張 浩,靳一恒,呂婷婷

(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有全球全天候覆蓋、實(shí)時(shí)性處理以及高精度測(cè)算的特點(diǎn),能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的位置、速度進(jìn)行測(cè)定和精確授時(shí),在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。目前世界上現(xiàn)有及在建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS),俄羅斯的“格洛納斯”系統(tǒng)(GLONASS),歐共體正在建造的“伽利略”系統(tǒng)(GALILEO)以及我國(guó)建立的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)(COMPASS)。

隨著無線電技術(shù)的發(fā)展,自由空間中存在著密集的電磁波,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所處的工作環(huán)境日益復(fù)雜和多變,要想保證系統(tǒng)的正常工作,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必須具有足夠的抗干擾能力。雖然各個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在系統(tǒng)配置、定位機(jī)理、工作頻段、信號(hào)和星歷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面的差異,但一些主流的抗干擾技術(shù)在各個(gè)系統(tǒng)中普遍適用。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)發(fā)展至今,針對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成模塊和不同干擾類型已經(jīng)有了豐富的研究成果,但還存在一些技術(shù)和問題需要完善和解決。本文對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)常用抗干擾技術(shù)的原理、研究現(xiàn)狀、難點(diǎn)問題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行介紹,研究結(jié)果可為發(fā)展我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供參考。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性與干擾類型

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一個(gè)很大的弱點(diǎn)在于它的脆弱性。衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)的衰減嚴(yán)重,低功率的電磁信號(hào)也能對(duì)其造成干擾;信號(hào)抗干擾裕度不大,碼元、載波在信干比較低時(shí)很容易丟失;導(dǎo)航信號(hào)頻率、調(diào)制特性公開,數(shù)據(jù)傳輸格式固定,容易實(shí)現(xiàn)針對(duì)接收機(jī)的欺騙式干擾或特定頻率的信號(hào)壓制,以上這些弱點(diǎn)都會(huì)使接收機(jī)在干擾環(huán)境下無法正常工作甚至完全失去定位功能。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到的干擾主要有射頻干擾和環(huán)境干擾兩大類。

射頻干擾是指衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作環(huán)境中由電磁波造成的干擾,可以分為無意干擾與人為干擾。無意干擾是指系統(tǒng)受到的非針對(duì)性的干擾,主要包括同一導(dǎo)航系統(tǒng)中來自不同衛(wèi)星信號(hào)的相互干擾、不同系統(tǒng)之間的相互干擾、其他發(fā)射系統(tǒng)的頻率諧波或者非線性引起的互調(diào)產(chǎn)物落在接收機(jī)帶內(nèi)造成的干擾、強(qiáng)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高功率信號(hào)及其諧波導(dǎo)致的衛(wèi)星信號(hào)堵塞[1]。人為干擾是指干擾方采用技術(shù)手段,針對(duì)特定區(qū)域、設(shè)備或通信頻段進(jìn)行的干擾,其目的是使接收方無法使用或錯(cuò)誤地使用導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的信息,包括壓制式干擾和欺騙式干擾。另外,射頻干擾也可以根據(jù)干擾信號(hào)的頻譜特性分為窄帶干擾和寬帶干擾。表1示出了常見的射頻干擾類型和典型的干擾源[2]。

表1 射頻干擾類型和典型的干擾源

環(huán)境干擾包括多徑效應(yīng)、遮蔽、地形遮攔和其他由自然環(huán)境造成的干擾。其中,抗多徑干擾是信號(hào)接收需要重點(diǎn)考慮的部分。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)來自不同的多徑信道,在距離、時(shí)間和速度方面都會(huì)產(chǎn)生誤差,其影響表現(xiàn)在信號(hào)上為多徑信號(hào)相對(duì)于直達(dá)衛(wèi)星信號(hào)的延遲以及多徑信號(hào)的功率和相對(duì)載波的相位,在接收機(jī)性能上表現(xiàn)為對(duì)碼信號(hào)和載波跟蹤精度的影響。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

