CN106507768B - 转发式卫星导航信号寄生型躲避式抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明转发式卫星导航信号寄生型躲避式抗干扰方法，是在“转发式卫星导航系统”(申请号：200410046064.1)基础上提出的，涉及空间技术，是一种把上行导航信号寄生到其他通信频道上的方法。寄生的导航信号用伪码扩频，信号功率是被寄生信号功率的5％以下，这时，被寄生信号的接收终端难发现寄生的导航信号，寄生信号也不会影响被寄生信号正常接收；在寄生信号的接收端，采用相干积分法和多路分频并行处理技术进行信号捕获，可大幅度提高接收机的灵敏度，再解调解扩，正确接收寄生的导航信号。寄生方法便于信号隐藏，只是在发送端和接收端对信号进行处理，无需改变空间资源及其使用状态，是提高转发式卫星导航系统抗干扰性的有效方式。

Description

转发式卫星导航信号寄生型躲避式抗干扰方法

技术领域

本发明涉及空间技术领域，属于卫星导航技术，是一种转发式卫星导航信号寄生型躲避式抗干扰方法及系统。

背景技术

卫星导航始于20世纪70年代，典型的系统有美国开发的全球定位系统(GPS)，前苏联开发的全球卫星无线电导航系统(GLONASS)等。全球定位系统(GPS)能实时提供准确连续的位置、速度和时间信息，具有覆盖区广、精度高、功能全、性能好和使用方便等优点。但以GPS为代表的现有卫星导航系统，其由专用的导航星组成卫星星座，且需要星载高精度原子钟等高技术装置，不能维修又难于改进，系统存在脆弱性，容易受到干扰。在伊拉克战争中，伊拉克使用了全球定位系统(GPS)干扰机，曾使美军第二轮空中打击“威慑”作战行动中的100多枚巡航导弹偏离了航向。

全球定位系统(GPS)信号以众所周知的频率发射，其工作频率不能改变，容易受到宽带强噪声的阻塞式干扰；其调制特性和编码格式广为人知，调制方式和编码格式也不能改变，信噪比低，使用相同伪随机码调制的干扰信号会对GPS接收机造成严重干扰；军用P码捕获必须通过民用C/A码的粗捕获才能得以实现，所以，干扰粗码接收就能破坏军用精码的捕获。以上不足使全球定位系统(GPS)的军事应用受到了一定的制约。

转发式卫星导航系统利用卫星透明转发器转发的方式实现导航定位，把作为导航频率基准和时间基准的原子钟直接安置在地面导航中心站上，地面设备易于保养、管理、维修和更换，可使其达到最优性能指标。

转发式卫星导航系统的导航电文和测距码在地面主站生成，电文的编码体制和调制方式可以变换，其信号带宽和中心频率也可以改变，这对系统的军用导航提供了广阔的应用前景，当系统的工作频段被恶意干扰时，可以改变信号的频段，由卫星的其他转发器进行转发以保证系统的正常工作。

转发式卫星导航系统可以用普通的通信卫星作为导航星，导航信号经卫星透明转发器转发，然后以广播的形式下行至用户接收机进行接收。当系统的导航星被人为干扰或阻塞时，可以将发射天线转而指向其他可用通信卫星。

转发式卫星导航系统的上述特点提高了系统的战时生命力，增加了系统的灵活性，使信号寄生成为可能。在强干扰环境下，可以减小导航信号的发射强度，将其寄生到其他频道或其他通信卫星上，甚至可以寄生到国际通信卫星及敌方的通信卫星上。

发明内容

本发明的目的是，根据转发式卫星导航系统的特点而提出一种寄生型的躲避式抗干扰方法，通过此方法大幅度提高系统的抗干扰性和战时生命力。该方法将高处理增益的伪码扩频信号以常规导航信号功率的5％大小发射，通过其他卫星转发器转发，然后在接收端采用相干积分方法和多路分频并行处理技术对信号进行捕获，再利用相关解调，最终获得寄生的导航信号。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种转发式卫星导航信号寄生型躲避式抗干扰方法，其包括步骤：

a)当转发式卫星导航系统的导航频道被敌方干扰或阻塞时，在地面导航主站，调整发射天线姿态，使其对准要寄生的卫星；

b)数据源产生低速率的导航电文，经纠错编码后，由高速率的二进制伪码序列进行扩频，对扩频后的信号进行调制、滤波和上变频处理，在混频时将信号上变频到不同的发射频率，然后将多载波信号经发射天线进行发射；

