全球定位系统抗干扰的新技术途径

全球定位系统抗干扰的新技术途径



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　科技-技术

　　美国的军事优势在很大程度上仰仗全球定位系统(GPS)，而且这种依赖与日俱增。但是GPS卫星发射的导航信号比较弱，而且以固定的频率发射，因此，军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰。为了防止敌方在战时通过干扰GPS信号削弱美方的军事优势，美国在继续提高GPS卫星导航定位精度的同时，采取了多种措施加强GPS系统的抗干扰能力。
　　对GPS的干扰一般分为压制式干扰和欺骗式干扰两类。美军以往的对抗措施主要是改进GPS卫星星座、改进用户接收机和增设备份导航系统。目前，美国正在开发一些创新概念的全球定位系统抗干扰技术：国防高级研究计划局(DARPA)等部门已经完成了演示验证“机载伪卫星”(airbOrne pseudO—satellites，也称pseudolites)的“全球定位试验”(GPX)计划，正在进行技术向装备的转化，同时，美军还在研制“微机电惯性导航系统”(MEMS—INS)作为GPS的备份，已取得一定进展。
　　因此，美军新的全球定位系统抗干扰技术途径被简单地表述为“GPS+INS+Pseudolites”。

　　“机载伪卫星”

　　“机载伪卫星”就是将GPS导航信号发射机装在战场上空的数架无人机上，构成伪GPS星座，取代GPS卫星进行导航。一般，4架“猎人”无人机作为伪卫星，就可以覆盖300千米见方的战区，发射的GPS信号盖过敌方的干扰信号。机载伪卫星采用现成的波束成形天线与信号处理器，在受到干扰情况下仍能接收GPS卫星的信号、确定自己的位置，并采用低数据速率向地面发射类似GPS的信号，把定位信息“转告”给GPS接收机。由于伪卫星距离地面比GPS卫星近得多，它们发出的信号将盖过干扰信号，从而使多数用户能够不受干扰机的影响，继续利用GPS导航服务。
　　利用伪卫星克服GPS干扰的优点是：其发射信号功率比卫星高，使用起来比大功率GPS卫星更快捷，另外，伪卫星导航实施简单，不必改动现有GPS用户接收机的硬件，而只要对软件做些改变就可以使用伪卫星发射的信号。缺点是，载机的运动导致伪卫星的位置不太确定，因此，与采用GPS卫星星座相比，伪卫星的导航定位误差将增加约20％。DARPA曾利用7500米高度上的公务机以及约3000米高度上的“猎人”无人机，对单个伪卫星装置进行原理试验，其导航精度从采用真实卫星时的2．7米下降到4．3米。
　　在1999／2000财年进行首次成功的演示之后，DARPA利用七元天线阵列以及现成的数字波束成形器，着手制作抗干扰的伪卫星。麻省理工学院林肯实验室和罗克韦尔·柯林斯公司采用时空自适应处理技术，研制出具有40－55分贝抗干扰能力的系统。该系统已在美国空军GPS波振面模拟中心的微型吸音室进行测试，并做了一些初步的野外试验，表明其符合设计要求。2002年4月，伪卫星系统集成在F－16战斗机上进行了完整的吸音室试验，结果也满足计划要求，后来，在美国霍洛曼空军基地进行了首次飞行试验，证明该系统具有较强的抗干扰能力，在干扰机工作时仍能保持高精度的伪卫星信号。
　　“全球定位试验”计划已于2004年中期完成。一系列的现场演示表明：由4个机载伪卫星组成的完整导航系统能够在干扰条件下，为包括精确武器在内的多种用户提供精确导航。演示包括伪卫星信号的成形波束发射天线以及控制伪卫星网络传输的指挥控制系统。目前，DARPA的这项成果正处于向作战系统的转化中。

　　“微机电惯性导航系统”

