美军卫星导航终端抗干扰技术现状

1       美军卫星导航终端抗干扰技术现状

众所周知，美军在军事上的优势很大程度上仰仗其先进的GPS定位系统，然而由于GPS卫星发射的导航信号比较微弱，而且以固定的频率发射，因此军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰。美国国防预研计划局（DARPA）为了保障其GPS卫星导航的精度、可用性、连续性和完好性，研究和发展了各种抗干扰技术，主要有以下四类：滤波技术、波束形成技术、军码直捕技术和组合导航技术。如表一所示：

                                                                                                    

表一  国外卫星导航接收机主流抗干扰技术总结

下面简单介绍每种抗干扰技术国外的研究情况:

1.1     军码直捕技术的国外现状

常规的军码捕获方式都是通过粗码引导捕获的，但是粗码长度短、精度低，极易受到干扰和欺骗。因此，对军码的直接捕获是终端抗干扰能力的重要体现，能够提高战时卫星导航系统的生存能力。

目前，国内外对军码直接捕获的算法进行了大量研究，主要可分为时域相关捕获与频域FFT捕获两大类。时域相关军码捕获的原理与粗码捕获相同，区别在于使用大量并行相关器来完成大量的相关搜索运算，以减少捕获时间。频域FFT直捕方法则通过将输入信号与本地码的相关运算转变为频域上的相乘运算来实现，从而降低资源的开销。

1.2     滤波抗干扰技术的国外现状

    卫星导航终端滤波抗干扰技术包括基于单天线的滤波技术和基于阵列天线的滤波技术两种。基于单天线的滤波又包括时域滤波与频域滤波两种，基于阵列天线的自适应滤波包括纯空域滤波与空时二维滤波技术。

时域滤波运用数字信号处理方法来实现可编程IIR/FIR滤波器和相关器。五月花通信公司为市售GPS接收机开发过时域自适应ATF（Mayflower Adaptive Temporal Filter）滤波器芯片，它对大于30dB的窄带干扰源能有效抑制。时域处理技术能处理多个窄带干扰，但对宽带干扰通常效果不佳。

频域处理方法通过实时DFT把接收信号映射到频域处理。与时域预测技术相比，频域处理方法具有滤波过程简单、动态范围大、能够提供更大的零陷深度等特点。美国Mitre公司研制出一种GPS窄带干扰频域去除芯片。一般来说频域滤波对窄带干扰抑制可达35dB以上，但对宽带噪音干扰及多个扫频瞄准式噪声干扰无效。

空域滤波即是将自适应零陷技术应用于卫星导航终端抗干扰。一般GPS接收机采用单一天线，而自适应调零天线是包括多个阵元的天线阵，阵中各天线与微波网络相连，而微波网络又与一个处理器相连，处理器对从天线经微波网络送来的信号进行处理后反过来调节微波网络，使对各阵元的增益和相位发生改变，从而在天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点，以降低干扰机的效能。该方法可以抵消的干扰数量等于天线阵元数减1。例如，天线阵元数为7，则最多可抵消来自不同方向的6个干扰。理想情况下，空域滤波技术能使接收机的抗干扰能力提高40-50dB。自适应天线零陷技术现已成为美军提高GPS接收机抗干扰能力的主要方法，并已成功应用于‘联合直接攻击弹药’（JDAM: Joint Direct Attack Muition）、F-16战斗机，雷声公司研制的抗干扰接收机采用了5个阵元的自适应调零天线，用于下一代战斧巡航导弹Block IV上。

空时自适应滤波是在空域滤波的基础上，在每个阵元上增加相同数目的延迟抽头，从而形成空时二维处理结构。该方法在不增加阵元的前提下，大大增加了阵的自由度，对于各种干扰的抗干扰能力有质的提高。五月花通信公司在CRPA GAS-1和ATF的基础上研制了GAF（GPS anti-jam filter），这是一种7个阵元的空时处理器，装备于F-14、 F-15、 F-18、F-22战斗机，根据测试报告，可用于干信比（J/S ）为100-120 dB干扰环境，最大可抗干扰数为20，抑制4个干扰的自适应处理收敛时间小于3ms。

1.3     波束形成技术的国外现状

波束形成技术即是利用阵列天线形成指向卫星方向的波束，从而提高卫星信号方向的增益，起到其它方向的干扰抑制作用。波束形成的前提条件是已知卫星信号的方向，当该方向可通过其他手段获得时，可采取相控阵天线和数字多波束的方式形成波束增益。当信号方向未知时，则需先通过波束盲估计等方法获取信号方向。

相控阵天线通过移相器来改变各阵元之间的相位关系，从而形成预定方向的波束。相控阵天线目前已广泛应用在各种雷达设备中。相控阵波束形成技术常具有设备体积庞大、幅相误差难以补偿等缺点，很难应用到卫星导航接收终端中。与其原理相同的数字多波束（DBF）接收则大大降低了设备体积，可应用于各种小型化接收终端中。

