范廣偉,晁 磊,劉 莉
(1.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,石家莊 050081;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54 研究所,石家莊 050081)
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]在在軍事和民用領(lǐng)域得到世界認(rèn)可的同時(shí),衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境的日益復(fù)雜以及各類衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展已對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可用性、連續(xù)性和完好性都構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這些干擾源可能來自“無意”的干擾,也可能來自敵方的有意干擾;有可能來自地面,也有可能來自空中平臺(tái),因此有必要對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各工作頻段干擾信號(hào)進(jìn)行、分析,對(duì)干擾信號(hào)的功率、頻率、帶寬等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì),對(duì)干擾類型進(jìn)行分類,有助于快速定位干擾源并采取正確的應(yīng)對(duì)措施,為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供安全保障。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾監(jiān)測(cè)的發(fā)展主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行:改善測(cè)向設(shè)備的信噪比和提高對(duì)微弱信號(hào)的監(jiān)測(cè)、測(cè)向能力;提高測(cè)向準(zhǔn)確度;提高對(duì)干擾源的定位精度;對(duì)干擾類型的分類與識(shí)別;干擾對(duì)系統(tǒng)功能的影響評(píng)估等。干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)一般由監(jiān)測(cè)中心站以及若干固定式、可搬移式、移動(dòng)式、便攜式監(jiān)測(cè)站組成。各監(jiān)測(cè)站對(duì)周邊電磁空間干擾信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)各種干擾源,并輸出有關(guān)干擾信號(hào)的一些重要的技術(shù)參數(shù),而多站聯(lián)合組網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的準(zhǔn)確定位以及對(duì)整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作環(huán)境的電磁信號(hào)監(jiān)測(cè)。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)是在無線電監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的,隨著無線電應(yīng)用的日益廣泛,其工作環(huán)境日趨復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外針對(duì)無線電干擾監(jiān)測(cè)、測(cè)向、定位均進(jìn)行了大量研究,建立了通用或?qū)S玫谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)(專用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如民航無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、衛(wèi)星干擾源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等),開發(fā)了各種不同的干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)專用干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和建設(shè)也取得了一些初步成果。
衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)是在一般的無線電監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的,專門針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的資料相對(duì)較少,下面簡(jiǎn)要介紹一下國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航的干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備。
美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量機(jī)構(gòu)(national geodetic survey,NGS)組建了“連續(xù)運(yùn)行參考站”(continuously operating reference stations,CORS),該網(wǎng)絡(luò)是服務(wù)于政府、高校、商業(yè)部門和私人的多功能網(wǎng)絡(luò)。到2010 年1 月12 日,該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)包含1400 個(gè)參考站。在該系統(tǒng)中,包含GPS 監(jiān)測(cè)接收設(shè)備和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備,監(jiān)測(cè)接收設(shè)備每30s 記錄一次數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄設(shè)備形成每小時(shí)和每天的數(shù)據(jù)文件,這些數(shù)據(jù)文件包含有接收機(jī)在每一時(shí)刻的定位信息,通過對(duì)這些信息進(jìn)行后續(xù)處理,即可監(jiān)測(cè)站點(diǎn)周圍是否受到有效的GPS 干擾信號(hào)。
JLOC(jammer and interference location system)是美國(guó)NAVSYS 公司建設(shè)的一種較為復(fù)雜的基于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的GPS 信號(hào)干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控站、干擾監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和客戶端軟件組成,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種干擾源的檢測(cè)和定位。
