卫星导航抗干扰技术及发展趋势探析

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摘要：首先阐述了卫星导航系统的重要性和广泛用途，接着分析了卫星导航抗干扰的必要性，研究了目前卫星导航定位终端采用的自适应处理、调制新体制、多模复合和组合导航、反欺骗等典型的抗干扰技术，最后提出了卫星导航抗干扰向体系化、多域融合、导航智能体方向发展的趋势，为新型全球导航卫星系统（GNSS）的设计、研制和验证提供技术支撑。

关键词：卫星导航；抗干扰；多域融合；导航智能体；发展趋势

0引言

全球导航卫星系统具有范围广、全天候、全天时的精确授时、精密测量和精准导航能力，并可通过空间卫星及定位终端的多普勒变化，为各种动态导航定位终端提供速度及其速度变化率等动态参数，满足空中、地面、水面运动目标的航迹规划、航向纠偏、姿态校准等技术需求，因此，卫星导航定位系统已渗透到智慧交通和运输、自动化工农业、物联网和通信电力网、银行和金融交易网等多个民用基础设施，并已形成庞大的卫星导航产业链；同时GNSS接收终端已大量安装在各种武器、载体平台、通信系统、指挥控制系统等军用设备，成为获取战争胜利的倍增器，并将作为未来全维作战优势、全球精确打击和机动能力、精确信息获取和快捷的战场支援的基础设施[1]。目前在轨运行的卫星导航系统主要有“四大两小”卫星导航系统，即美国的“全球定位系统”（GPS）、俄罗斯的“格洛纳斯”（GLONASS）卫星导航系统、中国的“北斗”（BDS）卫星导航系统、欧洲的“伽利略”（Galileo）卫星导航系统等四个全球导航卫星系统，以及印度的区域导航卫星系统(IRNSS)和日本的“准天顶”(QZSS)卫星导航系统等两个区域卫星导航系统。随着卫星导航系统的地位越来越重要，对卫星导航进行对抗引起了多国的广泛关注，干扰样式、平台、策略、效能等诸方面都被深入分析[1-3]，美国提出了导航战和授时战[4]，同时多国都研制了多款导航干扰机，因此提高卫星导航抗干扰技术，增强其抗有意和无意干扰的能力，成为导航接收终端设计、研制的重点和难点。

1卫星导航抗干扰方式

目前，卫星导航抗干扰技术主要体现在导航接收终端，通过自适应处理、采用新的调制方式、多模复合、组合导航等抗干扰手段，提升其对抗复杂电磁环境和人为有意干扰的能力。

1.1自适应信号处理技术[5]

典型的导航自适应信号处理技术为自适应调零天线，其本质上是一种空域滤波器，是阵列天线技术与自适应信号处理技术相结合产生的一种抗干扰技术，基本原理是：根据外界信号的来波方向与功率大小，通过自适应信号处理技术自动调整阵列天线方向图的零点深度与零点方向，达到抑制干扰的目的，如图1所示。由于导航信号淹没在噪声以下，噪声基底可作为自适应调零天线功率最小化的阈值，而不影响导航信号的接收品质，所以自适应调零天线与导航接收机的“绝配”，极大提升其抗干扰能力。自适应调零天线将来自不同阵元的信号进行加权处理，从而在天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点，以减低干扰机的效能。可抵消的干扰源数量等于天线阵元数n减1。另外，为进一步提高空域调零天线的性能，达到提高综合抗干扰能力的目的，采用“空时自适应抗干扰阵列天线”、“空域多波束抗干扰天线”，达到既增强了有用信号又抑制了干扰信号的双重目的。对于空时自适应处理阵列理论，设该阵列单元总数为N，每个阵元设定的时域滤波器的阶数为M，则该阵列天线自由度为(N-1)M，即能对抗的干扰源的最大数量为（N-1）M。自适应调零天线技术已广泛应用于作战飞机、精确制导弹药、C4ISR等武器平台，可使导航定位终端抗干扰能力大幅提高。美军典型的自适应调零天线产品应用包括JDAM精确制导弹药采用4阵元自适应调零天线、“战斧”巡航导弹采用5阵元自适应调零天线、F⁃16战斗机采用7阵元自适应调零天线、F⁃22战斗机采用更为先进的7阵元空时自适应处理天线等。根据相关资料分析，可知自适应调零天线可使导航定位终端的抗干扰能力提升30~50dB。

