1.引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于具有覆蓋范圍廣、傳輸質(zhì)量好、部署迅速、組網(wǎng)方便、通信系統(tǒng)投資幾乎與通信距離無關(guān)、通信可到達地點幾乎不受地理環(huán)境條件限制等特點，在軍事和民用上都具有特別重要的實用價值。但衛(wèi)星導(dǎo)航通信受自身特點的限制和環(huán)境的影響，不可避免地存在各種干擾，尤其是其開放式的系統(tǒng)，使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，更容易受到一些不可預(yù)見的惡意干擾。未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面對越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境如何抗干擾，提高系統(tǒng)自身的抗干擾能力和抗摧毀性，這個問題值得我們認真思考和研究。

2. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾途徑

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾平臺包括地基、空基和天基干擾平臺。地基干擾平臺的特點是目標尋找較容易、成本低、對衛(wèi)星干擾時高頻段干擾受限；空基干擾平臺的特點是機動性好、尋找容易、對衛(wèi)星干擾時高頻段干擾也受限；天基干擾平臺的特點是可通過備份衛(wèi)星對主用衛(wèi)星進行干擾、機動性差、成本高、對地面系統(tǒng)干擾時高頻段受限。

從干擾的目標對象來說，干擾有以下幾種：

（1）對遙測遙控信號的干擾

采用較大功率的干擾設(shè)備，對衛(wèi)星的遙測遙控信號進行干擾，從而破壞衛(wèi)星正常遙測遙控信號的傳輸（上、下行）。此外，還可干擾導(dǎo)航信號、數(shù)傳信號以及通信轉(zhuǎn)發(fā)信號。

（2）對透明式轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾

只要干擾信號的功率足夠大（大于其工作門限）就可以將透明式轉(zhuǎn)發(fā)器推入飽和，使信噪比嚴重下降，從而破壞衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作。

（3）對硬限幅式轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾

如果衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了硬限幅式轉(zhuǎn)發(fā)器，則大信號對小信號有抑制作用，且存在互調(diào)，特別是在系統(tǒng)中尤為重要。利用這一特點，采用大幅度的干擾信號就可以使正常信號嚴重失真從而無法接收。

（4）對猝發(fā)信號的干擾

指干擾對系統(tǒng)正常信號的快速截獲與及時干擾。

3.抗干擾技術(shù)

目前，針對衛(wèi)星導(dǎo)航下行信號的抗干擾方法主要有以下三種：

（1）基于時頻（時域、頻域或時頻結(jié)合）信號處理的抗干擾方法，通常稱為時域抗干擾方法；

（2）基于空域信號處理的抗干擾方法，又稱為自適應(yīng)天線或智能天線抗干擾方法；

（3）基于空時信號處理的抗干擾方法，即將空域和時域抗干擾方法組合起來；

（4）GPS/INS組合導(dǎo)航抗干擾方法。

3.1 時域抗干擾方法

時域抗干擾方法中采用的干擾抑制算法主要有時域干擾抑制算法和變換域干擾抑制算法兩種。時域干擾抑制算法通常采用自適應(yīng)濾波技術(shù)來實現(xiàn)，自適應(yīng)濾波技術(shù)在均方誤差最小（MMSE）意義下估計出干擾信號并從輸入信號中對消掉，可有效抑制相對帶寬小于5%的干擾信號。時域抗干擾方法原理如圖1所示。

在變換域干擾抑制算法中，較常用的是頻域干擾抑制算法。利用DFT或FFT算法變換到頻域上，再利用信號與干擾頻譜特性的差異，將干擾信號譜成分從接收信號譜中剔除。這個過程中一般采用的是頻域加權(quán)矢量法，根據(jù)輸入信號的功率譜密度確定干擾頻帶所在的位置，并對被干擾的信號頻譜進行加權(quán)處理，抑制掉干擾頻譜。在頻域干擾抑制算法中，為了減少數(shù)據(jù)截斷所引起的頻譜泄漏，需采用旁瓣電平較小的數(shù)據(jù)窗來減小頻譜泄漏。但是，數(shù)據(jù)加窗又將會使信號產(chǎn)生失真，引起信噪比的下降。