2.1 抗干擾技術(shù)介紹

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)主要分為三類:星上抗干擾、接收機(jī)抗干擾、輔助抗干擾。

星上抗干擾是通過對(duì)衛(wèi)星的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的,主要方法有提高信號(hào)發(fā)射功率、改善碼結(jié)構(gòu)以及在衛(wèi)星上使用新的抗干擾技術(shù)。美國(guó)為提高GPS的抗干擾能力,計(jì)劃在2015年發(fā)射第三代GPS衛(wèi)星,GPSⅢ比現(xiàn)有GPS星座的發(fā)射功率提高500倍,且新增了比Y碼具有更強(qiáng)抗干擾能力的軍用M碼。雖然改進(jìn)衛(wèi)星星座或信號(hào)結(jié)構(gòu)的方法可以改善源頭上的問題,但是這種方法開支巨大,方案的實(shí)施也需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

輔助抗干擾針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在的不足,利用其他導(dǎo)航設(shè)備輔助,有效提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和抗干擾能力,主要方法有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合技術(shù)以及偽衛(wèi)星輔助技術(shù)。組合導(dǎo)航技術(shù)可以有效解決短時(shí)間的衛(wèi)星信號(hào)故障和干擾,對(duì)寬帶噪聲干擾、掃頻干擾、音頻干擾、脈沖干擾等都具有很好的抑制作用,為高動(dòng)態(tài)接收技術(shù)提供了較理想的解決方案。偽衛(wèi)星技術(shù)通過在接收機(jī)可視范圍內(nèi)增加可利用的星座數(shù)量提高系統(tǒng)的抗干擾能力,但目前還有許多關(guān)鍵問題需要解決,例如如何降低多徑效應(yīng)的影響、如何設(shè)計(jì)偽衛(wèi)星的位置及數(shù)量以獲得最佳的幾何分布、在系統(tǒng)軟件方面需要應(yīng)用新的大氣修正模型等。

以上兩類抗干擾技術(shù)成本高、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,目前研究和應(yīng)用最廣泛的是針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾技術(shù)。如圖1所示,接收機(jī)結(jié)構(gòu)可以劃分為天線、射頻前端、基帶處理、定位導(dǎo)航運(yùn)算四個(gè)模塊,根據(jù)干擾信號(hào)的類型及干擾原理,可以從接收機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn),提出相應(yīng)的抗干擾措施。在接收機(jī)四個(gè)結(jié)構(gòu)模塊中,抗干擾技術(shù)主要在天線、射頻前端、基帶處理模塊實(shí)現(xiàn),其中采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)濾波技術(shù)是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

圖1 一種典型的接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 接收機(jī)抗干擾技術(shù)

2.2.1 各結(jié)構(gòu)模塊抗干擾技術(shù)

1)天線

接收機(jī)天線的作用是將衛(wèi)星信號(hào)這種極微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為電流,以進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理,對(duì)天線的主要要求有:無死角地接收來自各個(gè)方向的衛(wèi)星信號(hào),針對(duì)多徑效應(yīng)有防護(hù)和屏蔽措施,天線相位中心保持高度穩(wěn)定、并與其幾何中心盡量一致。天線類型主要有單極或偶極天線、四線螺旋形天線、微波傳輸帶天線、錐形天線,目前四線螺旋形天線和微帶天線應(yīng)用較為廣泛。

就目前來說,接收機(jī)天線多采用天線陣的形式。天線陣列加以特殊類型天線的使用,在抑制寬帶干擾、多徑干擾方面具有很好的效果。扼流圈天線、極化(矢量)天線技術(shù)可以有效消除多徑信號(hào)。文獻(xiàn)[3]研究了簡(jiǎn)化分布式矢量天線技術(shù),利用多徑干擾隨反射角度的不同具有不同的極化狀態(tài)的特點(diǎn),在極化域上實(shí)現(xiàn)了多徑干擾的識(shí)別。

