淺談gps抗干擾技術

1、<p>　　淺談GPS抗干擾技術</p><p>　　(中南大學 通信工程)</p><p>　　中文摘要：全球定位系統(tǒng)(GPS),可以在全球范圍內(nèi)全天候、全天時地為用戶提供連續(xù)的高精度定位和時間信息,用戶終端設備易于實現(xiàn)、 精度較高, 被廣泛應用于各個領域。隨著其在軍事領域的廣泛應用,GPS成為重點的被干擾、攻擊對象,在復雜電磁環(huán)境下中如何保護GPS不受干擾成為了重點研究問題。

2、</p><p>　　A brief analysis of GPS Anti interference technology</p><p>　　英文摘要：The global positioning system (GPS), can be globally , day and night to provide users with high positioning accuracy

3、and time information for the user terminal equipment, easy realization, high precision, it is widely used in various fields. With its widely application in military, GPS become the focus of disturbed, attack object, in a

4、 complex electromagnetic environment is how to protect GPS against interference has become a key research problem.</p><p>　　關鍵詞：GPS 干擾 抗干擾 </p><p><b>　　引言</b></p><p>　　G

5、PS（Global Positioning System）是一種全球全天候導航測時系統(tǒng)。GPS完整性監(jiān)視從檢測和抑制空間部分的失效方面國內(nèi)外作了廣泛深入的研究。但從干擾的檢測和抑制方面來研究GPS信號本身的完整性還未有報道。因GPS接收機主要依賴于GPS衛(wèi)星發(fā)射的射頻GPS信號來工作，因此它易受射頻干擾的影響。射頻干擾會降低GPS接收機導航定位精度或使它不能跟蹤GPS信號。射頻干擾可能是寬帶的、窄帶的、無意的或有意的。因為射頻干擾不能預

6、測，當它出現(xiàn)，無論GPS發(fā)射的信號是否完好，它都會降低GPS信號的可用性。因此研究GPS抗干擾技術具有重要實際意義。</p><p>　　目前先進的電子干擾技術已經(jīng)GPS脆弱的抗干擾構成了直接威脅。首先,GPS的研制目的是為高動態(tài)用戶提供全天候、連續(xù)、高精度的信息數(shù)據(jù),在研制初期并沒有考慮到該系統(tǒng)將在復雜的電子干擾環(huán)境中工作的問題,致使GPS在抗電子干擾方面異常脆弱。GPS系統(tǒng)功率較低,其信號強度只有電視接收機天

7、線接受到的信號的10億分之一,僅相當于人的肉眼在能見度較好的條件下觀看1萬公里以外一只25瓦普通燈泡的亮光。只要事先知道GPS的信號特征,就可以使用功率較小的干擾機對其實施有效的干擾。</p><p>　　本文從對GPS的弱點分析入手，得出GPS的主要干擾手段，再得出GPS抗干擾技術，從而給出一個對于GPS系統(tǒng)干擾及抗干擾機理的總體概述，并對抗干擾技術的發(fā)展方向做出介紹。</p><p>

8、　　干擾的種類以及GPS信號的弱點</p><p>　　GPS射頻載波信號的接收即使受到干擾，其數(shù)字數(shù)據(jù)也能被檢測和處理，如果利用信號載波，就可以獲得高的精確度，這是因為GPS固有的寬頻譜具有較強的抗干擾能力，這通常是可以做到的。然而，信號相當微弱，其信號強度相當于電視機天線所接收到的功率10億分之一。接收水平之低使得GPS易受低功率干擾的影響，即使是無意發(fā)射信號，也可以干擾接收機。敵方若采用寬帶噪聲進行干擾，技

9、術上容易實現(xiàn)而且相當有效。可見，GPS需要采取一定的抗干擾措施。無論是軍用還是民用，重要的是使GPS受干擾的程度最小化，并具有足夠的抗干擾能力，以確保它在各種環(huán)境下的可用性。世界各國及其軍事用戶已經(jīng)認識到了這些，由此引起了幾種空間調零天線技術和數(shù)字濾波技術的發(fā)展。</p><p>　　GPS接收機對不同類型的干擾發(fā)射波顯示出不同的受干擾程度，和普通的電子干擾一樣，也分為壓制式和欺騙式兩大類。</p>

