GPS干扰与抗干扰技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,GPS,干扰与抗干扰技术,GPS,干扰技术,GPS,抗干扰技术,GPS,干扰技术,现役,GPS,的脆弱性,对,GPS,潜在的干扰,对,GPS,的人为干扰,干扰类型与干扰源,干扰对,GPS,信号接收的影响机理,干扰功率的计算,干扰距离的计算,干扰效果的分析,压制干扰对,GPS,定位误差的影响,现役,GPS,的脆弱性,卫星信号发射功率不大,抗干扰裕度不大,卫星信号码元和载波丢失,卫星信号发射功率不大,卫星的体积小,，重量轻；,卫星离地球表面远；,例如,L1,信号到达地面的最小信号电平为,-166dBW,，其信号强度仅相当于,16000Km,外一个,25W,的灯泡发出的光，或者说，它比电视机天线所接收到的功率要低,10,亿倍,抗干扰裕度不大,虽然,C/A,码的处理增益为,43dB,，但,C/A,的码速率为,1.023Mb/s,，码长为,1023,位，而周期仅,1ms,，通过解扩只能获得,30dB,的处理增益，另外,13dB,增益是通过,20,个相关峰的积累形成的，所以整个环的处理增益不会有,43dB,。同时，接收通道信噪比一般要求大于,10dB,，才能正常工作，还有接收机的相关损耗大于,1dB,。,实验证明：使用干扰功率为,1W,的干扰机，在,GPS1.6GHz,频带上实施调频噪声干扰，就使,GPS,接收机在,22Km,范围内不能工作，干扰功率每增加,6dB,，有效干扰距离就增加一倍。,C/A,码接收机的抗干扰裕度应在,30dB,以下，一般认为是,25dB,。,P,码的处理增益为,53dB,，抗干扰裕度应在,43dB,左右。,卫星信号码元和载波丢失,飞行实验证明，飞机上的,GPS,在干扰信号为,-125dBW,-130dBW,时就会失去卫星信号的码元和载波，从而失去定位能力。而在干扰信号大于,-130dBW,时，在卫星信号完全丢失前，导航能力就明显减弱，最终导致接收机失效。,对,GPS,潜在的干扰,GPS,接收机受到潜在干扰,移动卫星服务（,MSS,）对,GPS,接收机的干扰,GPS,接收机受到潜在干扰,GPS,接收机收到的潜在干扰包括带内射频干扰（,1565MHz,1586MHz,）、带外射频干扰和环境干扰。,带内射频干扰包括谐波、寄生振荡和交叉调至分量等；,带外射频干扰是靠近,GPS,额定频段的强信号干扰，它可以通过接收机的射频滤波器对接收机造成影响；,环境干扰包括多径、遮蔽、地形遮拦和其它由自然环境造成的干扰。,移动卫星服务（,MSS,）对,GPS,接收机的干扰,移动卫星服务（,MSS,）是新发展起来的通信链。手持式设备在,1610MHz,1626.5MHZ,频段发射大约,0.5W,的信号来实现地面与低轨卫星网的上行通信，然后由卫星转发信号到其它手持式设备上，或借助地面站送到标准电话网。手持设备的发射泄露会进入邻近的,GPS,频段，有可能对,GPS,接收机造成一定程度的干扰。,对,GPS,的人为干扰,干扰技术体制,干扰途径,对,GPS,接收机的干扰装备,GPS,干扰装备的作战应用,干扰技术体制,GPS,认为干扰的目的是使对方无法或错误地使用,GPS,系统提供的信息。对,GPS,用户接收机的干扰技术体制主要有两种：,压制式干扰,欺骗式干扰,压制式干扰就是通过发射干扰信号以压制在,GPS,接收机前端的,GPS,卫星信号，使,GPS,接收机接收不到,GPS,卫星信号，从而达到干扰的目的。,多,GPS,接收机的压制干扰可采用相关干扰、调频噪声或锯齿波扫频等,欺骗式干扰使指发射与,GPS,信号具有相同参数（只有信息码不同）的假信号，干扰,GPS,接收机，使其产生错误的定位信息。