卫星导航接收机多维联合抗干扰技术

第1章绪论
　　1.1课题的研究背景和意义
　　人类活动对 “定位 ”、“导航 ”的需求从未间断，自人类文明诞生以来，便不断探求更加精确便捷的定位、导航、授时技术。古人观漏计时、牵星引海，近代人们发掘了陀螺仪、陆基无线电导航技术、电子钟技术等定位、导航、授时方法。其中多种技术均能够基本满足短航程单用户对定位、授时服务的精度需求；然而，目前没有一种导航手段能够像全球卫星导航系统 (Global Navigation Satellite System， GNSS)一样，可以为无限多用户提供全天时、全天候的高精度定位、授时服务。尤其是在网络化、协同化、智能化的大趋势下，天基卫星导航系统能够为无限多用户平台提供协同作业所需的高精度 “时空”信息的优势更加明显，因此各行业对其依赖性也愈发明显 [1]。
　　然而，由于导航卫星与地面距离较大且导航信号发射功率受限，卫星导航信号传播到地面接收天线时已非常微弱，湮没于噪声中，所以导航接收机极易受到射频干扰 [5]，无法完成导航信号捕获。另外，由于 GNSS信号频点相对固定，对其实施恶意压制的干扰成本相对较低。于 2010年的 ION (Institute of Navigation)导航会议上， Bradford Parkinson教授指出：可用性是 GNSS面临的四大问题之首，而射频干扰是其*大的威胁 [6]。更有学者指出： “GNSS的下一步建设任务，除了抗干扰还是抗干扰和抗干扰”[7]。
　　1.1.1卫星导航系统特点及发展趋势
　　卫星导航系统的建设始于 20世纪 60年代，美国和苏联分别建成了适于低动态、海或陆用平台导航的子午仪和圣卡达天基卫星导航系统。此后，美国一直致力于该领域的研究与建设，已经建成了可向全球用户提供服务的全球定位系统 (Global Positioning System， GPS)，并正在加紧实施 GPS Block III的升级建设计划 [8]。鉴于基于 GPS的精确制导武器在第一次海湾战争中取得的惊人战果，各国家充分认识到了卫星导航系统的重要性，纷纷将其列为国家发展所必需的战略基础平台。例如，俄罗斯重建苏联的格洛纳斯 (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema， GLONASS)系统并对其进行升级，中国和欧盟分别完成北斗卫星导航系统 (BeiDou Navigation Satellite System， BDS)和伽利略卫星导航系统 (Galileo Satellite Navigation System， Galileo)的方案论证 [2，3]，二者正在紧锣密鼓的建设中，其中 BDS已于 2020年 7月 31日正式具备全球定位的能力 [9]，另外，印度的印度区域卫星导航系统 (Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)和日本的准天顶卫星系统 (Quasi-Zenith Satellite System， QZSS)为代表的区域定位系统也正在建设中 [4]。
　　各国从自身经济、政治、军事等方面需求与所掌握的技术基础出发，选择了不同实施方案和略有差异的系统服务，但是各 GNSS的基本工作原理与系统结构大致相同，主要包括：空间段，控制段，用户段 (终端段)三大部分 [1.3]，如图 1.1.1所示。
　　空间段是指由运行在不同轨道上的多颗导航卫星组成的导航星座；控制段主要包含主控站、备份主控站、注入站和监测站等；用户段是指利用卫星导航接收机获取 GNSS服务的人员或其他设备平台。各个部分的基本功能描述如下。
　　(1)空间段：导航卫星播发包含各自导航信息的无线电导航信号；
　　1.1课题的研究背景和意义
　　图1.1.1 GNSS结构示意图
　　(2)控制段：负责跟踪导航卫星状态、检测卫星信号质量、对其定位性能进行分析，并根据监测结果(或特殊任务需求)向卫星发送控制质量和数据；
　　(3)用户段：用户接收机通过接收多颗可见卫星的信号，获取其中包含的伪距及导航电文，从而提供用户所需的空间和时间信息。
　　鉴于GNSS在国民经济、国防建设领域的重要作用，为了进一步提高GNSS的稳定性和可靠性，各国在现有技术基础上正在实施或者正在筹备下一步的优化策略[10，11]：