1.2调制新体制

GNSS普遍采用直接序列扩频（DS）技术，由数据信号叠加高频伪随机码（PRN）扩展信号调制载波，扩频信号占据着比传输的数据率更宽的带宽，这种带宽的冗余可以抑制干扰信号的副作用，并减少传输信号的功率峰值，使其有效地隐藏于噪声背景下，增加了信号的隐蔽性和抗截获性。新一代导航信号大量采用BOC(BinaryOffsetCarrier)、CBOC(CompositeBina⁃ryOffsetCarrier)和TMBOC(Time⁃MultiplexedBinaryOffsetCarrier)等调制方式，一方面可增加信号测量精度和抗多径的能力，另一方面可实现军民信号频谱分离，具备在特殊状态下，干扰民用信号、对军用接收终端的影响较少的能力。同时，BOC具备上下2个边带，可以调制不同的信息，增加了导航信息传递的可靠性。另外，采用导频信号，不调制导航电文，可以进行长时间积分，有利于捕获相关峰。图2给出了PLL抖动误差与输入C/N0的关系，通过仿真发现采用导频信号的长时间积分，减少PLL热噪声抖动，可以降低跟踪门限的C/N0值，达到抗干扰的目的。

1.3多模复合技术

随着“四大两小”卫星导航系统的发展和完善，现有卫星导航定位终端逐渐由传统的GPS系统接收定位向多系统联合的多模复合接收定位发展，可用频点由GPS系统的L1/L2向GLONASS的G1/G2、GALI⁃LEO的E1/E5/E6等扩展，信号带宽由GPS系统扩展至整个卫星导航信号频段(1160~1615MHz)和S频段，如表1所示。相对单模接收终端，多模复合导航接收终端的可用卫星数量显著增多，其定位精度、完好性和连续性等指标均得到改善；当一个导航系统遭到破坏时，可以采用其它导航系统，同时，各种导航系统采用不同的技术体制，如GPS、Galileo和BDS采用CDMA，而GLONASS采用TDMA，并且信号带宽、频点不尽相同，提高了导航终端对卫星的可信利用和抗干扰能力。

1.4多组合抗干扰技术

卫星导航可与惯性导航（INS）、雷达高度表、地形匹配、光电制导等组合，形成复合制导方式，可大大提升导航定位终端的抗干扰性能。目前，组合比较普遍的是GNSS/INS。绝大多数的远程精确打击武器及攻击弹药、作战武器平台都采用了GNSS/INS组合导航定位技术，利用GNSS定位信息对INS进行辅助，降低INS误差随时间的积累，大大提高了导航精度。同时，INS也可对GNSS导航定位终端进行辅助，解决了GNSS导航定位终端的高动态应用问题，并提高了其抗干扰能力。组合导航设备利用卫星导航长期高精度的优势和惯导短时高精度抗干扰的优势，构成互补。技术体制上，组合导航分为松组合、紧组合与超紧组合。松组合利用GPS与惯导各自输出的定位解算结果进行融合定位；紧组合融合GPS与惯导的伪距与伪距率进行综合定位；超紧组合使用融合后的定位结果对GPS的信号捕获与跟踪进行辅助，提高导航设备的动态性能。

1.5反欺骗干扰技术[6]

通过基于载噪比C/N0的检测技术来实施。大部分GPS接收终端将载噪比C/N0作为衡量所接收到的信号质量的一个参数。因为接收到的信号噪声功率基本恒定，而信号功率通常也是恒定的，受到遮挡、路径损耗增大的情况下接收到的信号功率会变小，所以可以检测信噪比值，如果超出正常信号载噪比值，则很可能为欺骗信号。同时因为卫星与接收终端之间的距离较大，在开阔地的情况下，卫星的移动和电离层的变化会引起接收信号功率的一个平缓的变化，所以，当接收终端接收到的载噪比发生一个突然增加的变化且载噪比增加值超出正常值范围时，就说明接收终端接收到了一个更高功率的欺骗信号。接收终端可以连续地监测信号载噪比的状态，并找到所有出现的信号载噪比不寻常的突变。通常欺骗干扰机采用单一信号发射天线，这样所有信号都从一个方向到达接收终端，欺骗信号入射角度与真实信号存在差异，所以可以采用双天线或多天线的结构，配合信号处理部分进行欺骗信号检测。

