浅谈GPS抗干扰技术

(中南大学 通信工程)

中文摘要:全球定位系统(GPS）,可以在全球范围内全天候、全天时地为用户提

供连续的高精度定位和时间信息,用户终端设备易于实现、 精度较高， 被广泛应用于各个领域。随着其在军事领域的广泛应用，GPS成为重点的被干扰、攻击对象,在复杂电磁环境下中如何保护GPS不受干扰成为了重点研究问题。

A brief analysis of GPS Anti interference technology

英文摘要：The global positioning system （GPS)， can be globally ， day and night

to provide users with high positioning accuracy and time information for the user terminal equipment, easy realization, high precision， it is widely used in various fields. With its widely application in military， GPS become the focus of disturbed， attack object, in a complex electromagnetic environment is how to protect GPS against interference has become a key research problem.

关键词：GPS 干扰 抗干扰 引言

GPS（Global Positioning System）是一种全球全天候导航测时系统。GPS完整性监视从检测和抑制空间部分的失效方面国内外作了广泛深入的研究.但从干扰的检测和抑制方面来研究GPS信号本身的完整性还未有报道。因GPS接收机主要依赖于GPS卫星发射的射频GPS信号来工作，因此它易受射频干扰的影响。射频干扰会降低GPS接收机导航定位精度或使它不能跟踪GPS信号。射频干扰可能是宽带的、窄带的、无意的或有意的.因为射频干扰不能预测，当它出现，无论GPS发射的信号是否完好,它都会降低GPS信号的可用性.因此研究GPS抗干扰技术具有重要实际意义。

目前先进的电子干扰技术已经GPS脆弱的抗干扰构成了直接威胁。首先，GPS的研制目的是为高动态用户提供全天候、连续、高精度的信息数据,在研制初期并没有考虑到该系统将在复杂的电子干扰环境中工作的问题,致使GPS在抗电子

干扰方面异常脆弱。GPS系统功率较低，其信号强度只有电视接收机天线接受到的信号的10亿分之一,仅相当于人的肉眼在能见度较好的条件下观看1万公里以外一只25瓦普通灯泡的亮光。只要事先知道GPS的信号特征，就可以使用功率较小的干扰机对其实施有效的干扰。

本文从对GPS的弱点分析入手，得出GPS的主要干扰手段，再得出GPS抗干扰技术,从而给出一个对于GPS系统干扰及抗干扰机理的总体概述,并对抗干扰技术的发展方向做出介绍。

1、干扰的种类以及GPS信号的弱点

GPS射频载波信号的接收即使受到干扰,其数字数据也能被检测和处理，如果利用信号载波，就可以获得高的精确度，这是因为GPS固有的宽频谱具有较强的抗干扰能力,这通常是可以做到的。然而，信号相当微弱，其信号强度相当于电视机天线所接收到的功

文章脉络 GPS抗干扰技术发展趋势 GPS抗干扰方式 GPS干扰种类 GPS信号的弱点 率10亿分之一。接收水平之低使得GPS易受低功率干扰的影响，即使是无意发射信号,也可以干扰接收机。敌方若采用宽带噪声进行干扰，技术上容易实现而且相当有效。可见，GPS需要采取一定的抗干扰措施。无论是军用还是民用,重要的是使GPS受干扰的程度最小化，并具有足够的抗干扰能力，以确保它在各种环境下的可用性。世界各国及其军事用户已经认识到了这些,由此引起了几种空间调零天线技术和数字滤波技术的发展。

GPS接收机对不同类型的干扰发射波显示出不同的受干扰程度，和普通的电子干扰一样，也分为压制式和欺骗式两大类.

1、1 压制式干扰

压制式干扰有窄带干扰（瞄准式）、宽带干扰（阻塞式），在干扰作用时间上有连续干扰和脉冲干扰, 用噪声或类似噪声的干扰信号淹没或遮挡有用信号导致卫星导航接收机无法正常工作。压制式干扰的优点是技术难度较小,但所需干扰功率较大。

1、2 欺骗式干扰

欺骗式干扰是发射与GPS信号相类似的干扰信号,误导GPS接收机偏离准确的导航和定位。这种干扰的优点是显而易见的，所需干扰功率小,干扰效果大大好于压制式干扰。当然欺骗式干扰的技术难度要远远大于压制式干扰。因为要实现欺骗就必须了解GPS卫星的码型及当时发出的电文数据等信息，而了解和掌握这些又是相当困难的。

