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什么是GPS偽衛星(Pseudolites)抗干擾技術?

添加時間:2018-09-12 16:20:53 來源:環球新時空信息技術研究院
  由于GPS衛星發射的導航信號比較微弱,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。美國國防預研計劃局(DARPA,Defense Advanced Research Plan Administration)發展一種新的抗干擾方法,采用戰場上空的無人機來創造偽GPS星座,使其信號功率超過敵方干擾信號的功率。
 
  所謂偽衛星,就是將GPS導航信號發射機裝在飛機或地面上,頂替GPS衛星來進行導航。DARPA用無人機做偽衛星的研究,稱為GPS偽衛星,旨在使己方的部隊在受干擾的戰場環境中具有精確的導航能力。其方法是由飛行中無人機上的4顆偽衛星廣播大功率信號,這樣在戰場區域上空產生一個人工GPS星座。4架“獵人”無人機就可覆蓋300千米見方的戰區。
 
  只要對現有GPS接收機的軟件做些改變就可使用偽衛星發射的信號。通常使用實際GPS星座導航時,接收機開始需要知道衛星位置,即星歷的情況,故偽衛星面臨的挑戰是采用可用的低數據率信息把4顆運動的偽衛星的位置告訴接收機。因此,DARPA和柯林斯公司設計人員的關鍵任務是在可用的50比特/秒信息中發送偽衛星星歷。無人機的穩定性相當好,不會像戰斗機那樣機動;但任何運動都會使位置有點不確定。因而與采用衛星星座的導航比較,其定位總誤差將增長約20%。DAPRA已用在7500米高度的公務機上以及約3000米高度上的“獵人”無人機上試驗了單顆偽衛星,導航精度從采用真實衛星時的2.7米下降到4.3米。
 
  當然,偽衛星不一定要全部機載,也可采用地面和機載發射機混合的方案。將某些偽衛星設在地面上的缺點是減少了覆蓋范圍,但提高了導航精度。為了克服干擾,偽衛星可發射100瓦信號,使地面接收機處的信號強度比來自衛星的信號強度增加45分貝。
 
  諾斯羅普·格魯門公司正在研制可提供30~40分貝抗干擾改進的GPS接收機。這種稱為“反干擾自主完整性監控外推”的抗干擾方法將由慣性導航和GPS接收機在載波相位級進行全耦合來實現。全耦合濾波器將減小GPS跟蹤回路的帶寬,從而減少干擾信號進入GPS接收機的機會。
 
  柯林斯公司和洛克希德·馬丁公司聯合為JASSM空地導彈研制的G-STAR高反干擾GPS接收機采用了調零和波束操縱的方法。該接收機重11.3千克,采用了一個空間時間適配器,適配器探測出一個威脅,便將其信號調到零,并在發射導航信號的衛星方向增大增益。
 
  這種反干擾技術以數字方式實現,故稱為數字波束成形器,它比常規的模擬調零法更為精確,同時可將接收機的波束調整到朝向可用的導航衛星。數字信號處理可通過動態移動零位來抵消噪聲,增加增益,并通過一個6元天線陣來操縱波束。
 
  民用GPS接收機也有抗干擾的問題,但民用GPS接收機用戶更關心非故意干擾。非故意干擾基本上為寬波段類型,與干擾機將其功率集中于GPS頻率不同。與軟件有密切關系的數字信號處理方法,在對付寬波段干擾方面是很理想的。
 
  美國Electro-Radiation(ERI)公司指出,常規抗干擾方法的是采用相控陣天線組成的零位操縱天線,這不僅要增加重量,且成本較高,而在接收機上實現的抗干擾技術通常只有有限的干擾剔除能力或者是專為對付某種干擾而特地設計的抗干擾能力。
 
  這家公司已研制出能有效地對付所有已知類型干擾的一種干擾抑制裝置(ISU),它不需要昂貴和笨重的天線,可以以低成本、高效率的方式加裝到新的和現有的GPS接收機中,既適合軍用,也適合民用。
 
  這種干擾抑制裝置包括補丁天線以及可插入任何GPS接收機天線接口的電子裝置,用來抑制寬帶噪聲和窄帶干擾。它使GPS接收機增加20分貝的抗寬帶噪聲能力和35分貝的抗窄帶干擾能力。
 
  美國軍方在“全球鷹”或“捕食者”無人機上安裝了一種偽衛星發射機,這種偽衛星曾經在伊拉克上空創造一個微型GPS星座。偽衛星從太空捕捉微弱的GPS信號,并將信號放大后在較近的距離內中繼給炸彈和導彈或地面部隊。與太空中的衛星一樣,提供一個導航解需要4顆偽衛星。美國國防高級研究項目局曾在2000年4月進行了一系列試驗,這些試驗使美國軍方相信,偽衛星功能強大,足以克服干擾問題。
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