衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)探析

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摘要：首先闡述了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性和廣泛用途，接著分析了衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾的必要性，研究了目前衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端采用的自適應(yīng)處理、調(diào)制新體制、多模復(fù)合和組合導(dǎo)航、反欺騙等典型的抗干擾技術(shù)，最后提出了衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾向體系化、多域融合、導(dǎo)航智能體方向發(fā)展的趨勢(shì)，為新型全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的設(shè)計(jì)、研制和驗(yàn)證提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航；抗干擾；多域融合；導(dǎo)航智能體；發(fā)展趨勢(shì)

0引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)具有范圍廣、全天候、全天時(shí)的精確授時(shí)、精密測(cè)量和精準(zhǔn)導(dǎo)航能力，并可通過(guò)空間衛(wèi)星及定位終端的多普勒變化，為各種動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位終端提供速度及其速度變化率等動(dòng)態(tài)參數(shù)，滿足空中、地面、水面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航跡規(guī)劃、航向糾偏、姿態(tài)校準(zhǔn)等技術(shù)需求，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已滲透到智慧交通和運(yùn)輸、自動(dòng)化工農(nóng)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和通信電力網(wǎng)、銀行和金融交易網(wǎng)等多個(gè)民用基礎(chǔ)設(shè)施，并已形成龐大的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈；同時(shí)GNSS接收終端已大量安裝在各種武器、載體平臺(tái)、通信系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)等軍用設(shè)備，成為獲取戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的倍增器，并將作為未來(lái)全維作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)、全球精確打擊和機(jī)動(dòng)能力、精確信息獲取和快捷的戰(zhàn)場(chǎng)支援的基礎(chǔ)設(shè)施[1]。目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有“四大兩小”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即美國(guó)的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、中國(guó)的“北斗”（BDS）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲的“伽利略”（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等四個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，以及印度的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(IRNSS)和日本的“準(zhǔn)天頂”(QZSS)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等兩個(gè)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地位越來(lái)越重要，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行對(duì)抗引起了多國(guó)的廣泛關(guān)注，干擾樣式、平臺(tái)、策略、效能等諸方面都被深入分析[1-3]，美國(guó)提出了導(dǎo)航戰(zhàn)和授時(shí)戰(zhàn)[4]，同時(shí)多國(guó)都研制了多款導(dǎo)航干擾機(jī)，因此提高衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)，增強(qiáng)其抗有意和無(wú)意干擾的能力，成為導(dǎo)航接收終端設(shè)計(jì)、研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾方式

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)主要體現(xiàn)在導(dǎo)航接收終端，通過(guò)自適應(yīng)處理、采用新的調(diào)制方式、多模復(fù)合、組合導(dǎo)航等抗干擾手段，提升其對(duì)抗復(fù)雜電磁環(huán)境和人為有意干擾的能力。

1.1自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)[5]

典型的導(dǎo)航自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)為自適應(yīng)調(diào)零天線，其本質(zhì)上是一種空域?yàn)V波器，是陣列天線技術(shù)與自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的一種抗干擾技術(shù)，基本原理是：根據(jù)外界信號(hào)的來(lái)波方向與功率大小，通過(guò)自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)自動(dòng)調(diào)整陣列天線方向圖的零點(diǎn)深度與零點(diǎn)方向，達(dá)到抑制干擾的目的，如圖1所示。由于導(dǎo)航信號(hào)淹沒在噪聲以下，噪聲基底可作為自適應(yīng)調(diào)零天線功率最小化的閾值，而不影響導(dǎo)航信號(hào)的接收品質(zhì)，所以自適應(yīng)調(diào)零天線與導(dǎo)航接收機(jī)的“絕配”，極大提升其抗干擾能力。自適應(yīng)調(diào)零天線將來(lái)自不同陣元的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，從而在天線陣的方向圖中產(chǎn)生對(duì)著干擾源方向的零點(diǎn)，以減低干擾機(jī)的效能。可抵消的干擾源數(shù)量等于天線陣元數(shù)n減1。另外，為進(jìn)一步提高空域調(diào)零天線的性能，達(dá)到提高綜合抗干擾能力的目的，采用“空時(shí)自適應(yīng)抗干擾陣列天線”、“空域多波束抗干擾天線”，達(dá)到既增強(qiáng)了有用信號(hào)又抑制了干擾信號(hào)的雙重目的。對(duì)于空時(shí)自適應(yīng)處理陣列理論，設(shè)該陣列單元總數(shù)為N，每個(gè)陣元設(shè)定的時(shí)域?yàn)V波器的階數(shù)為M，則該陣列天線自由度為(N-1)M，即能對(duì)抗的干擾源的最大數(shù)量為（N-1）M。自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)飛機(jī)、精確制導(dǎo)彈藥、C4ISR等武器平臺(tái)，可使導(dǎo)航定位終端抗干擾能力大幅提高。美軍典型的自適應(yīng)調(diào)零天線產(chǎn)品應(yīng)用包括JDAM精確制導(dǎo)彈藥采用4陣元自適應(yīng)調(diào)零天線、“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈采用5陣元自適應(yīng)調(diào)零天線、F⁃16戰(zhàn)斗機(jī)采用7陣元自適應(yīng)調(diào)零天線、F⁃22戰(zhàn)斗機(jī)采用更為先進(jìn)的7陣元空時(shí)自適應(yīng)處理天線等。根據(jù)相關(guān)資料分析，可知自適應(yīng)調(diào)零天線可使導(dǎo)航定位終端的抗干擾能力提升30~50dB。

