卫星导航信号抗干扰技术应用*

2022-11-11合肥科技职业学院孙丽英陈滨董晓晴

数字技术与应用 2022年8期

合肥科技职业学院孙丽英陈滨董晓晴

随着现代化科技的高速发展，卫星导航系统是各国科技发展的重中之重，其不仅和国家的军事、互联网等技术内容息息相关，更和我们的生活有着紧密地联系。卫星导航在距离我们数万里之外的地方，信号到达卫星接收器的时候是十分微弱的，这就很有可能会使得卫星导航受到外界的干扰而变得不稳定。为了提高卫星导航信号的抗干扰能力，各个国家都在极力地推动抗干扰技术的应用和发展。

提高卫星导航信号干扰能力的技术主要有三种方式，分别是：（1）提升卫星发射的成功概率；（2）采用新的卫星导航信号体制以及新的编码的方式；（3）提高卫星导航信号终端的抗干扰能力。本文基于对卫星导航信号抗干扰技术的研究和探索，对于能够给卫星导航造成干扰的类型以及方式进行了介绍，基于卫星导航终端抗干扰能力的相关技术，对卫星导航工程研制的干扰技术进行了一定的研究和讨论。

1 干扰与抗干扰技术简介

1.1 干扰技术相关介绍

在卫星导航信号系统当中，根据干扰的体制不同，卫星导航的干扰技术主要被分成为两大类，分别是：压制式干扰和欺骗式干扰。

压制式干扰的进行方式，是通过在运行的过程当中，发射干扰信号以及投放出大量的无源干扰的相关器材，进而使得对方的电子信息系统以及电子相关设备的接收信号的端口信息噪音大幅度地降低，这样一来，有用的信号会变得模糊，甚至会完完全全地被干扰信号给淹没，在众多的电子信号当中，这种信号也会变得难以识别。面对卫星导航系统当中的卫星接收机的压制式下的干扰的信号，其能够使得卫星导航信号的接收定位变得十分的微弱，也很有可能最终导致没有办法进行定位的结果。在进行卫星导航信号的工作过程当中，会根据对卫星导航信号所产生干扰的带宽的不同，将压制式地干扰分成窄带压制干扰以及宽带压制干扰。在具体一点的干扰更是多种多样的，比如：连续波干扰、扫频连续波干扰、带限高斯白噪声的干扰、窄带/宽带的调频干扰、伪码数字相关的干扰等。压制式的干扰是能够对卫星导航信号产生干扰最为主要的原因和形式。在其他国家压制式干扰通常情况下能够产生许许多多的不同干扰体制的卫星导航的干扰信号，发生干扰的功率通常会从几瓦到几十千瓦不等。

欺骗式的干扰通常是指在卫星导航信号运行的过程当中，经过信号的发射、转发以及电磁波的反射最终产生和真实信号相似的欺骗式信号，通过这种欺骗式的形式能够对对方的电子设备或者是相关电子通讯系统、工作的进程产生一定的影响，能够营造出来一种让对方信以为真的虚假信息的情况，最终使得敌方作出虚假的选择以及错误的判和指令。在卫星的欺骗式干扰当中，针对这种情况接收器所产生的信号，通常会和发射卫星的导航信号有着十分相似的地方，这种情况最终会使得卫星的接收器产生一些错误的定位以及内容信息。欺骗式的干扰能够分成为转发式欺骗干扰以及产生式的欺骗干扰，转发式的欺骗干扰会通过卫星导航系统所接收到的信号，经过接收、放大、延迟以及重新发送等多个步骤，进行传递。欺骗式的干扰信号之所以能够产生，是因为虚拟的设备能够发射和卫星导航信号真实信号完全一样的无线信息，以此来欺骗接收端口。对于军用的卫星接收器来说，因为导航卫星的军用信息是已经经过了一层有一层的加密处理的，所以在这种情况下，想要产生一定的生产式欺骗干扰是相对困难的，通常能够实现的欺骗式干扰大部分指的是转发式的欺骗干扰。

