衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測技術(shù)

范廣偉，晁 磊，劉 莉

(1.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，石家莊 050081;2.中國電子科技集團(tuán)公司第54 研究所，石家莊 050081)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［1］在在軍事和民用領(lǐng)域得到世界認(rèn)可的同時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境的日益復(fù)雜以及各類衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)的長足發(fā)展已對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可用性、連續(xù)性和完好性都構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這些干擾源可能來自“無意”的干擾，也可能來自敵方的有意干擾;有可能來自地面，也有可能來自空中平臺，因此有必要對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。通過對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各工作頻段干擾信號進(jìn)行、分析，對干擾信號的功率、頻率、帶寬等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，對干擾類型進(jìn)行分類，有助于快速定位干擾源并采取正確的應(yīng)對措施，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供安全保障。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾監(jiān)測的發(fā)展主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行:改善測向設(shè)備的信噪比和提高對微弱信號的監(jiān)測、測向能力;提高測向準(zhǔn)確度;提高對干擾源的定位精度;對干擾類型的分類與識別;干擾對系統(tǒng)功能的影響評估等。干擾監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)一般由監(jiān)測中心站以及若干固定式、可搬移式、移動式、便攜式監(jiān)測站組成。各監(jiān)測站對周邊電磁空間干擾信號進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各種干擾源，并輸出有關(guān)干擾信號的一些重要的技術(shù)參數(shù)，而多站聯(lián)合組網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)對干擾源的準(zhǔn)確定位以及對整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作環(huán)境的電磁信號監(jiān)測。

1 GNSS 干擾監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾監(jiān)測技術(shù)是在無線電監(jiān)測的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，隨著無線電應(yīng)用的日益廣泛，其工作環(huán)境日趨復(fù)雜，國內(nèi)外針對無線電干擾監(jiān)測、測向、定位均進(jìn)行了大量研究，建立了通用或?qū)Ｓ玫谋O(jiān)測系統(tǒng)(專用監(jiān)測系統(tǒng)如民航無線電監(jiān)測系統(tǒng)、衛(wèi)星干擾源監(jiān)測系統(tǒng)等)，開發(fā)了各種不同的干擾監(jiān)測設(shè)備，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)專用干擾監(jiān)測系統(tǒng)的研究和建設(shè)也取得了一些初步成果。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測是在一般的無線電監(jiān)測的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，專門針對衛(wèi)星導(dǎo)航的資料相對較少，下面簡要介紹一下國外已經(jīng)應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航的干擾監(jiān)測設(shè)備。

美國國家大地測量機(jī)構(gòu)(national geodetic survey，NGS)組建了“連續(xù)運(yùn)行參考站”(continuously operating reference stations，CORS)，該網(wǎng)絡(luò)是服務(wù)于政府、高校、商業(yè)部門和私人的多功能網(wǎng)絡(luò)。到2010 年1 月12 日，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)包含1400 個(gè)參考站。在該系統(tǒng)中，包含GPS 監(jiān)測接收設(shè)備和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，監(jiān)測接收設(shè)備每30s 記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄設(shè)備形成每小時(shí)和每天的數(shù)據(jù)文件，這些數(shù)據(jù)文件包含有接收機(jī)在每一時(shí)刻的定位信息，通過對這些信息進(jìn)行后續(xù)處理，即可監(jiān)測站點(diǎn)周圍是否受到有效的GPS 干擾信號。

JLOC(jammer and interference location system)是美國NAVSYS 公司建設(shè)的一種較為復(fù)雜的基于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的GPS 信號干擾監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控站、干擾監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和客戶端軟件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種干擾源的檢測和定位。

美國Agilent 公司和TCI 公司、德國Plath GmbH 公司和Rohde ＆Schware 公司、俄羅斯IRCOS 公司等也都研制了性能優(yōu)良的干擾源監(jiān)測/測向系統(tǒng)。其中典型指標(biāo)是頻率覆蓋范圍25 ～3 000 MHz，頻率掃描速率1000MHz/s。部分系統(tǒng)采用開發(fā)架構(gòu)，從而可以提供快速的寬帶信號監(jiān)測、測向及一整套的信號分析方法(提供頻率、方向、位置、編碼種類、調(diào)制參數(shù)、帶寬等參數(shù))。