,干扰途径, 升空干扰, 星载干扰, 地面干扰,升空干扰,为获得较好的干扰效果，减少干扰损耗，可采用升空干扰技术对,GPS,实施更有效的干扰。其中升空干扰高度应不低于一定值，以保证干扰信号能够进入,GPS,接收机天线。, 机载（无人）干扰机, 平流层飞艇载干扰机, 气球载干扰机,星载干扰,如果要干扰远距离地方空中目标的,GPS,接收机，普通的机载升空方式干扰机就无能为力了，这是因为干扰机的升空高度难以达到有效干扰所需要的理想高度，此时可采用星载干扰机进行有效地干扰。考虑到减少干扰信号传播路径损耗的因素，运载卫星的运行轨道最好采用低轨道，离地面不能太高，以减少实施有效干扰所需要的功率。,但是，低轨卫星相对于地球上的某一点是运动的而并非静止，不能进行定点干扰，只有当它通过目标的上空时，才能实施干扰，因此其时效性受到限制。低轨星载干扰可采用欺骗式与压制式相结合，组成干扰辐射网。,地面干扰,对,GPS,接收机进行地面干扰通常都是采用多部路基或舰载,GPS,干扰机采用空间功率合成技术汇聚足够的干扰功率，组成强干扰压制，以确保重点攻防方向干扰任务的完成，使敌前沿作战飞机和超低空飞行的导弹不能进行精确,GPS,定位。,对,GPS,接收机的干扰装备,在,1999,年巴黎航展上展出由俄罗斯莫斯科,Aviaconversiya,公司生产的一套设备，能有效干扰,美国的,GPS,以及俄罗斯的导航定位系统,GLONASS,。这种干扰机体积小（,120mm190mm70mm,）、,质量小（,3Kg,），能在两个,GPS,频段和两个,GLONASS,频段（,1.250MHZ,和,1.607MHz,）提供,8W,的干扰功率，价格为,4,万美元。,俄罗斯组织的航空展览上出售一种,4W,干扰机，其重量为,8kg,10kg,，可用于对付,GPS,和,GLONASS,。这种设备据称能有效覆盖,150Km,200Km,的范围，价格低于,4000,美元,/,台。,值得注意的是，上述,GPS,干扰机仅限于干扰,C/A,码接收机。,GPS,干扰装备的作战应用,GPS,干扰装备在作战编成上可作为一个独立的电子对抗群，加强、配置于重点作战方向，有上级指挥所指挥，也可根据作战任务不同和作战目标的不同，将,GPS,干扰装备作为一个独立的作战单元使用。,以对抗巡航导弹为例，来说明,GPS,干扰机的作战应用。,作战准备阶段,GPS,干扰装备在指定的区域展开，并迅速进行系统内部与上级指挥所之间的通讯联络，,GPS,信号侦查装备不断地实施对作战区域的,GPS,卫星信号进行侦查、分析，为,GPS,干扰装备参数调整提供依据。,作战实施阶段,指挥员根据,GPS,干扰装备对导弹发射平台载,GPS,接收机实施干扰，增大巡航导弹的初始化误差。当巡航导弹进入飞行阶段时，其中段主要制导方式包括惯性制导和,GPS,制导。,GPS,干扰装备在巡航导弹来袭路径周围对巡航导弹载,GPS,接收机实施干扰，使巡航导弹的惯导漂移随时间积累，从而增大巡航导弹的导航误差。当巡航导弹进入飞行末段时，其制导方式包括光电,制导、惯性制导和,GPS,制导，,GPS,干扰装备配合精确武器电子防护系统，对,GPS,制导导弹的弹载,GPS,接收机实施干扰，降低命中精度，从而将对对我方重要目标的毁伤概率。,作战结束阶段,根据上级指示，指挥员指挥,GPS,干扰装备关机待命或转移阵地。,干扰类型与干扰源,干扰类型,：,宽带,-,高斯,典型干扰源,：,人为的噪声干扰机,干扰类型,：,宽带相位,/,频率调制,典型干扰源,：,电视发射机的谐波或频段接近,的微波链路发射机，它会使,GPS,接收机前端,滤波器过载。