1、3 分布式立体干扰

运用多种类型干扰机在地面、空中等进行全方位立体式干扰。

2、抗干扰的种类

根据GPS技术特性,从操作策略、干扰源及接收机角度作技术或非技术调整以增强抗干扰能力。

2、1恰当运用操作策略

这是一种非实质性抗干扰法。运用操作策略避免GPS接收机暴露于干扰源。如果干扰机位于地面(基于地面干扰),基于地面的GPS接收机能利用周围地形提供附加抗干扰性.基于地面的干扰机可能因地形效应而遭受传播损失。干扰机信号受到反射、散射和折射,还未到达GPS接收机就在许多目标上损耗掉了.而卫星信号通常与地平面至少有10°，不会遭受这种效应。这样，干扰机信号的传播损失就使基于地面的GPS接收机达到反干扰目的。但这种方法对机载干扰机几乎无效。

2、2从RFI源进行控制

这种方法采取截断干扰源从而达到抗干扰目的。对无线频率干扰(RFI),严格的规章制度控制是最有效的干扰控制方法,它对可能成为干扰源的发射波段作出。要处理偶然出现的干扰源,要在系统级别上研究抗干扰策略。对远离GPS的相同地点的发射频带源,最有效的方法是对发射源进行屏蔽与滤波。另一种方法是从发射控制的技术着手,它指为减少确定空间/时域发射而设计的实时可操作程序，它的关键问题是要确保控制系统有足够可靠性和整体性。

2、3 技术上的改进和调整

利用常见干扰信号的特性，如振幅、频率、时间、空间及极化作用等，根据成本和复杂性，可将这些抑制或减小干扰的技术分成三种类型:

自适应阵类：零控制,光束控制；

多孔技术类:光束转换，多元对消法;

单孔技术类：窄前后滤波器，窄辅助跟踪环,时相滤波，GPS/惯性集成和辅助，极化抗干扰技术。

在抗干扰领域取得的进展大多数都是基于雷达和通信的平行演化，rf技术、数据采集现代化及数字信号处理等。

2、4抗干扰数字GPS接收机 2、4、1射频干扰检测技术

其工作机理是检测射频干扰的出现，一旦干扰影响了GPS信号的完整性就立刻报警，且能提供GPS接收机天线和前端输入额射频干扰的大小.图中标注①采用AGC电路完成射频干扰检测,再通过干/噪（J/N)仪检测其信号的存在.干扰信号一旦影响GPS信号的正常接收就会报警并将信号反馈到GPS接收机天线和前端滤波放大器；当AGC自控电压的高低来精确估算J/N比大小可直接估算干扰信号功率的大小。

2、4、2前端滤波技术

图中标注②的抗干扰滤波处理技术是很有潜力且正在高速发展的新技术.它用微电子及软件来实现，能使GPS接收机免受2个L频段GPS频带外强功率干扰。多数GPS接收机目前均采用陡截止频率特性的无源滤波器来抑制强带外功率。其优点是插入损耗低，截止带宽的抗干扰性好,是有效解决带外射频干扰的最佳选择，但体积较大，价格昂贵。它与放大器一起装在天线中,除前置滤波外，还要对窄带下变频器及本振混频器进行滤波。当下变频率接近中频并与窄带滤波带宽同步时,GPS接收机前端带宽为2倍速率，对G/A码是2。046MHz,对Y码是20.46 MHz，从而改善了接收机的带外干扰特性,降低了中频A/D变换处理所需的奈奎斯特采样速率.

2、4、3码环和载波换跟踪技术

码环和载波环增强技术是在均标注在图中③的数字GPS接收机通道和接收处理器中实现的。其抗干扰性能是通过窄带码环压缩载波跟踪滤波器的带宽和接收机预检测带宽来改善。因宽带带宽使动态范围变窄，可以通过增加环路滤波器阶次来弥补，也可通过外部导航系统来弥补，如采用内部辅助增强技术、外部导航辅助增强技术有惯性导航系统(INS）、多普勒雷达和空气速度计，而最引人注

目的是GPS和INS的最佳组合。之一是借INS提供的平台速度信息去辅助GPS接收机的载波环和码环，做到环路带宽很窄，有效提高GPS接收机的信号/干扰比（S/J)；之二是在强干扰下只有GPS导航，当GPS接收机信噪比恢复到跟踪门限G/No以上时，再用INS辅助GPS接收机快速捕获GPS信号。GPS和INS的组合可使接收机的抗干扰性能提高10~15dB。

2、4、4窄带干扰处理技术

图中标注④的窄带干扰处理技术也称暂时滤波技术，是DFT技术用于数字中频信号处理即频域幅度处理的例子,如无射频干扰,热噪声功率谱在频域内相当均匀；又如信号中有窄带干扰，频域出现明显异常，其异常谱线在DFT中被自适应滤除。

