卫星导航抗干扰技术应用

倪大森

天津七六四通信导航技术有限公司天津300210

摘要：抗干扰技术一直是卫星导航领域的研究热点。在众多的抗干扰方法中，采用基于空时联合处理的阵列天线抗干扰是目前最有效且应用最广的一种方法。而对于阵列天线抗干扰，权值精度和权值更新速度是决定其抗干扰性能优劣的重要因素。当采用相同的自适应算法时，权值精度越高，权值更新速度越快，则抗干扰处理的效果越好。为此，在接下来的文章中，将围绕卫星导航抗干扰技术应用方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：卫星导航；抗干扰技术

引言：卫星导航定位系统提供精确的位置、时间和速度的同时，存在着信号微弱，易受干扰的天然弱点。在定位导航过程中，导航接收机的抗干扰能力是决定导航定位服务可用性的关键因素，伴随着卫星导航的推广应用和深入研究，抗干扰技术不断迭代更新。文章对卫星导航系统的抗干扰接收技术进行分析。

1.抗干扰技术分析

抗干扰是指设备能够防止经过天线输入端，设备的外壳以及沿电源线作用于设备的电磁干扰。雷达往往工作在复杂的电磁环境中，雷达抗干扰性能的优劣直接决定了整个雷达系统的性能。然而，如何评价雷达抗干扰性能的优劣，至今还没有公认的标准。因此人们难以把握雷达抗干扰能力的好坏，严重阻碍了雷达抗干扰技术和战术的发展。目前对于雷达抗干扰性能的评估，已经有了部分研究成果，但存在以下缺点：第一，干扰和抗干扰性能分开评估，没有把两者联系起来，这不符合实际情况；第二，由于雷达系统的复杂性，往往不能表征整个雷达的抗干扰性能，而仅从雷达采取的抗干扰措施或雷达本身固有的特性来研究；第三，度量值具有不可测性，计算繁琐

1.1虚拟卫星法

虚拟卫星法是在卫星导航抗干扰接收系统中广泛应用的一种方法，利用小型无人机或者地基发射装置播发模拟卫星信号，增强导航接收机的接收信号进而改善信噪比，从而实现抗干扰的目的。

1.2天线抗干扰法

天线抗干扰法是卫星导航抗干扰系统中的关键技术，其应用具有多种优势，技术操作简单，成本相对较低。天线抗干扰法可以通过提升波速发生量的方式来完成天线阵元的加权工作，从而将外界干扰信号的强度控制在较小的范围，减小或避免对导航接收机的影响。

1.3扩展频谱抗干扰法

这种方法可使导航接收机有效抑制干扰信号。采用直接序列扩频，当接收机解扩之后将有用的信号变成了窄带信号，原来一些频带比较窄的干扰信号就会变成宽带信号，从而使得信号中的大部分能量都被窄带滤波器滤除掉，提高了信干比。当前扩展频谱抗干扰法的应用十分广泛，尤其是在工业领域普及程度很高。

1.4光通信技术

光通信技术是卫星导航干扰接收系统的主要技术之一，是结合现代科学技术产生的一种新技术。与传统的卫星导航抗干扰技术相比较而言，光通信技术更高效、科学，但是其原理相对复杂，应用成本相对较高，当前还处于推广阶段。

