衛星導航系統抗干擾問題研究

張 浩,靳一恒,呂婷婷

(中國海洋大學信息科學與工程學院,山東 青島 266100)

0 引 言

衛星導航系統具有全球全天候覆蓋、實時性處理以及高精度測算的特點,能夠實時地對運動載體的位置、速度進行測定和精確授時,在軍事領域和民用領域均得到了廣泛應用。目前世界上現有及在建的衛星導航系統有美國的全球定位系統(GPS),俄羅斯的“格洛納斯”系統(GLONASS),歐共體正在建造的“伽利略”系統(GALILEO)以及我國建立的北斗導航定位系統(COMPASS)。

隨著無線電技術的發展,自由空間中存在著密集的電磁波,衛星導航系統所處的工作環境日益復雜和多變,要想保證系統的正常工作,衛星導航系統必須具有足夠的抗干擾能力。雖然各個衛星導航系統存在系統配置、定位機理、工作頻段、信號和星歷數據結構等方面的差異,但一些主流的抗干擾技術在各個系統中普遍適用。衛星導航系統抗干擾技術發展至今,針對系統各個組成模塊和不同干擾類型已經有了豐富的研究成果,但還存在一些技術和問題需要完善和解決。本文對衛星導航系統常用抗干擾技術的原理、研究現狀、難點問題和發展趨勢進行介紹,研究結果可為發展我國北斗衛星導航系統提供參考。

1 衛星導航系統的脆弱性與干擾類型

衛星導航系統一個很大的弱點在于它的脆弱性。衛星信號到達地面時的衰減嚴重,低功率的電磁信號也能對其造成干擾;信號抗干擾裕度不大,碼元、載波在信干比較低時很容易丟失;導航信號頻率、調制特性公開,數據傳輸格式固定,容易實現針對接收機的欺騙式干擾或特定頻率的信號壓制,以上這些弱點都會使接收機在干擾環境下無法正常工作甚至完全失去定位功能。

衛星導航系統受到的干擾主要有射頻干擾和環境干擾兩大類。

射頻干擾是指衛星導航系統工作環境中由電磁波造成的干擾,可以分為無意干擾與人為干擾。無意干擾是指系統受到的非針對性的干擾,主要包括同一導航系統中來自不同衛星信號的相互干擾、不同系統之間的相互干擾、其他發射系統的頻率諧波或者非線性引起的互調產物落在接收機帶內造成的干擾、強發射機產生的高功率信號及其諧波導致的衛星信號堵塞[1]。人為干擾是指干擾方采用技術手段,針對特定區域、設備或通信頻段進行的干擾,其目的是使接收方無法使用或錯誤地使用導航系統所提供的信息,包括壓制式干擾和欺騙式干擾。另外,射頻干擾也可以根據干擾信號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

環境干擾包括多徑效應、遮蔽、地形遮攔和其他由自然環境造成的干擾。其中,抗多徑干擾是信號接收需要重點考慮的部分。衛星導航系統接收機接收到的不同衛星的信號來自不同的多徑信道,在距離、時間和速度方面都會產生誤差,其影響表現在信號上為多徑信號相對于直達衛星信號的延遲以及多徑信號的功率和相對載波的相位,在接收機性能上表現為對碼信號和載波跟蹤精度的影響。

2 衛星導航系統抗干擾技術

2.1 抗干擾技術介紹

衛星導航系統抗干擾技術主要分為三類:星上抗干擾、接收機抗干擾、輔助抗干擾。

星上抗干擾是通過對衛星的優化實現的,主要方法有提高信號發射功率、改善碼結構以及在衛星上使用新的抗干擾技術。美國為提高GPS的抗干擾能力,計劃在2015年發射第三代GPS衛星,GPSⅢ比現有GPS星座的發射功率提高500倍,且新增了比Y碼具有更強抗干擾能力的軍用M碼。雖然改進衛星星座或信號結構的方法可以改善源頭上的問題,但是這種方法開支巨大,方案的實施也需要很長的時間。