美國(guó)Agilent 公司和TCI 公司、德國(guó)Plath GmbH 公司和Rohde &Schware 公司、俄羅斯IRCOS 公司等也都研制了性能優(yōu)良的干擾源監(jiān)測(cè)/測(cè)向系統(tǒng)。其中典型指標(biāo)是頻率覆蓋范圍25 ~3 000 MHz,頻率掃描速率1000MHz/s。部分系統(tǒng)采用開發(fā)架構(gòu),從而可以提供快速的寬帶信號(hào)監(jiān)測(cè)、測(cè)向及一整套的信號(hào)分析方法(提供頻率、方向、位置、編碼種類、調(diào)制參數(shù)、帶寬等參數(shù))。
2009 年7 月,英國(guó)CHRONO TECHNOLOGY 公司公布了他們的一款手持式GPS 干擾監(jiān)測(cè)機(jī)CTL3500。它是一款低功率、由電池供電的干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠檢測(cè)L1 頻段內(nèi)的GPS 信號(hào)、非GPS 信號(hào)和干擾信號(hào)。
我國(guó)“北斗”二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)剛剛開始試運(yùn)行,專門服務(wù)于北斗系統(tǒng)的干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未開始部署,但國(guó)內(nèi)有關(guān)單位已經(jīng)做了一些論證工作,例如國(guó)防科技大學(xué)、航天5 院503所、中電集團(tuán)第20 所以及中國(guó)船舶集團(tuán)系統(tǒng)工程部等科研院所開始對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究,一些學(xué)者也發(fā)表了一些關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾監(jiān)測(cè)方面的文章,例如國(guó)防科技大學(xué)的韓其位對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[2]做了分析,國(guó)防科技大學(xué)的戴雪楊對(duì)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)的現(xiàn)有技術(shù)[3]進(jìn)行了總結(jié),王哨軍等對(duì)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究[4]。國(guó)內(nèi)雖然進(jìn)行了一定的研究,但是由于北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)剛剛開始試運(yùn)行,專門服務(wù)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備還未有成熟的產(chǎn)品,研究大部分還是停留在理論階段。
針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中涉及的星上、地面站、用戶端各種接收機(jī)的復(fù)雜電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè),衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中干擾源的測(cè)向定位技術(shù)[5-7]、干擾檢測(cè)與告警技術(shù)[8-11]、干擾信號(hào)頻譜特征提取技術(shù)及干擾類型識(shí)別技術(shù)[12-14]等,下面分別從這幾個(gè)方面對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展開論述。
干擾檢測(cè)是干擾監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ),只有首先檢測(cè)到干擾信號(hào)才能完成干擾監(jiān)測(cè)的諸多后續(xù)工作。1998 年,斯坦福大學(xué)的Awele Ndili 和Dr.Per Enge 研究了GPS 接收機(jī)的自動(dòng)干擾檢測(cè)技術(shù),該技術(shù)能有效檢測(cè)高斯白噪聲干擾、寬帶脈沖干擾、相干連續(xù)波干擾、脈沖連續(xù)波干擾、多徑干擾等,但是目前國(guó)內(nèi)在GNSS 干擾檢測(cè)方面的研究還相對(duì)較少。
信號(hào)檢測(cè)常用的方法有能量檢測(cè)法[15](ED)、匹配濾波器檢測(cè)法[16](MFD)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法[17](CFD)。但是,由于干擾信號(hào)缺乏先驗(yàn)知識(shí),目前,應(yīng)用在干擾檢測(cè)方面的算法主要包含下面幾種:能量檢測(cè)法、時(shí)頻分析法、循環(huán)平穩(wěn)分析法、高階統(tǒng)計(jì)量分析法、極化分析法及其它數(shù)字信號(hào)處理方法。就目前來說,對(duì)于無干擾先驗(yàn)信息的盲檢測(cè),主要應(yīng)用能量檢測(cè)算法,查閱關(guān)于干擾檢測(cè)方面的文獻(xiàn),大多都是二元檢測(cè)問題,并沒有在給出干擾存在與否同時(shí)給出干擾信號(hào)的參數(shù),多數(shù)檢測(cè)時(shí)針對(duì)整段頻譜的,并沒有給出具體的干擾頻點(diǎn)位置,干擾信號(hào)功率和干擾類型判斷。高階統(tǒng)計(jì)量方法因其對(duì)多種噪聲都有很好的抑制作用逐漸成為信號(hào)處理的新熱點(diǎn)[18-19],是近年來發(fā)展較快的現(xiàn)代信號(hào)處理方法之一Nikias 最早提出可以利用信號(hào)高階累積量[20]進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),高階累積量檢測(cè)性能優(yōu)于普通的能量檢測(cè)器。
傳統(tǒng)測(cè)向方法的主要代表是振幅法測(cè)向和相位法測(cè)向[21]。振幅法測(cè)向即根據(jù)測(cè)向天線接收信號(hào)的相對(duì)幅度大小來確定信號(hào)的到達(dá)角,具體又分為最大信號(hào)法、等信號(hào)法和比較信號(hào)法。相位法測(cè)向采用天線陣對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)工作空間進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)各陣元對(duì)同一干擾的接收相位差來確定信號(hào)的到達(dá)角。由于相對(duì)相位差來源于相對(duì)波程差與波長(zhǎng)的比值,而射頻干擾載波波長(zhǎng)較短,相位變化對(duì)波程差很靈敏,因此相位法測(cè)向的準(zhǔn)確度較高。干涉儀測(cè)向通過直接或間接測(cè)量分布在空間不同位置的天線感應(yīng)信號(hào)之間的相位差并求解來波的入射方位角和仰角,是相位法測(cè)向的典型代表。
空間譜估計(jì)測(cè)向[22-23]具有超分辨測(cè)向能力,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)干擾的同時(shí)測(cè)向。空間譜估計(jì)方法克服了傳統(tǒng)測(cè)向定位方法精度低的缺點(diǎn),可以有效解決密集信號(hào)環(huán)境中多個(gè)輻射源的高分辨率、高精度測(cè)向定位問題。空間譜估計(jì)測(cè)向體制基于多元天線陣加多通道所構(gòu)成的傳感器陣列,因此空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)可以在不同空間位置上同時(shí)獲得多個(gè)信號(hào)樣本,得到比較高的精度。常見的空間譜估計(jì)方法有MUSIC、ESPRIT 和Cappon 等,這些方法已經(jīng)成功的應(yīng)用到測(cè)向中;一些較新的空間譜估計(jì)方法還有基于高階累積量的空間譜估計(jì)和基于多級(jí)維納濾波的空間譜估計(jì)方法等,這些方向相比常見的測(cè)向算法或者有更好的測(cè)向性能或者有更小的運(yùn)算量。