10、<p><b>　　1、1 壓制式干擾</b></p><p>　　壓制式干擾有窄帶干擾（瞄準式）、寬帶干擾（阻塞式），在干擾作用時間上有連續(xù)干擾和脈沖干擾, 用噪聲或類似噪聲的干擾信號淹沒或遮擋有用信號導致衛(wèi)星導航接收機無法正常工作。壓制式干擾的優(yōu)點是技術難度較小，但所需干擾功率較大。</p><p><b>　　1、2 欺騙式干擾</b

11、></p><p>　　欺騙式干擾是發(fā)射與GPS信號相類似的干擾信號，誤導GPS接收機偏離準確的導航和定位。這種干擾的優(yōu)點是顯而易見的，所需干擾功率小，干擾效果大大好于壓制式干擾。當然欺騙式干擾的技術難度要遠遠大于壓制式干擾。因為要實現(xiàn)欺騙就必須了解GPS衛(wèi)星的碼型及當時發(fā)出的電文數(shù)據(jù)等信息，而了解和掌握這些又是相當困難的。</p><p>　　1、3 分布式立體干擾</p&g

12、t;<p>　　運用多種類型干擾機在地面、空中等進行全方位立體式干擾。</p><p><b>　　抗干擾的種類</b></p><p>　　根據(jù)GPS技術特性,從操作策略、干擾源及接收機角度作技術或非技術調整以增強抗干擾能力。</p><p>　　2、1恰當運用操作策略</p><p>　　這是一種非實質

13、性抗干擾法。運用操作策略避免GPS接收機暴露于干擾源。如果干擾機位于地面(基于地面干擾),基于地面的GPS接收機能利用周圍地形提供附加抗干擾性?；诘孛娴母蓴_機可能因地形效應而遭受傳播損失。干擾機信號受到反射、散射和折射,還未到達GPS接收機就在許多目標上損耗掉了。而衛(wèi)星信號通常與地平面至少有10°,不會遭受這種效應。這樣,干擾機信號的傳播損失就使基于地面的GPS接收機達到反干擾目的。但這種方法對機載干擾機幾乎無效。</

14、p><p>　　2、2從RFI源進行控制</p><p>　　這種方法采取截斷干擾源從而達到抗干擾目的。對無線頻率干擾(RFI),嚴格的規(guī)章制度控制是最有效的干擾控制方法,它對可能成為干擾源的發(fā)射波段作出限制。要處理偶然出現(xiàn)的干擾源,要在系統(tǒng)級別上研究抗干擾策略。對遠離GPS的相同地點的發(fā)射頻帶源,最有效的方法是對發(fā)射源進行屏蔽與濾波。另一種方法是從發(fā)射控制的技術著手,它指為減少確定空間/時域

15、發(fā)射而設計的實時可操作程序,它的關鍵問題是要確?？刂葡到y(tǒng)有足夠可靠性和整體性。</p><p>　　2、3 技術上的改進和調整</p><p>　　利用常見干擾信號的特性,如振幅、頻率、時間、空間及極化作用等,根據(jù)成本和復雜性,可將這些抑制或減小干擾的技術分成三種類型:</p><p>　　自適應陣類:零控制,光束控制;</p><p>　　

16、多孔技術類:光束轉換,多元對消法;</p><p>　　單孔技術類:窄前后濾波器,窄輔助跟蹤環(huán),時相濾波,GPS/慣性集成和輔助,極化抗干擾技術。</p><p>　　在抗干擾領域取得的進展大多數(shù)都是基于雷達和通信的平行演化,rf技術、數(shù)據(jù)采集現(xiàn)代化及數(shù)字信號處理等。</p><p>　　2、4抗干擾數(shù)字GPS接收機</p><p>　　2、

17、4、1射頻干擾檢測技術</p><p>　　其工作機理是檢測射頻干擾的出現(xiàn)，一旦干擾影響了GPS信號的完整性就立刻報警，且能提供GPS接收機天線和前端輸入額射頻干擾的大小。圖中標注①采用AGC電路完成射頻干擾檢測，再通過干/噪（J/N）儀檢測其信號的存在。干擾信號一旦影響GPS信號的正常接收就會報警并將信號反饋到GPS接收機天線和前端濾波放大器；當AGC自控電壓的高低來精確估算J/N比大小可直接估算干擾信號功率的

