淺談gps抗干擾技術(shù)

1、<p>　　淺談GPS抗干擾技術(shù)</p><p>　　(中南大學(xué) 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(shí)地為用戶提供連續(xù)的高精度定位和時(shí)間信息,用戶終端設(shè)備易于實(shí)現(xiàn)、 精度較高, 被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,GPS成為重點(diǎn)的被干擾、攻擊對(duì)象,在復(fù)雜電磁環(huán)境下中如何保護(hù)GPS不受干擾成為了重點(diǎn)研究問(wèn)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(guān)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?qū)Ш綔y(cè)時(shí)系統(tǒng)。GPS完整性監(jiān)視從檢測(cè)和抑制空間部分的失效方面國(guó)內(nèi)外作了廣泛深入的研究。但從干擾的檢測(cè)和抑制方面來(lái)研究GPS信號(hào)本身的完整性還未有報(bào)道。因GPS接收機(jī)主要依賴于GPS衛(wèi)星發(fā)射的射頻GPS信號(hào)來(lái)工作，因此它易受射頻干擾的影響。射頻干擾會(huì)降低GPS接收機(jī)導(dǎo)航定位精度或使它不能跟蹤GPS信號(hào)。射頻干擾可能是寬帶的、窄帶的、無(wú)意的或有意的。因?yàn)樯漕l干擾不能預(yù)

6、測(cè)，當(dāng)它出現(xiàn)，無(wú)論GPS發(fā)射的信號(hào)是否完好，它都會(huì)降低GPS信號(hào)的可用性。因此研究GPS抗干擾技術(shù)具有重要實(shí)際意義。</p><p>　　目前先進(jìn)的電子干擾技術(shù)已經(jīng)GPS脆弱的抗干擾構(gòu)成了直接威脅。首先,GPS的研制目的是為高動(dòng)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(méi)有考慮到該系統(tǒng)將在復(fù)雜的電子干擾環(huán)境中工作的問(wèn)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(hào)強(qiáng)度只有電視接收機(jī)天

7、線接受到的信號(hào)的10億分之一,僅相當(dāng)于人的肉眼在能見(jiàn)度較好的條件下觀看1萬(wàn)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(hào)特征,就可以使用功率較小的干擾機(jī)對(duì)其實(shí)施有效的干擾。</p><p>　　本文從對(duì)GPS的弱點(diǎn)分析入手，得出GPS的主要干擾手段，再得出GPS抗干擾技術(shù)，從而給出一個(gè)對(duì)于GPS系統(tǒng)干擾及抗干擾機(jī)理的總體概述，并對(duì)抗干擾技術(shù)的發(fā)展方向做出介紹。</p><p>

8、　　干擾的種類以及GPS信號(hào)的弱點(diǎn)</p><p>　　GPS射頻載波信號(hào)的接收即使受到干擾，其數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也能被檢測(cè)和處理，如果利用信號(hào)載波，就可以獲得高的精確度，這是因?yàn)镚PS固有的寬頻譜具有較強(qiáng)的抗干擾能力，這通常是可以做到的。然而，信號(hào)相當(dāng)微弱，其信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)于電視機(jī)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(wú)意發(fā)射信號(hào)，也可以干擾接收機(jī)。敵方若采用寬帶噪聲進(jìn)行干擾，技

9、術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)而且相當(dāng)有效?？梢?jiàn)，GPS需要采取一定的抗干擾措施。無(wú)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(guó)及其軍事用戶已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這些，由此引起了幾種空間調(diào)零天線技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　GPS接收機(jī)對(duì)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(zhǔn)式）、寬帶干擾（阻塞式），在干擾作用時(shí)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(hào)淹沒(méi)或遮擋有用信號(hào)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)無(wú)法正常工作。壓制式干擾的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)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(hào)相類似的干擾信號(hào)，誤導(dǎo)GPS接收機(jī)偏離準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位。這種干擾的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，所需干擾功率小，干擾效果大大好于壓制式干擾。當(dāng)然欺騙式干擾的技術(shù)難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓制式干擾。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)欺騙就必須了解GPS衛(wèi)星的碼型及當(dāng)時(shí)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(dāng)困難的。</p><p>　　1、3 分布式立體干擾</p&g

12、t;<p>　　運(yùn)用多種類型干擾機(jī)在地面、空中等進(jìn)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(shù)特性,從操作策略、干擾源及接收機(jī)角度作技術(shù)或非技術(shù)調(diào)整以增強(qiáng)抗干擾能力。</p><p>　　2、1恰當(dāng)運(yùn)用操作策略</p><p>　　這是一種非實(shí)質(zhì)