1.2 抗干扰技术相关介绍

卫星导航系统的接收机在进行接收工作的时候，通常会采取一种扩频调解的方式进行，这种方式对于抗干扰这种工作大约能够产生30dB的抗干扰能力。在解扩频进行处理的基础之上，卫星的导航过程通常会包括基于天线的自适应滤波技术、数字波束信号技术以及在接收机的基础上所产生的惯性辅助类的技术。

基于天线的抗干扰技术的自适应滤波技术当中包括自适应的时域滤波、自适应的频域滤波、自适应的空域滤波和组合模式的自适应的滤波、自适应空频滤波等多种内容和形式。自适应的滤波技术在一定程度上是比较成熟的，目前来说已经达到了系统工程化的应用水平，在武器型号当中的应用也是渐渐被接受了的。最近几年在极化域滤波、极化域+空时域滤波的技术方面是当前技术进行发展的大趋势所在，在对于天体的体积减少、对于抗干扰方面个数的增加都产生了十分重要的影响。

自适应时域滤波在运行的进程当中，主要是通过对时域内的信号所产生的一系列特征进行相关的处理，通过设计和规划来安排自适应算法，从而对于横向滤波器的系数进行一定的调整和计算，以此来达到对于很多个窄宽干扰进程的抑制目的。这种方式能够对于多径效应以及回波抵消干扰处理，但是对于宽带方面所产生的干扰的抑制作用是十分不明显的。

在自适应的频域当中的滤波，主要是通过对于离散傅里叶的变换技术把干扰的信号映射到相关的频域当中，然后通过对于陷波器的位置或者是阙值来进行干扰工作的运行和控制，但这种运行过程所针对的主要内容是窄宽干扰，这对于宽带所产生的干扰效果是十分不明显的。

自适应空域的滤波技术通常采取和使用天线阵列以及自适应调零算法的表现形式。自适应的调零算法通常会采用扩频系统，在进行运作的时候会把随机码的信号深深地掩盖了热噪声的自身特点，这就会使得最终进入接收机的全部的输入功率降到了最低的程度。采用自适应的算法，能够对于天线的加权值进行修正，其在天线阵方向图中的表现形式为干扰源的方向能够形成零点，进而能够更好地对于卫星导航信号的运作进行干扰和影响。但是因为对抗干扰源的个数在某种程度上会受天线阵元的数量影响，所以对于M阵元的天线阵只能够对M-1个干扰产生一定的抑制作用。在对信号进行抑制的时候，也会对同一个方向的卫星信号的正常接收工作产生一定的影响作用。因为自适应空域滤波的自适应调零天线能够对窄宽以及宽带的干扰产生很好的抑制作用，并且在进行运作的时候，其所应用到的算法也是十分简单的，是方便实现的，所以在最近几年的卫星导航信号相关工程项目的领域当中得到了大幅度的进步和发展。

自适应空时滤波这种类型，是把自适应的时域滤波以及自适应的空域滤波进行了完美地结合，这样一来就能够对于窄宽当中的干扰所浪费的空域滤波自由度产生一定的影响，而且还能够在零点对卫星信号的接收方面产生降低的效果，这样就能够自动的对天线的信道宽带幅度差异进行补偿，进而提高宽带干扰的对消的效果。但是值得注意的是，在这个操作的过程当中，因为其计算的复杂程度过高、信号的处理方面过于复杂、操作过程当中有大量的权值敛性的影响需要相关人员进行综合的考虑，这就需要采取降维的方式和方法进行手段上的处理，从而得以改进。

自适应空频滤波在进行运作的时候，会把自适应频域滤波以及自适应的空频域滤波进行互相的结合，在进行工作之初，首先会对于信号进行输入，然后进而再改变到相应的频域当中，在此之后会根据频谱所显示出来的内容把数据大概分成几个不同的中心频率块数据，对于每块数据会产生的结果进行自适应的加权处理运作，滤波的数据在合成之后会进行相应的逆变换，最终在输出送到后段进行对应的处理。这种处理的方式不仅能够最大程度上的发挥频域的处理技术优势，也能够最大程度上的发挥空域的处理技术优势。