,干扰类型,：,宽带,-,扩频,典型干扰源,：,人为的扩频干扰机或在伪卫星,附近,干扰类型,：,宽带,-,脉冲,典型干扰源,：,雷达发射机,干扰类型,：,窄带相位,/,频率调制,典型干扰源,：,调幅电台发射机的谐波或商业,广播发射机的谐波,干扰类型,：,窄带,-,扫频连续波,典型干扰源,：,人为的,CW,干扰或调频电台发射,机谐波,干扰类型,：,窄带,-,连续波,典型干扰源,：,人为的连续波（,CW,）干扰机或,频段附近的非调制发射机的载波,干扰对,GPS,信号接收的影响机理,假设人为干扰信号是强功率的不加任何调制的连续正弦波干扰，即干扰信号是正弦波信号，被干扰信号为,GPS,载波信号。由于,GPS,信号采取脉冲调制在载波上，因此，已调波信号已经成为按一定规律变化的连续脉冲波。,当脉冲波受到连续干扰后，合成信号是一个振幅和相位都变化了的信号，即干扰信号对有用信号产生了干扰作用。,当干扰信号和有用信号的频率相同时，在连续波的干扰下，脉冲信号和连续波干扰信号的相位是从,0,360,o,的任意值，因此，接收机所接收到的卫星信号的幅值是变化的。,强干扰信号频率与,GPS,信号中心频率相同时，会引起脉冲信号的跳动，造成接收机无法识别卫星信号，出现接收机不能捕获、跟踪、锁定卫星信号等现象，当干扰信号的频率与,GPS,信号频率不相同时，由于接收机前端电路的频率选择性，只有靠近,GPS,信号中心频率的干扰信号才能进入接收机，产生带内和带外的干扰。这时，对,GPS,信号干扰的效果不仅与干扰信号的频率和脉冲宽度有关，而且和初相角有关。,干扰功率的计算,干扰功率,/,（,dBW,）,距离,/Km,C/A,码,P(Y),码,-26.2,-19.2,0.5,-20.2,-13.2,1,C/A,码,P(Y),码,距离,/Km,-0.2,6.8,10,13.8,20.8,50,19.8,26.8,100,25.8,32.8,200,27.8,34.8,250,29.3,36.3,300,干扰距离的计算, 欺骗式干扰机有效干扰距离,压制式干扰机有效干扰距离,欺骗式干扰机有效干扰距离,有效干扰距（,Km,）,干扰机发射功率,干扰机发射天线增益,干扰信号电平,GPS,信号频率（,MHz,）,压制式干扰机有效干扰距离,压制干扰信号到达,GPS,接收机的信号强度应大于,GPS,信号,42dB,左右（军用,GPS,接收机的干扰增益为,42dB,）。考虑干扰信号进入,GPS,接收天线角度很低（,10,度以下），取天线旁瓣损耗为,-5bB,。则在最不利的情况下完成对军用,GPS,接收机压制干扰所需要的电平为：,-130+42+5=-83dBm,。然后用上面的式子就可计算压制式干扰机的有效干扰距离。,干扰效果的分析,GPS,接收机接收到的信号功率,GPS,接收机接收到的干扰功率,干信比的计算,GPS,接收机接收到的信号功率,GPS,信号从发射机向,GPS,接收机直视远程发射。它到达,GPS,接收机的信号输入功率为：,其中,为,GPS,接收机接收到的信号,功率（,dB,）,发射天线的功率（,dB,）,发射天线的增益（,dB,）,发射频率（,MHz,）,发射机到,GPS,接收机的距离（,Km,）,接收天线的增益（,dB,）,GPS,接收机接收到的干扰功率,根据信号传输特性，干扰信号的传输是单程的。一般情况下，干扰目标无论是通信接收机还是,GPS,接收机，其干扰信号的特征都是相同的。除非,GPS,接收机有一个全向天线，否则天线增益将随天线接收机信号的方位和仰角而变化。其次，通常干扰信号的频带宽度要比,GPS,信号的频带宽得多，使接收机不能精确地测量和测定需要的信号频率。