c)根据寄生信号各载波的中心频率和带宽，被寄生卫星上某个对应的转发器在进行正常的通信业务的同时，还会接收到寄生信号；

d)地面接收端用全向或宽波束天线进行接收，所有卫星信号都进入接收机；

e)不同上行中心频率的寄生信号经卫星转发器转发后有不同的下行中心频率，采用多路带通滤波器，设置合适的带宽和中心频率，滤除部分无关的卫星转发信号，同时将多载波寄生导航信号进行分频处理，处理后的单载波分别进入接收机进行下变频、捕获；

f)将捕获的导航信号再进行滤波和解调、解扩处理，得到符合导航要求的低误码率导航信号。

所述的躲避式抗干扰方法，其所述地面导航主站，其发射天线口径≤4m。

所述的躲避式抗干扰方法，其所述e)步中的捕获，将接收到的信号进行多路分频后，对每路先分别采用相干积分方法，顺次截取整周期长度的导航信号和本地码进行相关运算，再把所得相关值对应叠加，提高信噪比；然后采用并行处理技术，将各路信号的相位对齐，再进行累加，进一步对噪声进行抵消，寄生导航信号经过多路累加后幅度有数倍提高，会出现明显的峰值，即成功捕获导航信号。

所述的躲避式抗干扰方法，其所述f)步中解调、解扩处理，在地面接收端，要求在本机内产生一个和信息发送时使用伪随机码完全相同的伪随机序列：本地码，并使其与外来随机码时序对齐，作相关运算，完成对所发送导航信号的跟踪、锁定和解调。

所述的躲避式抗干扰方法，其所述相关运算，对于二进制信号而言，相关运算就是模二相加的过程；利用相关原理，将所需的信息恢复为原始的窄带数据信号，而不相关的信号仍保持为扩展的宽带信号；对此信号进行带通滤波，使有用信号通过，将无用信号滤除，大幅度提高信噪比。

所述的躲避式抗干扰方法，其将主站发射的多载波导航信号分别寄生在至少4颗通信卫星上进行转发，以实现寄生方式的转发式卫星导航。

本发明的寄生抗干扰方法，构成了一种不需要专用导航星且适用于战时环境的具有极强生存能力的转发式卫星导航系统，信号可以寄生在商用通信卫星上，甚至可以寄生在敌方的通信卫星上，具有重要的应用价值和现实意义。

附图说明

图1本发明方法的寄生原理示意图；

图2直接伪码扩频技术原理框图；

图3相干积分法原理框图；

图4本发明方法的多路分频并行处理技术原理框图；

图5本发明方法的相干积分相位多次检测原理示意图；

图6本发明方法的相关解调解扩原理框图；

图7本发明方法的采用寄生方式的导航原理示意图。

具体实施方式

寄生原理示意图如图1所示。在导航主站，发射机采用多载波发射，发射天线为小口径天线(一般主站发射天线口径为4m左右)，调整天线姿态，使其对准要寄生的通信卫星。数据源产生低速率的导航电文，经纠错编码后，由高速率的二进制伪码序列进行扩频，对扩频后的信号进行调制、滤波和上变频处理，在混频时将信号上变频到不同的发射频率，然后将多载波信号经发射天线进行发射。

根据寄生信号各载波的中心频率和带宽，被寄生卫星上某个对应的转发器在进行正常的通信业务的同时，还会接收到寄生信号。因为所发的寄生信号非常微弱，小于常规信号的1/20，所以不会影响卫星的正常工作，寄生信号被视为噪声而被转发器安全转发。

接收端用全向或宽波束天线进行接收，几乎所有卫星信号都进入接收机。不同上行中心频率的寄生信号经转发器转发后有不同的下行中心频率，采用多路带通滤波器，设置合适的带宽和中心频率，滤除部分无关的卫星转发信号，同时将多载波寄生信号进行分频处理，处理后的单载波分别进入接收机进行下变频、捕获、解调和解扩。