從干擾抑制能力上看，頻域干擾抑制技術(shù)可以抑制信號帶寬（一般認為相對帶寬小于10%）大于自適應(yīng)濾波干擾抑制技術(shù)可抑制的帶寬，但實現(xiàn)復(fù)雜性大于自適應(yīng)濾波干擾抑制技術(shù)。

另外，時域干擾抑制算法會引入額外的算法時延，這種時延將作為導(dǎo)航信號的傳輸時延。對于無源定位體制而言，干擾抑制算法時延可視為用戶接收機鐘差的一部分，通過偽距觀測和定位解算可以計算出用戶機鐘差，并得到精確的用戶位置，也就是說這個時延不會影響用戶的定位精度。相反，頻域干擾抑制技術(shù)通常在頻域上對信號進行實數(shù)處理，對應(yīng)到時域上是相當于利用系數(shù)關(guān)于中心抽頭共軛對稱的復(fù)系數(shù)濾波器對信號處理，可以保證濾波器的線性相位特性，很容易消除算法時延的影響。

雖然頻域干擾抑制算法比較容易消除算法時延的影響，但由于干擾抑制的同時改變了輸入偽碼信號特性，使得接收機偽碼信號與本地偽碼信號特性不一致，從而使得接收信號失配，導(dǎo)致相關(guān)峰畸變。

3.2 空域抗干擾方法

空域抗干擾方法即智能天線抗干擾方法，常見的有自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)和多波束天線兩種。

適應(yīng)調(diào)零技術(shù)的原理即采用多點布設(shè)干擾站的方法，當干擾站數(shù)量大于調(diào)零天線的調(diào)零個數(shù)或波束數(shù)量，并分布在波束內(nèi)時，干擾就會奏效。另外，若采用多個干擾站相互配合實施間斷閃爍干擾，使其無法形成指向干擾的天線方向圖，從而起到破壞這種抗干擾方法的作用，實施有效干擾。目前比較成熟和應(yīng)用廣泛的抗寬帶干擾技術(shù)是基于自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)，如美國雷聲公司研制的抗干擾GPS接收機，它采用了5個陣元的自適應(yīng)調(diào)零天線，用于下一代的“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈BlockIV.而抗窄帶或單頻干擾的方法主要有空時聯(lián)合或頻域濾波，這種方法可以抑制多種干擾，它可以在不增加陣元的前提下，大大增加陣的自由度，在陣的設(shè)計上，也為最優(yōu)準則的選取提供了更大的余地。然而，空時處理在提高抗干擾能力的同時也會使計算量顯著增加。

多波束天線即用波束形成網(wǎng)絡(luò)向陣列單元激勵所需的信號振幅和相位，產(chǎn)生多個銳波束，然后通過波束的疊加來產(chǎn)生特定形狀的成形波束覆蓋特定區(qū)域，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。而且，多波束天線可以實現(xiàn)一對多的通信，地面控制系統(tǒng)可采用多波束天線實現(xiàn)多顆衛(wèi)星星歷的同時注入。

自適應(yīng)調(diào)零天線利用敵我雙方信號在振幅、頻率和空間方位的不同，通過對天線各陣元進行自適應(yīng)加權(quán)處理，自動控制和優(yōu)化天線陣的方向圖，在干擾源方向上產(chǎn)生深度調(diào)零，使信號收到的干擾最少，調(diào)零深度一般可以達到25dB~30dB.它能有效抑制寬帶干擾、窄帶干擾、同頻干擾和鄰道干擾等不同形式的干擾。

3.3 空時自適應(yīng)抗干擾方法

空時自適應(yīng)算法經(jīng)歷了4個階段的演變：第一階段（上世紀50年代中期到60年代末期），是基于梯度算法的空間一維處理；第二階段（70年代初期到70年代中期），在多天線陣元上采用時間快拍，真正實現(xiàn)了空時二維自適應(yīng)處理，可處理寬帶信號，但算法仍基于梯度算法；第三階段（70年代中期到80年代中期），采用采樣矩陣求逆的算法，可達到更快的收斂速度；第四階段（80年段中期至9 0年代中期），針對大維數(shù)系統(tǒng)，重點在于降低處理自由度（DOF），即降維處理，可同時降低運算量及提高收斂速度。其中最具有代表性的方法有Tufts等提出的主成分法，Goldstein和Reed提出的互譜度量法和多級維納濾波。近年來提出的波束控制盒波束成形除了在干擾來向形成深陷以外，還在衛(wèi)星信號方向形成高增益波束，在抑制干擾的同時增強衛(wèi)星信號，可顯著提高抗干擾能力。