2卫星导航抗干扰技术发展趋势

卫星导航接收终端的核心是抗干扰和定位授时高精度，而抗干扰是高精度的保障，因此GNSS优先要做的事情是“除了抗干扰，还是抗干扰和抗干扰”。

2.1从系统角度全面提升卫星导航抗干扰能力

未来的导航系统将站在系统的角度，从空间段、地面段和用户段全面提升其抗干扰能力。在空间段，对导航卫星采用“增功率、点波束、加星链”等方式提升其抗干扰能力。低功耗、小型化等器件的发展，为导航卫星发射功率提升提供了技术基础，据报道，GPSIII的功率相对于GPSII提升4dB以上；利用高增益点波束天线，能对选定地区集中更高的功率，可提高信号强度，GPSIII的点波束可提升20dB抗干扰能力；采用高频段星间链路，增加了可视卫星数目，可使用户的精度、连续性和完善性更好，宽带星间链路组成一个空间网络，提供对所有卫星的持续连通能力。持续连通能力使得实现“连通一颗即连通整网”的运行概念成为可能，实现对星座的实时、连续和动态监视，保障导航信息的实时性和有效性。GPSⅢ运行结构图如图3所示。“北斗”卫星采用Ka频段星间链路进行星间测距、自主导航和星间通信，提升了抗攻击的能力。在控制段，将监测、注入站移到本土加强其抗干扰能力。美国将在GPSⅢ阶段改变上行注入策略，取消海外注入站，将全球布站收缩为本地布站，仅利用本土注入站在星地之间建立高速上行通道，借助星间链路向全星座分发导航电文等数据，仅需一副注入天线就可实现“一点通，全网通”，同样可实现全星座、全弧度、全时段注入。GLONASS利用量子⁃光学站（激光站）、场控制设备等增加控制段的抗干扰能力。随着小型化、低功耗器件的飞速发展，量子计算、智能计算的跨越式进步，在接收终端的抗干扰新技术将会更加层出不穷。

2.2多域融合提升其抗干扰能力

GNSS本身就存在多个冗余，从空间上，仅可见4颗导航卫星既可实现定位，而现在GPS、GLONASS和BDS在中低纬度一般可见7颗以上卫星，在某些时间段可见十几颗卫星。从频点上，每个卫星导航系统都存在多个频点，除了消除电离层、对流层误差外，还可以作为频域备份，仅对一个频点的干扰不能从本质上影响定位结果。GNSS为了进一步提升其抗干扰能力，将会加强多域融合抗干扰能力。具体体现在：进一步加强导航系统间融合，未来将把GNSS的每颗卫星同等看待进行几何精度因子（GDOP）最大化选取，卫星信号捕获、跟踪、解算将高度融合；增进其他系统的融合导航，包含通信网、移动网、天文导航等定时信息的融合，多授时定位手段为导航终端提供时空基准能力。同时在处理方式上，将空域、时域、频域、码域、极化域融合，全面提升其抗多源、宽带、突发和欺骗等干扰方式的能力。

2.3智能化提升卫星导航抗干扰能力

随着集成化、智能化和网络化技术的发展，未来导航接收终端将进化为导航智能体，利用智能对消技术，增加导航接收抗噪声和有意干扰的能力；采用智能选择技术，为多星座、多体制、多角度、多时延等提供真实、可信的可用卫星数；采用智能决策技术，通过对各种干扰调制样式、带宽、功率等参数的训练和对抗，建立干扰博弈数据库，增加导航接收终端对各种干扰的自适应反制能力。

2.4硬件新技术提升卫星导航抗干扰能力

在硬件设计上，通过高精度时钟（如量子时钟）缩短卫星捕获窗口，减少卫星的首次定位时间、重捕时间；利用多通道集成相关技术，增加信号的捕获和跟踪能力；利用高性能计算技术，缩短导航解算和定位时间。

3结束语

本文分析了自适应处理、多调制信号、多模复合、组合导航、抗欺骗等典型卫星导航抗干扰技术，并提出抗干扰技术朝着体系抗干扰、多域融合和智能化方向发展的趋势，为导航抗干扰接收终端的设计、研制、测试和验证提供技术参考。

作者:朱明峰 秦昕 游敬云 单位:中国电子科技集团公司第三十六研究所 火箭军装备部驻上海地区军事代表室