GPS抗干扰

称GPS）是美国从本世纪70年代初开始规划研制，历时21年，耗资200余亿美元，于1994年全面建成的，具有海、陆、空进行全方位实时三维（时间、速度、方位）导航与定位能力的第二代卫星导航系统。美国*初开发GPS系统的目的是希望获得一个能用于军事和科研的导航辅助工具，以满足其军事部H对海上、陆地和空中载体平台进行高精度的定位要求。在1991年的海湾战争中，GPS就开始崭露头角；近年来，虽然GPS制导装置应用仍处于试验阶段，但是已经开发出了的装备有GPS制导装置的联合直接攻击炸弹（JDAM）和巡航导弹，并在1999年对科索沃空袭中取得了辉煌战果。当前的阿富汗反恐怖战争中，GPS正在发挥着空地一体战新功用，被誉为现代战争的基石。从这些实战中可见GPS在军事中的应用的确是不同凡响。其实，即使是民用领域，GPS也是发展势头迅猛。一些权威人士已经预言未来15年内GPS与互连网结合，GPS与移动通信结合以及当前以有相当发展的GPS与交通管理的结合（如GPS汽车导航定位）将成为*抢眼经济增长点。根据美国政府递交给国会的1998财的双年度报告预计：单是GPS―项到2003年就可望带来160亿美元的收入，这一点，在2000年报告中没有丝毫改变。但是，GPS本身却存在一个先天的致命弱点，即其脆弱性（也称为易干扰性）。由于这种对于干扰极敏感的脆弱性严重影响了GPS性能的发挥，所以如何提高GPS抗干扰能力已经成为当前一些国家军方及众多民用机构亟待解决的难题。

2GPS结构及工作原理GPS主要有三大组成部分，即空间部分，地面监控部分系统和用户部分。空间部分是由24颗卫星组成的GPS星座（当前为29颗，24+2+3）。这些卫星以4（颗）X6（轨道）分布。轨道高度约为20，200km，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各个轨道面升交点赤经相差60°，在相邻轨道上，卫星的升交角距相差30°。卫星运行周期11小时58分，可保证在地球任何一点上任何时刻都能见到至少4颗*多11颗卫星。这使得GPS具有全球性全天候实时定位能力。GPS卫星发播两个频率的载波信号，其中L1为1575.42MHz，L2为1227.6MHz.在L1载波上有1.023MHz的C/A码、10.023MHz的P码及每秒50bits的导航电文，而L2上仅调制了P码及导航电文。地面监控部分主要由分布在全球的5个地面站组成，其中*重要的主控站位于美国科罗拉多州的范登堡空军基地，而其它4个站则多处在近赤道无人职守的海岛上。地面站的主要任务是监测、调整卫星，收集、处理和传送卫星数据。用户部分即GPS接收机。接收机接收GPS卫星的信号，对其进行处理完成导航和定位。

GPS的定位可分为绝对定位和相对定位。绝对定位是指在协议地球坐标系中直接确定观测点相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种方法。

相对定位采用两台接收机分别安装在基线的两端，并同步观测GPS卫星以确定基线端点在协议地球坐标中的相对位置或基线向量。

3GPS脆弱性谈到GPS脆弱性，想借用一个业内人士*喜欢引用的例子：1227.76MHz的L2信号强度到达地球表面时*小信号电平为166dBw，相当于1，000英里外一个25瓦的灯泡发出的光，或者说，它比电视机天线所接收到的功率要低10亿倍。

这个例子中可见GPS信号是如何的弱。信号自然容易受干扰。其实，我们还可以通过价格比来看GPS是如何容易受干扰：1997年林肯实验室的SeanGilmore博士提到的GPS有效干扰机“曲棍球精灵”（HockeyPunk）仅需要500美元的造价。

这对那些耗资200余亿美元构建GPS的决策者米说无疑是一个闷棍。

由于GPS主要是作为一个军用系统而诞生的，与军事上的联系十分紧密，一些机构出于政治和军事上考虑对如何破坏和干扰GPS进行研究，使得GPS干扰技术种类众多，防不胜防。针对GPS的干扰有的是有意的，有的是无意的；从干扰技术体制上来分，有压制式干扰，欺骗式干扰和分布式立体干扰。压制式干扰是通过发射机发射一定电平的干扰信号将GPS接收机前端的GPS信号压制住，使GPS接收机接收不到卫星信号；欺骗式干扰就是通过发射机发射与GPS信号具有相同参数但信息码不同的假信号，使GPS接收机接收错误定位信息；分布式立体干扰是指在地面和空中应用多部多种类干扰机进行全方位立体干扰。具体的干扰形式多种多样，例如宽带高斯噪音，连续波，扫频连续波，脉冲连续波，调幅连续波相移键按伪随机噪音，窄带/宽带调频信号等。