2009 年7 月，英國CHRONO TECHNOLOGY 公司公布了他們的一款手持式GPS 干擾監(jiān)測機(jī)CTL3500。它是一款低功率、由電池供電的干擾監(jiān)測系統(tǒng)，能夠檢測L1 頻段內(nèi)的GPS 信號、非GPS 信號和干擾信號。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國“北斗”二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)剛剛開始試運(yùn)行，專門服務(wù)于北斗系統(tǒng)的干擾監(jiān)測系統(tǒng)尚未開始部署，但國內(nèi)有關(guān)單位已經(jīng)做了一些論證工作，例如國防科技大學(xué)、航天5 院503所、中電集團(tuán)第20 所以及中國船舶集團(tuán)系統(tǒng)工程部等科研院所開始對衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究，一些學(xué)者也發(fā)表了一些關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾監(jiān)測方面的文章，例如國防科技大學(xué)的韓其位對衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［2］做了分析，國防科技大學(xué)的戴雪楊對衛(wèi)星干擾監(jiān)測的現(xiàn)有技術(shù)［3］進(jìn)行了總結(jié)，王哨軍等對衛(wèi)星干擾監(jiān)測的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究［4］。國內(nèi)雖然進(jìn)行了一定的研究，但是由于北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)剛剛開始試運(yùn)行，專門服務(wù)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾監(jiān)測設(shè)備還未有成熟的產(chǎn)品，研究大部分還是停留在理論階段。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中涉及的星上、地面站、用戶端各種接收機(jī)的復(fù)雜電磁環(huán)境的監(jiān)測，衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測技術(shù)主要包括研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中干擾源的測向定位技術(shù)［5-7］、干擾檢測與告警技術(shù)［8-11］、干擾信號頻譜特征提取技術(shù)及干擾類型識別技術(shù)［12-14］等，下面分別從這幾個(gè)方面對衛(wèi)星導(dǎo)航所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展開論述。

2.1 干擾檢測技術(shù)

干擾檢測是干擾監(jiān)測的基礎(chǔ)，只有首先檢測到干擾信號才能完成干擾監(jiān)測的諸多后續(xù)工作。1998 年，斯坦福大學(xué)的Awele Ndili 和Dr.Per Enge 研究了GPS 接收機(jī)的自動干擾檢測技術(shù)，該技術(shù)能有效檢測高斯白噪聲干擾、寬帶脈沖干擾、相干連續(xù)波干擾、脈沖連續(xù)波干擾、多徑干擾等，但是目前國內(nèi)在GNSS 干擾檢測方面的研究還相對較少。

信號檢測常用的方法有能量檢測法［15］(ED)、匹配濾波器檢測法［16］(MFD)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法［17］(CFD)。但是，由于干擾信號缺乏先驗(yàn)知識，目前，應(yīng)用在干擾檢測方面的算法主要包含下面幾種:能量檢測法、時(shí)頻分析法、循環(huán)平穩(wěn)分析法、高階統(tǒng)計(jì)量分析法、極化分析法及其它數(shù)字信號處理方法。就目前來說，對于無干擾先驗(yàn)信息的盲檢測，主要應(yīng)用能量檢測算法，查閱關(guān)于干擾檢測方面的文獻(xiàn)，大多都是二元檢測問題，并沒有在給出干擾存在與否同時(shí)給出干擾信號的參數(shù)，多數(shù)檢測時(shí)針對整段頻譜的，并沒有給出具體的干擾頻點(diǎn)位置，干擾信號功率和干擾類型判斷。高階統(tǒng)計(jì)量方法因其對多種噪聲都有很好的抑制作用逐漸成為信號處理的新熱點(diǎn)［18-19］，是近年來發(fā)展較快的現(xiàn)代信號處理方法之一Nikias 最早提出可以利用信號高階累積量［20］進(jìn)行信號檢測，高階累積量檢測性能優(yōu)于普通的能量檢測器。

2.2 干擾測向技術(shù)

傳統(tǒng)測向方法的主要代表是振幅法測向和相位法測向［21］。振幅法測向即根據(jù)測向天線接收信號的相對幅度大小來確定信號的到達(dá)角，具體又分為最大信號法、等信號法和比較信號法。相位法測向采用天線陣對導(dǎo)航系統(tǒng)工作空間進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)各陣元對同一干擾的接收相位差來確定信號的到達(dá)角。由于相對相位差來源于相對波程差與波長的比值，而射頻干擾載波波長較短，相位變化對波程差很靈敏，因此相位法測向的準(zhǔn)確度較高。干涉儀測向通過直接或間接測量分布在空間不同位置的天線感應(yīng)信號之間的相位差并求解來波的入射方位角和仰角，是相位法測向的典型代表。

空間譜估計(jì)測向［22-23］具有超分辨測向能力，可以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)干擾的同時(shí)測向。空間譜估計(jì)方法克服了傳統(tǒng)測向定位方法精度低的缺點(diǎn)，可以有效解決密集信號環(huán)境中多個(gè)輻射源的高分辨率、高精度測向定位問題。空間譜估計(jì)測向體制基于多元天線陣加多通道所構(gòu)成的傳感器陣列，因此空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)可以在不同空間位置上同時(shí)獲得多個(gè)信號樣本，得到比較高的精度。常見的空間譜估計(jì)方法有MUSIC、ESPRIT 和Cappon 等，這些方法已經(jīng)成功的應(yīng)用到測向中;一些較新的空間譜估計(jì)方法還有基于高階累積量的空間譜估計(jì)和基于多級維納濾波的空間譜估計(jì)方法等，這些方向相比常見的測向算法或者有更好的測向性能或者有更小的運(yùn)算量。

