導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁干擾途徑和抗干擾的方法介紹

1.引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于具有覆蓋范圍廣、傳輸質(zhì)量好、部署迅速、組網(wǎng)方便、通信系統(tǒng)投資幾乎與通信距離無關(guān)、通信可到達(dá)地點(diǎn)幾乎不受地理環(huán)境條件限制等特點(diǎn)，在軍事和民用上都具有特別重要的實(shí)用價(jià)值。但衛(wèi)星導(dǎo)航通信受自身特點(diǎn)的限制和環(huán)境的影響，不可避免地存在各種干擾，尤其是其開放式的系統(tǒng)，使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，更容易受到一些不可預(yù)見的惡意干擾。未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面對越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境如何抗干擾，提高系統(tǒng)自身的抗干擾能力和抗摧毀性，這個(gè)問題值得我們認(rèn)真思考和研究。

2. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾途徑

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾平臺包括地基、空基和天基干擾平臺。地基干擾平臺的特點(diǎn)是目標(biāo)尋找較容易、成本低、對衛(wèi)星干擾時(shí)高頻段干擾受限；空基干擾平臺的特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性好、尋找容易、對衛(wèi)星干擾時(shí)高頻段干擾也受限；天基干擾平臺的特點(diǎn)是可通過備份衛(wèi)星對主用衛(wèi)星進(jìn)行干擾、機(jī)動(dòng)性差、成本高、對地面系統(tǒng)干擾時(shí)高頻段受限。

從干擾的目標(biāo)對象來說，干擾有以下幾種：

（1）對遙測遙控信號的干擾

采用較大功率的干擾設(shè)備，對衛(wèi)星的遙測遙控信號進(jìn)行干擾，從而破壞衛(wèi)星正常遙測遙控信號的傳輸（上、下行）。此外，還可干擾導(dǎo)航信號、數(shù)傳信號以及通信轉(zhuǎn)發(fā)信號。

（2）對透明式轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾

只要干擾信號的功率足夠大（大于其工作門限）就可以將透明式轉(zhuǎn)發(fā)器推入飽和，使信噪比嚴(yán)重下降，從而破壞衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作。

（3）對硬限幅式轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾

如果衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了硬限幅式轉(zhuǎn)發(fā)器，則大信號對小信號有抑制作用，且存在互調(diào)，特別是在系統(tǒng)中尤為重要。利用這一特點(diǎn)，采用大幅度的干擾信號就可以使正常信號嚴(yán)重失真從而無法接收。

（4）對猝發(fā)信號的干擾

指干擾對系統(tǒng)正常信號的快速截獲與及時(shí)干擾。

3.抗干擾技術(shù)

目前，針對衛(wèi)星導(dǎo)航下行信號的抗干擾方法主要有以下三種：

（1）基于時(shí)頻（時(shí)域、頻域或時(shí)頻結(jié)合）信號處理的抗干擾方法，通常稱為時(shí)域抗干擾方法；

（2）基于空域信號處理的抗干擾方法，又稱為自適應(yīng)天線或智能天線抗干擾方法；

（3）基于空時(shí)信號處理的抗干擾方法，即將空域和時(shí)域抗干擾方法組合起來；

（4）GPS/INS組合導(dǎo)航抗干擾方法。

3.1 時(shí)域抗干擾方法

時(shí)域抗干擾方法中采用的干擾抑制算法主要有時(shí)域干擾抑制算法和變換域干擾抑制算法兩種。時(shí)域干擾抑制算法通常采用自適應(yīng)濾波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，自適應(yīng)濾波技術(shù)在均方誤差最小（MMSE）意義下估計(jì)出干擾信號并從輸入信號中對消掉，可有效抑制相對帶寬小于5%的干擾信號。時(shí)域抗干擾方法原理如圖1所示。

在變換域干擾抑制算法中，較常用的是頻域干擾抑制算法。利用DFT或FFT算法變換到頻域上，再利用信號與干擾頻譜特性的差異，將干擾信號譜成分從接收信號譜中剔除。這個(gè)過程中一般采用的是頻域加權(quán)矢量法，根據(jù)輸入信號的功率譜密度確定干擾頻帶所在的位置，并對被干擾的信號頻譜進(jìn)行加權(quán)處理，抑制掉干擾頻譜。在頻域干擾抑制算法中，為了減少數(shù)據(jù)截?cái)嗨鸬念l譜泄漏，需采用旁瓣電平較小的數(shù)據(jù)窗來減小頻譜泄漏。但是，數(shù)據(jù)加窗又將會(huì)使信號產(chǎn)生失真，引起信噪比的下降。