由于GPS在许多国家（尤其以美国为首的北约国家）的军事领域普遍应用，这就使得提篼GPS抗干扰能力成为这些国家的迫切需要。在过去的20年里，许许多多的科研机构投入到了这个领域的研究，并取得了许多有意义的成果。但是，所有这些成果中，没有一种足以能够对付所有类型的干扰。每种抗干扰措施或技术都是优缺点并存。下面将对这些抗干扰措施和技术进行讨论。

4GPS抗干扰措施和技术造成GPS容易被干扰*直接的原因就是GPS卫星功率太小，发射的信号太弱。如果能提高卫星功率，加强GPS卫星信号，这就能从源头上解决干扰问题。从这一点出发，就必须考虑到对GPS星座进行改进。当然，这种方法会面临巨大的开支。

如果采用一些适用技术，如在接收机上进行滤波，天线采用调零技术，也能取得良好的效果。下面就这些措施和技术进行简单的介绍。

4.1GPS卫星优化对GPS卫显进行优化主要目的就是提篼卫星的信号强度，改善码结构和在卫星上使用一些新的抗干扰技术。由于GPS卫星使用寿命有限，在GPS星座卫星中占数量大多数的（18颗）是BLOCK11A型，部分按计划应在2002年逐步停止使用，因此，可以在新发射的卫星上进行改进，如采用后向天线和大功率的信号发射机，增加新的军用码（M码），使用点波束发射方式等，逐步对卫星进行优化，以提高信号抗干扰能力。根据美国GPS卫星现代化计划，2003年将发射的洛克西德马丁公司的R―M卫星和随后将发射的波音公司的BLOCKF都将采用上面这些改进措施。但估计新卫星要到2008年才能初具使用M码作战能力，到2016年才能具'备发射点波束能力。

GPS容易受到干扰，军民共用是一个主要原因。尤其是当前国际组织和民事团体对要求加强其在GPS管理中份量的呼声是越来越高，针对此形式，许多人提议构建一个完全用于军事的全球导航系统。由于独立的军用系统能具备强抗干扰、加密和选择可用性等特点，因此从应用上来讲，完全能满足要求。但是，开支却是一个难题。为此，人们提议购买俄罗斯的GLONASS.目前来看，俄罗斯政府很是希望同欧洲合作共同开发和维持GLONASS.真要卖给美国，即使是政府有这个想法，军方也不会同意。其实，随着材料技术（尤其是纳米材料技术）、多负载发射技术及电子技术的发展，布置一个专用的微卫星（卫星质量在1100kg间）或纳卫星（卫星质量在1*10kg间）GPS导航系统也是一种选择。与常规的大卫星相比，微卫星和纳卫星有一些明显的优点。它们重量轻，体积小，可批量生产；发射上不仅可以采用成批发射，而且可多途径发射（大/小型火箭发射，战斗机发射甚至地/水面火炮发射）。这些优点不仅能大大降低星座成本，还能满足快速反应的需求。据称美国空军未来的GPS卫星每颗将不超过lkg.很明显，微卫星、纳卫星已成为美国GPS卫星发展方向。

4.2伪卫星技术伪卫星技术是指利用装载在无人机或地上的天技术周刊》报道，美国DARPA正在进行一个GPX伪卫星计划。该计划是利用四架无人机或地面上的虚拟机转发经过放大的GPS信号，在战场上空构成一个虚拟的GPS星座。据称四架“全球鹰”无人机可以覆盖300平方公里的整个战区。在该计划中，只需将现有的GPS接收机软件稍作改动就能接收虚拟GPS星座的信号。采用伪卫星方案时，伪卫星必须连续地发送它们的位置，这对于设计者来说，一个关键的任务就是必须在一个50bit/s的电文内发送伪卫星星历表。由于机载伪卫星作机动运动，因而会产生一些位置误差。DARPA的一项试验表明位置精度从卫星的27m降到了4.3m.如果采用地面发射塔作为伪卫星，精度会明显上升，但又面临一个覆盖范围受限的问题。所以，较好的方案是使用二者相结合的折衷方案。采用伪卫星技术时，虚拟机能转发100W的信号，比直接从GPS卫星接收的信号强度增大45dB，可取得较好的抗干扰能力。