輔助抗干擾針對衛星導航系統存在的不足,利用其他導航設備輔助,有效提高衛星導航系統的定位精度和抗干擾能力,主要方法有衛星導航系統與慣性導航系統的組合技術以及偽衛星輔助技術。組合導航技術可以有效解決短時間的衛星信號故障和干擾,對寬帶噪聲干擾、掃頻干擾、音頻干擾、脈沖干擾等都具有很好的抑制作用,為高動態接收技術提供了較理想的解決方案。偽衛星技術通過在接收機可視范圍內增加可利用的星座數量提高系統的抗干擾能力,但目前還有許多關鍵問題需要解決,例如如何降低多徑效應的影響、如何設計偽衛星的位置及數量以獲得最佳的幾何分布、在系統軟件方面需要應用新的大氣修正模型等。

以上兩類抗干擾技術成本高、實現復雜,目前研究和應用最廣泛的是針對衛星導航接收機的抗干擾技術。如圖1所示,接收機結構可以劃分為天線、射頻前端、基帶處理、定位導航運算四個模塊,根據干擾信號的類型及干擾原理,可以從接收機結構上進行改進,提出相應的抗干擾措施。在接收機四個結構模塊中,抗干擾技術主要在天線、射頻前端、基帶處理模塊實現,其中采用數字信號處理器(DSP)實現的自適應濾波技術是目前研究的一個熱點。

圖1 一種典型的接收機結構示意圖

2.2 接收機抗干擾技術

2.2.1 各結構模塊抗干擾技術

1)天線

接收機天線的作用是將衛星信號這種極微弱的電磁波轉化為電流,以進行后續的信號處理,對天線的主要要求有:無死角地接收來自各個方向的衛星信號,針對多徑效應有防護和屏蔽措施,天線相位中心保持高度穩定、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用較為廣泛。

就目前來說,接收機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)天線技術可以有效消除多徑信號。文獻[3]研究了簡化分布式矢量天線技術,利用多徑干擾隨反射角度的不同具有不同的極化狀態的特點,在極化域上實現了多徑干擾的識別。

2)射頻前端

射頻前端是接收機工作的基礎,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變換為中頻數字信號,以適合信號處理器的工作范圍。在這個過程中射頻前端應具有盡可能抑制其他干擾的能力,同時提高接收信號電平至信號處理器可工作的水平,并能提供一定的信號變化動態范圍。

① 前端濾波技術

前端濾波技術的應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,以及在每個本地振蕩器混頻級前后的逐級濾波。逐級濾波使接近末級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。前端濾波技術可以有效抵制外界強功率的干擾。

② 射頻干擾檢測技術

射頻干擾檢測技術可檢測射頻干擾是否存在并同時測量出干擾強度,能有效檢測連續波干擾、寬帶脈沖干擾、高斯白噪聲干擾、信號阻塞和多徑干擾。射頻干擾檢測是通過干擾/噪聲功率比(J/N)計量表測量經過接收機天線和射頻前端的綜合信號電平實現的,J/N計量表位于自動增益控制(AGC)區。因為衛星信號大大低于熱噪聲電平,所以只要測得AGC控制電平提供的J/N值,就能判斷是否有較強的射頻干擾正在控制AGC。

③ 自動增益控制技術

自動增益控制技術主要用于接收機的中頻級和射頻級,是一種使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整的自動控制方法,能使幅度變化大的接收信號放大為包絡相對恒定的信號,具有壓縮動態范圍、抑制脈沖干擾和抗快衰落等作用。

根據對輸入信號幅度變化的響應速度,AGC可分為快速(小時間常數)自動增益控制系統(FAGC)和慢速(大時間常數)自動增益控制系統(SAGC)。還有學者提出DτAGC,這種AGC在脈沖干擾存在與不存在時分別呈現FAGC和SAGC的特性,抑制干擾的性能更加優化。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對信號造成的附加損失,比DτAGC的干擾抑制性能更好,對信號的損失更小[4]。

3)基帶處理

基帶處理模塊的作用包括搜索、捕獲并跟蹤衛星信號,對電文數據解擴、解調,以及偽距、載波相位、多普勒頻移的測量。基帶處理性能的優劣直接關系到接收機定位精度、靈敏度指標。在此模塊中,碼環/載波環跟蹤技術的改進和相關技術的應用是提高接收機抗干擾性能主要手段。碼環/載波環跟蹤技術通過改進接收機的載噪比門限,或者采用自適應跟蹤環路實現環路帶寬的自動調節,來提高接收機的抗干擾性能和動態跟蹤能力,該技術對增強接收機抗寬帶性能具有好的效果,而且對多徑干擾的抑制具有輔助作用。

