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GNSS 拒止干扰技术与解决方案

创作时间:

作者:

@小白创作中心

GNSS 拒止干扰技术与解决方案

引用

来源

http://www.360doc.com/content/24/1125/06/65679503_1140335632.shtml

GNSS（全球导航卫星系统）在现代生活中扮演着至关重要的角色，从个人定位导航到军事应用，其服务已渗透到各个领域。然而，当GNSS遭遇干扰或攻击时，如何确保设备的正常运行？本文将为您详细介绍多种应对GNSS拒止干扰的技术解决方案。

图片来源：Google

GNSS拒止干扰指的是GNSS在受到干扰、攻击下无法提供定位、导航和授时服务的情况。GNSS提供的服务和应用范围广，涉及到了日常生活和军事应用的方方面面。从个人的定位导航服务到金融市场的高频交易对时间同步的需求，从个人通信到军事作战的信息传递都有非常重要的应用。电力、通信、金融、军事对GNSS提供的服务有刚性的需求。但是如果GNSS不可用了、失灵了或者提供的信息精度下降，如何保证设备的正常使用？有哪些技术可以作为应急备用的方案呢？

图片来源：参考资料[4]

GNSS 拒止干扰环境有着不同的形式，最常见的情况发生在人口稠密的城市环境中，高层建筑阻挡了卫星信号的传输，以及诸如地下室、隧道等卫星信号的覆盖盲区。在一些卫星信号接收有遮挡或者覆盖信号强度较弱的区域可能导致数百米的定位误差、授时精度的极大损失，这意味着必须使用替代解决方案来克服这一挑战。

以下是小编整理的部分关于GNSS拒止干扰环境下的解决方案。

GNSS 抗干扰天线

这个方案在之前的一篇文章ADA-O来自IAI的抗GNSS拒止干扰系统中介绍过一款来自于以色列IAI公司的产品。

其实GNSS 干扰技术和设备相对来说是是比较容易实现的。干扰系统的天线小型化、集成化的设计能够很好地安装在各种平台上。典型的就是安装在移动车的车顶，通过简单粗暴的大功率压制，都不需要采欺骗式的干扰方式就能够使得覆盖区域内微弱的卫星信号淹没在噪声里面，造成信号阻断。这种设备虽然是非法的，但在网上能够很容易就买到。

在GNSS接收机面临来自未知来源的简单信号干扰的情况下，抗干扰天线专门设计用于克服这一挑战。

图片来源：Google

在实际应用场景中，当 GNSS 信号到达接收机时，它的信号很弱。典型的对于GEO（高轨道卫星）来说，如果仰角为30°，距离为38607km，C和Ku频段的上下行损耗分别如下：

上行链路（4GHz和12GHz）损耗分别为196.20dB和205.76dB；
下行链路（6GHz和14GHz）损耗分别为199.75dB和207.10dB；

考虑到发射端的功放增益、阵列增益等，就算是到达接收机也已经是非常弱的信号了

抗干扰天线通过结合以下一种或多种方法来保护 GNSS 接收器免受干扰、欺骗和信号干扰：

使用Controlled Reception Pattern Antennas (CRPA)通过多天线的输出来消除接收到的干扰信号；
通过对天线进行赋形设计，使天线的方向图在俯仰面上＋15°到-10°以外的增益降低，减少旁瓣引入的干扰信号。
采用相控阵天线，对方向图进行低副瓣、高增益设计，提高波束指向性，降低副瓣杂波引入。
采用滤波天线来实现杂波信号的接收，但是这种方法无法解决全频段干扰或者带内干扰的信号。
硬件接收端还可以采用性能较好的低噪声放大器来进行接收。

基于基站的三点定位测量和 WiFi 信号

图片来源：参考资料[4]

现在的移动终端集成了辅助 GPS (A-GPS) 功能，依靠 GNSS 接收机和基站定位数据来获取位置。手机会定期在 GNSS 接收机和基站数据之间切换，以实现实时定位、降低功耗或在没有数据连接时进行定位导航服务。

基站定位精度较差，当GNSS信号不可用时，在人口密集的城区，精度下降到100米误差。典型的就是在疫情期间的时空伴随者，这个误差最大可以达到800米。

Google之前为了改善使用效果，使用了一个由谷歌街景汽车收集的已知手机信号塔 ID、公共 WiFi 地址和 WiFi 接入点信息的数据库。通过对各种信号的强度进行三角测量，为短距离定位提供更精确的定位数据。