,在测定干信比时，重要的计算进入,GPS,接收机工作频带内的干扰信号功率。在上述条件下，到达,GPS,接收机输入端的干扰信号功率为,其中,为,GPS,接收机接收到的干扰,功率（,dB,）,发射天线的功率（,dB,）,发射天线的增益（,dB,）,发射频率（,MHz,）,发射机到,GPS,接收机的距离（,Km,）,接收天线的增益（,dB,）,干信比的计算,在,GPS,接收机带宽内，干信比是干扰信号强度与,GPS,信号迁都之比。,对于单程的,GPS,信号传输情况来说，干信比公式为,压制干扰对,GPS,定位误差的影响,因为有较强的干扰信号才可能会使,GPS,接收机信号失锁无法定位，通常情况下干扰的存在只是在一定程度上降低了,GPS,接收机的定位精度。压制干扰时，,GPS,接收机性能的基本度量标准是位置协方差，而干扰对接收机的根本影响是降低了信号,/,噪声功率密度比。在卫星性能和信号路径特性给定的情况下，协方差直接取决于测量时的接收机通道跟踪精度和位置精度因子,压制干扰对,GPS,定位误差的影响,由于压制干扰对接收机的根本影响是降低了信噪比，而,GPS,定位误差的方差也随之增大。当对,GPS,接收机实施压制干扰后，活动目标越是接近目的地，其偏离理想航迹就越大（军职随时间增大而增加），即目标越接近目的地，干扰效果越明显。,GPS,抗干扰技术,几种主要的,GPS,抗干扰技术,频谱滤波,时间滤波,空间调零,空间波束转换,幅,/,相抵消,轴向调零,极化抗干扰,GPS,与惯性导航（,INS,）组合,频谱滤波,频谱滤波包括带通和带阻滤波，此技术主要用于限定的窄带和,CW,干扰源，以及强的带外干扰源。,但这种技术不适用于宽带噪声干扰或多个扫频瞄准式噪声干扰。,时间滤波,时间滤波在时间域内对信号特征进行处理，用数字信号处理（,DSP,）方法来实现可编程,HR/FIR,滤波器和相关器。这种技术是单一孔径技术，用于多个窄带噪声干扰和,CW,干扰源，这种技术也能用于多虑效应和回波抵消干扰问题。,空间调零,空间凋零技术一般应用一个环形微波传输带阵列来进行对于有方向性的干扰源的自适应凋零，微波传输带与处理器相连，处理器队从天线经微波代送来的信号进行处后，反过来调微波传输阵列，使各阵元的增益和,/,或相位发生改变，从而在天线阵的方向图中产生对这干扰源方向的零点，以减低干扰源的效能。,空间波束转换,空间波束转换一般利用自适应平面阵列，它根据,GPS,卫星选择性和干扰抑制的不同程度来提供波束控制。为了产生窄波束带宽，带内的平面阵列结构较大，通常需要对卫星有短暂而有效的跟踪能力。,幅,/,相抵消,幅度和相位向抵消方法一般是双孔经技术，它利用直接的调制信号抵消或,QIFM,（正交瞬时测频）相关技术。这种技术一般用于一个干扰源或位于赤道附近的干扰源。幅,/,相抵销技术一般用装置在飞机顶端和底端的两个不同天线模式来接收干扰信号和,GPS+,干扰信号的混合信号。这种技术产生的信号抑制为,20dB,30dB,，用于宽带和窄带干扰源。,轴向调零,轴向调零技术用于在小的圆柱体上，它利用干涉仪和地面站的影响能在轴线方向形成一个可变调零，这种技术在轴线方向能产生,10dB,15dB,的干扰抑制。这种技术不能处理许多偏离轴线的干扰源。,极化抗干扰,极化抗干扰技术是单一孔径技术，它利用极化调零来消除干扰信号。极化调零的实现是利用一个侦察和跟踪,/,控制通道来识别和跟踪干扰信号的相位和幅度，再用一个混合连接来抵消电路来抵消符合接收信号中的干扰部分。理论上，这种技术能抑制所有类型的干扰，包括宽带噪声。,GPS,与惯性导航（,INS,）组合,GPS,和,INS,组合后，当,GPS,收到射频干扰时，,IMU/INS,系统可提供记忆功能，并使组合系统最终从所产生的任何导航误差中恢复，继续完成导航任务。