2)射頻前端

射頻前端是接收機(jī)工作的基礎(chǔ),包括從天線到基帶處理間的所有部件,其主要功能是將射頻信號(hào)變換為中頻數(shù)字信號(hào),以適合信號(hào)處理器的工作范圍。在這個(gè)過程中射頻前端應(yīng)具有盡可能抑制其他干擾的能力,同時(shí)提高接收信號(hào)電平至信號(hào)處理器可工作的水平,并能提供一定的信號(hào)變化動(dòng)態(tài)范圍。

① 前端濾波技術(shù)

前端濾波技術(shù)的應(yīng)用包括在天線與前置放大器之間放置具有抑制帶外大功率的帶阻抑制特性和低插入損耗的前置濾波器,以及在每個(gè)本地振蕩器混頻級(jí)前后的逐級(jí)濾波。逐級(jí)濾波使接近末級(jí)中頻的下變頻過程綜合出較窄的濾波器帶寬,不僅能提高接收機(jī)的抗帶外射頻干擾性能,還能降低中頻A/D變換過程的奈奎斯特采樣限制。前端濾波技術(shù)可以有效抵制外界強(qiáng)功率的干擾。

② 射頻干擾檢測(cè)技術(shù)

射頻干擾檢測(cè)技術(shù)可檢測(cè)射頻干擾是否存在并同時(shí)測(cè)量出干擾強(qiáng)度,能有效檢測(cè)連續(xù)波干擾、寬帶脈沖干擾、高斯白噪聲干擾、信號(hào)阻塞和多徑干擾。射頻干擾檢測(cè)是通過干擾/噪聲功率比(J/N)計(jì)量表測(cè)量經(jīng)過接收機(jī)天線和射頻前端的綜合信號(hào)電平實(shí)現(xiàn)的,J/N計(jì)量表位于自動(dòng)增益控制(AGC)區(qū)。因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)大大低于熱噪聲電平,所以只要測(cè)得AGC控制電平提供的J/N值,就能判斷是否有較強(qiáng)的射頻干擾正在控制AGC。

③ 自動(dòng)增益控制技術(shù)

自動(dòng)增益控制技術(shù)主要用于接收機(jī)的中頻級(jí)和射頻級(jí),是一種使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制方法,能使幅度變化大的接收信號(hào)放大為包絡(luò)相對(duì)恒定的信號(hào),具有壓縮動(dòng)態(tài)范圍、抑制脈沖干擾和抗快衰落等作用。

根據(jù)對(duì)輸入信號(hào)幅度變化的響應(yīng)速度,AGC可分為快速(小時(shí)間常數(shù))自動(dòng)增益控制系統(tǒng)(FAGC)和慢速(大時(shí)間常數(shù))自動(dòng)增益控制系統(tǒng)(SAGC)。還有學(xué)者提出DτAGC,這種AGC在脈沖干擾存在與不存在時(shí)分別呈現(xiàn)FAGC和SAGC的特性,抑制干擾的性能更加優(yōu)化。除此之外還有一種干擾反饋AGC(IFAGC),IFAGC不存在干擾濾波后的吉布斯效應(yīng)對(duì)信號(hào)造成的附加損失,比DτAGC的干擾抑制性能更好,對(duì)信號(hào)的損失更小[4]。

3)基帶處理

基帶處理模塊的作用包括搜索、捕獲并跟蹤衛(wèi)星信號(hào),對(duì)電文數(shù)據(jù)解擴(kuò)、解調(diào),以及偽距、載波相位、多普勒頻移的測(cè)量?；鶐幚硇阅艿膬?yōu)劣直接關(guān)系到接收機(jī)定位精度、靈敏度指標(biāo)。在此模塊中,碼環(huán)/載波環(huán)跟蹤技術(shù)的改進(jìn)和相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用是提高接收機(jī)抗干擾性能主要手段。碼環(huán)/載波環(huán)跟蹤技術(shù)通過改進(jìn)接收機(jī)的載噪比門限,或者采用自適應(yīng)跟蹤環(huán)路實(shí)現(xiàn)環(huán)路帶寬的自動(dòng)調(diào)節(jié),來提高接收機(jī)的抗干擾性能和動(dòng)態(tài)跟蹤能力,該技術(shù)對(duì)增強(qiáng)接收機(jī)抗寬帶性能具有好的效果,而且對(duì)多徑干擾的抑制具有輔助作用。