2 卫星导航信号干扰及其危害

卫星导航信号的干扰主要包括了：在全球的导航卫星系统频带当中发射信号的系统，其对于全球的导航卫星系统所造成和产生的影响。在全球导航卫星系统频带外发射信号的系统，对于全球导航卫星系统也可能会产生一定的干扰。

2.1 全球卫星导航系统的中继器以及伪卫星

在一些不是航空系统所发射的无线电信号当中，想要补充全球的卫星导航系统对于全球导航卫星系统的信号接收不到的区域，比如常见的建筑物内。在这些卫星导航系统当中，包含的主要是全球的导航卫星系统的中继器以及伪卫星。中继器又能够被称为是“再辐射器”，是在全球导航卫星系统的现有基础上进行放大这一过程，然后再对其开展实施的再辐射的系统。伪卫星是能够和全球的卫星导航系统共同产生和发射相似的测量距离信号的地基系统。

2.2 全球导航卫星系统的干扰器

全球导航的卫星干扰系统，是对全球的导航卫星系统所产生的信号有故意的有害干扰，用以对其能够接收到的一些装置和系统进行阻止以及损害。能够导致这种现象的原因有很多，一般是为了能够保证记录、或者是传递全球的卫星导航定位信息的一些装置。比如：为了追踪或者是收取费用的目的。但是，所产生的干扰结果，有可能会潜在地影响全球的卫星导航系统的全部用户，但不仅仅是为了能够对自己已定的目标进行干预，所以，能够产生的影响可能是会远远的超出人们所进行操作的范围的。

3 抗干扰关键技术及具体分类

结合当前卫星导航信号抗干扰技术发展的现状，卫星导航干扰技术的实施方式以及分类主要分为如下的几种：

3.1 分布式组网干扰

分布式组网干扰指的是在某一个固定的区域或者范围当中，建设一块全方位的、立体化的分布式组网干扰的系统。这样做对于卫星导航系统所能够产生的优点是有利于实现信号在发射过程当中的无缝隙干扰的覆盖过程，也能够十分有效控制干扰所影响的范围，据此能够有效地制定对抗天线和增强卫星导航信号抗干扰的一系列措施，从而降低卫星导航系统所被探测和被攻击的概率。

3.2 大功率干扰

通过大功率的干扰方式，能够使得在某一个区域当中的卫星导航信号的接收机受到一定的限制和阻塞，从而不能够保证本身的正常工作。大功率干扰机在作战状态当中，十分容易被对方的反辐射导弹摧毁，通常要将其放置在防护区域当中十分重要的目标附近。

3.3 多体制组合干扰

在卫星导航信号系统当中，针对卫星导航的抗干扰技术，会采用新的抗干扰的信号体制，与此同时也会针对不同的干扰信号分别进行不同的智能化的组合工作。

4 国内外抗干扰技术分析

4.1 把自适应调零天线作为代表的空域滤波抗干扰

在其他国家的卫星导航信号联合计划办公室当中，曾经就列出过29种不同的技术，用于对卫星导航信号的性能提高，在此当中对于卫星导航接收机抗干扰性能的相关技术包括着GPS以及INS的整体组合技术、自适应的调零天线相关的技术、抗干扰的滤波机器相关的技术、能够直接Y码获取的技术和波束形成的技术等。在对于卫星导航信号的系统的接收器抗干扰方面的性能进行提升的时候，其他国家的军队采取了一个十分重要的方向，其具体的做法是采用的自适应空域调零的方式，在能够产生干扰的方向形成了零陷，这就最终能够使得干信比提升了大概40～45dB。截止到了21世纪的初期以后，自适应调零天线这种技术一直以来都是西方大多数国家用以提高卫星导航信号接收器抗干扰能力的最为重要的方法。

4.2 把数字波束技术作为代表的多种滤波互相结合进行综合性抗干扰

如果想对抗干扰的能力进行再一步的提高，把数字滤波技术作为代表的多种滤波技术互相结合的抗干扰就显得十分重要的，其组成过程是把数字波束的形成、自适应的调零以及惯性方面的辅助进行了结合，在天线阵当中基本上都会大于4个阵元。这样的运作方式不但能够有效地提升抗干扰的数量，而且对于抗干扰的能力也有效地进行了促进。