　　惯性导航利用惯性传感器(陀螺和加速度计)的测量信息，直接计算出载体的姿态、速度、位置等导航参数，实现完全自主的导航。它既不向外界发射能量，也不依赖外界的任何信息，因此具有不受干扰，可在空中、太空、地下、水下的任何地方使用，动态性能好、输出信息丰富等优点。为了应对损失GPS卫星后可能出现的“压倒效应”，美军方提出要为GPS导航方式提供备份，并已经确定以“惯性导航系统”(1NS)作为GPS的首选备份系统，另外一个备份是“增强型定位系统”(EPLS)。
　　“微机电惯性导航系统”(MEMS-INS)是利用最新微机电系统技术制造的小型廉价的惯性导航系统，可以用于各种军事系统的导航。它可以在一些GPS信号过于微弱以至于无法工作的建筑内部、茂密的植被下以及水下提供导航，直到GPS信号得以恢复，它还有助于重新获取GPS系统的信号。MEMS—INS体积小、成本低，不仅可以为空·地弹药和地·地弹药提供制导功能，而且支持火炮和瞄准设备的瞄准与定位功能。
　　MEMS—INS计划的合同商是诺斯罗普·格鲁曼公司导航系统分部(以前的利顿制导与控制系统公司)、德雷珀实验室以及克佛特制导与导航公司。目前，他们正在努力研制性能、功率和体积都满足要求的产品，即陀螺仪漂移率小于1～10°／小时，加速度计偏差小于0．5mg，体积小于163厘米3，功耗小于3瓦，成本在1200美元以下。
　　惯性测量装置(1MU)由加速度计及陀螺仪组成。美国公司正努力利用微机电方法生产中型陀螺仪，其体积和相对误差大约是期望值的10倍。小型、高效的微机电陀螺仪制作起来相当困难，虽然目前的误差范围在1—20°／小时，但是为经济可承受惯性测量装置在军事计划中的大量应用奠定了基础。对于战术用户来说，MEMS-INS方案的1°／小时的精度不能解决所有问题，大多数飞机、舰艇、太空船及导弹需要更高的精度。可以预见，一旦MEMS-INS的成本以及性能都达到预期要求，其军事应用乃至民用将明显增加，就像今天的GPS一样。

　　极端工作环境下的GPS系统

　　美军正在继续推进伪卫星在地理定位与导航上的应用，进一步解决GPS系统在受到拒止及极端环境下的工作问题，以支持更广泛的平台及任务，包括洞穴内的车辆或飞行器导航，建筑物内或高楼林立环境下的部队机动、瓦砾中的传感器或机器人运行、在敌方区域的传感器等等。目前已经确定了一些实现这些目标的方法，即加大信号强度(“More Stuff"、利用现成信号(“FreeStu&rdquo和挖掘“自然”信号(“NoStuff&rdquo。


　　加大信号强度
　　为了加强战区内GPS信号的强度，方法之一是构建能穿透地表、废墟和建筑的“信标”(beacon)，同时使多径效应(multipath)以及环境带来的其他信号失真最小。信标的种类很多，包括声学、地震、电场、磁场、射频、光、重力、辐射等。为了抑制杂波，要利用先进的信号处理技术。还可以利用历
史资料以减少多径效应，例如，在类似“9．11”后世贸中心的搜救行动中，可以借助以往的GPS测量记录，并结合其他探测传感器对受害人进行定位。
　　加强GPS信号强度的努力，不仅涉及发射信标，而且包括用户接收机。美军开发了用于恶劣环境的“标签”(tag)结构用户接收机。这样，在火灾建筑物内的搜救人员或被跟踪的传感器可以发射信号，利用接收机星座就能对其定位。
　　加大信号强度的主要目的，是使信号在难以穿透、高度多径以及杂波等环境下，在建筑物、废墟及洞穴内部都能够正常传输。虽然信号加强之后，在穿透障碍或抵御干扰时效果不错，但覆盖范围还不是很理想，在敌方领土内使用时还存在着无法提供本地信标和标签接收机的问题。下面利用现成电磁信号的办法可以一试。