,GPS,用于周期地校正,IMU/INS,以使系统的误差最小。,军用,GPS,接收机的抗干扰技术,射频干扰检测技术,前端滤波技术,码,/,载波跟踪环技术,窄带干扰处理技术,天线提高,射频干扰检测技术,如果增益自动控制（,AGC,）控制电平与热噪声均方根电平不同，说明一些其他较强信号正在控制,AGC,。应为,GPS,信号全都大大低于热噪声电平，所以如果存在较强的信号，就应该是射频干扰。,前端滤波技术,采用前端滤波技术能使,GPS,接收机免受大功率发射机干扰，这种干扰相对于,GPS L,频段频谱分配来说属于带外干扰。,码,/,载波跟踪环技术,码,/,载波跟踪环技术同将接收机的预检测带宽和码,/,载波跟踪环滤波器带宽变窄的办法以提高抗干扰性能。,窄带干扰处理技术,如果信号中有窄带干扰，它将通过幅度异常表现出来，这种异常可以用顺势滤波处理或是与信号处理（频谱幅度与处理）自适应地滤掉，从而有效地抑制窄带射频干扰。如果信号中有宽带射频干扰，顺势滤波也不能将其和热噪声区分开来。只有速度辅助的码,/,载波跟踪技术和天线抗干扰技术才能有效地阻止宽带射频干扰。,天线提高,这种技术通常采用自适应天线阵，一种类型叫做波束控制阵，它使天线增益的窄波束指向所跟踪的每颗卫星，不但能消除干扰，而且还可对卫星进行跟踪。,GPS,中,P(Y),码直接捕获技术,低功耗微型时钟技术,并行相关器技术,电光相关器, 搜捕算法的改进,XFAST,算法,低功耗微型时钟技术,提高时间和频率基准的精确度，减少时间及频率上的不确定性是一个很关键的因素。特别是时间上的很小的误差会带来很大的码搜索范围。,P(Y),码的速率是,10.23M,Hz/s,，那么,1ms,的时间误差至少会增加,2,10,4,个时频搜索单元数，而传统的采用延迟锁定环的接收机的码搜索速度每秒只有几十个码元。,GPS,用户接收机的工作原理和特殊使用条件对时频基准还有几点要求：,一、低功耗，因为许多接收机是靠电池工作，这就给原子钟的设计带来了难度；,二、启动快，在几秒到几分钟的时间内频率必须稳定下来；,三、体积小、质量小；,四、相位噪声低，因为相位噪声越小测距精度就越高。,并行相关器技术,采用大规模并行相关器（特别是数字相关器）是实现,P(Y),码直接捕获的一个有效方法和发展方向。目前要研制的,P(Y),码接收机都采用了这种技术，并行相关器的规模已达到,1000,个以上。,电光相关器,光电相关器处理在雷达及图像处理中已广泛应用，通过傅立叶变换透镜可以在极短的时间内完成傅立叶变换及反变换运算，进行一次,10001000,点的二维傅立叶变换只需几纳秒，相当于每秒,1016,次的运算速度，这是因为傅立叶变换透镜在处理信号时是并行的，因此也可以看作是一种并行相关器技术。,将光电相关器用于,GPS,软件接收机的频域信号处理中，可以大大地提高,P(Y),码搜索速度。,光电相关器有两个关键器件：,一是,SLM,（,Spatial Light,Moduator,），它完成电信号输入及傅立叶变换功能；另一个是,CCD,（,Charge Coupled Device,），它完成光电转换功能。,SLM,和,CCD,的水平和规模在很大程度上决定了冠带内相关器的指标。,光电相关器的一个主要缺点是信号在处理中的损耗太大，为了弥补这个损耗就需要加长信号积累时间，因而延长了捕获时间，通常每增加,3dB,损耗捕获时间就要成以,4,倍。,搜捕算法的改进,提高搜捕速度的另一个途径是改进捕获算法，随着数字技术和大规模集成电路的应用，,GPS,数字接收机和软件接收机迅速发展起来，与之相应也提出了多种,P(Y),码直接捕获方法。