針對(duì)多徑效應(yīng),一種最基本的抑制技術(shù)為窄距相關(guān)器,雖然相關(guān)器間距的縮短減小了碼相位的測(cè)量誤差,但同時(shí)造成了碼環(huán)動(dòng)態(tài)性能的降低,而且窄相關(guān)器僅對(duì)減小碼環(huán)測(cè)量誤差有效,無助于載波環(huán)的多徑抑制性能。有學(xué)者提出一種多徑信號(hào)的極大似然估計(jì)方法以減小碼相位和載波相位誤差,被稱為多路徑估計(jì)延時(shí)鎖定環(huán)(MEDLL)[5],該方法能有效地減小碼相位和載波相位測(cè)量值的多徑誤差,消除窄相關(guān)接收機(jī)中90%的多徑效應(yīng)。

2.2.2 自適應(yīng)濾波技術(shù)

除以上抗干擾技術(shù)外,實(shí)現(xiàn)接收機(jī)抗干擾最有效、最根本的技術(shù)是濾波技術(shù)。濾波技術(shù)主要借助數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理,可在前端處理部分以及基帶跟蹤環(huán)路前進(jìn)行,自適應(yīng)濾波處理可在時(shí)域、頻域、空域以及各聯(lián)合域?qū)崿F(xiàn),可抑制窄帶干擾、寬帶干擾和多徑干擾。

1)時(shí)域?yàn)V波技術(shù)

時(shí)域?yàn)V波技術(shù)可以用于消除多個(gè)窄帶噪聲干擾和連續(xù)波干擾,另外還能用于多徑干擾和回波消除問題,但對(duì)寬帶干擾作用不大。時(shí)域?yàn)V波在時(shí)域內(nèi)利用信號(hào)特征濾除干擾,借助DSP提供可編程濾波器和相關(guān)器,可以配置于接收機(jī)前端處理部分,或作為一個(gè)單一的部分置于接收機(jī)之前。

時(shí)域?yàn)V波技術(shù)效果最明顯的是對(duì)窄帶干擾的抑制,典型應(yīng)用為自適應(yīng)時(shí)域預(yù)測(cè)技術(shù)。在時(shí)域預(yù)測(cè)技術(shù)計(jì)算過程中,可以采取線性濾波器或非線性濾波器來預(yù)測(cè)窄帶干擾信號(hào),按照實(shí)際條件選擇某種最優(yōu)準(zhǔn)則(LMS準(zhǔn)則、MMSE準(zhǔn)則、RLS準(zhǔn)則、LS準(zhǔn)則)來追蹤干擾。常用的線性濾波器有FIR濾波器、IIR濾波器和插值濾波器,常用的非線性模型是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多項(xiàng)式濾波器。從工程實(shí)現(xiàn)角度看,對(duì)窄帶干擾濾波的效果最好的預(yù)測(cè)濾波器是非線性的[6]。

2)頻域?yàn)V波技術(shù)

頻域?yàn)V波適用于窄帶干擾、連續(xù)波干擾及較強(qiáng)的帶外干擾,但對(duì)寬帶噪音干擾及多個(gè)掃頻瞄準(zhǔn)式噪聲干擾無效。頻域?yàn)V波首先通過快速傅里葉變換將接收信號(hào)由時(shí)域變換為頻域,通過陷波位置的調(diào)整將干擾對(duì)應(yīng)的頻譜置零或衰減,處理后的頻域分量再反變換到時(shí)域完成干擾的濾除。頻域?yàn)V波可以在接收機(jī)的射頻或中頻進(jìn)行,或者附加在用戶的接收機(jī)和天線之間。由于變換處理的復(fù)雜性,頻域?yàn)V波會(huì)增加衛(wèi)星信號(hào)的獲取和處理時(shí)間延遲,而且存在頻譜泄露的問題。