　　利用现成信号
　　这种方法是利用战区内现成的人为产生的信号(existingman—made signals Ofopportunity)如电视和电台广播、卫星和手机通信，解决GPS信号薄弱地方的导航问题，当然，也可以在战区附近布设“参考信号站”，这种信号对建筑或地面的穿透力不必很强。
　　例如，在敌方领土上的无人值守地面传感器，其GPS．接收机很容易受到敌方干扰而失效。这时就可以利用人为产生的现成电磁信号进行自我定位。这种地理定位软件接收机很结实、耐用，可以与通信、测量及信号情报设备共享硬件，不需要添加新的资源就可以提供地理定位功能。未来的软件无线电台既可以进行抗干扰通信、又可以用作导航，而且不需要增加战区的后勤负担，是优选的办法之一。
　　为了更好地利用人为产生的现成电磁信号，有可能需要少量投资以加大信号强度、构建基础设施，同时为了便于识别这些信号，需要对战区内部或附近的“参考信号站”预先做一些工作，使它们发射的信号具备特殊的波形，并将波形特征提供给用户接收机。

　　挖掘“自然”信号
　　上述两种办法利用的都是人为产生的信号。令科学家感兴趣的是，在没有人为信号的古代，人类的祖先甚至动物群是如何确定迁徙路线、发现食物、寻找配偶以及温暖干燥的栖身之处的呢?现代人能不能唤醒已经退化的本能，并借助灵敏的量子传感器和强大的计算能力，利用大自然中的信号进行导航与地理定位呢?
　　微机电系统技术以及基于原子光学干涉测量的传感器技术发展神速。我们是否能够利用这些技术，明察秋毫地感知重力信号、地球磁场或其他自然信息，并利用感应到的详细资料来进行导航和地理定位?既然阴暗世界中的老鼠与昆虫、密林荒原中的鸟类与兽群都能知其所在，人们总应该有办法利用“自然”信号做到这一点。
　　无疑，上述设想将对利用极其微弱信号的传感器，以及多径杂波信号处理等技术带来巨大挑战。我们可能需要重新研究在GPS受到干扰的空中、地面与隐蔽环境下的绝对／相对导航与地理定位问题，寻求性能更高、更为“皮实”、经济上可以承受、在困难环境下具备全面覆盖能力的实际应用方案。全球定位系统抗干扰的新技术途径



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　科技-技术

　　美国的军事优势在很大程度上仰仗全球定位系统(GPS)，而且这种依赖与日俱增。但是GPS卫星发射的导航信号比较弱，而且以固定的频率发射，因此，军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰。为了防止敌方在战时通过干扰GPS信号削弱美方的军事优势，美国在继续提高GPS卫星导航定位精度的同时，采取了多种措施加强GPS系统的抗干扰能力。
　　对GPS的干扰一般分为压制式干扰和欺骗式干扰两类。美军以往的对抗措施主要是改进GPS卫星星座、改进用户接收机和增设备份导航系统。目前，美国正在开发一些创新概念的全球定位系统抗干扰技术：国防高级研究计划局(DARPA)等部门已经完成了演示验证“机载伪卫星”(airbOrne pseudO—satellites，也称pseudolites)的“全球定位试验”(GPX)计划，正在进行技术向装备的转化，同时，美军还在研制“微机电惯性导航系统”(MEMS—INS)作为GPS的备份，已取得一定进展。
　　因此，美军新的全球定位系统抗干扰技术途径被简单地表述为“GPS+INS+Pseudolites”。

　　“机载伪卫星”