理论上，如果不访问 GPS 信号，可以使用基站三点定位来获得准确的定位。但是基站要想实现全球覆盖具有很大的困难，因为你无法在珠峰顶上建一个基站。

另外如果基站端无法摆脱对卫星信号的依赖（典型的就是对卫星授时的依赖），仍然无法实现在GNSS拒止干扰环境下的定位导航服务。

惯性导航系统（惯导）

基于惯导的航迹推算可能是在 GNSS 拒止干扰情况下保持准确位置的最常见解决方案。

通常使用各种技术（MEMS、FOG、DFOG、RLG 等），但总体概念保持不变：通过使用加速度计和陀螺仪，根据与速度和方向集成的初始参考计算位置。

惯性传感器（惯性测量单元或惯性导航单元）通过测量平台的加速度以及旋转角度测量相对移动，结合已知位置跟踪相对运动来测量位置。当平台移动时，测试系统也移动，并且传感器测量这些移动。通过将随时间增加的加速度和旋转相加，惯性传感器可以跟踪平台的位置。由于在测量系统的运动时的小误差，惯性传感器的位置精度将随着时间而降低。更高精度的传感器将具有更小的误差，其成本和体积可能也会随之增加，限制了它们的适用性。惯性传感器可与绝对定位系统（如GPS）一起使用，以校准其位置。基于这些传感器的系统的关键考虑是系统可以保持精确位置多长时间而不需要重置到地理参考位置。

图片来源：参考资料[4]

目前，大多数军用车辆（坦克、飞机、船只等）都配备了 INS（惯性导航系统）解决方案，无论 GNSS 信号是否可用，都可以满足这两种情况。

基于惯导的航位推算易受误差和近似值的影响，这些误差和近似值会随着时间和距离的增加而增加。有必要使用已知参考点定期重置其位置，以减轻性能较低的系统中的此类问题。

天文惯性导航系统 (ANS)

天文导航可能是最古老的导航形式，早在公元前 200 年人们就开始使用星盘来进行导航。它是一种利用自然天体与时间有关的位置信息，借助被动光电探测设备，通过解算确定载体航向、姿态和位置的导航设备。

天文导航是在航天、航海和航空领域正在得到广泛应用的自主定位导航技术。尤其对登月、载人航天和远洋航海是必不可少的关键技术，还是卫星和远程导弹和运载火箭、高空远程侦察机等的重要辅助导航手段。

为了工作，星跟踪器跟踪单个参考点（太阳、月亮或明亮的星星），使用各种传感器和星扫描仪与星场数据库相结合。不同的传感器会将航天器观测到的星图与数据库中已知的星图进行比较，以确定航天器的方向和定位。

曾经名声大噪的SR-71 黑鸟上就配置了天体导航系统，采用了Nortronics NAS-14V2又称为“R2-D2”天文惯性导航系统。

图片来源：参考链接[3]

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从理论上来说可以通过在飞机上面集成一个天文导航系统来构建一个伪GPS系统，为地面接收设备提供卫星导航服务。但是这个想法就有点像Facebook提出的长续航无人机通信系统一样，难以实际使用，作为应急备案方案还是可以考虑的。

麻省理工正在研究微型星跟踪器 (MST) 概念，这是一种全光学星跟踪器和角速率传感器，考虑到了低 SWaP-C（尺寸、重量、功率和成本）。

天文导航系统未来重要的发展方向就是要考虑发展多频段、小型化、高精度、全自动、全天候的技术。向自主导航方向发展，在提高导航数据的可靠性、输出率的基础上，采用诸如红外、毫米波等多频段探测的应用模式发展。

重力梯度测量

图片来源：参考链接[3]

John Brett 在 70 年代首次提出该技术，后来在美国海军俄亥俄级三叉戟潜艇上使用。重力梯度测量法通过测量两点或多点之间由于重力引起的加速度变化，两点之间的加速度差除以它们各自的距离得出重力梯度，然后来绘制海底的地图，用于判断海底的水下山脉或者海底凸出的不规则区域，避免船只割浅、潜艇撞击海床山脉等。

全张量重力梯度测量 (FTG) 使用多个加速度计来测量所有方向（纬度、经度和高度）的重力梯度。

近年来，该技术有了很大的改进，特别是与 MEMS技术相结合，减小了重力梯度仪的尺寸，专注于扭力平衡而不是微分加速度计。

然而今天，与重力梯度测量相关的技术实现仍然具有很大的实现难度，其用途仅限于潜艇避障，而不是精确导航。因此，它必须与可以为潜艇提供轨迹的惯性导航系统结合使用。

MGUE计划与国防级GPS接收机 (DAGR)

自 2004 年以来，世界各地的西方国家部队都配备了先进的国防级GPS 接收设备(Defence Advanced GPS Receiver：DAGR)，这是一种双频手持设备，部队可以通过解码加密的 P(Y) 码 GNSS 信号来确定其位置。

该设备多年来已证明其用途，但随着导航战威胁的增加，DARPA 与三个美国国防承包商目前正在运行一个名为军用 GPS 用户设备 (MGUE) 的程序，旨在更新和改进 DAGR 的性能.

