全球定位系統(tǒng)抗干擾的新技術途徑
http://www.51dh.net/magazine/html/416/416450.htm■ 李耐和
《現(xiàn)代軍事》2006年第9期 軍事科技-軍事技術
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美國的軍事優(yōu)勢在很大程度上仰仗全球定位系統(tǒng)(GPS)，而且這種依賴與日俱增。但是GPS衛(wèi)星發(fā)射的導航信號比較弱，而且以固定的頻率發(fā)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(zhàn)時通過干擾GPS信號削弱美方的軍事優(yōu)勢，美國在繼續(xù)提高GPS衛(wèi)星導航定位精度的同時，采取了多種措施加強GPS系統(tǒng)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(wèi)星星座、改進用戶接收機和增設備份導航系統(tǒng)。目前，美國正在開發(fā)一些創(chuàng)新概念的全球定位系統(tǒng)抗干擾技術：國防高級研究計劃局(DARPA)等部門已經(jīng)完成了演示驗證“機載偽衛(wèi)星”(airbOrne pseudO—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，美軍還在研制“微機電慣性導航系統(tǒng)”(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(tǒng)抗干擾技術途徑被簡單地表述為“GPS+INS+Pseudolites”。
“機載偽衛(wèi)星”
“機載偽衛(wèi)星”就是將GPS導航信號發(fā)射機裝在戰(zhàn)場上空的數(shù)架無人機上，構成偽GPS星座，取代GPS衛(wèi)星進行導航。一般，4架“獵人”無人機作為偽衛(wèi)星，就可以覆蓋300千米見方的戰(zhàn)區(qū)，發(fā)射的GPS信號蓋過敵方的干擾信號。機載偽衛(wèi)星采用現(xiàn)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(wèi)星的信號、確定自己的位置，并采用低數(shù)據(jù)速率向地面發(fā)射類似GPS的信號，把定位信息“轉告”給GPS接收機。由于偽衛(wèi)星距離地面比GPS衛(wèi)星近得多，它們發(fā)出的信號將蓋過干擾信號，從而使多數(shù)用戶能夠不受干擾機的影響，繼續(xù)利用GPS導航服務。
利用偽衛(wèi)星克服GPS干擾的優(yōu)點是：其發(fā)射信號功率比衛(wèi)星高，使用起來比大功率GPS衛(wèi)星更快捷，另外，偽衛(wèi)星導航實施簡單，不必改動現(xiàn)有GPS用戶接收機的硬件，而只要對軟件做些改變就可以使用偽衛(wèi)星發(fā)射的信號。缺點是，載機的運動導致偽衛(wèi)星的位置不太確定，因此，與采用GPS衛(wèi)星星座相比，偽衛(wèi)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(wèi)星裝置進行原理試驗，其導航精度從采用真實衛(wèi)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后，DARPA利用七元天線陣列以及現(xiàn)成的數(shù)字波束成形器，著手制作抗干擾的偽衛(wèi)星。麻省理工學院林肯實驗室和羅克韋爾·柯林斯公司采用時空自適應處理技術，研制出具有40－55分貝抗干擾能力的系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在美國空軍GPS波振面模擬中心的微型吸音室進行測試，并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(wèi)星系統(tǒng)集成在F－16戰(zhàn)斗機上進行了完整的吸音室試驗，結果也滿足計劃要求，后來，在美國霍洛曼空軍基地進行了首次飛行試驗，證明該系統(tǒng)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(wèi)星信號。
“全球定位試驗”計劃已于2004年中期完成。一系列的現(xiàn)場演示表明：由4個機載偽衛(wèi)星組成的完整導航系統(tǒng)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(wèi)星信號的成形波束發(fā)射天線以及控制偽衛(wèi)星網(wǎng)絡傳輸?shù)闹笓]控制系統(tǒng)。目前，DARPA的這項成果正處于向作戰(zhàn)系統(tǒng)的轉化中。
“微機電慣性導航系統(tǒng)”
慣性導航利用慣性傳感器(陀螺和加速度計)的測量信息，直接計算出載體的姿態(tài)、速度、位置等導航參數(shù)，實現(xiàn)完全自主的導航。它既不向外界發(fā)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(tài)性能好、輸出信息豐富等優(yōu)點。為了應對損失GPS衛(wèi)星后可能出現(xiàn)的“壓倒效應”，美軍方提出要為GPS導航方式提供備份，并已經(jīng)確定以“慣性導航系統(tǒng)”(1NS)作為GPS的首選備份系統(tǒng)，另外一個備份是“增強型定位系統(tǒng)”(EPLS)。