　　“机载伪卫星”就是将GPS导航信号发射机装在战场上空的数架无人机上，构成伪GPS星座，取代GPS卫星进行导航。一般，4架“猎人”无人机作为伪卫星，就可以覆盖300千米见方的战区，发射的GPS信号盖过敌方的干扰信号。机载伪卫星采用现成的波束成形天线与信号处理器，在受到干扰情况下仍能接收GPS卫星的信号、确定自己的位置，并采用低数据速率向地面发射类似GPS的信号，把定位信息“转告”给GPS接收机。由于伪卫星距离地面比GPS卫星近得多，它们发出的信号将盖过干扰信号，从而使多数用户能够不受干扰机的影响，继续利用GPS导航服务。
　　利用伪卫星克服GPS干扰的优点是：其发射信号功率比卫星高，使用起来比大功率GPS卫星更快捷，另外，伪卫星导航实施简单，不必改动现有GPS用户接收机的硬件，而只要对软件做些改变就可以使用伪卫星发射的信号。缺点是，载机的运动导致伪卫星的位置不太确定，因此，与采用GPS卫星星座相比，伪卫星的导航定位误差将增加约20％。DARPA曾利用7500米高度上的公务机以及约3000米高度上的“猎人”无人机，对单个伪卫星装置进行原理试验，其导航精度从采用真实卫星时的2．7米下降到4．3米。
　　在1999／2000财年进行首次成功的演示之后，DARPA利用七元天线阵列以及现成的数字波束成形器，着手制作抗干扰的伪卫星。麻省理工学院林肯实验室和罗克韦尔·柯林斯公司采用时空自适应处理技术，研制出具有40－55分贝抗干扰能力的系统。该系统已在美国空军GPS波振面模拟中心的微型吸音室进行测试，并做了一些初步的野外试验，表明其符合设计要求。2002年4月，伪卫星系统集成在F－16战斗机上进行了完整的吸音室试验，结果也满足计划要求，后来，在美国霍洛曼空军基地进行了首次飞行试验，证明该系统具有较强的抗干扰能力，在干扰机工作时仍能保持高精度的伪卫星信号。
　　“全球定位试验”计划已于2004年中期完成。一系列的现场演示表明：由4个机载伪卫星组成的完整导航系统能够在干扰条件下，为包括精确武器在内的多种用户提供精确导航。演示包括伪卫星信号的成形波束发射天线以及控制伪卫星网络传输的指挥控制系统。目前，DARPA的这项成果正处于向作战系统的转化中。

　　“微机电惯性导航系统”

　　惯性导航利用惯性传感器(陀螺和加速度计)的测量信息，直接计算出载体的姿态、速度、位置等导航参数，实现完全自主的导航。它既不向外界发射能量，也不依赖外界的任何信息，因此具有不受干扰，可在空中、太空、地下、水下的任何地方使用，动态性能好、输出信息丰富等优点。为了应对损失GPS卫星后可能出现的“压倒效应”，美军方提出要为GPS导航方式提供备份，并已经确定以“惯性导航系统”(1NS)作为GPS的首选备份系统，另外一个备份是“增强型定位系统”(EPLS)。
　　“微机电惯性导航系统”(MEMS-INS)是利用最新微机电系统技术制造的小型廉价的惯性导航系统，可以用于各种军事系统的导航。它可以在一些GPS信号过于微弱以至于无法工作的建筑内部、茂密的植被下以及水下提供导航，直到GPS信号得以恢复，它还有助于重新获取GPS系统的信号。MEMS—INS体积小、成本低，不仅可以为空·地弹药和地·地弹药提供制导功能，而且支持火炮和瞄准设备的瞄准与定位功能。
　　MEMS—INS计划的合同商是诺斯罗普·格鲁曼公司导航系统分部(以前的利顿制导与控制系统公司)、德雷珀实验室以及克佛特制导与导航公司。目前，他们正在努力研制性能、功率和体积都满足要求的产品，即陀螺仪漂移率小于1～10°／小时，加速度计偏差小于0．5mg，体积小于163厘米3，功耗小于3瓦，成本在1200美元以下。
　　惯性测量装置(1MU)由加速度计及陀螺仪组成。美国公司正努力利用微机电方法生产中型陀螺仪，其体积和相对误差大约是期望值的10倍。小型、高效的微机电陀螺仪制作起来相当困难，虽然目前的误差范围在1—20°／小时，但是为经济可承受惯性测量装置在军事计划中的大量应用奠定了基础。对于战术用户来说，MEMS-INS方案的1°／小时的精度不能解决所有问题，大多数飞机、舰艇、太空船及导弹需要更高的精度。可以预见，一旦MEMS-INS的成本以及性能都达到预期要求，其军事应用乃至民用将明显增加，就像今天的GPS一样。