3)時(shí)頻域?yàn)V波技術(shù)

時(shí)頻濾波技術(shù)主要應(yīng)用于抑制窄帶干擾或某些類型的寬帶干擾(AM-FM、LFM、脈沖干擾信號(hào)),特別適用于抑制各種時(shí)變非平穩(wěn)干擾。時(shí)頻濾波通過選擇合適的時(shí)頻分析工具,使有用信號(hào)與干擾信號(hào)在變換處理后具有能區(qū)分開來的特性,然后根據(jù)兩者特性的不同來進(jìn)行干擾的濾除。

比較典型的時(shí)頻分析工具有短時(shí)傅立葉變換(STFT)、濾波器組、小波變換和子空間投影技術(shù)。針對(duì)脈沖型的時(shí)變干擾,局部離散余弦變換(LDCT)是一種具有良好效果的時(shí)頻分析方法[7]。另外,時(shí)頻域?yàn)V波技術(shù)還可以與數(shù)據(jù)恢復(fù)算法結(jié)合起來,針對(duì)濾波后具有缺口的數(shù)據(jù),采用恢復(fù)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù),得到接近于未受干擾的原始衛(wèi)星信號(hào)的恢復(fù)數(shù)據(jù)[8]。

4)空域?yàn)V波技術(shù)

空域?yàn)V波技術(shù)是通過自適應(yīng)天線陣來實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理,其輸入?yún)⒘砍盘?hào)的時(shí)頻內(nèi)容外,還涉及距離、方位角、仰角、極化形式等,該技術(shù)對(duì)窄帶干擾、寬帶干擾以及多徑干擾均有抑制作用。空域?yàn)V波相對(duì)于時(shí)域和頻域抗干擾的優(yōu)勢(shì)在于,實(shí)現(xiàn)途徑是抑制干擾方向的接收,與干擾信號(hào)樣式不相關(guān),因此可以實(shí)現(xiàn)寬帶干擾以及多徑干擾的抑制。

自適應(yīng)空域?yàn)V波干擾抑制技術(shù)可以分為兩類:自適應(yīng)零陷形成和自適應(yīng)波束形成。零陷方法根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則自適應(yīng)調(diào)整各陣元的權(quán)值,在干擾來向上形成零陷以抑制干擾,這種方法不需要信號(hào)的先驗(yàn)信息,可以實(shí)現(xiàn)盲抑制,但對(duì)期望信號(hào)無增強(qiáng)作用。波束形成方法在已知干擾方向形成零陷的同時(shí),還能在期望信號(hào)來向形成主瓣以增強(qiáng)期望信號(hào),但需要在濾波前結(jié)合波達(dá)方向估計(jì)(DOA)算法對(duì)期望信號(hào)的來向進(jìn)行估計(jì)?？沼?yàn)V波技術(shù)常用的最優(yōu)化準(zhǔn)則有MSNR準(zhǔn)則、MMSE準(zhǔn)則、LCMV準(zhǔn)則,常用的自適應(yīng)算法有LMS、RLS、ML、QRD-SMI以及MUSIC算法。在選擇自適應(yīng)算法時(shí),要對(duì)算法的復(fù)雜度、收斂速度、權(quán)值更新速度、權(quán)值收斂后的穩(wěn)態(tài)誤差等進(jìn)行綜合考慮。

5)空時(shí)聯(lián)合自適應(yīng)抗干擾技術(shù)

由于空域?yàn)V波技術(shù)存在自由度的限制,空時(shí)聯(lián)合自適應(yīng)處理技術(shù)被提出并發(fā)展起來,空時(shí)聯(lián)合抗干擾同時(shí)利用天線陣和延遲抽頭獲取空時(shí)樣本,在不增加天線陣元的情況下,通過時(shí)間抽頭來增加陣列的自由度與可抑制干擾的數(shù)目?？諘r(shí)自適應(yīng)技術(shù)對(duì)抑制窄帶干擾、寬帶干擾、多徑干擾、相關(guān)干擾都具有好的效果,是當(dāng)前接收機(jī)抗干擾技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

