GPS接收机空时联合抗干扰算法的设计与实现综述
绪论
研究背景与意义
全球卫星导航系统（GNSS）通过多颗导航卫星发送导航定位信号，地面、海洋、空中和空间等用户利用卫星信号完成实时定位[1]，泛指所有的全球卫星、区域和增强的导航系统。目前世界上应用最广泛的是美国的全球定位系统（GPS），俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）也有较长的应用历史，此外，欧洲的伽利略（Galileo）系统和中国的北斗卫星导航系统（BeiDou）目前处于完善建设阶段，已经逐步投入使用[2][3][4]。相对于目前其它领域的导航设备而言，GPS可以向用户提供全天候、任意地点的高精度导航定位与授时服务，在功能和创新方面有着非常大的优势，广泛应用于电信、渔业、森林防火等民用领域和导弹制导等军事领域。20世纪70年代起，美国开始研制建设自己国家的全球导航系统，目前已经完成24颗卫星的布局。GPS整个系统主要由三部分组成[5][6]，第一部分是用户设备；第二部分是空间卫星部分；第三部分是地面监控部分，目前分布在美国本土和海外军事基地，其中1个主控站用于计算卫星星历，3个注入站配合主控站完成星历的注入，5个监控站起到监控卫星运动状态的作用[6][7]。从全球几大导航系统来看，GPS作为新一代卫星导航定位系统，具有技术先进成熟的特点，同时也应用广泛。
由于导航卫星与用户接收机距离达到两万甚至三万多千米，同时卫星发射功率一般只有几十瓦，所以到达地球表面的信号功率非常微弱。例如，GPS的L1频点信号到达地面时的信号功率约为-160dBw，信噪比约为-20dB[5]。因此GPS接收天线很容易受到干扰的影响，为保证卫星导航系统在干扰环境下能够正常工作，在GPS导航接收机的设计中，必须要将抗干扰技术应用到系统中。
从干扰信号的产生角度而言，常见的干扰包含压制式干扰和欺骗式干扰[8][9]，压制式干扰仅需要发射与卫星信号频谱相重合的任意时域波形的信号，利用大功率干扰信号压制住接收机接收到的卫星信号，让接收机无法正确捕获和跟踪卫星信号，从而使得接收机无法完成定位解算，技术难度较低；欺骗式干扰发射与卫星信号时域波形相似的假信号以迷惑接收机，分为产生式和转发式两种形式。相比于压制式干扰，欺骗式干扰较难实现，产生式通常需要掌握卫星信号结构，转发式需要先捕获到卫星信号，然后对卫星信号进行处理后再发送至用户接收机，误导并使其产生错误的定位结果[10][11]。此外，高动态干扰、多径干扰、脉冲干扰也是卫星导航中常见的干扰形式[10][12]。
国内外研究现状
由于GPS卫星信号功率较低，极易受到外界干扰的影响，国内外研究机构的专家学者对GPS卫星导航抗干扰技术进行了深入研究，在算法理论和工程技术两方面收获了许多有价值和应用前景的研究成果，并应用于各种卫星导航抗干扰接收机中，取得了很好的应用效果。GPS导航抗干扰技术可以分成两大类，一类是卫星上；另一类是地面站，通过增大空间卫星发射端的功率和增加一些伪卫星来增强接收到的卫星信号功率，发射天线也可以采用点波束技术[7][13]，即可大大提高GPS导航系统的抗干扰能力。20世纪初，美国《航空与航天技术》周刊曾报道了一个称为GPX的伪卫星计划，美国国防高级研究计划局准备通过这一计划利用无人机等设备在战场上空虚构一些导航卫星星座[7]，同时只需要将用户导航接收机的软件系统稍作修改，即可支持这种方案，通过测试，这项计划使得接收到的卫星信号比从GPS卫星接收到的信号功率高45dB。但是星上抗干扰只有拥有卫星的国家才可以实行，所以这种方法无法得到广泛地应用。