　　(1)研制新一代导航卫星以提高信号落地功率，主要技术手段有：提高卫星有效载荷以提升导航信号发射功率，采用点波束天线对特定区的导航信号电平进行增强。
　　(2)发展星间链路技术，构建新型星座布局，使得导航卫星可长时间在独立于地面控制的条件下时序稳定工作，以增加定位服务的精度，同时增强导航星座的生存能力。
　　(3)优化导航信号的设计体制，例如采用 BOC(Binary Offset Carrier)调制实现军民信号分离；引入导频信号提高接收机的跟踪灵敏度并增强信号体制本身的抗干扰能力。
　　(4)研制小型化抗干扰接收机。上述 GNSS的改进措施均可以使用户段接收终端受益。但是对空间段和信号体制的升级与改造，需要较长的建设周期，且成本较大。而对用户段的改进措施可以针对性地满足不同用户的需求，并且能够在短时间内提升 GNSS的抗干扰能力 [2，12]，因此，对导航接收机进行改进以增强其抗干扰与弱信号接收能力，是克服 GNSS脆弱性的重要技术措施 [13]。
　　1.1.2卫星导航接收机多维抗干扰方法的研究意义
　　尽管 GNSS不断完善自身性能，且作为各行业信息体系的重要基础设施受到国际、各国家组织法律法规保护 [14，15]，但是鉴于其在国民安全、国土安全领域的重要作用，例如城市防控系统、通信系统、综合控制指挥系统和精确制导系统；尤其是在军事领域， GNSS的应用不仅能够有效提升武器装备的打击精度和作战效能，而且大幅度提高了军队联合指挥控制、多兵种协同作战和快速反应能力 [4]。敌对势力、犯罪组织必然会对卫星导航系统之间的无线链路实施干扰，降低其效能，甚至使其瘫痪 [16.18]。为了保护重要设备设施的安全，“导航战”(Navwar)[19]的概念应运而生，其核心思想是 “在复杂电磁环境下，使己方能够有效地利用卫星导航系统获取位置与时间信息，同时阻止敌军使用卫星导航系统 ”。
　　为了保障 GNSS服务可靠性和连续性，针对不同干扰样式的抗干扰技术成为 GNSS应用领域的研究热点。特别是针对压制干扰，各国科研机构和学者为了增强接收机在强干扰环境下的捕获能力，开展了利用期望信号和干扰信号在时域、变换域、空域的特性差别来检测和消除干扰信号的抗干扰技术 [20.23]，并取得了大量的研究成果，成为保障 GNSS服务可用性的 “坚盾 ”。然而，自 20世纪 90年代 “导航战 ”提出以来，干扰技术作为争夺制导航权的 “利剑”也得到了足够的重视，并随着电子信息技术的发展，新的干扰样式 [24，25]、策略 [26.30]层出不穷：GNSS面临的干扰由*初的单站简单样式的干扰，经历了多站分布式协同干扰 ，正在向着网络化、智能化多类型干扰协同的方向发展。各种类型的压制干扰机高低搭配、智能组合、网络化协同已成为阻断对方 GNSS信息链路手段的发展趋势，这些网络化协同的有意干扰与其他军用和民用的大量电子辐射源所产生的辐射信号交织在一起，形成复杂的混合干扰环境。在电磁环境日益复杂与 GNSS接收机空间资源不足的矛盾愈发突出的背景下 [31，32]，现有的利用信号时、频、空、时频或空时域特征的抗干扰技术面临着如下挑战：
　　(1)在复杂的战场电磁环境中，卫星导航接收机面临的将不再是单一类型的压制干扰，而是多种类型干扰混合共存的情况 [165]；现有的抗干扰方法基本上是针对具有某一种维度特性的干扰进行设计的，无法满足对抗混合干扰的需求。若采用多种算法组合的策略进行干扰抑制，则包含两个基本问题： 1.具有不同维度特性的干扰同时存在于接收信号中时，如何有效地完成干扰检测与识别； 2.如何对具有相同维度特性的多种干扰进行抑制，以及应按照何种顺序对具有不同维度特性的多种类型干扰进行抑制。
　　(2)在多种压制干扰共存的环境中，现有抗干扰抑制算法希望增加阵列天线的阵元数目以提高抗干扰能力，这就无法满足某些小型平台对抗干扰接收机的体积要求。所以，如何利用信号多域特征信息以减少对空域自由度的需求。
　　综上所述，干扰技术的快速发展促使新型 GNSS压制干扰源在对抗环境中广泛部署，这些干扰源相互协作，给卫星导航接收机的捕获处理带来了巨大困难，使得抗干扰处理成为限制 GNSS可用性的重要因素。因此，亟须针对现有卫星导航信号抗干扰方法在混合干扰环境下面临的问题，探索干扰检测与抑制的新思路。