　　极端工作环境下的GPS系统

　　美军正在继续推进伪卫星在地理定位与导航上的应用，进一步解决GPS系统在受到拒止及极端环境下的工作问题，以支持更广泛的平台及任务，包括洞穴内的车辆或飞行器导航，建筑物内或高楼林立环境下的部队机动、瓦砾中的传感器或机器人运行、在敌方区域的传感器等等。目前已经确定了一些实现这些目标的方法，即加大信号强度(“More Stuff"、利用现成信号(“FreeStu&rdquo和挖掘“自然”信号(“NoStuff&rdquo。


　　加大信号强度
　　为了加强战区内GPS信号的强度，方法之一是构建能穿透地表、废墟和建筑的“信标”(beacon)，同时使多径效应(multipath)以及环境带来的其他信号失真最小。信标的种类很多，包括声学、地震、电场、磁场、射频、光、重力、辐射等。为了抑制杂波，要利用先进的信号处理技术。还可以利用历
史资料以减少多径效应，例如，在类似“9．11”后世贸中心的搜救行动中，可以借助以往的GPS测量记录，并结合其他探测传感器对受害人进行定位。
　　加强GPS信号强度的努力，不仅涉及发射信标，而且包括用户接收机。美军开发了用于恶劣环境的“标签”(tag)结构用户接收机。这样，在火灾建筑物内的搜救人员或被跟踪的传感器可以发射信号，利用接收机星座就能对其定位。
　　加大信号强度的主要目的，是使信号在难以穿透、高度多径以及杂波等环境下，在建筑物、废墟及洞穴内部都能够正常传输。虽然信号加强之后，在穿透障碍或抵御干扰时效果不错，但覆盖范围还不是很理想，在敌方领土内使用时还存在着无法提供本地信标和标签接收机的问题。下面利用现成电磁信号的办法可以一试。

　　利用现成信号
　　这种方法是利用战区内现成的人为产生的信号(existingman—made signals Ofopportunity)如电视和电台广播、卫星和手机通信，解决GPS信号薄弱地方的导航问题，当然，也可以在战区附近布设“参考信号站”，这种信号对建筑或地面的穿透力不必很强。
　　例如，在敌方领土上的无人值守地面传感器，其GPS．接收机很容易受到敌方干扰而失效。这时就可以利用人为产生的现成电磁信号进行自我定位。这种地理定位软件接收机很结实、耐用，可以与通信、测量及信号情报设备共享硬件，不需要添加新的资源就可以提供地理定位功能。未来的软件无线电台既可以进行抗干扰通信、又可以用作导航，而且不需要增加战区的后勤负担，是优选的办法之一。
　　为了更好地利用人为产生的现成电磁信号，有可能需要少量投资以加大信号强度、构建基础设施，同时为了便于识别这些信号，需要对战区内部或附近的“参考信号站”预先做一些工作，使它们发射的信号具备特殊的波形，并将波形特征提供给用户接收机。

　　挖掘“自然”信号
　　上述两种办法利用的都是人为产生的信号。令科学家感兴趣的是，在没有人为信号的古代，人类的祖先甚至动物群是如何确定迁徙路线、发现食物、寻找配偶以及温暖干燥的栖身之处的呢?现代人能不能唤醒已经退化的本能，并借助灵敏的量子传感器和强大的计算能力，利用大自然中的信号进行导航与地理定位呢?
　　微机电系统技术以及基于原子光学干涉测量的传感器技术发展神速。我们是否能够利用这些技术，明察秋毫地感知重力信号、地球磁场或其他自然信息，并利用感应到的详细资料来进行导航和地理定位?既然阴暗世界中的老鼠与昆虫、密林荒原中的鸟类与兽群都能知其所在，人们总应该有办法利用“自然”信号做到这一点。
　　无疑，上述设想将对利用极其微弱信号的传感器，以及多径杂波信号处理等技术带来巨大挑战。我们可能需要重新研究在GPS受到干扰的空中、地面与隐蔽环境下的绝对／相对导航与地理定位问题，寻求性能更高、更为“皮实”、经济上可以承受、在困难环境下具备全面覆盖能力的实际应用方案。