寄生信号很小，难以直接捕获，将接收到的信号进行多路分频后，对每路信号先分别采用相干积分方法，顺次截取整周期长度的导航信号和本地码进行相关运算，再把所得相关值对应叠加，可提高信噪比；然后采用并行处理技术，将各路信号的相位对齐，再进行累加，进一步对噪声进行抵消，寄生信号经过多路累加后幅度有数倍提高，会出现明显的峰值，可成功捕获信号。将捕获的信号再进行滤波和解调、解扩等处理，可得到符合导航要求的低误码率导航信号。

实施例

一般地，导航信号为几十个dBw(转发式卫星导航系统主站上行EIRP＝63.8dBw)，卫星电视等效辐射功率比导航系统信号还要大些，所以只要证明信号可以寄生在导航星上，则一定也可以寄生在转发声频或视频信号的通信卫星上。

寄生发射端采用高处理增益的伪码扩频信号，在接收端采用相干积分方法和多路分频并行处理技术等对微小寄生信号进行捕获，再利用相关解调解扩，最终实现寄生信号的正确接收。其中，伪码扩频技术、相干积分方法和相关解扩解调为已有技术，多路分频并行处理技术为信号捕获的新方法。

1、发送端的直接伪码扩频技术

直接伪码扩频技术原理框图如图2所示。伪码扩频是指待传输信息的频谱用某个特定的伪码扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，采用此技术后，再传输同样信息时所需的射频带宽，这远比已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多，扩频带宽甚至可能是信息带宽的几万倍。

采用伪码扩频技术具有以下优点：

(1)扩频大大改善系统的处理增益。扩频系统的增益远远大于一般通信方式，所以其具有很强的抗干扰能力。

(2)信号功率谱密度低，有利于信号隐蔽。发射信号经过扩频处理后，几乎均匀地散布在很宽的频带里，功率谱密度很低，近似于噪声特性，这降低了被其他系统发现和截获的几率。

(3)采用伪码对信息进行编码，有利于信息安全性和保密性。由于扩频技术采用编码信号，窃听者如果不掌握发射信号所采用的伪码规律，就无法解出所传送的信息，这增强了信息的安全性和保密性。

(4)伪码扩频技术还具有多址能力强，抗衰落能力强、信息传输可靠性高，可进行高分辨率测距等优点。

2、相干积分方法

相干积分法原理框图如图3所示。寄生信号为周期性的导航信号，可任取一时间点，自此顺次截取一个周期长度的导航信号，分别与本地码作相关运算，并存储结果，然后将相关结果进行叠加运算。噪声信号没有相关性，相关处理后的幅度基本不发生变化，叠加后噪声幅度也不会有明显变化；寄生信号则有很好的相关性，寄生信号相关并相互累加后，信号明显增强。对寄生信号来说，相干累加是2π整数倍的移相器，在累加过程中是同相相加的，干扰分量只是能量相加，所以信噪比能显著提高。

3、多路分频并行处理技术

多路分频并行处理技术原理框图如图4所示。接收端用全向或宽波束天线进行接收，几乎所有卫星信号都进入接收机，不同上行中心频率的寄生信号经转发器转发后有不同的下行中心频率，采用多路带通滤波器，设置合适的带宽和中心频率，滤除部分无关的卫星转发信号，同时将多载波寄生信号进行分频。

将多路单载波信号下变频到相同的中频，对每路信号进行相干积分。经过相干积分后，根据相关峰值可得到信号的相位。寄生信号强度很小，相干积分方法虽然能得到相关峰，但峰值不会太明显，所以相位的置信度不高。为提高相位的置信度，可预设峰值门限，对每路信号多次进行相干积分，将每次超越门限的峰值进行比较，取峰值出现个数最多的相位作为本路信号的相位。其原理示意图如图5所示，比较120和158处出现的峰值个数，应取第120个积分步长所对应的相位值为信号的相位。

以某一路信号相位为基准，对其余通道的信号进行相位微调，使其相位与基准相位对齐，然后将各路信号叠加在一起。这样可以进一步抑制噪声，增加寄生信号强度，提高系统的信噪比，实现寄生信号的捕获。

4、接收端的相关解调解扩

相关解调解扩原理框图如图6所示。在直接扩频系统中，作为接收一方，要求在本机内产生一个和信息发送时使用伪随机码完全相同的伪随机序列(本地码)，并使其与外来随机码时序对齐，作相关运算，完成对所发送信号的跟踪、锁定和解调，这种接收方式称为相关接收。对于二进制信号而言，相关运算就是模二相加的过程。利用相关原理，将所需的信息恢复为原始的窄带数据信号，而不相关的信号仍保持为扩展的宽带信号。对此信号进行带通滤波，使有用信号通过，将无用信号滤除，可大幅度提高信噪比。