13、性抗干擾法。運(yùn)用操作策略避免GPS接收機(jī)暴露于干擾源。如果干擾機(jī)位于地面(基于地面干擾),基于地面的GPS接收機(jī)能利用周圍地形提供附加抗干擾性?；诘孛娴母蓴_機(jī)可能因地形效應(yīng)而遭受傳播損失。干擾機(jī)信號(hào)受到反射、散射和折射,還未到達(dá)GPS接收機(jī)就在許多目標(biāo)上損耗掉了。而衛(wèi)星信號(hào)通常與地平面至少有10°,不會(huì)遭受這種效應(yīng)。這樣,干擾機(jī)信號(hào)的傳播損失就使基于地面的GPS接收機(jī)達(dá)到反干擾目的。但這種方法對(duì)機(jī)載干擾機(jī)幾乎無(wú)效。</

14、p><p>　　2、2從RFI源進(jìn)行控制</p><p>　　這種方法采取截?cái)喔蓴_源從而達(dá)到抗干擾目的。對(duì)無(wú)線頻率干擾(RFI),嚴(yán)格的規(guī)章制度控制是最有效的干擾控制方法,它對(duì)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(jí)別上研究抗干擾策略。對(duì)遠(yuǎn)離GPS的相同地點(diǎn)的發(fā)射頻帶源,最有效的方法是對(duì)發(fā)射源進(jìn)行屏蔽與濾波。另一種方法是從發(fā)射控制的技術(shù)著手,它指為減少確定空間/時(shí)域

15、發(fā)射而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)可操作程序,它的關(guān)鍵問(wèn)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(shù)上的改進(jìn)和調(diào)整</p><p>　　利用常見(jiàn)干擾信號(hào)的特性,如振幅、頻率、時(shí)間、空間及極化作用等,根據(jù)成本和復(fù)雜性,可將這些抑制或減小干擾的技術(shù)分成三種類型:</p><p>　　自適應(yīng)陣類:零控制,光束控制;</p><p>　　

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

17、4、1射頻干擾檢測(cè)技術(shù)</p><p>　　其工作機(jī)理是檢測(cè)射頻干擾的出現(xiàn)，一旦干擾影響了GPS信號(hào)的完整性就立刻報(bào)警，且能提供GPS接收機(jī)天線和前端輸入額射頻干擾的大小。圖中標(biāo)注①采用AGC電路完成射頻干擾檢測(cè)，再通過(guò)干/噪（J/N）儀檢測(cè)其信號(hào)的存在。干擾信號(hào)一旦影響GPS信號(hào)的正常接收就會(huì)報(bào)警并將信號(hào)反饋到GPS接收機(jī)天線和前端濾波放大器；當(dāng)AGC自控電壓的高低來(lái)精確估算J/N比大小可直接估算干擾信號(hào)功率的

18、大小。</p><p>　　2、4、2前端濾波技術(shù)</p><p>　　圖中標(biāo)注②的抗干擾濾波處理技術(shù)是很有潛力且正在高速發(fā)展的新技術(shù)。它用微電子及軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，能使GPS接收機(jī)免受2個(gè)L頻段GPS頻帶外強(qiáng)功率干擾。多數(shù)GPS接收機(jī)目前均采用陡截止頻率特性的無(wú)源濾波器來(lái)抑制強(qiáng)帶外功率。其優(yōu)點(diǎn)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(jià)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(duì)窄帶下變頻器及本振混頻器進(jìn)行濾波。當(dāng)下變頻率接近中頻并與窄帶濾波帶寬同步時(shí)，GPS接收機(jī)前端帶寬為2倍速率，對(duì)G/A碼是2.046MHz，對(duì)Y碼是20.46 MHz，從而改善了接收機(jī)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(shù)</p><p>　　碼環(huán)和載波環(huán)增強(qiáng)技術(shù)是在均標(biāo)注在圖中

20、③的數(shù)字GPS接收機(jī)通道和接收處理器中實(shí)現(xiàn)的。其抗干擾性能是通過(guò)窄帶碼環(huán)壓縮載波跟蹤濾波器的帶寬和接收機(jī)預(yù)檢測(cè)帶寬來(lái)改善。因?qū)拵捠箘?dòng)態(tài)范圍變窄，可以通過(guò)增加環(huán)路濾波器階次來(lái)彌補(bǔ)，也可通過(guò)外部導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)，如采用內(nèi)部輔助增強(qiáng)技術(shù)、外部導(dǎo)航輔助增強(qiáng)技術(shù)有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、多普勒雷達(dá)和空氣速度計(jì)，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(tái)速度信息去輔助GPS接收機(jī)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(jī)的信號(hào)/干擾比（S/J）；之二是在強(qiáng)干擾下只有GPS導(dǎo)航，當(dāng)GPS接收機(jī)信噪比恢復(fù)到跟蹤門(mén)限G/No以上時(shí)，再用INS輔助GPS接收機(jī)快速捕獲GPS信號(hào)。GPS和INS的組合可使接收機(jī)的抗干擾性能提高10～15dB。</p><p>　　2、4、4窄帶干擾處理技術(shù)</p><p>　　圖中標(biāo)注④的窄帶干擾處理技術(shù)也稱暫時(shí)濾波技術(shù)，是DFT技術(shù)用于數(shù)字中頻信號(hào)處理即頻域幅度處理的例