,如：,Van Nee,、,Coenen,及,Davenport,在,1991,年首先提出使用,FFT,实现,C/A,码的快速捕获。,C.Yang,在,1996,年对,FFT,的多种抽样方案进行了比较和分析，与,1999,年进一步提出了,XFAST(Extended,Replica,Foiding,Acquisi,-,tion,Search Technique ),实现,P(Y),码快速捕获的方案，又在,2001,年提出序列块搜索算法,(,seqiential,block search technique),并对利用,FFT,实现短周期码、长周期码以及无周期码的捕获方法进行了分类和归纳。,1997,年，,J.B.Lozow,对非相于检波是采用串行和并行搜索的直接,P(Y),码捕获进行了分析，给出了平均捕获时间。,1999,年，,M.,May,、,A. Brown,、,B.Tanju,针对数字存储接收机提出非实时采集信号的在循环,(,recirculate,),方案，计算了采用标准是中和原子是钟下的捕获时间和概率。,David,M.Lin,和,D.Y.Tsui,对,GPS,软件接收机的码捕获方案进行了研究，特别是对,FFT,实现循环相关,(circular correlation),的多种方案,进行了分类和性能比较，其结论是：在信号较强且数据量较少时采用非相干循环相关法,(non-coherent circular correlation),运算量小，检测概率高；反之，在弱信号和大数据量时采用分段补零的循环相关法,(circular correlation by partition and zero padding),最优。,2001,年，为解决弱信号的捕获问题，他们提出了采用,40ms,相于积分的新算法，可以将灵敏度提高,20dB,。,logan,scott,和,A.Jovancevic,等人研究了基于,FFT,处理的采用,DSP,实现信号快速捕获的具体技术方案，在对积分时间、,FFT,长度,、干扰以及多普勒偏移进行了分析后认为,在强干扰环境,初始时间误差为,1s,时，使用高性能,DSP,捕获时间可控制在,30s,以内。,XFAST,算法,C.Yang,提出的,XFAST,是很有新意的一种方法。,P(Y),码的周期是,7,天，实际上可看作是非周期性的，使其难以像,C/A,码那样把基于,FFT,的相关处理直接用于,P(Y),码。,XFAST,采用以下技术是得用,FFT,进行,P(Y),码捕获成为可能,.,扩频复制码的覆盖区域,将输入信号抽样成一个长度为,2,的幂的序列（,L=2k,），为了不与输入序列的长度相同（传统方法是使用相同的序列），本地参考码按输入信号的若干整数（,M,2,）倍抽样。因此，这种长度为,LM,的扩展复制码序列的时间不确定性范围比传统方法要达。,扩展复制码叠加,扩展复制码被分成,M,个子序列，每个长度为,L,，这些子序列随后通过算术加组合在一起。结果，叠加的码序列和输入信号长度都是,L,，准备进行,L,点长的,FFT,处理。,产生扩展复制码的目的是为了覆盖大的时间不确定区间。例如如果接收机知道其时间误差在,10ms,以内，则扩展复制区间可选在,t-10ms,到,t+10ms+L,，用这种方法可以保证整个输入码序位于复制码内，因而可以同时搜索整个不确定区间,这样只需要计算,L,长取样点的时间就可完成快速直接捕获。,时空自适应抗干扰技术,时域、频域滤波技术,空域滤波技术,空域自适应（,STAP,）技术,时域、频域滤波技术,空域滤波技术,空域自适应（,STAP,）技术,