1.2調(diào)制新體制

GNSS普遍采用直接序列擴(kuò)頻（DS）技術(shù)，由數(shù)據(jù)信號(hào)疊加高頻偽隨機(jī)碼（PRN）擴(kuò)展信號(hào)調(diào)制載波，擴(kuò)頻信號(hào)占據(jù)著比傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率更寬的帶寬，這種帶寬的冗余可以抑制干擾信號(hào)的副作用，并減少傳輸信號(hào)的功率峰值，使其有效地隱藏于噪聲背景下，增加了信號(hào)的隱蔽性和抗截獲性。新一代導(dǎo)航信號(hào)大量采用BOC(BinaryOffsetCarrier)、CBOC(CompositeBina⁃ryOffsetCarrier)和TMBOC(Time⁃MultiplexedBinaryOffsetCarrier)等調(diào)制方式，一方面可增加信號(hào)測(cè)量精度和抗多徑的能力，另一方面可實(shí)現(xiàn)軍民信號(hào)頻譜分離，具備在特殊狀態(tài)下，干擾民用信號(hào)、對(duì)軍用接收終端的影響較少的能力。同時(shí)，BOC具備上下2個(gè)邊帶，可以調(diào)制不同的信息，增加了導(dǎo)航信息傳遞的可靠性。另外，采用導(dǎo)頻信號(hào)，不調(diào)制導(dǎo)航電文，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分，有利于捕獲相關(guān)峰。圖2給出了PLL抖動(dòng)誤差與輸入C/N0的關(guān)系，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)頻信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間積分，減少PLL熱噪聲抖動(dòng)，可以降低跟蹤門限的C/N0值，達(dá)到抗干擾的目的。

1.3多模復(fù)合技術(shù)

隨著“四大兩小”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和完善，現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端逐漸由傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)接收定位向多系統(tǒng)聯(lián)合的多模復(fù)合接收定位發(fā)展，可用頻點(diǎn)由GPS系統(tǒng)的L1/L2向GLONASS的G1/G2、GALI⁃LEO的E1/E5/E6等擴(kuò)展，信號(hào)帶寬由GPS系統(tǒng)擴(kuò)展至整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)頻段(1160~1615MHz)和S頻段，如表1所示。相對(duì)單模接收終端，多模復(fù)合導(dǎo)航接收終端的可用衛(wèi)星數(shù)量顯著增多，其定位精度、完好性和連續(xù)性等指標(biāo)均得到改善；當(dāng)一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，可以采用其它導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)，各種導(dǎo)航系統(tǒng)采用不同的技術(shù)體制，如GPS、Galileo和BDS采用CDMA，而GLONASS采用TDMA，并且信號(hào)帶寬、頻點(diǎn)不盡相同，提高了導(dǎo)航終端對(duì)衛(wèi)星的可信利用和抗干擾能力。