　　1.2卫星导航接收机抗压制干扰技术的国内外研究现状
　　卫星导航接收机对抗强射频干扰 (压制干扰)，可以根据接收机使用场景灵活地设计抗干扰方法和指标，具有周期短、成本低等优点，是目前 GNSS抗干扰的主要研究方向 [20，33]。根据接收机各环节的功能特点及信号特性，可以通过不同的设计手段在天线、中频处理、数字信号处理等阶段或者综合各阶段的特性完成干扰检测与抑制 [34.36]。图 1.2.1为典型 GNSS导航接收机结构及解扩前压制干扰检测与抑制策略示意
　　图1.2.1典型GNSS导航接收机结构及解扩前压制干扰检测与抑制策略
　　RF：射频；IF：中频；PLL：锁相环；VGA：可变增益放大器；AGC：自动增益控制；ADC：模数转换

全球卫星导航系统（GNSS）面临的压制干扰呈现出多样化、协同化的发展趋势，为了在不增加天线阵阵元个数的前提下，提高卫星导航接收机抑制混合干扰的能力，《卫星导航接收机多维联合抗干扰技术》从干扰信号的周期特性、空时频分布特性等维度上挖掘干扰信号的稀疏特性，从多个维度对干扰信号进行检测与抑制，探索性地研究了混合干扰环境下多维联合抗干扰新方法。《卫星导航接收机多维联合抗干扰技术》共5章，主要内容有卫星导航接收机抗压制干扰技术的国内外研究现状，混合干扰环境与典型的基于天线阵的抗干扰方法性能分析，基于波形信息稀疏分解的抗干扰方法，基于时域数据重组的空时抗干扰方法，空时频联合抗干扰方法。

目录
第1章绪论1
1.1课题的研究背景和意义1
1.1.1卫星导航系统特点及发展趋势2
1.1.2卫星导航接收机多维抗干扰方法的研究意义4
1.2卫星导航接收机抗压制干扰技术的国内外研究现状6
1.2.1基于单天线的抗干扰技术7
1.2.2基于天线阵的抗干扰技术10
1.2.3多域联合抗干扰技术15
1.3本书的主要工作和结构安排17
1.3.1本书的主要工作17
1.3.2本书内容的结构安排19
第2章混合干扰环境及基于天线阵的抗干扰方法性能分析.22
2.1基于天线阵的接收信号模型22
2.1.1天线阵及接收信号模型22
2.1.2导航信号模型24
2.1.3干扰信号类型及混合干扰环境特征25
2.2基于天线阵的抗干扰技术性能分析32
2.2.1空域抗干扰技术34
2.2.2空时抗干扰技术35
2.2.3级联抗干扰技术38
2.3本章小结39
第3章基于波形信息稀疏分解的抗干扰方法40
3.1基于干扰信号稀疏表示与空域滤波器的级联抗干扰方法40
3.2基于波形信息的多通道干扰信号稀疏表示与抑制方法42
3.2.1基于MP算法的信号稀疏表示原理43
3.2.2干扰信号检测模型45
3.2.3典型过完备原子库构建策略以及干扰信号可检测性分析45
3.2.4基于HDCQGMP-稀疏分解的多通道干扰信号波形检测与抑制方法53
3.3仿真实验与结果分析62
3.3.1高密度编码双链量子遗传算法性能仿真63
3.3.2基于波形信息稀疏分解的抗干扰方法性能仿真64
3.4本章小结75
第4章基于时域数据重组的空时抗干扰方法77
4.1WBPFM信号的广义周期特性78
4.2多通道数据重组与空时处理方法81
4.2.1改进的奇异值比谱峰值周期检测方法82
4.2.2构建空时数据矩阵85
4.2.3基于OMPDR准则的空时处理器86
4.2.4数据重构87
4.3仿真实验与结果分析88
4.3.1改进的奇异值比谱峰值周期检测方法性能仿真89
4.3.2基于时域数据重组的空时抗干扰方法性能仿真90
4.4本章小结99
第5章空时频联合抗干扰方法100
5.1阵列信号时频数据模型及空时频阻塞率101
5.2基于时频数据重组的空时频联合抗干扰策略103
5.3基于公周期时频点重组的空时频抗干扰方法104
5.3.1周期时频稀疏干扰信号的时频分布特性105
5.3.2基于自相关函数的公周期检测方法106
5.3.3构建空时频数据矩阵108
5.3.4空时频联合*小输出功率准则109
5.4基于同源时频点检测与重组的空时频联合抗干扰方法110
5.4.1基于子空间匹配的同源时频点检测方法110
5.4.2空时频数据矩阵构建及干扰抑制117
5.5仿真实验与结果分析117
5.5.1基于子空间追踪的单时频点DOA检测方法性能仿真118
5.5.2空时频联合抗干扰方法性能仿真120
5.6本章小结128
参考文献130