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全球定位系統抗干擾技術

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1 全球定位系統抗干擾技術 -全球定位系統抗干擾的技術概述

 
GPS+INS+Pseudolites:全球定位系統抗干擾的新技術途徑

美國的軍事優勢在很大程度上仰仗全球定位系統(GPS),而且這種依賴與日俱增。但是GPS衛星發射的導航信號比較弱,而且以固定的頻率發射,因此,軍用GPS接收機很容易受到敵方的干擾。為了防止敵方在戰時通過干擾GPS信號削弱美方的軍事優勢,美國在繼續提高GPS衛星導航定位精度的同時,採取了多種措施加強GPS系統的抗干擾能力。
  對GPS的干擾一般分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩類。美軍以往的對抗措施主要是改進GPS衛星星座、改進用戶接收機和增設備份導航系統。目前,美國正在開發一些創新概念的全球定位系統抗干擾技術:國防高級研究計劃局(DARPA)等部門已經完成了演示驗證「機載偽衛星」(airbOrnepseudO—satellites,也稱pseudolites)的「全球定位試驗」(GPX)計劃,正在進行技術向裝備的轉化,同時,美軍還在研製「微機電慣性導航系統」(MEMS—INS)作為GPS的備份,已取得一定進展。
  因此,美軍新的全球定位系統抗干擾技術途徑被簡單地表述為「GPS+INS+Pseudolites」。

2 全球定位系統抗干擾技術 - 「機載偽衛星」

「機載偽衛星」就是將GPS導航信號發射機裝在戰場上空的數架無人機上,構成偽GPS星座,取代GPS衛星進行導航。一般,4架「獵人」無人機作為偽衛星,就可以覆蓋300千米見方的戰區,發射的GPS信號蓋過敵方的干擾信號。機載偽衛星採用現成的波束成形天線與信號處理器,在受到干擾情況下仍能接收GPS衛星的信號、確定自己的位置,並採用低數據速率向地面發射類似GPS的信號,把定位信息「轉告」給GPS接收機。由於偽衛星距離地面比GPS衛星近得多,它們發出的信號將蓋過干擾信號,從而使多數用戶能夠不受干擾機的影響,繼續利用GPS導航服務。
利用偽衛星克服GPS干擾的優點是:其發射信號功率比衛星高,使用起來比大功率GPS衛星更快捷,另外,偽衛星導航實施簡單,不必改動現有GPS用戶接收機的硬體,而只要對軟體做些改變就可以使用偽衛星發射的信號。缺點是,載機的運動導致偽衛星的位置不太確定,因此,與採用GPS衛星星座相比,偽衛星的導航定位誤差將增加約20%。DARPA曾利用7500米高度上的公務機以及約3000米高度上的「獵人」無人機,對單個偽衛星裝置進行原理試驗,其導航精度從採用真實衛星時的2.7米下降到4.3米。
在1999/2000財年進行首次成功的演示之後,DARPA利用七元天線陣列以及現成的數字波束成形器,著手製作抗干擾的偽衛星。麻省理工學院林肯實驗室和羅克韋爾·柯林斯公司採用時空自適應處理技術,研製出具有40-55分貝抗干擾能力的系統。該系統已在美國空軍GPS波振面模擬中心的微型吸音室進行測試,並做了一些初步的野外試驗,表明其符合設計要求。2002年4月,偽衛星系統集成在F-16戰鬥機上進行了完整的吸音室試驗,結果也滿足計劃要求,後來,在美國霍洛曼空軍基地進行了首次飛行試驗,證明該系統具有較強的抗干擾能力,在干擾機工作時仍能保持高精度的偽衛星信號。
「全球定位試驗」計劃已於2004年中期完成。一系列的現場演示表明:由4個機載偽衛星組成的完整導航系統能夠在干擾條件下,為包括精確武器在內的多種用戶提供精確導航。演示包括偽衛星信號的成形波束髮射天線以及控制偽衛星網路傳輸的指揮控制系統。目前,DARPA的這項成果正處於向作戰系統的轉化中。

3 全球定位系統抗干擾技術 -「微機電慣性導航系統」

 慣性導航利用慣性感測器(陀螺和加速度計)的測量信息,直接計算出載體的姿態、速度、位置等導航參數,實現完全自主的導航。它既不向外界發射能量,也不依賴外界的任何信息,因此具有不受干擾,可在空中、太空、地下、水下的任何地方使用,動態性能好、輸出信息豐富等優點。為了應對損失GPS衛星后可能出現的「壓倒效應」,美軍方提出要為GPS導航方式提供備份,並已經確定以「慣性導航系統」(1NS)作為GPS的首選備份系統,另外一個備份是「增強型定位系統」(EPLS)。
「微機電慣性導航系統」(MEMS-INS)是利用最新微機電系統技術製造的小型廉價的慣性導航系統,可以用於各種軍事系統的導航。它可以在一些GPS信號過於微弱以至於無法工作的建築內部、茂密的植被下以及水下提供導航,直到GPS信號得以恢復,它還有助於重新獲取GPS系統的信號。MEMS—INS體積小、成本低,不僅可以為空·地彈藥和地·地彈藥提供製導功能,而且支持火炮和瞄準設備的瞄準與定位功能。
MEMS—INS計劃的合同商是諾斯羅普·格魯曼公司導航系統分部(以前的利頓制導與控制系統公司)、德雷珀實驗室以及克佛特製導與導航公司。目前,他們正在努力研製性能、功率和體積都滿足要求的產品,即陀螺儀漂移率小於1~10°/小時,加速度計偏差小於0.5mg,體積小於163厘米3,功耗小於3瓦,成本在1200美元以下。
慣性測量裝置(1MU)由加速度計及陀螺儀組成。美國公司正努力利用微機電方法生產中型陀螺儀,其體積和相對誤差大約是期望值的10倍。小型、高效的微機電陀螺儀製作起來相當困難,雖然目前的誤差範圍在1—20°/小時,但是為經濟可承受慣性測量裝置在軍事計劃中的大量應用奠定了基礎。對於戰術用戶來說,MEMS-INS方案的1°/小時的精度不能解決所有問題,大多數飛機、艦艇、太空船及導彈需要更高的精度。可以預見,一旦MEMS-INS的成本以及性能都達到預期要求,其軍事應用乃至民用將明顯增加,就像今天的GPS一樣。