22、子，如無(wú)射頻干擾，熱噪聲功率譜在頻域內(nèi)相當(dāng)均勻；又如信號(hào)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(yīng)濾除。</p><p>　　2、4、5天線增強(qiáng)技術(shù)</p><p>　　圖中標(biāo)注⑤的GPS接收機(jī)天線采用自適應(yīng)天線陣技術(shù)來(lái)提高其接收靈敏度；自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)是提高GPS接收機(jī)抗干擾的重要手段，目前美國(guó)處于領(lǐng)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(luò)接到處理器，信

23、號(hào)處理后又饋送到微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各陣元的增益和相位發(fā)生變化，對(duì)來(lái)自天線陣方向圖的干擾源歸零，以降低干擾性能。其中零點(diǎn)數(shù)由陣元數(shù)決定，一般N元陣天線能控制N-1個(gè)零點(diǎn)。較理想的自適應(yīng)天線能把GPS接收機(jī)的抗干擾能力提高40～50dB。</p><p>　　2、4、6抗多徑干擾技術(shù)</p><p>　　在圖中標(biāo)注⑥的GPS天線陣周圍設(shè)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(jī)，利于GPS檢測(cè)、定位和摧毀。</p><p>　　GPS抗干擾技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　綜合分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代GPS系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)特點(diǎn)，多個(gè)GPS系統(tǒng)兼容性與組合導(dǎo)航定位技術(shù)、廣域增強(qiáng)技術(shù)、導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)與調(diào)制技術(shù)、自主導(dǎo)航星座運(yùn)行管理技術(shù)以及導(dǎo)航與通信一體化技術(shù)等將成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向。 1、GPS系統(tǒng)兼容性與

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

26、功率，專用接收機(jī)能夠接收導(dǎo)航信號(hào)，且不會(huì)降低導(dǎo)航定位精度。同時(shí)，對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行加密處理，具有抗電子欺騙能力，以滿足特定用戶的實(shí)際應(yīng)用需求。因此，GPS系統(tǒng)的抗干擾、多點(diǎn)波束信號(hào)增強(qiáng)、小型化的高增益接收天線、導(dǎo)航信號(hào)編碼與加密以及專用信號(hào)加解密模塊等技術(shù)將是GPS系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向。</p><p>　　3、基于星地、星間鏈路高速寬帶網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航與通信—體化技術(shù)</p><p>　　導(dǎo)航定位精

27、度、完好性、可用性和連續(xù)性是設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)GPS系統(tǒng)的頂層性能指標(biāo)，也是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)改造的目標(biāo)要求。可建立高速的星地、星間寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，做到“接入到一顆衛(wèi)星，等效于接入整個(gè)星座”，實(shí)現(xiàn)對(duì)星座的實(shí)時(shí)、連續(xù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)視，保障導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)性和有效性，全面滿足系統(tǒng)頂層性能指標(biāo)要求。</p><p>　　隨著地面移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，人們?nèi)找嬉庾R(shí)到時(shí)間、地點(diǎn)和事件等基本信息要素的重要性。例如，城市車載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

28、，已提供方便快捷的信息服務(wù)。但是，對(duì)于大范圍乃至“地球村”實(shí)時(shí)信息獲取，則有賴于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的支持。新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星地、星間高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，必然會(huì)促進(jìn)導(dǎo)航與通信技術(shù)的一體化，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫接人和實(shí)時(shí)信息獲取。</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　現(xiàn)代GPS系統(tǒng)已成為及時(shí)獲取高精度導(dǎo)航信息的空間基礎(chǔ)設(shè)施，具有極高的軍民利用價(jià)值，倍受世界

29、各國(guó)青睞。而在GPS干擾技術(shù)日趨成熟的現(xiàn)代社會(huì)，人民乃至國(guó)家的安全受到的前所未有的挑戰(zhàn)，GPS抗干擾技術(shù)的迅速發(fā)展成為必然。而在實(shí)踐運(yùn)用中，成本，技術(shù)難度及可實(shí)現(xiàn)性處處制約著GPS抗干擾技術(shù)的發(fā)展，而各種抗干擾方案各有其優(yōu)點(diǎn)與缺陷，有效地將各種抗干擾措施統(tǒng)一結(jié)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(dǎo)航接收機(jī)適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)現(xiàn)代化武器性能的提高以及重點(diǎn)、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(xiàn)</b></p><p>　　[1]劉海波，吳德偉，董成喜，盧艷娥.GPS抗干擾技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).西安：空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，2011.1</p><p>　　[2]王茂鋒.GPS抗干擾技術(shù)與自適應(yīng)天線探索.陜西：陜西東方航空儀表有限

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