全球卫星导航系统中抗干扰技术综述

兰诗梅

（贵阳学院数学与信息科学学院，贵州 贵阳 550005）

全球卫星导航系统中抗干扰技术综述

兰诗梅

（贵阳学院数学与信息科学学院，贵州 贵阳 550005）

如今全球卫星导航系统在国防和国民经济各个领域得到了广泛应用。在民用和军事行动方面人们对卫星导航系统依赖性不断增强，卫星导航领域的竞争也日益加剧。但是卫星通信是一种容易受到干扰的通信体制，因此必须研究一些有效并且可行的抗干扰方法避免干扰。本文对全球卫星导航系统中通信抗干扰技术和算法进行了一系列的研究，总结了抗干扰技术的现状和发展趋势。

全球卫星导航系统；抗干扰

1 全球卫星导航系统面临的干扰

如今，全球卫星导航系统已成为人类活动中一个非常重要的组成部分。然而，面对各种复杂的干扰，全球卫星导航系统并不能很好地应付。因此，我们需要深入分析造成干扰的因素，研究有效的措施，应用抗干扰技术确保全球卫星导航系统的正常运行。实际上，全球卫星导航系统的主控站、监控站以及其上行链路都相对安全，全球卫星导航系统的干扰主要是来自于接收机的干扰。我们可以将接收机的干扰分为两种：压制式干扰和欺骗式干扰[1]。

1.1 压制干扰

压制式干扰主要的方式是屏蔽正常的信号，通过干扰机发出干扰信号，屏蔽掉该区域所有的正常信号，使其接收机不能正常工作。

1.2 欺骗干扰

欺骗式干扰主要的方式是通过干扰机发出与全球卫星导航系统正常信号有着相似参数的虚假信号，同样采取干扰接收机的方式，使接收机产生错误的信息，当接收机与信号同步时，干扰机发出的虚假信号就会和正常的卫星信号一同进入接收机。而当干扰机发出的干扰信号功率大于卫星正常信号时，正常信号将与干扰信号混合，于是便得不到正确的信号，只能得到错误的信号。

2 全球卫星导航系统抗干扰技术

全球卫星导航系统抗干扰措施主要两种，一是导加强卫星的抗干扰能力，二是加强用户接收机的抗干扰能进行力。相对而言，由于对卫星干扰距离远、成本高，使得对卫星的干扰十分困难。因此，全球卫星导航系统的干扰主要是对其接收机进行干扰。因此，我们主要研究的也是全球卫星导航系统接收机抗干扰的技术。下面介绍一下主要的几种全球卫星导航系统抗干扰技术：

2.1 时域滤波

时域滤波是在一种早期存在的信号处理系统，它能处理时域内的信号，其简单并且可靠[2]。另外，时域滤波技术还是单孔径技术，能有效处理连续波干扰源、多窄带噪音干扰源、回波消除、多径干扰、多个窄带的干扰等问题，其抗干扰效果良好，但是处理不了宽带干扰的问题。

2.2 空域滤波

空域滤波技术也称为自适应阵列陷零技术，它主要是利用天线作为空间滤波的方法，利用各种天线阵列，可以推测干扰源的位置，并形成带指向的波束[3]。由于天线阵列区分不同方向信号，利用这一特征，可以在干扰方向形成零陷，达到抑制干扰信号的目的。利用一个处理器连接微波网络，再由微波网络连接自适应阵列中多个不同的阵元，处理器即可调节从微波网络传来的各种信号，并控制多个阵元的增益和相位的变化，在天线的方向上产生相对干扰方向的零点，从而抵消信号的干扰。

2.3 自适应波束形成

自适应波束形成是通过调节各阵元的加权幅度和相位，

改变阵元天线方向，使其主瓣对准期望信号的方向，这样，便可提高抗干扰能力，获得较高的信号增益[4]。主要是按照一定准则来确定自适应权，利用不同的自适应算法来实现的。其中常用的准则有NV准则（最小噪声方差）、MSE准则（最小均方误差）、LH准则（最大似然比)、SNR准则（最大信噪比）等。常用的自适应算法是开环算法和闭环算法[5]。

3 全球卫星导航系统抗干扰技术算法研究

无论是时域滤波、空域滤波还是自适应波束处理，都必须在干扰方向上形成自适应零陷。由于不同自适应算法在数值稳定性和收敛速度方面的不同；其自由度越高，抗干扰的数量越多，计算量也就越大，就越难以实现，所以全球卫星导航系统抗干扰技术的核心就是自适应算法。