空時(shí)聯(lián)合自適應(yīng)抗干擾技術(shù)涉及的問題和主要研究點(diǎn):

① 運(yùn)算量與降維處理:空時(shí)聯(lián)合在計(jì)算量上的增加是很大的,以降低計(jì)算量為目的的降維處理是目前空時(shí)算法研究的重點(diǎn)之一。在降維處理的研究中,學(xué)者們提出了二維Capon法、局域聯(lián)合處理法、廣義相鄰多波束法、多級(jí)維納濾波法等方法[9],此外,子空間投影技術(shù)能避免大運(yùn)算量的協(xié)方差矩陣估計(jì)及其求逆運(yùn)算,在保持抗干擾性能的不變的情況下可以大幅度降低運(yùn)算復(fù)雜度。

② 誤差問題:由于加工裝配精度的限制,實(shí)際的天線陣列總存在著一定誤差,主要包括陣元位置誤差、陣元間的互耦以及通道的不一致性。對(duì)陣列誤差的校正主要有有源校正和自校正兩種,現(xiàn)有的校正算法往往只考慮了僅一種陣列誤差存在的情況,而且沒有考慮多徑信號(hào)的存在。

③ 干擾與衛(wèi)星信號(hào)來向相同時(shí)的干擾抑制:在空時(shí)濾波過程中,若衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)與干擾信號(hào)來向相同或夾角很小,天線增益在干擾來向上實(shí)現(xiàn)陷零的同時(shí),也會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)造成極大衰減。在這種情況下,改進(jìn)空時(shí)算法只能有限地縮小可抑制干擾與期望信號(hào)的夾角范圍,若要抑制與衛(wèi)星信號(hào)來向相同的干擾,還需要輔助其他手段,或再利用其他域(如極化域)的信息。

2.3 接收機(jī)抗干擾技術(shù)小結(jié)

在進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮的干擾類型有三大類:窄帶干擾、寬帶干擾和多徑干擾。如表2所示,針對(duì)每種干擾類型有不同的抗干擾技術(shù),一種抗干擾技術(shù)也不能同時(shí)抑制所有干擾類型,一個(gè)高性能的導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)同時(shí)采用多種抗干擾技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)類型干擾的抑制。

表2 典型的干擾類型與抗干擾技術(shù)

3 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 抗干擾技術(shù)發(fā)展近況及存在的問題

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)發(fā)展至今,窄帶干擾的抗干擾技術(shù)研究已經(jīng)較為成熟,尤其是自適應(yīng)濾波的準(zhǔn)則、算法很多,算法的改進(jìn)也較為完善,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)窄帶干擾的同時(shí)抑制,而且有好的抗干擾效果。寬帶干擾和多徑干擾的抗干擾技術(shù)的研究是目前學(xué)者們研究比較集中的領(lǐng)域,但依舊存在一些問題沒有解決。

1)對(duì)于寬帶干擾,最主要的抑制手段是采用天線陣加以自適應(yīng)濾波技術(shù),其他技術(shù)作為輔助手段。目前的研究熱點(diǎn)集中在空時(shí)自適應(yīng)處理算法的優(yōu)化、穩(wěn)健的自適應(yīng)算法、多干擾類型抑制以及盲自適應(yīng)抗干擾,子空間投影技術(shù)由于其較低的計(jì)算復(fù)雜度和好的干擾抑制效果被結(jié)合各域?yàn)V波技術(shù)廣泛研究和應(yīng)用,另外,一些新的聯(lián)合域或結(jié)合其他技術(shù)的天線陣形式也被提出,進(jìn)一步改善接收機(jī)的抗干擾性能。文獻(xiàn)[11]采用極化陣列,提出了極化域與空域聯(lián)合的抗干擾方法(JPSA),此方法的一大亮點(diǎn)是能成功抑制與期望信號(hào)來向相同的干擾。文獻(xiàn)[12]提出了以壓縮感知天線陣為基礎(chǔ)的陣列處理方案,該方案能降低陣列系統(tǒng)的計(jì)算量和功耗,提升接收機(jī)的整體抗干擾性能。