1.5编码调制技术

编码调制技术在卫星导航抗干扰接收系统中的应用，可以借助卫星导航系统的修正、调整、编排优势，增强抗干扰接收系统稳定工作的持续性。

2.抗干扰导航接收机实现

2.1波束形成抗干扰方法

形成抗干扰波束并借助惯性测量数据或者卫星历史数据，可以抵御和消除外界的干扰信号，从而提高导航接收机的抗干扰能力。卫星信号和干扰信号都会通过全向天线阵列进入大动态射频转换器前端，大动态射频转换器对射频信号进行初步处理再移交后端的数模转换器。大动态射频转换器的设计，可以采用自动增益控制技术，在射频与中频之间设置多个程控衰减器，每一个衰减器都会使得信号逐渐衰减变小，而且信号是逐级衰减，防止其中的敏感元件出现饱和状态。这种衰减结构是比较灵活的，可以对进入模数转换器的信号电平进行精确控制，实现对信号与噪声之间的比值的优化。当射频转换器把信号变成中频的时候，数字化中频信号就会进入波束形成算法模块，同时，在惯性测量数据可用的情况下，还可以从惯性测量数据获得自身的姿态信息，并且可以结合卫星历史数据，通过波束控制模块产生波束自适应控制权值，然后将该值传输到波束形成算法模块中，波束形成算法模块根据波束自适应控制权值，对数字化中频信号进行自适应滤波，可以降低或者消除进入导航接收机的干扰信号影响。波束形成算法模块可以对输入的数字中频数据进行处理，并且可以得到所有通道的数字波束总和，根据这个值再进入导航接收机的捕获跟踪模块。在整个传输过程中，波束形成算法模块可以同时对都不同方向的波束进行控制，在卫星信号中如果存在干扰信号，则该模块可以对数据中的干扰成分进行降低或者完全消除，从而减少干扰信号对卫星信号带来的影响，得到更准确的定位结果。

2.2自适应零陷抗干扰方法

如果缺乏惯性导航设备、电磁罗经等设备的惯性测量数据，导航接收机很难确定卫星接收天线的姿态。此种情况下，自适应零陷抗干扰方法更合适，这种方法的基本原理是功率倒置算法，确保期望信号增益为常数时输出的功率最小。按照功率倒置算法所形成的天线方向图，可以在各个干扰方向上产生对应的零陷，零陷与干扰信号的强度成正比。当卫星信号从空中传输到导航接收机的天线时，信号电平会衰减得十分微弱，甚至低于噪声，所以算法不会剔除有效的卫星信号。算法在强干扰方向上产生零陷，可以有效抑制干扰信号的影响，提高导航接收机的信噪比[1]。

2.3抗干扰导航接收机实现技术

从抗干扰导航接收机的结构来看，卫星导航系统的抗干扰导航接收机主要有两个模块，一个是自适应抗干扰模块，一个是基带接收机模块。自适应抗干扰模块中一共有7组天线，这些天线的数据经过采集之后，可以通过FPGA的SRAM存储器将数据转存送入DSP中，再对数字进行加权计算，另外也可以利用上次计算所得到的权值在FPGA中对当前采样的数据做波束形成或者零陷滤波处理，最终生成I、Q两路基带信号。如果采用波束形成抗干扰算法，则需要从惯性测量数据中获得相应的平台信息，并且要从flash存储器中获得更多卫星历史数据，用于计算出波束的方向矢量。如果采用自适应零陷抗干扰算法，则可以直接利用采样得到的数据进行计算。在实际计算过程中，I、Q两路基带信号可以通过上变频还原为中频数据，当前广泛使用的中频接收机可以实现定位和跟踪。

下图为基带接收机模块框图：

如图所示，在基带接收机模块中，FPGA芯片可以对I、Q两路信号进行跟踪，还能结合CPU芯片送来的惯性测量信息，提高系统的准确性。测试接口是接收机模块和计算机之间的交互接口，用户可以从上位机观测到接收机模块的输出结果。如果将自适应抗干扰模块和基带接收机模块看成

两个相互独立的组件，则可以通过上变频与下变频模块相连，从而形成完整的导航接收机。抗干扰模块和基带接收机模块独立设计，有利于采用技术成熟的现成模块进行抗干扰导航接收机的集成设计，在工程应用中可以缩短抗干扰导航接收机的开发设计时间。

结论

简而言之，卫星导航系统提供的位置、时间和速度等参数广泛应用于各个领域。同时由于卫星信号较弱，接收环境复杂，易受干扰，影响导航接收机稳定可靠的定位解算，因此抗干扰技术是设计过程中的关键，也是卫星导航系统必须解决的问题。当前卫星导航系统的抗干扰导航接收机功能完善，模块集成度高，可以实现良好的抗干扰效果[2]。

参考文献：

[1]王晓君，张伟，杜萌萌.北斗卫星导航系统的应用及其抗干扰技术[J].河北工业科技，2014（05）.

[2]何永前.北斗卫星导航系统抗干扰技术研究与实现[J].舰船电子工程，2017（01）.