從干擾抑制能力上看，頻域干擾抑制技術(shù)可以抑制信號帶寬（一般認(rèn)為相對帶寬小于10%）大于自適應(yīng)濾波干擾抑制技術(shù)可抑制的帶寬，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性大于自適應(yīng)濾波干擾抑制技術(shù)。

另外，時(shí)域干擾抑制算法會(huì)引入額外的算法時(shí)延，這種時(shí)延將作為導(dǎo)航信號的傳輸時(shí)延。對于無源定位體制而言，干擾抑制算法時(shí)延可視為用戶接收機(jī)鐘差的一部分，通過偽距觀測和定位解算可以計(jì)算出用戶機(jī)鐘差，并得到精確的用戶位置，也就是說這個(gè)時(shí)延不會(huì)影響用戶的定位精度。相反，頻域干擾抑制技術(shù)通常在頻域上對信號進(jìn)行實(shí)數(shù)處理，對應(yīng)到時(shí)域上是相當(dāng)于利用系數(shù)關(guān)于中心抽頭共軛對稱的復(fù)系數(shù)濾波器對信號處理，可以保證濾波器的線性相位特性，很容易消除算法時(shí)延的影響。

雖然頻域干擾抑制算法比較容易消除算法時(shí)延的影響，但由于干擾抑制的同時(shí)改變了輸入偽碼信號特性，使得接收機(jī)偽碼信號與本地偽碼信號特性不一致，從而使得接收信號失配，導(dǎo)致相關(guān)峰畸變。

3.2 空域抗干擾方法

空域抗干擾方法即智能天線抗干擾方法，常見的有自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)和多波束天線兩種。

適應(yīng)調(diào)零技術(shù)的原理即采用多點(diǎn)布設(shè)干擾站的方法，當(dāng)干擾站數(shù)量大于調(diào)零天線的調(diào)零個(gè)數(shù)或波束數(shù)量，并分布在波束內(nèi)時(shí)，干擾就會(huì)奏效。另外，若采用多個(gè)干擾站相互配合實(shí)施間斷閃爍干擾，使其無法形成指向干擾的天線方向圖，從而起到破壞這種抗干擾方法的作用，實(shí)施有效干擾。目前比較成熟和應(yīng)用廣泛的抗寬帶干擾技術(shù)是基于自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)，如美國雷聲公司研制的抗干擾GPS接收機(jī)，它采用了5個(gè)陣元的自適應(yīng)調(diào)零天線，用于下一代的“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈BlockIV.而抗窄帶或單頻干擾的方法主要有空時(shí)聯(lián)合或頻域?yàn)V波，這種方法可以抑制多種干擾，它可以在不增加陣元的前提下，大大增加陣的自由度，在陣的設(shè)計(jì)上，也為最優(yōu)準(zhǔn)則的選取提供了更大的余地。然而，空時(shí)處理在提高抗干擾能力的同時(shí)也會(huì)使計(jì)算量顯著增加。

多波束天線即用波束形成網(wǎng)絡(luò)向陣列單元激勵(lì)所需的信號振幅和相位，產(chǎn)生多個(gè)銳波束，然后通過波束的疊加來產(chǎn)生特定形狀的成形波束覆蓋特定區(qū)域，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。而且，多波束天線可以實(shí)現(xiàn)一對多的通信，地面控制系統(tǒng)可采用多波束天線實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星星歷的同時(shí)注入。

自適應(yīng)調(diào)零天線利用敵我雙方信號在振幅、頻率和空間方位的不同，通過對天線各陣元進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理，自動(dòng)控制和優(yōu)化天線陣的方向圖，在干擾源方向上產(chǎn)生深度調(diào)零，使信號收到的干擾最少，調(diào)零深度一般可以達(dá)到25dB~30dB.它能有效抑制寬帶干擾、窄帶干擾、同頻干擾和鄰道干擾等不同形式的干擾。

3.3 空時(shí)自適應(yīng)抗干擾方法

空時(shí)自適應(yīng)算法經(jīng)歷了4個(gè)階段的演變：第一階段（上世紀(jì)50年代中期到60年代末期），是基于梯度算法的空間一維處理；第二階段（70年代初期到70年代中期），在多天線陣元上采用時(shí)間快拍，真正實(shí)現(xiàn)了空時(shí)二維自適應(yīng)處理，可處理寬帶信號，但算法仍基于梯度算法；第三階段（70年代中期到80年代中期），采用采樣矩陣求逆的算法，可達(dá)到更快的收斂速度；第四階段（80年段中期至9 0年代中期），針對大維數(shù)系統(tǒng)，重點(diǎn)在于降低處理自由度（DOF），即降維處理，可同時(shí)降低運(yùn)算量及提高收斂速度。其中最具有代表性的方法有Tufts等提出的主成分法，Goldstein和Reed提出的互譜度量法和多級維納濾波。近年來提出的波束控制盒波束成形除了在干擾來向形成深陷以外，還在衛(wèi)星信號方向形成高增益波束，在抑制干擾的同時(shí)增強(qiáng)衛(wèi)星信號，可顯著提高抗干擾能力。