針對多徑效應,一種最基本的抑制技術為窄距相關器,雖然相關器間距的縮短減小了碼相位的測量誤差,但同時造成了碼環動態性能的降低,而且窄相關器僅對減小碼環測量誤差有效,無助于載波環的多徑抑制性能。有學者提出一種多徑信號的極大似然估計方法以減小碼相位和載波相位誤差,被稱為多路徑估計延時鎖定環(MEDLL)[5],該方法能有效地減小碼相位和載波相位測量值的多徑誤差,消除窄相關接收機中90%的多徑效應。

2.2.2 自適應濾波技術

除以上抗干擾技術外,實現接收機抗干擾最有效、最根本的技術是濾波技術。濾波技術主要借助數字信號處理器進行自適應濾波處理,可在前端處理部分以及基帶跟蹤環路前進行,自適應濾波處理可在時域、頻域、空域以及各聯合域實現,可抑制窄帶干擾、寬帶干擾和多徑干擾。

1)時域濾波技術

時域濾波技術可以用于消除多個窄帶噪聲干擾和連續波干擾,另外還能用于多徑干擾和回波消除問題,但對寬帶干擾作用不大。時域濾波在時域內利用信號特征濾除干擾,借助DSP提供可編程濾波器和相關器,可以配置于接收機前端處理部分,或作為一個單一的部分置于接收機之前。

時域濾波技術效果最明顯的是對窄帶干擾的抑制,典型應用為自適應時域預測技術。在時域預測技術計算過程中,可以采取線性濾波器或非線性濾波器來預測窄帶干擾信號,按照實際條件選擇某種最優準則(LMS準則、MMSE準則、RLS準則、LS準則)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網絡和多項式濾波器。從工程實現角度看,對窄帶干擾濾波的效果最好的預測濾波器是非線性的[6]。

2)頻域濾波技術

頻域濾波適用于窄帶干擾、連續波干擾及較強的帶外干擾,但對寬帶噪音干擾及多個掃頻瞄準式噪聲干擾無效。頻域濾波首先通過快速傅里葉變換將接收信號由時域變換為頻域,通過陷波位置的調整將干擾對應的頻譜置零或衰減,處理后的頻域分量再反變換到時域完成干擾的濾除。頻域濾波可以在接收機的射頻或中頻進行,或者附加在用戶的接收機和天線之間。由于變換處理的復雜性,頻域濾波會增加衛星信號的獲取和處理時間延遲,而且存在頻譜泄露的問題。

3)時頻域濾波技術

時頻濾波技術主要應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),特別適用于抑制各種時變非平穩干擾。時頻濾波通過選擇合適的時頻分析工具,使有用信號與干擾信號在變換處理后具有能區分開來的特性,然后根據兩者特性的不同來進行干擾的濾除。

比較典型的時頻分析工具有短時傅立葉變換(STFT)、濾波器組、小波變換和子空間投影技術。針對脈沖型的時變干擾,局部離散余弦變換(LDCT)是一種具有良好效果的時頻分析方法[7]。另外,時頻域濾波技術還可以與數據恢復算法結合起來,針對濾波后具有缺口的數據,采用恢復算法進行數據恢復,得到接近于未受干擾的原始衛星信號的恢復數據[8]。

4)空域濾波技術

空域濾波技術是通過自適應天線陣來實現信號處理,其輸入參量除包含信號的時頻內容外,還涉及距離、方位角、仰角、極化形式等,該技術對窄帶干擾、寬帶干擾以及多徑干擾均有抑制作用。空域濾波相對于時域和頻域抗干擾的優勢在于,實現途徑是抑制干擾方向的接收,與干擾信號樣式不相關,因此可以實現寬帶干擾以及多徑干擾的抑制。