4.3滤波技术滤波技术使得GPS接收机不易受相对于GPS的两个L波段频带外的强功率干扰。目前，在GPS接收机上应用的滤波技术主要有频域滤波、时域滤波、空域滤波以及*新应用的联合滤波。

频域滤波用于频谱滤波，包括带通滤波和带阻滤波。它适用于束窄带干扰源、连续波干扰源及较强的带外干扰源。频域滤波可通过在用户设备GPS接收机和GPS天线间增加一个外围滤波来实现，这在一定程度上能增加抗干扰的能力。滤波过程中还可采用自适应数字信号处理滤波技术。频域滤波对大于35dB的窄带干扰能有效压制。但对宽带噪音干扰却无效。

时域滤波是通过运用数字信号处理方法辅助可编程R/FIR滤波器和相关器实现频谱/逆谱区分。它是一种单孔径技术，对多窄带噪音干扰源，连续波干扰源有效。它还能解决多径干扰和回波消除问题。时域滤波可通过在GPS接收机前端处理中增加一个嵌人块实现。它对大于30dB的窄带干扰能有效压制。

空域滤波应用天线模式控制技术及各种天线矩阵技术来完成光束/调零优化。模式控制可降低主瓣与背瓣对干扰的敏感性。通过开关天线和表面处理技术可降低由天线辐射模式引起的脆弱性。空域滤波能压制宽带干扰源和窄带干扰源。

由于在单独采用以上三种滤波技术中一种时，总存在这样或那样的不足，人们又开始了联合滤波的研究。其中，洛克西德马丁系统集成公司*近研制的空域时域抗干扰接收机（G-STAR）就是对联合滤波的成功应用。据洛克西德马丁系统集成公司导航作战系统负责人解释，采用时间一空间处理能消除更多的干扰源。因为时间处理仅对窄带干扰源有效，而空间处理能对宽带干扰进行压制，二者相结合，能消除大量的干扰源。G―STAR系统有望在今年晚些时候集成于联合防空区外发射的空对地导弹（JASSM）上，以提高导弹的抗干扰能力。

4.4码环和载波跟踪技术码环和载波跟踪技术是指通过使用窄的码环和载波来跟踪环滤波器带宽和预检测带宽以实现接收码环和载波环的抗干扰能力。采用此技术时，减少带宽会降低通道的动态范围，动态范围的损失可通过内部辅助增强技术、外部导航增强技术或载波跟踪闭环辅助技术来补偿。

4.5调零天线技术2002.4/全球定位系统37调零技术通常使用微带圆形天线阵或隙缝部件来实现对干扰源方向上的自适应调零，以达到有效的定向压制。它已经广泛的应用于军事系统中，如CRPA（辐射模式控制天线）。自适应调零天线是一个多阵元天线阵，阵中各天线与微波网络，进而与处理器相连。处理器通过对微波网络的信号处理来调整微波网络，使各阵元的增益合成相位发生变化，从而在天线阵元方向图中产生对着干扰源方向的零点，以降低干扰机效果。其中可以抵消的干扰数量等于天线阵元数减1.调零天线对多宽带噪音干扰源特别有效，能使GPS接收机的抗干扰能力提篼40―50dB.但是采用自适应调零天线需要大的天线阵，因此价格昂贵。一般仅用在篼造价的飞机上。

4.6波束控制天线技术波束控制天线技术是由自适应共面阵天线根据GPS卫星可选择性程度及干扰抑制程度提供波来控制。篼增益和旁瓣/背瓣抑制水平都用于提篼抗干扰率。为了产生窄带宽，L波段共面天线不仅趋向于结构巨大，而且还需要卫星暂时跟踪能力以保证其有效性。波束控制天线需要大的天线阵，因此价格昂贵。另外，控制技术上还要求与GPS接收机上卫星处理同步。

4.7轴向调零技术在小圆柱体内轴向调零技术通过使用干涉仪和接地面效应能在沿圆柱体轴线方向形成可编程零点。此技术能在沿轴线方向上产生10―15dB的干扰压制，轴外的多干扰源则不受影响。轴向调零技术是一种双孔径技术，应用成本低。此项技术目前敏感性较强，报道不多。