空時(shí)抗干擾方法采用陣列天線（均勻圓陣或均勻線陣），利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號的特征完成干擾抵消，同時(shí)盡量保證信號的不失真?？諘r(shí)處理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

設(shè)系統(tǒng)空時(shí)維數(shù)M ? P,每個(gè)時(shí)間延遲單元的時(shí)間延遲為T ,W 為空時(shí)權(quán)矢量。聯(lián)合空時(shí)處理的輸入向量 X = S + n （ S 為信號， n 為噪聲）。

在平穩(wěn)條件下，聯(lián)合空時(shí)處理的標(biāo)量輸出為：

基于同一時(shí)間延遲節(jié)點(diǎn)，各陣元共同起到的作用相當(dāng)于空域的自適應(yīng)濾波，可以分辨空間干擾源，形成空域零陷抑制空域干擾?；谕惶炀€陣元，各級時(shí)延相當(dāng)于時(shí)域FIR濾波，根據(jù)自適應(yīng)濾波原理，在時(shí)域進(jìn)行干擾抵消?？諘r(shí)聯(lián)合處理能夠在空域或頻域的二維平面上抑制干擾?？梢越频卣J(rèn)為聯(lián)合空時(shí)處理是把空域?yàn)V波推廣到了空時(shí)域，或把時(shí)域?yàn)V波推廣到了空時(shí)二維濾波。

空時(shí)自適應(yīng)抗干擾技術(shù)雖然在理論上有了一定的進(jìn)展，但也存在許多不足的方面，未來我們研究的方向主要是一方面對空時(shí)處理抗干擾算法的研究，主要是尋找更好的降維算法或者在原有的降維算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，目的是為了使減少運(yùn)算量和實(shí)時(shí)性同步的實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)算法的同時(shí)也要把握好降維性能和干擾抑制性能之間的平衡，使其在通過降維方法減少運(yùn)算量的同時(shí)，盡量減小其對抑制干擾能力所造成的影響。另一方面是提高工業(yè)技術(shù)，使其做出能夠?qū)崟r(shí)處理大量運(yùn)算的處理器，來達(dá)到運(yùn)用空時(shí)處理技術(shù)實(shí)時(shí)的抑制多個(gè)干擾的目的。

3.4 GPS/INS組合導(dǎo)航

GPS/INS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)是GPS系統(tǒng)和慣性系統(tǒng)組合，是將陀螺、磁力計(jì)、加速度計(jì)和GPS等有機(jī)組合以提供更加豐富精確的導(dǎo)航信息。該系統(tǒng)一方面能夠突破單一設(shè)備的使用限制，另一方面使之同時(shí)具備三維定位、三維測速和姿態(tài)、方位測量能力，并且具備較強(qiáng)的抗干擾能力，從而成為能夠提供全面信息的低成本導(dǎo)航方法。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)用于武器系統(tǒng)的定位導(dǎo)航，能充分發(fā)揮兩者各自優(yōu)勢取長補(bǔ)短，利用GPS的長期穩(wěn)定性和適中精度，來彌補(bǔ)INS的誤差隨時(shí)間傳播或增大的缺點(diǎn)，利用INS的短期高精度來彌補(bǔ)GPS接收機(jī)受干擾時(shí)誤差增大或遮擋時(shí)丟失信號等缺點(diǎn)，并借助慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)信息和角速度信息，提高GPS接收機(jī)天線的定向操縱性能，使之快速捕獲或重新捕獲GPS衛(wèi)星信號，同時(shí)借助GPS連續(xù)提供的高精度位置信息和速度信息，估計(jì)并校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差，速度誤差和系統(tǒng)其它誤差參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對其空中傳遞對準(zhǔn)和標(biāo)定，從而可放寬對其精度提出的要求，使得整個(gè)組合制導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化，具有很高的效費(fèi)比。

4.結(jié)束語

通過上述分析得知已有的抗干擾方法各有其技術(shù)優(yōu)勢和缺陷，如何有效地將各種抗干擾措施結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)越性，同時(shí)降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，做到多功能、小型化是今后面臨的關(guān)鍵問題。20世紀(jì)90年代以來，各國都非常重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的研究與應(yīng)用，我國的抗干擾技術(shù)雖然起步較晚，但也已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。