18、大小。</p><p>　　2、4、2前端濾波技術</p><p>　　圖中標注②的抗干擾濾波處理技術是很有潛力且正在高速發(fā)展的新技術。它用微電子及軟件來實現(xiàn)，能使GPS接收機免受2個L頻段GPS頻帶外強功率干擾。多數(shù)GPS接收機目前均采用陡截止頻率特性的無源濾波器來抑制強帶外功率。其優(yōu)點是插入損耗低，截止帶寬的抗干擾性好，是有效解決帶外射頻干擾的最佳選擇，但體積較大，價格昂貴。它與放大器

19、一起裝在天線中，除前置濾波外，還要對窄帶下變頻器及本振混頻器進行濾波。當下變頻率接近中頻并與窄帶濾波帶寬同步時，GPS接收機前端帶寬為2倍速率，對G/A碼是2.046MHz，對Y碼是20.46 MHz，從而改善了接收機的帶外干擾特性，降低了中頻A/D變換處理所需的奈奎斯特采樣速率。</p><p>　　2、4、3碼環(huán)和載波換跟蹤技術</p><p>　　碼環(huán)和載波環(huán)增強技術是在均標注在圖中

20、③的數(shù)字GPS接收機通道和接收處理器中實現(xiàn)的。其抗干擾性能是通過窄帶碼環(huán)壓縮載波跟蹤濾波器的帶寬和接收機預檢測帶寬來改善。因寬帶帶寬使動態(tài)范圍變窄，可以通過增加環(huán)路濾波器階次來彌補，也可通過外部導航系統(tǒng)來彌補，如采用內(nèi)部輔助增強技術、外部導航輔助增強技術有慣性導航系統(tǒng)（INS）、多普勒雷達和空氣速度計，而最引人注目的是GPS和INS的最佳組合。之一是借INS提供的平臺速度信息去輔助GPS接收機的載波環(huán)和碼環(huán)，做到環(huán)路帶寬很窄，有效提高G

21、PS接收機的信號/干擾比（S/J）；之二是在強干擾下只有GPS導航，當GPS接收機信噪比恢復到跟蹤門限G/No以上時，再用INS輔助GPS接收機快速捕獲GPS信號。GPS和INS的組合可使接收機的抗干擾性能提高10～15dB。</p><p>　　2、4、4窄帶干擾處理技術</p><p>　　圖中標注④的窄帶干擾處理技術也稱暫時濾波技術，是DFT技術用于數(shù)字中頻信號處理即頻域幅度處理的例

22、子，如無射頻干擾，熱噪聲功率譜在頻域內(nèi)相當均勻；又如信號中有窄帶干擾，頻域出現(xiàn)明顯異常，其異常譜線在DFT中被自適應濾除。</p><p>　　2、4、5天線增強技術</p><p>　　圖中標注⑤的GPS接收機天線采用自適應天線陣技術來提高其接收靈敏度；自適應調零天線技術是提高GPS接收機抗干擾的重要手段，目前美國處于領先地位。這種天線由多元天線陣組成，每一天線陣經(jīng)微波網(wǎng)絡接到處理器，信

23、號處理后又饋送到微波網(wǎng)絡進行調節(jié)，使各陣元的增益和相位發(fā)生變化，對來自天線陣方向圖的干擾源歸零，以降低干擾性能。其中零點數(shù)由陣元數(shù)決定，一般N元陣天線能控制N-1個零點。較理想的自適應天線能把GPS接收機的抗干擾能力提高40～50dB。</p><p>　　2、4、6抗多徑干擾技術</p><p>　　在圖中標注⑥的GPS天線陣周圍設置合適的微波吸收圈或者扼流圈，以增大天線方向圖的銳截止角

24、，從而有效提高抗多徑干擾的性能，迫使敵方使用大功率干擾機，利于GPS檢測、定位和摧毀。</p><p>　　GPS抗干擾技術發(fā)展趨勢</p><p>　　綜合分析國內(nèi)外現(xiàn)代GPS系統(tǒng)的發(fā)展狀況和技術特點，多個GPS系統(tǒng)兼容性與組合導航定位技術、廣域增強技術、導航信號增強與調制技術、自主導航星座運行管理技術以及導航與通信一體化技術等將成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術的發(fā)展方向。 1、GPS系統(tǒng)兼容性與

