卫星导航系统接收机抗干扰关键技术研究

【摘要】： 卫星导航定位系统凭借其高精度定位、授时的技术优势和全天候、实时性、连续性和被动式导航定位的工作特点,不仅可广泛应用于公路、铁路、航运、电信、石油、建筑、农业、气象、水利、环保、海洋与土地管理、渔业捕捞、地质勘探、大地测量、旅游、金融、公安、消防等部门和行业,而且可应用在航天器飞行、空间站交汇对接、靶场测控、航空、军事侦察、战场单兵作战系统、智能武器、灵巧炸弹等特殊领域。但是,卫星导航定位信号面临着弱信号强干扰复杂的恶劣信道环境,容易受干扰的重要原因是卫星信号功率小。卫星导航定位系统容易受到其它多种形式的有意和无意干扰,其中主要包括压制式干扰和欺骗式干扰。当存在压制式干扰信号时,由于干扰信号覆盖了卫星导航信号频谱范围,大大降低了接收信号的信噪比,导致定位测速精度急剧下降,并且在多数情况下接收机无法正常捕获跟踪卫星导航信号。当存在欺骗式干扰信号时,由于欺骗式干扰信号的作用,卫星定位结果已经远离真实位置,而通用接收机无法获知定位结果已由于欺骗式干扰信号作用而偏离了真实位置,从而使接收机受到更大的影响。因此,本文针对卫星导航系统容易受到干扰信号的干扰;在压制式干扰影响下,导航定位精度降低,甚至无法正常工作;在欺骗式干扰影响下,导航解算结果偏离真实位置并且接收系统无法察觉的情况,重点研究了卫星导航定位抗干扰接收机系统中的几个关键技术: 第一,卫星导航定位系统接收机抗压制式干扰自适应滤波算法研究。卫星导航接收机在存在多个压制干扰源(包括宽带和窄带)的情况下,系统定位精度降低甚至无法满足定位要求。由于压制式宽带干扰信号覆盖了卫星导航信号的整个频谱,传统抗干扰算法采用阵列天线空域滤波算法或空时联合滤波算法,然而由于在对压制式宽带干扰信号大幅度抑制的同时,与干扰信号空间角谱接近的卫星导航信号也被同时极大衰减,在可见卫星有限的条件下,降低了卫星导航系统性能。因此,本文提出具有方向约束条件的改进联合空时滤波处理算法,将干扰源来向检测和获取的导航卫星信息作为条件约束判据引入联合空时滤波处理算法,该算法的特点在于具有较高的干扰抑制度、抗干扰自由度(可同时抑制的干扰数目),特别是在卫星导航信号和干扰信号空间角谱接近的情况下,在抑制干扰信号的同时保证靠近干扰源来向的卫星信号的正常接收。仿真表明,在有限阵元规模情况下,该算法可以保证干扰信号的高抑制度,并且提高干扰抑制自由度,最重要的是当导航卫星信号与干扰信号的空间角谱接近时(大于10°左右),在有效抑制干扰的同时接收机仍然能够正常工作,尤其针对我国卫星导航系统建设初期,可用卫星数目有限的条件下,该处理算法具有更大的应用价值。 第二,抗欺骗式干扰方案设计,其中包括两个方面:欺骗式干扰特征判别处理方法研究和抗欺骗式干扰定位解算算法研究。首先,欺骗式干扰特征判别处理方法是从干扰信号特征上判别并剔除具有明显干扰信号特征的欺骗式干扰信号。其次,对于无法通过上一步骤识别并剔除的高质量欺骗式干扰,在定位解算过程中采用改进扩展卡尔曼滤波算法滤除欺骗式干扰的干扰作用。该改进抗欺骗式干扰扩展卡尔曼滤波算法,结合了稳健统计理论中的M-估计算法,通过M-估计产生的加权量来调整卡尔曼滤波器的状态更新过程,以获得更为精确的状态估计,消除欺骗干扰的影响,提高接收机的抗欺骗干扰性能。并根据卫星导航接收机工程实现需要,简化了M-估计算法产生的衰减因子的计算方法。仿真表明,通过对比最小二乘、传统卡尔曼滤波定位解算算法和本文算法,本文算法可以有效地消除欺骗式干扰的影响(欺骗式干扰信号引起的伪距测量误差1200m),具有较高的定位测速精度,定位精度优于10m、测速精度优于0.5m/s(以GPS系统为例),并且算法实现复杂度较低,更加有利于卫星导航系统抗欺骗式干扰接收机工程化实现。D(e ) 第三,卫星导航接收机的抗干扰改进设计。不同于传统卫星导航接收机,本文设计改进卫星导航接收机针对压制式干扰信号和欺骗式干扰信号,给出了抗干扰接收机中频信号处理及信息处理方案,其核心仿真模块主要包括抗压制式干扰模块、抗欺骗式干扰模块,并且给出卫星信号捕获跟踪模块设计。通过考察抗压制式干扰信号处理模块输出信噪比结果、卫星信号捕获跟踪输出结果和抗欺骗式干扰导航定位测速输出结果,系统仿真对比传统卫星导航接收机和本文设计改进卫星导航接收机的抗干扰性能。仿真结果表明,本文设计的抗干扰接收机方案,可以有效的抑制压制式干扰的影响,滤除欺骗式干扰的作用,具有良好的信号捕获跟踪性能,和较高的定位测速精度,具备一定的抗干扰能力。