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卫星导航系统接收机抗干扰关键技术综述

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卫星导航系统接收机抗干扰关键技术综述 卫星导航系统,就是用于对目标定位、导航、监管,提供目标位置、速度等相关信息的卫星 系统。

卫星导航系统具有很多优点,定位精度非常高,如美国的 GPS(全球定位系统)精 度可达厘米和毫米级;效率高,体现在观测时间短,可随时定位;全天候的连续实时提供导 航服务。

因此,卫星导航系统广泛应用于各个领域,发展前景十分广阔。

但是,卫星导航系 统有一个缺点,就是卫星信号的功率比较低,信道容易受到其他形式的各种干扰,导致卫星 导航接收机的性能下降。

因此,为了提升我国的卫星导航系统的抗干扰能力,本文主要研究 探讨了卫星导航系统接收机抗干扰的关键技术。

1 卫星导航系统抗干扰技术 卫星导航系统接收机的干扰主要有三种形式,欺骗式干扰、压制式干扰、欺骗式/压制 式组合干扰。

欺骗式干扰有针对民码的干扰和针对军码的干扰; 压制式干扰有宽带压制式干 扰和窄带压制式干扰。

为了应对各种干扰,卫星导航系统使用扩频技术,扩频技术具有很好 的隐蔽性,能够精密测距,并且可以实现多址通信,抗干扰能力大大增加。

而对于连续波干 扰、窄带干扰,就要采用带阻频谱滤波方法滤掉干扰信号。

而对于宽带干扰,这些方法效果 都不理想,一般选择自适应阵列天线技术,这种技术能够根据外部的信号强弱,自动改变各 个针元的加权系数,从而对准干扰信号方向。

1.1 自适应滤波技术 自适应滤波技术是随着自适应滤波理论与算法的发展而发展起来的, 最小均方算法和最 小二乘算法对自适应滤波技术起到的非常大的作用。

除此以外, 采样矩阵求逆算法也属于另 一种自适应算法,直接矩阵求逆算法使得系统处理速度大大提升。

1.2 卡尔曼滤波技术 卡尔曼滤波技术是卡尔曼在 20 世纪 60 年代提出的,卡尔曼滤波技术是在被提取信号 的相关测量中利用实时递推算法来估计所需信号的一种滤波技术。

这种技术的理论基础是随 机估计理论,在估计过程中,用观测方程、系统状态方程以及白噪声激励的特性作为滤波算 法。

卡尔曼滤波技术不仅用于估计一维的平稳的随机过程, 而且可以用于多维的非平稳随机 过程估计。

卡尔曼滤波技术实质上属于一种最优估计方法。

虽然卡尔曼滤波技术操作简单, 应用范围十分广泛,但有一个基本要求,就是必须在计算机上实现。

2 抗压制式宽带干扰技术 2.1 压制式宽带干扰的工作原理 所谓压制式干扰, 就是指干扰信号的强度远远高于经过扩散后的卫星信号强度, 进而使 卫星导航系统接收机无法获取准确信号, 从而达到干扰卫星导航系统的目的。

压制式干扰有 窄带压制式和宽带压制式干扰。

窄带单频连续波干扰, 是一台干扰机对卫星导航系统发射单 频信号,当单频信号与用伪码调制的宽带进行混频后,就输出宽带干扰信号。

宽带扩频相关 干扰, 原理是利用卫星信号的伪码序列与干扰信号的伪码序列的强关联性来干扰接收机的接 受能力。

这种干扰可以以较小的干扰功率就能达到有效干扰目的。

2.2 自适应阵列天线技术 阵列天线的结构决定抗干扰性能, 阵列天线的几何结构对抗干扰性能的影响主要体现在 三个方面。

第一,阵列天线的阵元间隔。

第二,阵列天线的几何布局。

第三,阵列天线的阵 元个数。

确定阵元间的相对距离, 要考虑的因素有, 较小的阵元之间的间隔形成的互藕效应, 和半波长的阵元间隔形成的旁瓣。

一般的阵元间隔选择半波长, 能够有效避免大的旁瓣的产 生,并且此时的互藕效应最小。

阵列天线的几何结构布局不同,对应的最佳阵元的个数就不 同。

所以在进行干扰抑制性能的量化比较时,不能将阵元个数相同的,但阵元几何结构不同

图1

的阵列进行比较。

天线阵元的个数和需要抑制的干扰信号、 需要获取的期望信号个数有关。

2.3 空域自适应滤波算法 自适应阵列天线就是单纯的空域自适应滤波,当干扰方向和信号随着时间不断变化时, 自适应滤波能够及时的从空间接受信号, 自动感知存在的干扰同时加以抑制。