自適應空域濾波干擾抑制技術可以分為兩類:自適應零陷形成和自適應波束形成。零陷方法根據某種最優準則自適應調整各陣元的權值,在干擾來向上形成零陷以抑制干擾,這種方法不需要信號的先驗信息,可以實現盲抑制,但對期望信號無增強作用。波束形成方法在已知干擾方向形成零陷的同時,還能在期望信號來向形成主瓣以增強期望信號,但需要在濾波前結合波達方向估計(DOA)算法對期望信號的來向進行估計。空域濾波技術常用的最優化準則有MSNR準則、MMSE準則、LCMV準則,常用的自適應算法有LMS、RLS、ML、QRD-SMI以及MUSIC算法。在選擇自適應算法時,要對算法的復雜度、收斂速度、權值更新速度、權值收斂后的穩態誤差等進行綜合考慮。

5)空時聯合自適應抗干擾技術

由于空域濾波技術存在自由度的限制,空時聯合自適應處理技術被提出并發展起來,空時聯合抗干擾同時利用天線陣和延遲抽頭獲取空時樣本,在不增加天線陣元的情況下,通過時間抽頭來增加陣列的自由度與可抑制干擾的數目。空時自適應技術對抑制窄帶干擾、寬帶干擾、多徑干擾、相關干擾都具有好的效果,是當前接收機抗干擾技術的一個研究熱點。

空時聯合自適應抗干擾技術涉及的問題和主要研究點:

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

② 誤差問題:由于加工裝配精度的限制,實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。對陣列誤差的校正主要有有源校正和自校正兩種,現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的存在。

③ 干擾與衛星信號來向相同時的干擾抑制:在空時濾波過程中,若衛星導航信號與干擾信號來向相同或夾角很小,天線增益在干擾來向上實現陷零的同時,也會對衛星信號造成極大衰減。在這種情況下,改進空時算法只能有限地縮小可抑制干擾與期望信號的夾角范圍,若要抑制與衛星信號來向相同的干擾,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 接收機抗干擾技術小結

在進行衛星導航接收機抗干擾設計時,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,針對每種干擾類型有不同的抗干擾技術,一種抗干擾技術也不能同時抑制所有干擾類型,一個高性能的導航系統會同時采用多種抗干擾技術以實現對各個類型干擾的抑制。

表2 典型的干擾類型與抗干擾技術

3 衛星導航系統抗干擾技術發展趨勢

3.1 抗干擾技術發展近況及存在的問題

衛星導航抗干擾技術發展至今,窄帶干擾的抗干擾技術研究已經較為成熟,尤其是自適應濾波的準則、算法很多,算法的改進也較為完善,可以實現多個窄帶干擾的同時抑制,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的研究是目前學者們研究比較集中的領域,但依舊存在一些問題沒有解決。

1)對于寬帶干擾,最主要的抑制手段是采用天線陣加以自適應濾波技術,其他技術作為輔助手段。目前的研究熱點集中在空時自適應處理算法的優化、穩健的自適應算法、多干擾類型抑制以及盲自適應抗干擾,子空間投影技術由于其較低的計算復雜度和好的干擾抑制效果被結合各域濾波技術廣泛研究和應用,另外,一些新的聯合域或結合其他技術的天線陣形式也被提出,進一步改善接收機的抗干擾性能。文獻[11]采用極化陣列,提出了極化域與空域聯合的抗干擾方法(JPSA),此方法的一大亮點是能成功抑制與期望信號來向相同的干擾。文獻[12]提出了以壓縮感知天線陣為基礎的陣列處理方案,該方案能降低陣列系統的計算量和功耗,提升接收機的整體抗干擾性能。

寬帶干擾抑制技術還存在需要繼續研究的問題和難點在于衛星信號與干擾信號方向相同時的干擾抑制、高動態環境下的穩健抗干擾算法、多個類型寬帶干擾的同時抑制等。這些問題雖然也有學者進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一個難點進行,而不能兼顧其他的問題,方法的有效性和實用性都需要完善。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,目前針對脈沖干擾抗干擾技術的研究還很少,尤其是長時間、超寬帶、均勻頻譜的干擾,還沒有非常有效的解決方案。