4.8幅/相对消技术幅/相对消技术是使用直接调制信号对消技术和QIFM相关技术的双孔径技术。它使用两个不同的天线模式（通常一个在飞机的顶部，一个在飞机的底部）分别接收干扰信号和合成的“GPS+干扰”信号。两个信号然后相组合，在*GPS+干扰“路径中对消干扰信号。对于单/多宽带和窄带干扰源，使用幅/相对消技术能产生20―30dB的干扰压制。当用于多干扰机环境时，两个孔径必须沿飞机顶部和底部的垂线安装。此技术尤其实用于地平线周围的单个/多个干扰源及时间选通脉冲干扰源。此项技术目前也是比较敏感，报道不多。

4.9极化调零抗干扰技术极化调零抗干扰技术是一种单孔径技术，它应用电场矢量对消来消除干扰信号。极化调零使用一个探测和跟踪/控制通道来确认和跟踪干扰信号，使用一个复合连接对消电路实现对干扰信号的调整。极化调零技术根据类似的极化干扰源产生一个极化非匹配和调整，能明显地有效提高右旋极化GPS信号与干扰之间的抗干扰比。理论上讲，调零点能压制在同一环境中有类似极化特征的所有信号，也就是说，压制垂直极化干扰源的零点也能压制其它表现有垂直分量的干扰源。ERI（电子辐射公司）研制的干扰压制单元（ISU）就采用了极化调零抗干扰技术。据称它能为GPS接收机增加40dB的抗窄带/连续波干扰能力或是25dB的抗宽带噪音干扰能力。这种干扰压制单元成本低、体积小、容易安装，但是由于极化不匹配，它会减弱卫星信号，从而会对GPSC/N产生一定的影响。

GPS/惯性组合导航技术GPS/惯性组合导航技术特别适合于一些高速运动平台如导弹、联合直接攻击炸弹（JDAM），战斗机等。当前对这项技术的应用是通过GPS与IMU/INSC惯性测量单元/惯性导航单元）的组合来实现的。美国的第四代精确制导武器，如联合直接攻击炸弹（JDAM）、联合防区外武器（JSOW）、术中，IMU/INS主要是对GPS进行校正，并且在GPS信号受到严重干扰时替代GPS进行制导。GPS与IMU/1NS之间的结合可通过Kalman技术来实现。当GPS短时间受干扰时，采用这项技术十分有效。但是，一旦GPS长时间受干扰，不能进行位置更新时，采用IMU/INS制导则面临重大问题。因为IMU/INS仅能提供一个不太精确的飞行导引。对于时间超过1小时的远程导弹来说，在整个飞行阶段得不到GPS位置更新的情况下，IMIVINS制导会使导弹产生篼达5km的脱靶距离。

GPS/地形辅助导航组合技术GPS/地形辅助导航组合技术*成功的应用就是美国的战术“战斧”巡航导弹。据称“战斧”巡航导弹是美国库存导弹中抗GPS干扰*强的一种。导弹向目标飞去时，如果GPS信号受到干扰，导弹则采用精确的地形辅助导航技术来使导弹严格地按地形轮廓飞行，使导弹仍具有捕获目标的能力。

GPS干扰源检测和定位技术GPS干扰源检测和定位技术是采用AD频段精确目标捕获系统进行干扰信号截获，并搜集有关干扰源的详细信息，以采取相应的保护措施。系统可安装在飞机吊舱中，也可直接安装在EA―6B、F*18，EP*3等多种平台上。

4.13其它技术GPS干扰与抗干扰之间的关系是相互对立又相互促进。随着新的干扰方式出现，新的抗干扰技术也应运而生。干扰技术与抗干扰技术都是层出不穷。目前研究应用的抗干扰措施和技术除了上面提到的几种外，还有一些比较引人注目的如直接P（Y）码捕获技术、数字化GPS码捕获技术、新型时间源、可控接收模式天线、射频信号检测技术、抗多径干扰技术，以及选择可用性反诱骗模块（SAASM）等。

5结束语功发射了两颗“北斗导航试验卫星”，这是我国**代导航卫星。尽管是试验卫星，目前仍处于调整测试阶段，但是，可以预言很快中国将会拥有自己独立的导航全球定位卫星系统。在研究GPS卫星的部署和应用时，也要注意对GPS干扰和抗干扰的研究，以使我国的导航系统能*大地发挥其功能。尽管没有一部GPS接收机能抗所有的干扰，尽管没有一项抗干扰技术或措施能对所有干扰有效，但是，也没有一种对抗不了的干扰。当前，我们要研究单项的抗干扰措施和技术，更要研究对多项措施和技术的集成。前面提到的G*STAR就是一个很好的例子。只有将多种技术集成在一起，才能同时对付多种干扰。