2.3 干擾識別技術(shù)

在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，空間環(huán)境中存在各種各樣的干擾，干擾形式比較復(fù)雜，而非僅僅是穩(wěn)定的窄帶、寬帶、脈沖等典型樣式。為更好地應(yīng)對實(shí)際環(huán)境中復(fù)雜多變的各種干擾，使導(dǎo)航系統(tǒng)在干擾環(huán)境中正常工作，需在對空間各種無線電信號進(jìn)行長期觀測的基礎(chǔ)上，采集各種干擾樣本并對其各種信號特征進(jìn)行分析，建立干擾頻譜模板和干擾數(shù)據(jù)庫，然后再干擾信號調(diào)制方式識別中提出當(dāng)前干擾特征與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，才能快速識別干擾，做出快速靈活準(zhǔn)確的反應(yīng)。而對于干擾數(shù)據(jù)庫沒有的模板的信號則無法識別。

干擾信號自動調(diào)制識別的基本方法一般認(rèn)為有2 類:一種是決策論方法，另一種是統(tǒng)計(jì)模式識別方法。決策論方法的理論基礎(chǔ)是假設(shè)檢驗(yàn)，而統(tǒng)計(jì)模式識別方法的理論基礎(chǔ)是模式識別。

干擾信號特征識別主要是指對信號調(diào)制方式的識別，調(diào)制識別是指對干擾信號調(diào)制種類的識別，常見的調(diào)制識別方法有:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 法［24］、基于高階累積量的調(diào)制識別方法［25］、基于支持向量基的數(shù)字調(diào)制識別方法［26］、基于小波分解的調(diào)制識別方法和星座圖聚類分析調(diào)制識別方法［27］。但是這些算法目前都是應(yīng)用在通信信號的調(diào)制方式識別，專門針對衛(wèi)星導(dǎo)航干擾識別的應(yīng)用目前還較少，因此分析干擾特征，把這些算法應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航信號的干擾識別中還需要進(jìn)一步深入研究。

2.4 干擾源定位技術(shù)

干擾源定位一直以來都是干擾監(jiān)測領(lǐng)域的難點(diǎn)。原因在于干擾源信號形式往往變化多端，如何針對各種不同的干擾源進(jìn)行準(zhǔn)確定位是干擾監(jiān)測系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。干擾源的定位是在單個(gè)監(jiān)測站實(shí)現(xiàn)測向的基礎(chǔ)之上，聯(lián)合多個(gè)監(jiān)測站(包括固定、移動和便攜監(jiān)測定位站)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對空間電磁環(huán)境的聯(lián)合監(jiān)測和測向定位。常用的干擾源定位技術(shù)包括到達(dá)時(shí)間法［28］(TDOA)、到達(dá)頻率法［29］(FDOA)、到達(dá)角度法［30］(AOA)、它們相組合的方法，以及幅差法干擾源定位技術(shù)，基于多波束天線的干擾源定位方法包括基于空間譜估計(jì)的干擾源定位、基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干擾源定位、衛(wèi)星干擾源定位與自適應(yīng)調(diào)零一體化。實(shí)際應(yīng)用中具體選用那種方法要根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和性能要求等多方面因素選取合適的定位方法實(shí)現(xiàn)干擾源的有效定位。

3 GNSS 干擾監(jiān)測未來發(fā)展方向

通過對國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)的分析，衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測將會按照以下幾個(gè)方向進(jìn)行發(fā)展:

1)高性能

隨著微電子技術(shù)和干擾技術(shù)的不斷發(fā)展，使得為達(dá)到同等效果所需的干擾功率越來越低，設(shè)備也越來越簡單，這就需要干擾監(jiān)測系統(tǒng)有較高的靈敏度，可以有效監(jiān)測到較弱的干擾信號，因此干擾監(jiān)測接收機(jī)的高性能成為主要發(fā)展方向。

2)小型化

干擾監(jiān)測不但需要專門的干擾監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理基站，還需要便攜的小型、手持檢測設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對一些特定區(qū)域突發(fā)干擾的快速監(jiān)測。

3)復(fù)合化

最終衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)對干擾的監(jiān)測，還要實(shí)現(xiàn)對不同導(dǎo)航信號的監(jiān)測，還要有組網(wǎng)能力、通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)感興趣區(qū)域的全天候不間斷監(jiān)測和不同監(jiān)測站之間的數(shù)據(jù)交互能力。

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測系統(tǒng)的研究和建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各工作頻段干擾的有效監(jiān)測，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供保障，為衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備的研制提供技術(shù)支持，為我國高端導(dǎo)航接收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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