25、組合導航定位技術</p><p>　　未來5年，以GPS、GLONASS和伽利略等為代表的衛(wèi)星導航系統(tǒng)將完成現(xiàn)代化技術改造和星座組網(wǎng)，系統(tǒng)性能大幅度提升。衛(wèi)星導航系統(tǒng)將從獨立建設走向合作開發(fā)利用，共享空間信息資源和國際衛(wèi)星導航用戶市場。</p><p>　　2、衛(wèi)星導航信號區(qū)域功率增強</p><p>　　在強干擾環(huán)境條件下，導航衛(wèi)星利用點波束天線，增強指定區(qū)域信號

26、功率，專用接收機能夠接收導航信號，且不會降低導航定位精度。同時，對導航信息進行加密處理，具有抗電子欺騙能力，以滿足特定用戶的實際應用需求。因此，GPS系統(tǒng)的抗干擾、多點波束信號增強、小型化的高增益接收天線、導航信號編碼與加密以及專用信號加解密模塊等技術將是GPS系統(tǒng)技術的發(fā)展方向。</p><p>　　3、基于星地、星間鏈路高速寬帶網(wǎng)絡的導航與通信—體化技術</p><p>　　導航定位精

27、度、完好性、可用性和連續(xù)性是設計和評價GPS系統(tǒng)的頂層性能指標，也是新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術改造的目標要求?？山⒏咚俚男堑?、星間寬帶通信網(wǎng)絡，做到“接入到一顆衛(wèi)星，等效于接入整個星座”，實現(xiàn)對星座的實時、連續(xù)和動態(tài)監(jiān)視，保障導航信息的實時性和有效性，全面滿足系統(tǒng)頂層性能指標要求。</p><p>　　隨著地面移動通信技術的發(fā)展，人們?nèi)找嬉庾R到時間、地點和事件等基本信息要素的重要性。例如，城市車載衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用

28、，已提供方便快捷的信息服務。但是，對于大范圍乃至“地球村”實時信息獲取，則有賴于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的支持。新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星地、星間高速寬帶通信網(wǎng)絡，必然會促進導航與通信技術的一體化，實現(xiàn)全球無縫接人和實時信息獲取。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　現(xiàn)代GPS系統(tǒng)已成為及時獲取高精度導航信息的空間基礎設施，具有極高的軍民利用價值，倍受世界

29、各國青睞。而在GPS干擾技術日趨成熟的現(xiàn)代社會，人民乃至國家的安全受到的前所未有的挑戰(zhàn)，GPS抗干擾技術的迅速發(fā)展成為必然。而在實踐運用中，成本，技術難度及可實現(xiàn)性處處制約著GPS抗干擾技術的發(fā)展，而各種抗干擾方案各有其優(yōu)點與缺陷，有效地將各種抗干擾措施統(tǒng)一結合，充分利用各自的優(yōu)越性，提高系統(tǒng)的可靠度，做到小型化、多功能，是今后努力和奮斗的方向。努力提高衛(wèi)星導航接收機適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭惡劣電磁環(huán)境的作戰(zhàn)能力，以最大限度保障現(xiàn)代化信息戰(zhàn)的需要，

30、這對現(xiàn)代化武器性能的提高以及重點、局部區(qū)域作戰(zhàn)支持有著非常重要的軍事意義。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]劉海波，吳德偉，董成喜，盧艷娥.GPS抗干擾技術發(fā)展趨勢.西安：空軍工程大學電訊工程學院，2011.1</p><p>　　[2]王茂鋒.GPS抗干擾技術與自適應天線探索.陜西：陜西東方航空儀表有限

31、責任公司，2013.11</p><p>　　[3]孫越強.GPS干擾及抗干擾技術.中國科學院空間科學與應用研究中心 空間環(huán)境探測研究室</p><p>　　[4]王忠.GPS抗干擾技術.全球定位系統(tǒng).成都：成都氣象學院電子系.2011</p><p>　　[5]陳于平.GPS抗干擾技術綜述.數(shù)學技術與應用，2013.武漢：國防信息學院</p><