4 全球定位系統抗干擾技術 -極端工作環境下的GPS系統

美軍正在繼續推進偽衛星在地理定位與導航上的應用,進一步解決GPS系統在受到拒止及極端環境下的工作問題,以支持更廣泛的平台及任務,包括洞穴內的車輛或飛行器導航,建築物內或高樓林立環境下的部隊機動、瓦礫中的感測器或機器人運行、在敵方區域的感測器等等。目前已經確定了一些實現這些目標的方法,即加大信號強度(「MoreStuff")、利用現成信號(「FreeStu」)和挖掘「自然」信號(「NoStuff」)。
加大信號強度

為了加強戰區內GPS信號的強度,方法之一是構建能穿透地表、廢墟和建築的「信標」(beacon),同時使多徑效應(multipath)以及環境帶來的其他信號失真最小。信標的種類很多,包括聲學、地震、電場、磁場、射頻、光、重力、輻射等。為了抑制雜波,要利用先進的信號處理技術。還可以利用歷史資料以減少多徑效應,例如,在類似「9.11」後世貿中心的搜救行動中,可以藉助以往的GPS測量記錄,並結合其他探測感測器對受害人進行定位。
加強GPS信號強度的努力,不僅涉及發射信標,而且包括用戶接收機。美軍開發了用於惡劣環境的「標籤」(tag)結構用戶接收機。這樣,在火災建築物內的搜救人員或被跟蹤的感測器可以發射信號,利用接收機星座就能對其定位。
加大信號強度的主要目的,是使信號在難以穿透、高度多徑以及雜波等環境下,在建築物、廢墟及洞穴內部都能夠正常傳輸。雖然信號加強之後,在穿透障礙或抵禦干擾時效果不錯,但覆蓋範圍還不是很理想,在敵方領土內使用時還存在著無法提供本地信標和標籤接收機的問題。下面利用現成電磁信號的辦法可以一試。  
利用現成信號

這種方法是利用戰區內現成的人為產生的信號(existingman—madesignalsOfopportunity)如電視和電台廣播、衛星和手機通信,解決GPS信號薄弱地方的導航問題,當然,也可以在戰區附近布設「參考信號站」,這種信號對建築或地面的穿透力不必很強。
例如,在敵方領土上的無人值守地面感測器,其GPS.接收機很容易受到敵方干擾而失效。這時就可以利用人為產生的現成電磁信號進行自我定位。這種地理定位軟體接收機很結實、耐用,可以與通信、測量及信號情報設備共享硬體,不需要添加新的資源就可以提供地理定位功能。未來的軟體無線電台既可以進行抗干擾通信、又可以用作導航,而且不需要增加戰區的後勤負擔,是優選的辦法之一。
為了更好地利用人為產生的現成電磁信號,有可能需要少量投資以加大信號強度、構建基礎設施,同時為了便於識別這些信號,需要對戰區內部或附近的「參考信號站」預先做一些工作,使它們發射的信號具備特殊的波形,並將波形特徵提供給用戶接收機。
挖掘「自然」信號

上述兩種辦法利用的都是人為產生的信號。令科學家感興趣的是,在沒有人為信號的古代,人類的祖先甚至動物群是如何確定遷徙路線、發現食物、尋找配偶以及溫暖乾燥的棲身之處的呢?現代人能不能喚醒已經退化的本能,並藉助靈敏的量子感測器和強大的計算能力,利用大自然中的信號進行導航與地理定位呢?
微機電系統技術以及基於原子光學干涉測量的感測器技術發展神速。我們是否能夠利用這些技術,明察秋毫地感知重力信號、地球磁場或其他自然信息,並利用感應到的詳細資料來進行導航和地理定位?既然陰暗世界中的老鼠與昆蟲、密林荒原中的鳥類與獸群都能知其所在,人們總應該有辦法利用「自然」信號做到這一點。
無疑,上述設想將對利用極其微弱信號的感測器,以及多徑雜波信號處理等技術帶來巨大挑戰。我們可能需要重新研究在GPS受到干擾的空中、地面與隱蔽環境下的絕對/相對導航與地理定位問題,尋求性能更高、更為「皮實」、經濟上可以承受、在困難環境下具備全面覆蓋能力的實際應用方案。

 

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