1.4多組合抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航可與慣性導(dǎo)航（INS）、雷達(dá)高度表、地形匹配、光電制導(dǎo)等組合，形成復(fù)合制導(dǎo)方式，可大大提升導(dǎo)航定位終端的抗干擾性能。目前，組合比較普遍的是GNSS/INS。絕大多數(shù)的遠(yuǎn)程精確打擊武器及攻擊彈藥、作戰(zhàn)武器平臺(tái)都采用了GNSS/INS組合導(dǎo)航定位技術(shù)，利用GNSS定位信息對(duì)INS進(jìn)行輔助，降低INS誤差隨時(shí)間的積累，大大提高了導(dǎo)航精度。同時(shí)，INS也可對(duì)GNSS導(dǎo)航定位終端進(jìn)行輔助，解決了GNSS導(dǎo)航定位終端的高動(dòng)態(tài)應(yīng)用問(wèn)題，并提高了其抗干擾能力。組合導(dǎo)航設(shè)備利用衛(wèi)星導(dǎo)航長(zhǎng)期高精度的優(yōu)勢(shì)和慣導(dǎo)短時(shí)高精度抗干擾的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成互補(bǔ)。技術(shù)體制上，組合導(dǎo)航分為松組合、緊組合與超緊組合。松組合利用GPS與慣導(dǎo)各自輸出的定位解算結(jié)果進(jìn)行融合定位；緊組合融合GPS與慣導(dǎo)的偽距與偽距率進(jìn)行綜合定位；超緊組合使用融合后的定位結(jié)果對(duì)GPS的信號(hào)捕獲與跟蹤進(jìn)行輔助，提高導(dǎo)航設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能。

1.5反欺騙干擾技術(shù)[6]

通過(guò)基于載噪比C/N0的檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)施。大部分GPS接收終端將載噪比C/N0作為衡量所接收到的信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)噪聲功率基本恒定，而信號(hào)功率通常也是恒定的，受到遮擋、路徑損耗增大的情況下接收到的信號(hào)功率會(huì)變小，所以可以檢測(cè)信噪比值，如果超出正常信號(hào)載噪比值，則很可能為欺騙信號(hào)。同時(shí)因?yàn)樾l(wèi)星與接收終端之間的距離較大，在開闊地的情況下，衛(wèi)星的移動(dòng)和電離層的變化會(huì)引起接收信號(hào)功率的一個(gè)平緩的變化，所以，當(dāng)接收終端接收到的載噪比發(fā)生一個(gè)突然增加的變化且載噪比增加值超出正常值范圍時(shí)，就說(shuō)明接收終端接收到了一個(gè)更高功率的欺騙信號(hào)。接收終端可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)信號(hào)載噪比的狀態(tài)，并找到所有出現(xiàn)的信號(hào)載噪比不尋常的突變。通常欺騙干擾機(jī)采用單一信號(hào)發(fā)射天線，這樣所有信號(hào)都從一個(gè)方向到達(dá)接收終端，欺騙信號(hào)入射角度與真實(shí)信號(hào)存在差異，所以可以采用雙天線或多天線的結(jié)構(gòu)，配合信號(hào)處理部分進(jìn)行欺騙信號(hào)檢測(cè)。

2衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端的核心是抗干擾和定位授時(shí)高精度，而抗干擾是高精度的保障，因此GNSS優(yōu)先要做的事情是“除了抗干擾，還是抗干擾和抗干擾”。

2.1從系統(tǒng)角度全面提升衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾能力

未來(lái)的導(dǎo)航系統(tǒng)將站在系統(tǒng)的角度，從空間段、地面段和用戶段全面提升其抗干擾能力。在空間段，對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星采用“增功率、點(diǎn)波束、加星鏈”等方式提升其抗干擾能力。低功耗、小型化等器件的發(fā)展，為導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射功率提升提供了技術(shù)基礎(chǔ)，據(jù)報(bào)道，GPSIII的功率相對(duì)于GPSII提升4dB以上；利用高增益點(diǎn)波束天線，能對(duì)選定地區(qū)集中更高的功率，可提高信號(hào)強(qiáng)度，GPSIII的點(diǎn)波束可提升20dB抗干擾能力；采用高頻段星間鏈路，增加了可視衛(wèi)星數(shù)目，可使用戶的精度、連續(xù)性和完善性更好，寬帶星間鏈路組成一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)，提供對(duì)所有衛(wèi)星的持續(xù)連通能力。持續(xù)連通能力使得實(shí)現(xiàn)“連通一顆即連通整網(wǎng)”的運(yùn)行概念成為可能，實(shí)現(xiàn)對(duì)星座的實(shí)時(shí)、連續(xù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)視，保障導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)性和有效性。GPSⅢ運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。“北斗”衛(wèi)星采用Ka頻段星間鏈路進(jìn)行星間測(cè)距、自主導(dǎo)航和星間通信，提升了抗攻擊的能力。在控制段，將監(jiān)測(cè)、注入站移到本土加強(qiáng)其抗干擾能力。美國(guó)將在GPSⅢ階段改變上行注入策略，取消海外注入站，將全球布站收縮為本地布站，僅利用本土注入站在星地之間建立高速上行通道，借助星間鏈路向全星座分發(fā)導(dǎo)航電文等數(shù)據(jù)，僅需一副注入天線就可實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)通，全網(wǎng)通”，同樣可實(shí)現(xiàn)全星座、全弧度、全時(shí)段注入。GLONASS利用量子⁃光學(xué)站（激光站）、場(chǎng)控制設(shè)備等增加控制段的抗干擾能力。隨著小型化、低功耗器件的飛速發(fā)展，量子計(jì)算、智能計(jì)算的跨越式進(jìn)步，在接收終端的抗干擾新技術(shù)將會(huì)更加層出不窮。