寬帶干擾抑制技術(shù)還存在需要繼續(xù)研究的問題和難點(diǎn)在于衛(wèi)星信號(hào)與干擾信號(hào)方向相同時(shí)的干擾抑制、高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)健抗干擾算法、多個(gè)類型寬帶干擾的同時(shí)抑制等。這些問題雖然也有學(xué)者進(jìn)行研究并提出了一些措施和算法,但新穎、有效的方法不多,而且這些方法往往都是針對(duì)一個(gè)難點(diǎn)進(jìn)行,而不能兼顧其他的問題,方法的有效性和實(shí)用性都需要完善。另外,并不是所有寬帶干擾類型的抗干擾方法都有較為深入的研究,目前針對(duì)脈沖干擾抗干擾技術(shù)的研究還很少,尤其是長(zhǎng)時(shí)間、超寬帶、均勻頻譜的干擾,還沒有非常有效的解決方案。

2)對(duì)于多徑干擾,接收機(jī)主要在三個(gè)階段進(jìn)行消除,前端處理、內(nèi)部信號(hào)處理、對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行事后處理,目前應(yīng)用較廣的技術(shù)為特殊類型天線以及多個(gè)天線的空間多樣性技術(shù)和MEDLL技術(shù)。除此之外,有學(xué)者提出利用接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)并結(jié)合自適應(yīng)濾波消除多徑的方法,也被利用到一些接收機(jī)的生產(chǎn)中。另外,文獻(xiàn)[13]提出了一種新穎的LTE信號(hào)輔助的導(dǎo)航信號(hào)多徑消除算法,該方法利用LTE信道估計(jì)的結(jié)果輔助導(dǎo)航信號(hào)的信道估計(jì),在高分辨率信道特征支撐下有效分離多徑并提高處理能力,此方法為多徑信號(hào)的抑制提供了一種新的思路。

目前多徑干擾抗干擾方法的研究難點(diǎn)在于來自天線上方多徑信號(hào)的抑制、快速變換環(huán)境下的多徑抑制以及短延時(shí)多徑的抑制。目前有學(xué)者通過改進(jìn)天線陣的自適應(yīng)算法增大可抑制干擾的俯仰角范圍,但還沒有克服天線上方多徑信號(hào)難以抑制的問題。雖然目前分析多徑信號(hào)對(duì)接收機(jī)影響的文獻(xiàn)很多,但關(guān)于短延時(shí)多徑信號(hào)的研究卻較少,采用窄相關(guān)器以及MEDLL技術(shù)改進(jìn)的接收機(jī)主要針對(duì)長(zhǎng)延時(shí)多徑信號(hào),對(duì)短延時(shí)信號(hào)抑制效果不佳。文獻(xiàn)[14]推導(dǎo)了短延時(shí)多徑信號(hào)環(huán)境下各天線間偽距差值、載波相位差值及信噪比比值的表達(dá)式,提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)的多徑抑制技術(shù),另外文獻(xiàn)[13]提出的LTE信號(hào)輔助的方法也對(duì)于研究短延時(shí)多徑信號(hào)的抑制方法具有一定意義。

3.2 抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)經(jīng)過多年的研究取得了不斷進(jìn)步,使得抗干擾的能力大為提升。結(jié)合當(dāng)前電子信息領(lǐng)域的軟硬件發(fā)展,總體來說,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)會(huì)有下面兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì):