MGUE 计划特别开发了加密的 M 码信号，该信号由升级后的 GPS 卫星传输的信号组成，功率是当前功率水平的8倍，具备更好的抗干扰性能。

虽然 M 代码信号比商业 GNSS 信号更安全，特别是在欺骗方面，但它们仍然可能被干扰。

自适应导航系统 (ANS)

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自适应导航系统 (Adaptable Navigation Systems: ANS) 通过利用非导航的电磁波信号（无线电、电视、手机信号塔甚至雷击）来提供的定位参考点，特别是在 GNSS 拒绝环境中。

BAE公司在2015年发表的一篇《Navigationvia Signals of Opportunity》研究报告中提到，通过利用这一类的电磁波信号能够实现定位导航服务。该技术目前仍处于起步阶段。

图片来源：参考链接[1]

通过利用如此广泛的信号，NAVSOP 可以抵抗恶意干扰，例如干扰（GPS 的一个特殊弱点）和欺骗，其中虚假信号会诱使设备错误识别其位置。新系统可以从最初无法识别的信号中学习，从而对其位置进行更加准确和可靠的修复。即使是来自 GPS 干扰器的信号，该设备也可以在某些条件下利用来帮助导航。

NAVSOP 系统的搭建已经具备有一定的物理条件。其所需的基础设施是现成的，无需构建昂贵的发射网络，系统背后的硬件已经在商业上可用。另一个好处是它可以集成到现有的定位设备中，为 GPS 提供卓越的性能。

该系统的一个主要优势是能够在GPS覆盖盲区使用，例如密集的城市地区和建筑物深处。它还能够通过接收包括低地球轨道卫星和其他民用信号在内的信号，在世界上最偏远的地区工作，例如北极。

在军用方面，能够为在偏远或密集城市地区作战的士兵，无人机系统（其导航系统极有可能被干扰、破坏）提供更好的安全性服务，NAVSOP 具有广泛的潜在军事应用。

基于MEMS的PNT技术 (Micro-PNT)

Micro-PNT 是MEMS 技术领域的一种突破性的应用，专注于小型化、自校准和基于原子的惯性传感器，以实现自包含芯片级惯性导航的最终目标。

在密歇根大学的 DARPA 研究人员还研制出了一种计时惯性测量单元 (TIMU)，该单元包含三个陀螺仪、三个加速度计和一个高度精确的主时钟，整个系统比一个一美分的大小还要小。

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其中的高精度原子钟应该是采用了芯片级原子钟技术是实现的，关于芯片级原子钟，我们之前也在US PNT Program一文中大概有提到过。

作为Micro-PNT 计划的一部分，其他项目侧重于增加惯性传感器 (MRIG) 的动态范围，减少时钟和惯性传感器 (PASCAL) 的长期漂移，并为测试和评估在综合微型 PNT 程序 (PALADIN) 中开发的组件。

便携式 PNT 系统 (DAPS)

图片来源：参考链接[3]

便携式 PNT 设备是一种可扩展和可升级的 GPS 接收机，可通过有线或无线方式将安全可靠的 PNT 数据发送到终端，从而为单兵提供重要的 PNT 信息。

DAPS 在为单兵提供可靠的 PNT信息的同时，这套系统内能够在 GPS 系统无法无法满足任务或者作战环境需求时，为单兵提供报警信号，提醒士兵目前处于GPS拒止干扰环境。DAPS 的主要好处是将 PNT 数据分发到单兵背负设备的多个系统（如上图所示），可以作为单兵授时DAGR终端和地面机架式大型接收设备的替代方案。

此外，这套便携式的PNT系统集成了多个非 GPS 增强的传感器。接收机软件可以升级以获取伪卫星信号，从而在拒止环境中为军用 GPS 提供额外保护。

量子导航

量子辅助传感和读出 (Quantum-Assisted Sensing and Readout: QuASAR) 计划旨在开发在标准量子极限 (SQL) 附近运行的原子和类原子传感器，随着时间的推移减少“漂移”，使 INS 解决方案在精度方面接近完美。

基于原子干涉测量的概念，原子云被冷却到略高于绝对零的温度。一旦原子被冷却，它们就会受到激光脉冲的影响，这些脉冲只在一半的原子上施加动量，迫使云被分成两条路径。然后原子云由另一个激光脉冲重新组合，研究重新组合的原子云使我们能够确定量子传感器相对于原子的加速度，其精度比传统加速度计好几个数量级。

当然这还是一项非常前沿的技术，俗话说的好，遇事不决，量子力学。未来可能还需要数年、数十年乃至几十上百年才有实际应用。

伪卫星

Pseudolite 是“pseudo-satellite”的缩写，是布设于地面上发射某种定位信号的发射器，通常都是发射类似于GPS的信号。实际上伪卫星就是一种卫星信号模拟器，是一种使用各种收发器组合在一起来创建 GNSS 系统的本地、地面替代方案的技术。该解决方案不使用卫星，而是依靠充当卫星的收发机。

图片来源：参考链接[3]

通过在固定站点上面集成伪卫星，并利用高精度的授时技术便可以实现高精度的定位导航服务。但是这个技术的局限性就是需要与固定站点相结合，并且需要将引入高精度的时间同步信号才能实现。