3.1 基于自适应处理抗干扰算法

在自适应处理中，最优准则有最小均方误差（MMSE）准则、最大输出信干噪比（MSINR）准则、最小方差准则（MV）等。

(1)最大信干噪比(MSINR)准则自适应处理的输出可以表示为：

(2)最小均方误差（MMSE）准则输出为y=wHx，输出误差为：e=d-y=d-wHx。MMSE准则是使误差信号均方值最小化：得到最优权值为

(3)线性约束最小方差：

3.2 基于Givens旋转的QR-RLS算法

当遇到复杂的干扰环境，比如脉冲干扰时，自适应处理要使用能够高效运算并且稳定性强的算法，因此，提出一种自适应处理算法：基于Givens旋转的QR-RLS算法。

有一个二元素矢量v=[v1，v2]T,设v1和v2是实数，矢量长度角度故

图1 一个二维矢量的角度旋转

如图1，将矢量v旋转一个角度ϕ，要完成此旋转，需将正交变换举证G左乘矢量v，其中

一个n维复数矢量vn，可建立一个正交矩阵Gij，其中或vj≠0。

故

为了完成QR分解，可以用一系列Givens旋转使数据矩阵[[X (n)K(n)]T,K(n)dT(n)]化为上三角阵，完成数据矩阵的QR分解。

图2 故意Givens旋转实现QR分解示意图

4 全球卫星导航系统抗干扰技术的发展趋势

全球卫星导航系统抗干扰技术中，由于来自其接收机的干扰最为常见，因此，多数抗干扰技术都是对于其接收机抗干扰的研究，接收机的抗干扰能力也得到了极大的提高。对于全球卫星导航系统来说，其抗干扰技术的发展方向主要有以下几类：

4.1 故意小型化

主要是对全球卫星导航系统抗干扰设备的体积和重量进行优化，体积小、重量低的抗干扰设备能够更好的适应各

种场所。

4.2 故意数字化

早期的自适应阵列陷零技术主要是模拟的，使用处理器与微波网络相连，然后通过微波网络连接自适应阵列中多个不同的阵元，调节从微波网络传来的各种信号，控制多个阵元的相位和增益的变化，在天线的方向产生相对干扰方向的零点。如果采用数字实现，能够更准确地在干扰方向上形成零陷，使其抗干扰效果更加强大。

4.3 故意空时处理技术的实现

目前，利用空时处理技术能取得很好的抗干扰效果[6]。全球卫星导航系统抗干扰的高采样率决定了采用空时处理，需要硬件资源实现高性能全球卫星导航系统抗干扰算法，就必须能在数据极高的吞吐率情况下完成大量计算工作，这对其计算量和算法结构都是一个重大的考验。庞大的计算量将损耗大量的硬件资源；算法结构则决定了硬件资源的分配情况和实现的难易程度，只有采取良好的算法结构才可以提高硬件的利用率以及数据吞吐率，于是简化并优化空时自适应算法是实现空时处理技术的关键所在。

4.4 故意自适应波束形成技术的实现

自适应波束形成技术又称为自适应空域滤波技术，通过调整各阵元加权进行空域滤波来增强正常信号和抑制干扰信号，并可以根据不同的信号环境进行变化，改变各阵元的加权因子，以提高全球卫星导航系统接收机的接收信噪比[7]。

[1]范广伟，晁磊，刘莉．卫星导航干扰监测技术[J]．四川兵工学报，2013，34(6)：125-128．

[2]余宜珂，王萌，郭伟，等．GNSS接收机中频带通滤波器群时延对伪距测量影响的研究[J]．电子测量技术，2014，37(3)：24-28．

[3]孙福余，张鹏，徐亚明，等．载波相位测量原理及在GPS软件接收机上的实现[J]．测绘通报，2014(4)：70-73．

[4]任小伟．载波相位差分相对定位的模糊度求解[J]．导航定位学报，2014，2(1)：20-22．

[5]郭文飞．抗干扰GPS接收系统关键技术研究与实现[D]．武汉大学，2011．

[6]周轩，李广侠，蔡锭波，等．卫星导航系统反欺骗技术回顾与展望[A]．第四届中国卫星导航学术年会论文集-S7北斗/GNSS用户终端技术[C]．2013．

[7]秦彤，乔旭东．射频识别与北斗卫星导航系统在物联网中的应用[J]．电脑与电信，2015(4)：19-22．

Overview of Anti-jamming Technology in Global Navigation Satellite System

Lan Shimei
(College of Mathematics and Information Science,Guiyang University,Guizhou 550005,Guiyang)

Now the GNSS has been widely used in various fields of the national economy and national defense.In the civil and military action,the dependence on satellite navigation system constantly enhances.The competition in satellite navigation is also increasingly fierce.The satellite communication is vulnerable to jamming,so it is necessary to study some effective and feasible methods of anti-jamming to avoid interference.This paper conducts a series of researches on communication anti-jamming technology and algorithm of GNSS,summaries the current situation and development trend of anti-jamming technology.

GNSS;anti-jamming

TN96.1

A

1008-6609(2016)07-0012-03

兰诗梅，女，重庆人,硕士，讲师，研究方向：计算机网络安全。

贵州省科技厅项目：“全球卫星导航系统中抗干扰技术的理论研究”，项目合同编号：黔科合J字LKG[2013]48号。