空時抗干擾方法采用陣列天線（均勻圓陣或均勻線陣），利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號的特征完成干擾抵消，同時盡量保證信號的不失真。空時處理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

設(shè)系統(tǒng)空時維數(shù)M ? P,每個時間延遲單元的時間延遲為T ,W 為空時權(quán)矢量。聯(lián)合空時處理的輸入向量 X = S + n （ S 為信號， n 為噪聲）。

在平穩(wěn)條件下，聯(lián)合空時處理的標量輸出為：

基于同一時間延遲節(jié)點，各陣元共同起到的作用相當于空域的自適應(yīng)濾波，可以分辨空間干擾源，形成空域零陷抑制空域干擾。基于同一天線陣元，各級時延相當于時域FIR濾波，根據(jù)自適應(yīng)濾波原理，在時域進行干擾抵消。空時聯(lián)合處理能夠在空域或頻域的二維平面上抑制干擾。可以近似地認為聯(lián)合空時處理是把空域濾波推廣到了空時域，或把時域濾波推廣到了空時二維濾波。

空時自適應(yīng)抗干擾技術(shù)雖然在理論上有了一定的進展，但也存在許多不足的方面，未來我們研究的方向主要是一方面對空時處理抗干擾算法的研究，主要是尋找更好的降維算法或者在原有的降維算法的基礎(chǔ)上進行改造，目的是為了使減少運算量和實時性同步的實現(xiàn)。改進算法的同時也要把握好降維性能和干擾抑制性能之間的平衡，使其在通過降維方法減少運算量的同時，盡量減小其對抑制干擾能力所造成的影響。另一方面是提高工業(yè)技術(shù)，使其做出能夠?qū)崟r處理大量運算的處理器，來達到運用空時處理技術(shù)實時的抑制多個干擾的目的。

3.4 GPS/INS組合導(dǎo)航

GPS/INS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)是GPS系統(tǒng)和慣性系統(tǒng)組合，是將陀螺、磁力計、加速度計和GPS等有機組合以提供更加豐富精確的導(dǎo)航信息。該系統(tǒng)一方面能夠突破單一設(shè)備的使用限制，另一方面使之同時具備三維定位、三維測速和姿態(tài)、方位測量能力，并且具備較強的抗干擾能力，從而成為能夠提供全面信息的低成本導(dǎo)航方法。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)用于武器系統(tǒng)的定位導(dǎo)航，能充分發(fā)揮兩者各自優(yōu)勢取長補短，利用GPS的長期穩(wěn)定性和適中精度，來彌補INS的誤差隨時間傳播或增大的缺點，利用INS的短期高精度來彌補GPS接收機受干擾時誤差增大或遮擋時丟失信號等缺點，并借助慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)信息和角速度信息，提高GPS接收機天線的定向操縱性能，使之快速捕獲或重新捕獲GPS衛(wèi)星信號，同時借助GPS連續(xù)提供的高精度位置信息和速度信息，估計并校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差，速度誤差和系統(tǒng)其它誤差參數(shù)，實現(xiàn)對其空中傳遞對準和標定，從而可放寬對其精度提出的要求，使得整個組合制導(dǎo)系統(tǒng)達到最優(yōu)化，具有很高的效費比。

4.結(jié)束語

通過上述分析得知已有的抗干擾方法各有其技術(shù)優(yōu)勢和缺陷，如何有效地將各種抗干擾措施結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)越性，同時降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，做到多功能、小型化是今后面臨的關(guān)鍵問題。20世紀90年代以來，各國都非常重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的研究與應(yīng)用，我國的抗干擾技術(shù)雖然起步較晚，但也已經(jīng)取得了很大進步。