在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),空間環(huán)境中存在各種各樣的干擾,干擾形式比較復(fù)雜,而非僅僅是穩(wěn)定的窄帶、寬帶、脈沖等典型樣式。為更好地應(yīng)對(duì)實(shí)際環(huán)境中復(fù)雜多變的各種干擾,使導(dǎo)航系統(tǒng)在干擾環(huán)境中正常工作,需在對(duì)空間各種無線電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)的基礎(chǔ)上,采集各種干擾樣本并對(duì)其各種信號(hào)特征進(jìn)行分析,建立干擾頻譜模板和干擾數(shù)據(jù)庫,然后再干擾信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別中提出當(dāng)前干擾特征與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,才能快速識(shí)別干擾,做出快速靈活準(zhǔn)確的反應(yīng)。而對(duì)于干擾數(shù)據(jù)庫沒有的模板的信號(hào)則無法識(shí)別。
干擾信號(hào)自動(dòng)調(diào)制識(shí)別的基本方法一般認(rèn)為有2 類:一種是決策論方法,另一種是統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法。決策論方法的理論基礎(chǔ)是假設(shè)檢驗(yàn),而統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法的理論基礎(chǔ)是模式識(shí)別。
干擾信號(hào)特征識(shí)別主要是指對(duì)信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別,調(diào)制識(shí)別是指對(duì)干擾信號(hào)調(diào)制種類的識(shí)別,常見的調(diào)制識(shí)別方法有:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 法[24]、基于高階累積量的調(diào)制識(shí)別方法[25]、基于支持向量基的數(shù)字調(diào)制識(shí)別方法[26]、基于小波分解的調(diào)制識(shí)別方法和星座圖聚類分析調(diào)制識(shí)別方法[27]。但是這些算法目前都是應(yīng)用在通信信號(hào)的調(diào)制方式識(shí)別,專門針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航干擾識(shí)別的應(yīng)用目前還較少,因此分析干擾特征,把這些算法應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的干擾識(shí)別中還需要進(jìn)一步深入研究。
干擾源定位一直以來都是干擾監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的難點(diǎn)。原因在于干擾源信號(hào)形式往往變化多端,如何針對(duì)各種不同的干擾源進(jìn)行準(zhǔn)確定位是干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。干擾源的定位是在單個(gè)監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)測(cè)向的基礎(chǔ)之上,聯(lián)合多個(gè)監(jiān)測(cè)站(包括固定、移動(dòng)和便攜監(jiān)測(cè)定位站)進(jìn)行組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)空間電磁環(huán)境的聯(lián)合監(jiān)測(cè)和測(cè)向定位。常用的干擾源定位技術(shù)包括到達(dá)時(shí)間法[28](TDOA)、到達(dá)頻率法[29](FDOA)、到達(dá)角度法[30](AOA)、它們相組合的方法,以及幅差法干擾源定位技術(shù),基于多波束天線的干擾源定位方法包括基于空間譜估計(jì)的干擾源定位、基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干擾源定位、衛(wèi)星干擾源定位與自適應(yīng)調(diào)零一體化。實(shí)際應(yīng)用中具體選用那種方法要根據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和性能要求等多方面因素選取合適的定位方法實(shí)現(xiàn)干擾源的有效定位。
通過對(duì)國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)的分析,衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)將會(huì)按照以下幾個(gè)方向進(jìn)行發(fā)展:
1)高性能
隨著微電子技術(shù)和干擾技術(shù)的不斷發(fā)展,使得為達(dá)到同等效果所需的干擾功率越來越低,設(shè)備也越來越簡(jiǎn)單,這就需要干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較高的靈敏度,可以有效監(jiān)測(cè)到較弱的干擾信號(hào),因此干擾監(jiān)測(cè)接收機(jī)的高性能成為主要發(fā)展方向。
2)小型化
干擾監(jiān)測(cè)不但需要專門的干擾監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理基站,還需要便攜的小型、手持檢測(cè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)一些特定區(qū)域突發(fā)干擾的快速監(jiān)測(cè)。
3)復(fù)合化
最終衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的監(jiān)測(cè),還要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同導(dǎo)航信號(hào)的監(jiān)測(cè),還要有組網(wǎng)能力、通信功能,能夠?qū)崿F(xiàn)感興趣區(qū)域的全天候不間斷監(jiān)測(cè)和不同監(jiān)測(cè)站之間的數(shù)據(jù)交互能力。
衛(wèi)星導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和建設(shè),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各工作頻段干擾的有效監(jiān)測(cè),為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供保障,為衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾設(shè)備的研制提供技術(shù)支持,為我國(guó)高端導(dǎo)航接收機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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