衛星導航的應用

趙宇昕

摘 要：衛星導航系統的應用是人類導航技術發展的一次飛躍。然而隨著其快速發展，其易受干擾的問題也越來越突出。本章首先介紹了衛星導航系統抗干擾的研究背景與意義；綜述了國內外抗干擾技術的研究現狀以及抗干擾系統的未來發展趨勢。

關鍵詞：衛星導航

隨著現代科技的飛速發展，衛星導航作為一種全新的無線電導航方式，在軍事領域應用越來越廣泛，然而衛星導航系統信號弱、易受干擾的問題也越來越突出，因此迫切需要研究具有抗干擾能力的衛星導航接收系統。國內外衛星導航抗干擾技術的研究現狀，分析和討論了不同實現方式的優缺點。針對衛星導航信號特點，在總結GPS信號結構和頻率特性的基礎上，分析了干擾對GPS接收系統的影響；提出了一種基于軟件無線電技術的GPS抗干擾接收系統，并分析了系統所需的靈敏度、噪聲系數、動態范圍，仿真了射頻模塊的頻率選擇性、增益預算、噪聲系數預算，選擇了適合本系統的射頻系統結構；分析了信號處理模塊中A/D轉換位數、采樣頻率與系統性能的關系，仿真并分析了信號處理模塊中量化位數對系統抗干擾性能的影響，分析了系統電磁兼容中的干擾源和敏感源。在理論分析與仿真的基礎上，設計了小型化的微帶GPS天線陣；設計了射頻模塊，其中包括低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器和自動增益放大器、頻率綜合器；設計了高性能的信號處理模塊，并對其進行了兩代小型化和低功耗改進設計；實現了抗干擾算法的硬件程序；后設計實現了電磁兼容的GPS抗干擾接收系統，并對系統的進行了測試。針對多模式衛星導航的發展趨勢，本文總結并分析了各種模式的衛星導航系統信號特點和頻率特性，提出了兩種多?？垢蓴_接收系統的結構，設計了GPS/GLONASS抗干擾信號處理子模塊和可用于多模式衛星導航抗干擾接收系統的多路輸出DDS頻率源。對多模式衛星導航抗干擾系統中關鍵器件之一的雙頻/多頻功分器進行了研究與設計。針對雙頻功分器，提出了小型化雙頻雙路微帶平面功分器結構、小型化的雙頻三路微帶平面功分器結構、基于雙模諧振器的雙頻雙路微帶平面功分器結構，采用奇偶模分析了設計的結構，推導得到了參數設計方程，為驗證設計有效性，仿真并實測了多款雙頻功分器；針對多頻功分器，提出了一種耦合式三頻雙

路微帶平面功分器結構、三頻三路微帶平面功分器結構，給出了參數設計方程，加工了實物，仿真與實測結果吻合較好，所設計的功分器達到了較好的性能。

人類的導航從初的政治、經濟、軍事活動出現后便伴隨人類進步而不斷發展。從早以石頭、樹、山脈作為參照物，漸漸發展到天文觀測法，通過天上的太陽、月亮和星星來判斷位置，而我國四大發明之一指南針的出現，開創人類導航領域新里程，從此人們可以遠涉重洋。無論絲綢之路還是哥倫布發現美洲大陸，離開了導航簡直是無法想象的。

幾千年來，人類一直為開發各種巧妙導航方法或裝置使自己能準確到達遙遠的目的地而努力。隨著無線電技術的出現，無線電導航隨之發明，使導航系統成為航行中真正可依賴工具，這標志著近代導航史的開端。

20世紀20年代，無線電信標——第一個無線電導航系統問世，開創了航空和海洋導航的新篇章。第二次世界大戰爆發后，無線電導航技術迅速發展，涌現出各種導航系統，如儀表著陸系統、微波著陸系統、伏爾/測距器、羅蘭C、奧米伽、塔康和臺卡等陸基無線電導航系統。但這一類導航系統普遍存在信號覆蓋區域有限、技術落后、定位精度低等不足等缺點。1963年12月，第一顆導航衛星的入軌運行，開創了陸?？招l星無線電導航的新時代。1994年4月，美國宣布GPS全面建成達到初始運行能力，1996年1月，俄羅斯的GLONASS達到滿星運行，它們的應用使無線電導航產生了一場技術革命，也標志著衛星導航時代真正到來。

衛星導航系統是一種全新的星基無線電導航系統，它不僅具有全球性、全天候和連續的緊密三維定位能力，而且能實時地對軍民各種運動載體的速度、姿態進行精確測定以及精確授時。在民用方面，廣泛應用于海洋、陸地和空中運輸的導航。如今衛星導航已滲透國民經濟各部門。在軍事應用方面，衛星導航同樣得到了全方位應用，從根本上解決了空中、陸地和海上各種軍事運載體、武器的定位和導航問題。GPS在海灣戰爭、美國對伊拉克實施”沙漠之狐”行動、以美國為首的北約對南聯盟的戰爭中都發揮了極其重要的作用?？梢娦l星導航系統已成為重要的軍事民用基礎設施，誰掌握這種技術和能力，誰就在軍事、外交和經濟領域擁有主動權，這也引起了所有大國的關注和重視。

GNSS（Global Navigation Satellite System）泛指全球導航衛星系統，它包 含了美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、我國的北斗（COMPASS）等系統。到目前為止，只有美國的GPS和俄羅斯的GLONASS具有全球定位導航的能力，其中GPS技術較為領先，占有市場大部分份額，GLONASS因衛星壽命過短以及俄羅斯經濟原因，尚不能保證星座完整性，隨著補星，其后可能滿星座運行。歐洲的GALILEO系統正處于部署星座階段。我國的北斗系統第一代已經建成，目前正處于第二代星座的部署階段，屆時我國將成為繼美國俄羅斯之后第三個擁有全球衛星導航系統的國家。衛星導航系統作為一個功能強大的軍事傳感系統，已成為天戰、電子戰、遠程作戰、導彈戰、信息戰的重要武器，并且敵我雙方對控制導航作戰權的斗爭將發展成為導航戰。衛星導航在軍事領域應用廣泛，但作為軍事戰術應用，有一個明顯的缺點，那就是到達地面的信號弱、容易受到干擾。特別是敵方施加有意干擾時，普通衛星接收機將完全失鎖而無法接收導航定位信號，這對于軍事設備來說是致命的。例如，GPS信號在眾所周知的頻率上發射，發射功率不大，信噪比低，導航衛星又在離地面兩萬公里之遙，信號到達地面已十分微弱，非常容易受到干擾或欺騙。一個很常用的例子是GPS的L1信號到達地面信號小功率電平-160dBW，其信號強度僅相當于16000km外一個25W的燈泡發出的光，比電視天線所接收到的功率低10億倍，即便是無意發射的信號也可能干擾接收機。

衛星導航接收系統在復雜干擾環境中抗干擾能力的強弱已成為其發揮作用的關鍵，因此，深入研究衛星導航信號受干擾的機理，提出衛星導航抗干擾的方法，研究實用的衛星導航抗干擾接收系統，具有非常重要的軍事意義和現實意義，對我國的衛星導航系統的發展也有重要的理論意義和應用價值。endprint