2.2多域融合提升其抗干擾能力

GNSS本身就存在多個(gè)冗余，從空間上，僅可見4顆導(dǎo)航衛(wèi)星既可實(shí)現(xiàn)定位，而現(xiàn)在GPS、GLONASS和BDS在中低緯度一般可見7顆以上衛(wèi)星，在某些時(shí)間段可見十幾顆衛(wèi)星。從頻點(diǎn)上，每個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都存在多個(gè)頻點(diǎn)，除了消除電離層、對(duì)流層誤差外，還可以作為頻域備份，僅對(duì)一個(gè)頻點(diǎn)的干擾不能從本質(zhì)上影響定位結(jié)果。GNSS為了進(jìn)一步提升其抗干擾能力，將會(huì)加強(qiáng)多域融合抗干擾能力。具體體現(xiàn)在：進(jìn)一步加強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)間融合，未來(lái)將把GNSS的每顆衛(wèi)星同等看待進(jìn)行幾何精度因子（GDOP）最大化選取，衛(wèi)星信號(hào)捕獲、跟蹤、解算將高度融合；增進(jìn)其他系統(tǒng)的融合導(dǎo)航，包含通信網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、天文導(dǎo)航等定時(shí)信息的融合，多授時(shí)定位手段為導(dǎo)航終端提供時(shí)空基準(zhǔn)能力。同時(shí)在處理方式上，將空域、時(shí)域、頻域、碼域、極化域融合，全面提升其抗多源、寬帶、突發(fā)和欺騙等干擾方式的能力。

2.3智能化提升衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾能力

隨著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)導(dǎo)航接收終端將進(jìn)化為導(dǎo)航智能體，利用智能對(duì)消技術(shù)，增加導(dǎo)航接收抗噪聲和有意干擾的能力；采用智能選擇技術(shù)，為多星座、多體制、多角度、多時(shí)延等提供真實(shí)、可信的可用衛(wèi)星數(shù)；采用智能決策技術(shù)，通過(guò)對(duì)各種干擾調(diào)制樣式、帶寬、功率等參數(shù)的訓(xùn)練和對(duì)抗，建立干擾博弈數(shù)據(jù)庫(kù)，增加導(dǎo)航接收終端對(duì)各種干擾的自適應(yīng)反制能力。

2.4硬件新技術(shù)提升衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾能力

在硬件設(shè)計(jì)上，通過(guò)高精度時(shí)鐘（如量子時(shí)鐘）縮短衛(wèi)星捕獲窗口，減少衛(wèi)星的首次定位時(shí)間、重捕時(shí)間；利用多通道集成相關(guān)技術(shù)，增加信號(hào)的捕獲和跟蹤能力；利用高性能計(jì)算技術(shù)，縮短導(dǎo)航解算和定位時(shí)間。

3結(jié)束語(yǔ)

本文分析了自適應(yīng)處理、多調(diào)制信號(hào)、多模復(fù)合、組合導(dǎo)航、抗欺騙等典型衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)，并提出抗干擾技術(shù)朝著體系抗干擾、多域融合和智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)，為導(dǎo)航抗干擾接收終端的設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試和驗(yàn)證提供技術(shù)參考。

作者:朱明峰 秦昕 游敬云 單位:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所 火箭軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室