目前地面上常用的GPS干扰抑制技术主要包含时域、频域、时频域、空域和空时自适应滤波技术[14][15]。时域滤波主要通过设计FIR/IIR滤波器在干扰频点上形成零陷来完成抑制干扰，它可以采用最小二乘准则或者最小均方准则构建自适应线性滤波器，或者也可以将近似条件均值的非线性函数用于非线性的自适应滤波器[16]，实现较为容易，但是时域滤波会损失带内的卫星有用信号，导致接收机定位精度下降，同时时域滤波方法也不适合用于抑制宽带干扰。五月花通信公司曾经研制出一款时域自适应滤波ATF滤波器，具有30dB的窄带干扰抑制性能[17]，此外，它还研制了一款GPS空时抗干扰接收机，包含7个天线阵元，采用空时处理的形式，装备在F-22等型号战机上[18]。频域处理是通过设计陷波滤波器来抑制干扰，相比较时域滤波抗干扰技术，频域滤波抗干扰技术能够处理的动态范围更大，产生的零陷更深，同时更容易在硬件上实现，但是频域滤波处理会导致频谱泄露，同时也会损失一定的卫星有用信号功率[19]。以上两种方法更多的应用于对抗单个窄带干扰，当面对宽带干扰和多个干扰空域自适应抗干扰和空时自适应抗干扰则是比较有效的抗干扰手段。利用不同天线阵元接收到的信号完成干扰抵消和抑制，同时最大信干噪比准则（MSINR）、最小均方误差准则（MMSE）、线性约束最小方差（LCMV）准则[20]等被提出用于计算权重矢量，在理想情况下，这三种准则下的最优解是一致的。比较经典的求解算法有最小功率算法（也称为功率倒置算法）、capon算法、多级维纳滤波降维算法和利用卫星信号特点的盲自适应波束形成算法[7][21]等，由于实际应用中很难获得卫星信号相关的先验信息，所以基于LCMV准则的功率倒置算法得到了广泛的应用，通过约束使得输出信号功率最小，强干扰即得到了抑制。美国雷声公司基于5个天线阵元研制了一款自适应调零抗干扰天线系统，并将其应用于战斧巡航导弹Block IV上[22]，明显提高了导弹在干扰环境下的制导性能。为增加抗干扰的自由度，空时自适应处理（Space Time Adaptive Processing, STAP）算法被提出，该方法在不增多天线阵元数的条件下，通过调节时延抽头数，提高了自适应抗干扰的自由度。美国Purdue大学的Myrik和Zoltowski两位教授从算法复杂度等角度出发，提出了一种基于多级维纳滤波器的空时抗干扰算法[23]，通过对协方差矩阵降维降秩处理，一方面使得算法收敛得更快，另一方面大大降低了算法复杂度。
不仅仅是美国，欧盟也深入研究了卫星导航抗干扰技术，并取得了一定的成果。1997年欧盟举办了第一届卫星导航系统的学术会议，对于自适应波束形成和惯导辅助两种技术，瑞典国防研究院的Johan Malmstrond将两者相结合应用到导航抗干扰中，同时进行了深入地研究与仿真；德国宇航研究院指出了空时自适应处理可抑制GPS/Galileo的干扰以及多径干扰。随着我国北斗导航系统的快速发展，国内许多科研院所和公司在卫星导航抗干扰技术上也进行了深入地研究和应用，北京理工大学、国防科大、电子科技大学、中国民航大学和西北工业大学[10][13][24]等高校对卫星导航抗干扰算法、干扰方向估计算法和实现验证上做出了很多工作，目前主要集中于空域、空时自适应抗干扰技术的研究，也研制出了一些性能较优的抗干扰接收机。西安导航技术研究所选取了功率倒置算法用于抑制干扰，并成功研制了一款四阵元GPS抗干扰接收机，也取得了良好的抗干扰效果[25]；北京理工大学针对北斗导航，研制了基于四阵元均匀圆阵天线的抗干扰接收机，采用了基于功率倒置结构的空时LMS算法作为宽带干扰抑制方案的实现算法，最后在FPGA中实现了该方案，并应用到阵列天线导航接收机中[26]。