1)數(shù)字化與硬件算法的發(fā)展。隨著超高速AD轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展和FPGA、DSP硬件水平的不斷提高,將會(huì)使得抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)在性能上大幅度提升,在未來可有望實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)的完全數(shù)字化?？删幊踢壿嬈骷氖褂脼樵O(shè)計(jì)提供了很大的靈活性,同時(shí)使得產(chǎn)品的維護(hù)和升級(jí)更加容易。另外,自適應(yīng)算法在硬件中實(shí)現(xiàn)時(shí)有難易上的不同,實(shí)時(shí)的大量的數(shù)據(jù)吞吐對(duì)硬件仍是挑戰(zhàn),因此抗干擾算法的研究也在向適用于高速、并行、實(shí)時(shí)處理的方向發(fā)展。

2)多功能智能型抗干擾接收機(jī)?，F(xiàn)有抗干擾技術(shù)都只是對(duì)其中某類干擾有較好的表現(xiàn),而衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)面臨的干擾是多種多樣的,干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)高性能、小型化的發(fā)展使得智能型抗干擾接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)有了技術(shù)保證[15],另外,認(rèn)知無線電、人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)都可以融合到接收機(jī)中,使接收機(jī)能夠智能地調(diào)整抗干擾算法。如文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種集信息庫、信號(hào)檢測(cè)、邏輯判決和抗干擾模塊于一體的接收機(jī),該設(shè)計(jì)能檢測(cè)出不同類型的干擾并決策出不同的抗干擾方法。

4 結(jié)束語

本文分析了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性以及干擾來源,從接收機(jī)結(jié)構(gòu)出發(fā)分析了天線、射頻前端、基帶處理三大模塊的抗干擾技術(shù),并對(duì)目前廣泛應(yīng)用的自適應(yīng)濾波技術(shù)進(jìn)行了研究?？偨Y(jié)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各類抗干擾技術(shù)、針對(duì)不同干擾類型的抗干擾方法、幾種熱點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和研究難點(diǎn)以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文所闡述的提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能的抗干擾技術(shù)均可應(yīng)用到我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中,為發(fā)展我國(guó)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供相關(guān)參考。

[1]趙 凱. GPS抗干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學(xué), 2010.

[2]熊志昂,李紅瑞,賴順香. GPS技術(shù)與工程應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2005.

[3]孫 莉. 衛(wèi)星導(dǎo)航簡(jiǎn)化分布式矢量天線抗干擾和多徑抑制技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

[4]姚軍勇. 基于突發(fā)直擴(kuò)通信的抗干擾技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2006.

[5]謝 鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[6]張超凡. 基于變換域窄帶干擾抑制技術(shù)研究及FPGA實(shí)現(xiàn)[D]. 南昌：江西理工大學(xué), 2012.

[7]朱麗平,胡光銳,單紅梅. 擴(kuò)頻通信抗干擾中的局部離散余弦變換技術(shù)[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理, 2004, 19(2): 171-173.

[8]方 偉, 吳仁彪, 盧 丹, 等. 基于修正GAPES的GPS脈沖干擾抑制方法[J]. 信號(hào)處理, 2011, 27(12): 1860-1864.

[9]王永良, 彭應(yīng)寧. 空時(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2000.

[10]AMOROSO F. Adaptive A/D converter to suppress CW interference in DSPN spread spectrum communications[C]//Military Communications Conference, 1983. MILCOM 1983. IEEE, 1983(3):720-728.

[11]ZENG Wei, WANG Ling. Joint polarized and spatial domain anti-jamming method for GNSS[C]//IEEE International Conference on Digital Object Identifier, 2013: 1-5.

[12]CHANG Chungliang, HUANG Guoshing. Spatial compressive array processing scheme against multiple narrowband interferences for GNSS[C]//IEEE First AESS European Conference on Digital Object Identifier, 2012: 1-6.

[13]邱 方, 宋 欣, 錢 良,等. 一種LTE 信號(hào)輔助的導(dǎo)航信號(hào)多徑消除算法[J]. 信息技術(shù), 2011(6):85-93.

[14]張文明. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾抑制技術(shù)[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2002.

[15]范廣偉, 晁 磊, 劉 莉. 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2013, 34(6): 125-128.

[16]CHANG Chungliang. Novel Multiplexing technique in anti-jamming GNSS receiver[C]//American Control Conference (ACC), 2011: 3453-3458.