美国在DBF导航接收机方面的研究已经取得较大成果，美国军工巨擘Lockheed-Martin（洛克希德.马丁）公司与Rockwell Collins(罗克韦尔·科林斯)公司合作研制出的“GPS空间－时间抗干扰接收机”(G-STAR)，可有效地解决GPS的抗干扰问题。G-STAR抗干扰接收机采用数字技术，在抑制干扰信号的同时能融合各天线接收到的信号，使之形成指向GPS卫星的波束，并具有自适应地调整能力，以应对环境的变化(包括平台和干扰源的移动)。这种新兴的G-STAR抗干扰接收机将首先装备洛克希德.马丁公司研制的AGM-158‘联合防区外空地导弹’。

如果未知卫星信号的方向信息，则在波束形成之前需通过测向手段获取卫星方向信息。由于卫星信号淹没于噪声之下，因此需通过码域滤波（解扩）方法使信号增强，再通过多目标测角算法实现卫星方向的获取。早期的测向方法（如振幅法、相位法等）空域分辨能力差、测向精度低，高分辨测向方法已成为多目标测角技术的主流方法。

1.4     组合导航技术的国外现状

由卫星导航与惯导联合的组合导航系统可以克服各自缺点，取长补短，能够极大提高终端的抗干扰能力，被一致认为是飞行载体较理想的导航系统。GPS/INS组合导航系统按照信息交换或组合程度的不同，又分为松散组合、紧组合和超紧组合。松散组合采用位置、速度组合，系统具备综合工作简单，工程实现方便，同时两个系统仍独立工作的优点。但当卫星信号受遮挡、干扰或处于高动态环境中，容易发生卫星信号失锁现象，此时系统一般工作于纯惯性导航方式，定位精度将随时间迅速降低。采用伪距/伪距率的紧组合导航方式，充分利用卫星导航资源，即使只接收到一颗卫星信号也可以进行组合导航计算。该类方法可以在一定程度上减小卫星失锁导致的系统误差增长，但是当接收到的卫星信号质量不高时，引入较大的观测误差，系统精度可能得不到改善，反而还会下降。以上两种组合系统都得到了广泛应用，存在的主要问题还在于如何提高组合系统的鲁棒性。

超紧组合是一种相对比较复杂的GPS/INS组合方法，超紧组合中应用惯性传感器的输出值使得载波相位跟踪环的带宽减小，从而在保证动态性能的同时， 提高接收机抑制噪声的能力。超紧组合系统因其抗干扰能力强，在高动态条件下有较好的鲁棒性等优点而变得越来越重要。目前组合导航采用较多的是集中卡尔曼滤波器、自适应卡尔曼滤波以及联邦卡尔曼滤波。这些方法有模型简单易于实现等优点。

深耦合最主要的目的就是导航卫星信号的跟踪过程得到某种程度的速度辅助，以降低跟踪环路的动态范围和减小噪声带宽，实现在高动态和干扰环境中的不失锁跟踪。到1990年左右，美国McDonnel Douglas导弹系统部采用Rockwell Collins公司的P码接收机装配到SLAM空对地导弹上，其中的GPS接收机采用了深耦合方案，既利用了INS进行辅助补偿Doppler频移并进行组合，三次实弹试验验证了该导航系统的优越性。但这种方案目前已经被淘汰了，因为其中存在一个正反馈过程，容易导致系统不稳定。

在此基础上，Honeywell公司于1995年研制出EGI（Embedded-GPS INS）系统，其中仍然采用深耦合方案，为了消除正反馈可能产生的滤波器不稳定和发散，系统中采用了高精度的GG1320型激光陀螺仪，其漂移精度高达0.001。/h，因而采用这种深耦合方案的EGI系统仍然以高精度INS为应用保障，应用成本很高。

为了降低由于高精度INS所带来的成本大幅度增加，90年代中期开始研究基于通道间辅助的“矢量跟踪”技术，即利用Kalman滤波器将成功跟踪的通道数据进行最优估计，并反馈至各通道跟踪环路中，进行速度辅助，这种辅助方案不需要额外增加INS这类昂贵传感器，但也有研究表明这种方案有可能会恶化跟踪效果，原因可能是各通道跟踪过程的相关性所导致的。深耦合技术在1997年之前国外的研究很少，研究力量仅局限于几个接收机研制商或与其合作的研究单位。不过，自从1997年美国的Akos D.M.的一篇关于基于软件处理的接收机博士论文完成之后，为在更大范围内进行深耦合研究提供了可能。到2002 年的时候，已经有实时解算的GPS软件接收机研制成功。2003年之后，几乎所有的深耦合技术研究都是基于GPS软件接收机进行的。因此，从2003年开始一直到现在，该方向得到了越来越多的重视，但是规模化生产和使用还在起步阶段。