“微機電慣性導航系統(tǒng)”(MEMS-INS)是利用最新微機電系統(tǒng)技術制造的小型廉價的慣性導航系統(tǒng)，可以用于各種軍事系統(tǒng)的導航。它可以在一些GPS信號過于微弱以至于無法工作的建筑內部、茂密的植被下以及水下提供導航，直到GPS信號得以恢復，它還有助于重新獲取GPS系統(tǒng)的信號。MEMS—INS體積小、成本低，不僅可以為空·地彈藥和地·地彈藥提供制導功能，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(tǒng)分部(以前的利頓制導與控制系統(tǒng)公司)、德雷珀實驗室以及克佛特制導與導航公司。目前，他們正在努力研制性能、功率和體積都滿足要求的產品，即陀螺儀漂移率小于1～10°／小時，加速度計偏差小于0．5mg，體積小于163厘米3，功耗小于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制作起來相當困難，雖然目前的誤差范圍在1—20°／小時，但是為經(jīng)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。對于戰(zhàn)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(shù)飛機、艦艇、太空船及導彈需要更高的精度?？梢灶A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。
極端工作環(huán)境下的GPS系統(tǒng)
美軍正在繼續(xù)推進偽衛(wèi)星在地理定位與導航上的應用，進一步解決GPS系統(tǒng)在受到拒止及極端環(huán)境下的工作問題，以支持更廣泛的平臺及任務，包括洞穴內的車輛或飛行器導航，建筑物內或高樓林立環(huán)境下的部隊機動、瓦礫中的傳感器或機器人運行、在敵方區(qū)域的傳感器等等。目前已經(jīng)確定了一些實現(xiàn)這些目標的方法，即加大信號強度(“More Stuff")、利用現(xiàn)成信號(“FreeStu”)和挖掘“自然”信號(“NoStuff”)。
加大信號強度
為了加強戰(zhàn)區(qū)內GPS信號的強度，方法之一是構建能穿透地表、廢墟和建筑的“信標”(beacon)，同時使多徑效應(multipath)以及環(huán)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”后世貿中心的搜救行動中，可以借助以往的GPS測量記錄，并結合其他探測傳感器對受害人進行定位。
加強GPS信號強度的努力，不僅涉及發(fā)射信標，而且包括用戶接收機。美軍開發(fā)了用于惡劣環(huán)境的“標簽”(tag)結構用戶接收機。這樣，在火災建筑物內的搜救人員或被跟蹤的傳感器可以發(fā)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(huán)境下，在建筑物、廢墟及洞穴內部都能夠正常傳輸。雖然信號加強之后，在穿透障礙或抵御干擾時效果不錯，但覆蓋范圍還不是很理想，在敵方領土內使用時還存在著無法提供本地信標和標簽接收機的問題。下面利用現(xiàn)成電磁信號的辦法可以一試。
利用現(xiàn)成信號
這種方法是利用戰(zhàn)區(qū)內現(xiàn)成的人為產生的信號(existingman—made signals Ofopportunity)如電視和電臺廣播、衛(wèi)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(zhàn)區(qū)附近布設“參考信號站”，這種信號對建筑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?zhèn)鞲衅鳎銰PS．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(xiàn)成電磁信號進行自我定位。這種地理定位軟件接收機很結實、耐用，可以與通信、測量及信號情報設備共享硬件，不需要添加新的資源就可以提供地理定位功能。未來的軟件無線電臺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(zhàn)區(qū)的后勤負擔，是優(yōu)選的辦法之一。
為了更好地利用人為產生的現(xiàn)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，同時為了便于識別這些信號，需要對戰(zhàn)區(qū)內部或附近的“參考信號站”預先做一些工作，使它們發(fā)射的信號具備特殊的波形，并將波形特征提供給用戶接收機。
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(fā)現(xiàn)食物、尋找配偶以及溫暖干燥的棲身之處的呢?現(xiàn)代人能不能喚醒已經(jīng)退化的本能，并借助靈敏的量子傳感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(tǒng)技術以及基于原子光學干涉測量的傳感器技術發(fā)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，并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傳感器，以及多徑雜波信號處理等技術帶來巨大挑戰(zhàn)。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(huán)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(jīng)濟上可以承受、在困難環(huán)境下具備全面覆蓋能力的實際應用方案。
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