在理论上，相干积分若为m次相关累加，处理增益为(101gm)dB；N路分频信号的多路并行处理，处理增益为(101gN)dB。经过上述处理，系统的处理增益可提高(101gN+101gm)dB。在系统设计时，可根据具体要求合理设置m和N的取值，使接收机达到要求的灵敏度，以实现微弱寄生信号的捕获。

根据转发式卫星导航原理，若用户能接收到4颗或4颗以上卫星转发的信号，可对自身进行定位。将主站发射的多载波导航信号分别寄生在4颗通信卫星上进行转发，即可实现寄生方式的转发式卫星导航(如图7所示)。

结论

通过以上论述，可以看出，采用伪码扩频技术便于信号隐藏，接收端的相干积分方法和多路分频并行处理技术可大幅度提高系统的灵敏度，实现微小信号的捕获，而相关解调解扩可以实现信号的成功检测。并且，寄生方法只是在发送端和接收端对信号进行处理，而无需增加空间资源。寄生是提高转发式卫星导航系统抗干扰性的一种有效方式，寄生也构成了一种适合战时应用的具有极高抗干扰能力的、极隐蔽的卫星导航新体制。

Claims (6)

1.一种转发式卫星导航信号寄生型躲避式抗干扰方法，其特征在于，包括步骤：

a)当转发式卫星导航系统的导航频道被敌方干扰或阻塞时，在地面导航主站，调整发射天线姿态，使其对准要寄生的卫星；

b)数据源产生低速率的导航电文，经纠错编码后，由高速率的二进制伪码序列进行扩频，对扩频后的信号进行调制、滤波和上变频处理，在混频时将信号上变频到不同的发射频率，然后将多载波信号经发射天线进行发射；

c)根据寄生信号各载波的中心频率和带宽，被寄生卫星上某个对应的转发器在进行正常的通信业务的同时，还会接收到寄生信号；

d)地面接收端用全向或宽波束天线进行接收，所有卫星信号都进入接收机；

e)不同上行中心频率的寄生信号经卫星转发器转发后有不同的下行中心频率，采用多路带通滤波器，设置合适的带宽和中心频率，滤除部分无关的卫星转发信号，同时将多载波寄生导航信号进行分频处理，处理后的单载波分别进入接收机进行下变频、捕获；

f)将捕获的导航信号再进行滤波和解调、解扩处理，得到符合导航要求的低误码率导航信号。

2.如权利要求1所述的躲避式抗干扰方法，其特征在于，所述地面导航主站，其发射天线口径≤4m。

3.如权利要求1所述的躲避式抗干扰方法，其特征在于，所述e)步中的捕获，将接收到的信号进行多路分频后，对每路信号先分别采用相干积分方法，顺次截取整周期长度的导航信号和本地码进行相关运算，再把所得相关值对应叠加，提高信噪比；然后采用并行处理技术，将各路信号的相位对齐，再进行累加，进一步对噪声进行抵消，寄生导航信号经过多路累加后幅度有数倍提高，会出现明显的峰值，即成功捕获导航信号。

4.如权利要求1所述的躲避式抗干扰方法，其特征在于，所述f)步中解调、解扩处理，在地面接收端，要求在本机内产生一个和信息发送时使用伪随机码完全相同的伪随机序列：本地码，并使其与外来随机码时序对齐，作相关运算，完成对所发送导航信号的跟踪、锁定和解调。

5.如权利要求4所述的躲避式抗干扰方法，其特征在于，所述相关运算，对于二进制信号而言，相关运算就是模二相加的过程；利用相关原理，将所需的信息恢复为原始的窄带数据信号，而不相关的信号仍保持为扩展的宽带信号；对此信号进行带通滤波，使有用信号通过，将无用信号滤除，大幅度提高信噪比。

6.如权利要求1所述的躲避式抗干扰方法，其特征在于，将主站发射的多载波导航信号分别寄生在至少4颗通信卫星上进行转发，以实现寄生方式的转发式卫星导航。