2)對于多徑干擾,接收機主要在三個階段進行消除,前端處理、內部信號處理、對定位結果進行事后處理,目前應用較廣的技術為特殊類型天線以及多個天線的空間多樣性技術和MEDLL技術。除此之外,有學者提出利用接收機的測量數據進行參數估計并結合自適應濾波消除多徑的方法,也被利用到一些接收機的生產中。另外,文獻[13]提出了一種新穎的LTE信號輔助的導航信號多徑消除算法,該方法利用LTE信道估計的結果輔助導航信號的信道估計,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在于來自天線上方多徑信號的抑制、快速變換環境下的多徑抑制以及短延時多徑的抑制。目前有學者通過改進天線陣的自適應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難以抑制的問題。雖然目前分析多徑信號對接收機影響的文獻很多,但關于短延時多徑信號的研究卻較少,采用窄相關器以及MEDLL技術改進的接收機主要針對長延時多徑信號,對短延時信號抑制效果不佳。文獻[14]推導了短延時多徑信號環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式,提出了基于擴展卡爾曼濾波技術的多徑抑制技術,另外文獻[13]提出的LTE信號輔助的方法也對于研究短延時多徑信號的抑制方法具有一定意義。

3.2 抗干擾技術的發展趨勢

衛星導航系統抗干擾技術經過多年的研究取得了不斷進步,使得抗干擾的能力大為提升。結合當前電子信息領域的軟硬件發展,總體來說,衛星導航系統抗干擾技術會有下面兩個發展趨勢:

1)數字化與硬件算法的發展。隨著超高速AD轉換器件的發展和FPGA、DSP硬件水平的不斷提高,將會使得抗干擾導航接收機在性能上大幅度提升,在未來可有望實現GPS接收機的完全數字化。可編程邏輯器件的使用為設計提供了很大的靈活性,同時使得產品的維護和升級更加容易。另外,自適應算法在硬件中實現時有難易上的不同,實時的大量的數據吞吐對硬件仍是挑戰,因此抗干擾算法的研究也在向適用于高速、并行、實時處理的方向發展。

2)多功能智能型抗干擾接收機。現有抗干擾技術都只是對其中某類干擾有較好的表現,而衛星導航接收機面臨的干擾是多種多樣的,干擾監測技術高性能、小型化的發展使得智能型抗干擾接收機的實現有了技術保證[15],另外,認知無線電、人工智能及神經網絡等多項技術都可以融合到接收機中,使接收機能夠智能地調整抗干擾算法。如文獻[16]設計了一種集信息庫、信號檢測、邏輯判決和抗干擾模塊于一體的接收機,該設計能檢測出不同類型的干擾并決策出不同的抗干擾方法。

4 結束語

本文分析了衛星導航系統的脆弱性以及干擾來源,從接收機結構出發分析了天線、射頻前端、基帶處理三大模塊的抗干擾技術,并對目前廣泛應用的自適應濾波技術進行了研究。總結了衛星導航系統各類抗干擾技術、針對不同干擾類型的抗干擾方法、幾種熱點技術的發展現狀和研究難點以及衛星導航系統抗干擾技術的發展趨勢。本文所闡述的提高衛星導航系統抗干擾性能的抗干擾技術均可應用到我國北斗導航系統中,為發展我國北斗全球衛星導航系統提供相關參考。

[1]趙 凱. GPS抗干擾系統的設計與實現[D]. 成都：電子科技大學, 2010.

[2]熊志昂,李紅瑞,賴順香. GPS技術與工程應用[M]. 北京：國防工業出版社, 2005.

[3]孫 莉. 衛星導航簡化分布式矢量天線抗干擾和多徑抑制技術研究[D]. 長沙：國防科學技術大學, 2011.

[4]姚軍勇. 基于突發直擴通信的抗干擾技術研究[D].長沙：國防科學技術大學, 2006.

[5]謝 鋼. GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社,2009.

[6]張超凡. 基于變換域窄帶干擾抑制技術研究及FPGA實現[D]. 南昌：江西理工大學, 2012.

[7]朱麗平,胡光銳,單紅梅. 擴頻通信抗干擾中的局部離散余弦變換技術[J]. 數據采集與處理, 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]. 信號處理, 2011, 27(12): 1860-1864.

[9]王永良, 彭應寧. 空時自適應信號處理[M].北京：清華大學出版社, 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 信號輔助的導航信號多徑消除算法[J]. 信息技術, 2011(6):85-93.

[14]張文明. 衛星導航系統干擾抑制技術[D]. 長沙：國防科學技術大學, 2002.

[15]范廣偉, 晁 磊, 劉 莉. 衛星導航干擾監測技術[J]. 四川兵工學報, 2013, 34(6): 125-128.

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