2、4、5天线增强技术

图中标注⑤的GPS接收机天线采用自适应天线阵技术来提高其接收灵敏度；自适应调零天线技术是提高GPS接收机抗干扰的重要手段，目前美国处于领先地位.这种天线由多元天线阵组成，每一天线阵经微波网络接到处理器,信号处理后又馈送到微波网络进行调节，使各阵元的增益和相位发生变化，对来自天线阵方向图的干扰源归零，以降低干扰性能。其中零点数由阵元数决定，一般N元阵天线能控制N-1个零点。较理想的自适应天线能把GPS接收机的抗干扰能力提高40～50dB。

2、4、6抗多径干扰技术

在图中标注⑥的GPS天线阵周围设置合适的微波吸收圈或者扼流圈，以增大天线方向图的锐截止角，从而有效提高抗多径干扰的性能，迫使敌方使用大功率干扰机，利于GPS检测、定位和摧毁.

2 2 A/D变换器 5 1 AGC 4 3 数字接收机通道 数字 中频 前置滤波器 前置放大器 下变 频器 模拟 中频

3、GPS抗干扰技术发展趋势

综合分析国内外现代GPS系统的发展状况和技术特点，多个GPS系统兼容性与组合导航定位技术、广域增强技术、导航信号增强与调制技术、自主导航星座运行管理技术以及导航与通信一体化技术等将成为卫星导航系统技术的发展方向。

1、GPS系统兼容性与组合导航定位技术

未来5年，以GPS、GLONASS和伽利略等为代表的卫星导航系统将完成现代化技术改造和星座组网，系统性能大幅度提升。卫星导航系统将从建设走向合作开发利用，共享空间信息资源和国际卫星导航用户市场。 2、卫星导航信号区域功率增强

在强干扰环境条件下,导航卫星利用点波束天线，增强指定区域信号功率,专用接收机能够接收导航信号，且不会降低导航定位精度。同时,对导航信息进行加密处理，具有抗电子欺骗能力，以满足特定用户的实际应用需求。因此，GPS系统的抗干扰、多点波束信号增强、小型化的高增益接收天线、导航信号编码与加密以及专用信号加解密模块等技术将是GPS系统技术的发展方向。 3、基于星地、星间链路高速宽带网络的导航与通信—体化技术

导航定位精度、完好性、可用性和连续性是设计和评价GPS系统的顶层性能指标，也是新一代卫星导航系统技术改造的目标要求.可建立高速的星地、星间宽带通信网络，做到“接入到一颗卫星，等效于接入整个星座”,实现对星座的实时、连续和动态监视，保障导航信息的实时性和有效性，全面满足系统顶层性能指标要求。

电源 电源分配 控制与显示器 人机接口 基准振荡器 频率合成器 数据处理器 数字接收处理器 3 随着地面移动通信技术的发展，人们日益意识到时间、地点和事件等基本信息要素的重要性。例如，城市车载卫星导航系统的应用，已提供方便快捷的信息服务.但是，对于大范围乃至“地球村”实时信息获取，则有赖于卫星通信网络的支持。新一代卫星导航系统的星地、星间高速宽带通信网络，必然会促进导航与通信技术的一体化，实现全球无缝接人和实时信息获取. 4、结束语

现代GPS系统已成为及时获取高精度导航信息的空间基础设施，具有极高的军民利用价值，倍受世界各国青睐。而在GPS干扰技术日趋成熟的现代社会，人民乃至国家的安全受到的前所未有的挑战，GPS抗干扰技术的迅速发展成为必然。而在实践运用中，成本,技术难度及可实现性处处制约着GPS抗干扰技术的发展,而各种抗干扰方案各有其优点与缺陷,有效地将各种抗干扰措施统一结合,充分利用各自的优越性，提高系统的可靠度，做到小型化、多功能，是今后努力和奋斗的方向。努力提高卫星导航接收机适应现代战争恶劣电磁环境的作战能力，以最大限度保障现代化信息战的需要，这对现代化武器性能的提高以及重点、局部区域作战支持有着非常重要的军事意义。

参考文献

[1］刘海波，吴德伟，董成喜,卢艳娥。GPS抗干扰技术发展趋势.西安：空军工程大学电讯工程学院，2011.1

［2]王茂锋.GPS抗干扰技术与自适应天线探索。陕西：陕西东方航空仪表有限责任公司，2013。11

[3］孙越强.GPS干扰及抗干扰技术。中国科学院空间科学与应用研究中心 空间环境探测研究室

［4]王忠.GPS抗干扰技术.全球定位系统.成都:成都气象学院电子系.2011 ［5]陈于平.GPS抗干扰技术综述。数学技术与应用，2013.武汉：国防信息学院

作者简介：中南大学通信工程系本科生。