统，分别是美国的全球定位系统(GPS)、前苏联/俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)、欧洲航天局的伽利略卫星定位系统和中国的北斗导航卫星系统。我国自主研发的全球卫星导航系统北斗导航卫星定位系统，所提供的信息内容广泛而丰富，不仅可以满足国家军事防御，还被应用在很多民用行业领域。当前我国的北斗卫星导航系统具备了更多的关于民用方面的功能，比如可以实现个人用户的位置定位，进行道路交通的定位和情况监测，用于气象信息观测、航空运输信息采集、应急救援等诸多方面，为人们的生活工作带来了更多的便利。

1 卫星导航及信号干扰概述

导航卫星是指人造地球卫星，其从卫星上进行发射无线电信号，服务于地面、空中、海洋以及各空间用户，实现各用户所需的信息定位。其中每个卫星导航系统均有其相应的设备配置、特定的工作频段、定位机理和其相应的星历信息数据结构，每个卫星导航系统都有着不同之处，但是关于卫星导航信号抗干扰的技术均属于普遍性应用。卫星导航信号抗干扰技术随科技能力的提高而不断发展创新，在当下已经有了较为丰富的研究经验和成果，可是面对日益复杂的无线电环境，在卫星导航抗干扰技术的应用方面仍存在一些问题需要解决。

卫星导航系统最大的弱点就是在越接近地球表面时信号衰减最严重，此时空间内的低功率无线电信号对卫星导航信号造成的干扰也最严重。而卫星导航信号抗干扰能力不大，码元以及载波在卫星导航信号抗干扰能力低下时极易丢失。卫星导航信号频率以及调制特性公开，其数据的传输格式固定，很容易对接收机进行欺骗式干扰。卫星导航系统的这些弱性特点使得接收机在复杂的干扰环境中会逐渐失去稳定的工作性能，严重情况下可完全丧失定位功能。

卫星导航信号干扰从信号类型方面进行划分，分别是调幅等幅波，窄带频率调制信号，宽带频率调制信号，扫描等幅波，相移键控法(PSK)伪噪声等。从目前卫星导航信号抗干扰技术方面进行划分，分别是压制干扰和模拟性干扰，模拟性干扰又称欺骗式干扰。本文主要从卫星导航信号抗干扰技术方面对目前卫星导航系统接受的两种干扰体制进行分析。

压制干扰：此干扰体制对于卫星导航信号产生的危害性最大，其通过干扰信号直接到达接收机对用户所需的信号进行淹没，导致正常信号无法被解读，信息丢失，最终可造成接收机无法正常接收和追踪卫星导航信号，达到干扰目的。压制干扰一般为瞄准式、相关式以及阻塞式三种码型。这三种压制干扰通过不同的形式以及特点实施信号干扰，对卫星导航信号造成危害。

欺骗式干扰：是以假信号形式出现的干扰信号，通过让接收机对假信号的接收进行错误信息传输，达到其干扰卫星导航信号的目的。欺骗式干扰的表现形式有两种：转发式和产生式。转发式干扰通过将卫星导航信号延时并且放大进行发送的干扰方式，使到达接收机端的信号与真实信号发生时间上的延迟，造成信息错误，失去导航功能。产生式干扰是通过制作与真实信号相近的假信号对接收机实施“欺骗”行为，造成接收机接收到虚假信息。因为人们没有办法预先进行长码信息的解读，所以抗干扰技术无法对产生式干扰进行抑制。

2 卫星导航信号抗干扰技术存在问题分析

伴随着卫星导航技术以及其信号抗干扰技术能力的发展提高，对于窄带信号干扰的抗干扰技术能力较为成熟，宽带干扰和多径干扰两种抗干扰技术是当前进行卫星导航信号抗干扰技术应用和研究的主要领域，虽然这两种技术有了一定成熟发展，但是仍存在一些尚未解决的问题。具体分析如下：

2.1 宽带干扰技术

宽带干扰技术采用抑制方法，通过天线阵和滤波技术的结合运用，再辅以其他技术共同实现。当前对于此技术的研究重点在于如何优化空时自适应处理算法、自适应算法的稳健性、多干扰类型的抑制等。其中子空间投影技术因为其计算的复杂度较低和具有相对来说较好的抑制干扰信号的效果，使其与各域滤波技术被广泛应用和研究。

目前对于宽带干扰技术的问题及其研究较困难的方面为：当卫星导航信号和干扰信号存在相同的方向，相应的干扰抑制和高动态下的抗干扰算法，同时多个类型的宽带干扰同时抑制等。目前已有关于此问题的研究措施和算法，但其方法有效性均不高，而且多是针对某一难点问题进行的，起不到系统解决的作用，目前所研究的方法和策略在有效性以及实用性方面都存在欠缺。同时对于脉冲干扰信号的抗干扰技术目前研究尚少，特别是对于超宽带、长时间、均匀频谱的信号干扰，缺少相对应的解决措施。