自适应阵列天 线解决的是抗干扰, 要达到在接受需要的信号的同时, 又要抑制不需要的有意或无意的干扰 信号。

自适应天线系统有阵列天线、数字波束形成网络、多通道信道接收机和自适应处理器 组成。

自适应功率谱倒置算法较好的抑制比较强的干扰信号, 并且自适应功率谱导致算法抑制 干扰的能力随着干扰信号的增强而不断增强。

自适应天线阵列的抗干扰性能会随着天线阵列 的规模的增大而提高,但是增大到超过 7 个阵元后,自适应天线阵列的抗干扰性能就不会 明显提高。

尽管说自适应功率谱导致算法对干扰的抑制程度比较大, 但是在信号与干扰的夹 角小于 20 度时,功率谱倒置算法对干扰的抑制程度就会减弱,甚至会使卫星信号衰减。

2.4 联合空时滤波算法 与单纯的时域、频域技术相比,单纯的空域滤波技术有明显的优势,单纯的空域滤波技 术涉及到的计算量比较小,比较简单。

缺点是,如果阵单元数为 M,该阵最多能够消除的 干扰数和最多能够产生的零陷数均为 M1。

然而在实际应用中,由于阵的尺寸有限制,而且 受到费用和功率消耗等的影响,阵元个数会有所限制,使得自适应阵的抗干扰性能下降。

针对这方面的不足,设计出的联合空时自适应技术,是指在阵元个数不变的前提下,增 加阵列的自由度。

联合空时自适应技术在最优准则和阵列的设计方面的选择空间比较大。

联 合空时自适应技术能够替代单纯的阵列处理方法, 尤其是遇到干扰数目较多, 干扰场景复杂 情况。

联合空时自适应技术需要调整天线阵元的空域响应和时域响应。

调整时域能够补偿中 频、射频,并且加深零点深度,增强宽带抗干扰能力。

除此以外,联合空时自适应技术还可 以在不消耗空域自由度的基础上提高干扰抑制自由度 3 抗欺骗式干扰技术 3.1 欺骗式干扰的干扰机理 如果本地信号的相位、载频与干扰信号的相位、载频分别相同时,那么对应的干扰互相 关项也会取得最大值。

这样一来,因为本地信号和接收到卫星信号不会一直一直不变,会相 应滑动,使得互相关项可能取得最大值的同时,自相关项不会一直取得最大值。

卫星导航系 统接收机的工作方式决定了欺骗式干扰可以分为转发式欺骗干扰和产生式欺骗干扰。

产生式 干扰指的是干扰机产生高逼真的欺骗信号, 这个欺骗信号能够被卫星导航系统的接收机接收, 并且使卫星导航系统出现错误解码,受到干扰。

产生式干扰的发生有一定的条件,必须在知 道当时的卫星电文数据和卫星信号的码型的基础上。

3.2 欺骗式干扰的干扰特征 欺骗式干扰的干扰特征体现在三个方面, 即欺骗式干扰信号强度一般大于卫星信号强度, 欺骗式干扰信号引入的实测伪距误差,欺骗式干扰信号的导航电文信息误差。

具体来说,首 先,在高强度的干扰信号的条件下,欺骗式干扰进入接收机的捕获跟踪通道,进行欺骗式干 扰。

其次, 欺骗式干扰对接收机定位系统的欺骗式干扰途径主要是通过卫星位置和伪距测量 值进行。

4 总结 由于卫星导航系统独特的技术优势,精准定位,以及连续实时等特点,卫星导航系统广 泛应用于各个领域,发展前景十分广阔。

但是,卫星导航系统有一个缺点,就是卫星信号的 功率比较低, 信道容易受到其他形式的各种干扰。

因此本文主要研究卫星导航定位抗干扰接 收机系统的一些关键技术, 主要有抗压制式干扰自适应滤波算法, 抗欺骗式干扰方案设计以 及卫星导航系统的接收机抗干扰的改进设计研究, 以此来提升我国的卫星导航系统的抗干扰

图2

能力。

图3

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