2.2 多径干扰技术

多径干扰技术原理为通过接收机的前段、内部信号、定位结果几方面消除干扰信号，应用较为广泛的是特殊类型的天线技术以及MEDLL 技术。当前此技术的研究重心为抑制天线上方的多径信号，以及在快速变换环境中进行多径抑制等。

3 卫星导航信号抗干扰能力探析

卫星导航信号抗干扰技术一般有接收机抗干扰、星上抗干扰和辅助抗干扰三种技术。星上抗干扰技术需要进行卫星优化，提高卫星导航信号的发射功率、改善信息码结构及在卫星上实施其他先进的技术。辅助抗干扰技术主要是改善卫星导航信号系统，通过借助其他导航设施，来不断提高定位准确度和其抗干扰的能力，比如将卫星导航信号系统和惯性导航信号系统进行结合，通过相关技术进行抗干扰能力的提升。其中星上抗干扰和辅助抗干扰需要过高的技术成本，技术实现较困难，所以目前卫星导航信号抗干扰技术研究和应用多采用接收机抗干扰。下面主要对接收机抗干扰能力和技术进行探析，通过卫星导航系统的接收机进行抗干扰，一般考虑和研究窄带信号干扰、宽带信号干扰、多径信号干扰三种信号干扰类型。接收机抗干扰技术主要分为按接收机模块实施抗干扰和自适应滤波技术两方面。具体分析研究如下：

3.1 按接收机不同模块实施抗干扰技术

3.1.1 天线抗干扰技术

接收机天线可以使极微弱的卫星导航信号转变为电流，以电流形式进行信号采集处理。天线可以分为单极、微波传输带、四线螺旋形、锥形等类型，其中微波传输带天线和四线螺旋天线较为广泛应用。对于天线的技术方面要求有：可以全方位接受卫星信号，有可靠的防护以及屏蔽措施来抑制多径效应，天线的相位中心与其几何中心位置保持一致性，并且相位中心必须保持一定的高度。当前接收机天线通常采用的是天线阵列方法，通过辅以特殊的天线，对抑制宽带干扰和多径信号干扰可以起到很好的作用。

3.1.2 射频前段干扰技术

射频前段是指从天线处理开始到其基带处理之间的部件，是接收机进行工作的基础。其功能是使射频信号转成中频信号，使之满足信号处理器所需。在进行信号转变的过程中通过抑制其他干扰信号，提高有用信号的接受水平。主要分为前端滤波技术、射频干扰检测技术和自动增益控制技术。前端滤波技术是通过前置滤波器进行逐级滤波，使末级中频在进行变频过程时输出较窄的滤波带宽，可以有效提高接收机机带外射频信号干扰的能力，还可以更好的降低中频转变过程中奈奎斯特采样的限制，具有较强的抵抗外界强功率信号干扰的能力。其中射频干扰检测技术通过检测射频干扰信号来判断干扰信号强度。自动增益控制技术是通过在电路中放大其增益，从而使其随信号强度的变化而不断进行自动调整的控制方法。

3.1.3 基带处理

基带处理的效果与接收机的定位精度和灵敏度指标之间存在直接关系，其作用有搜素、追踪卫星导航信号，并对有关的电文数据实现解扩和解调，测量伪距和载波相位等。基带处理技术可以有效增强接收机对于抗击宽带性能有较好的作用，同时对于多径信号干扰有一定的抑制辅助作用。

3.2 自适应滤波技术

通过接收机实现抗干扰技术方法除上述内容之外，还有滤波技术，这是接收机抗干扰的根本技术。该技术是通过信号处理器实现滤波处理，主要可以分为频域、时域、空域滤波来实现滤波处理，有效抗击窄带、宽带和多径信号的干扰。时域滤波技术主要可以消除窄带噪声以及连续波的信号干扰，其效果最为明显，同时对于多径信号干扰和回波消除问题有一定的抑制作用。频域滤波技术多应用在窄带信号干扰、连续波信号干扰以及强带外信号干扰。空域滤波技术对多径信号干扰、窄带信号干扰和宽带信号干扰都有较明显抑制作用。

4 卫星导航信号抗干扰能力技术发展趋势

通过多年的研究和应用创新使卫星导航信号抗干扰技术得到了很大进步和发展，目前卫星导航信号抗干扰能力有了很大提高。当今社会，数据时代已经到来，信息科技不断发展应用，无论是软件还是硬件设施与之前相比都有了极大的进步，提升了先进程度。结合时代背景和信息科技技术的发展，可以进行卫星导航信号抗干扰技术能力方面的展望及研究。卫星导航信号抗干扰能力提高的技术展望主要表现在以下两方面：

4.1 数字信息化与硬件算法的共同发展进步

随着数字信息的飞速发展，模拟数字转换和数字信号处理技术的进步提高，将来会在很大程度上应用于提高导航卫星接收机的抗干扰技术方面，使其抗干扰能力得到极大提高，也会很大程度上提高定位接收机的数字化程度。自适应算法在目前硬件设施上运用存在较困难的现状，随着数据科技的发展，这一难题也将会得到解决，使抗干扰算法向着更加高速、实时的方向发展。