CN110118978B - 基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法 - Google Patents

基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法。该系统包括：GNSS卫星、低轨卫星和地面导航接收机；GNSS卫星、低轨卫星和地面导航接收机采用无线通讯方式相互连接；GNSS卫星用于向低轨卫星和地面导航接收机播发GNSS信号；低轨卫星用于接收GNSS信号，并向地面导航接收机播发导航抗干扰信号，导航抗干扰信号包括低轨卫星自身的轨道及钟差信息、以及地面导航接收机可视的GNSS卫星电文；地面导航接收机用于接收并处理GNSS信号和导航抗干扰信号，并根据处理结果确定自身的时间及位置信息。本发明的基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法能够以低成本实现高信号落地功率，提高地面导航接收机的灵敏度和抗干扰能力，系统简单，运行成本低。

Description

基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，全球导航卫星系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志，全球导航卫星系统主要包括全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、格洛纳斯(GLONASS)和伽利略卫星导航系统(Galileo Satellite NavigationSystem，GALILEO)，目前卫星导航定位技术已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展，。
但由于GNSS具有信号弱易受电磁干扰等固有缺点，在实际应用中GNSS仍存在较为严重的安全隐患。具体地，由于发射功率较低，且卫星到地球表面的距离较为遥远，卫星信号到达地球表面时已十分微弱，通常约为-160dBW，而各种有意无意干扰则处于地表附近，距离地面导航接收机较近，很容易造成地面导航接收机无法正常锁定卫星信号。在实际应用过程中，各种甚高频通信设备的寄生辐射和谐波、卫星通信设备的带外辐射和寄生辐射、移动和固定的甚高频通信台站、使用GNSS频带进行的点对点无线电链接、电视台谐波、雷达系统、移动卫星通信系统、以及军用通信系统等均可对地面导航接收机造成干扰，使其性能下降或在一段时间内处于完全不可用状态。
为了提高卫星导航抗干扰能力，目前采用的方法包括如下三种：第一种方法是增强基本卫星导航系统，即为卫星增加点波束增强功能，通过缩小卫星波束的覆盖区域，可以获得20dB以上的信号功率增强；第二种方法是使用机载伪卫星技术，以此来改善局部地区的信号强度和几何布局；第三种方法是采用复杂的接收机技术，包括：用于在时域进行干扰检测与消除的时域干扰抑制技术、在变换域进行干扰信号的检测与消除的变换域干扰抑制技术、以及空域干扰抑制技术；其中，变换域干扰抑制技术包括基于DFT、基于重叠变换LT和基于时频变换的干扰抑制技术，空域干扰抑制技术包括基于自适应天线调零与波束/零陷形成的干扰抑制技术。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
通过点波束增强基本卫星导航系统，虽然提供了一定的功率增强，但强度受限于2万多公里的距离衰减，依然不能完全满足导航战的要求，且该方法对克服地形地物影响以及改善系统的DOP值没有帮助；使用机载伪卫星技术时，需要对整个作战区域进行长期覆盖，需要大量的无人机或飞艇，导致运行成本增加，且平台自身的安全性也不能完全保证；采用复杂的接收机技术时，时域干扰抑制技术和变换域干扰抑制技术只能抑制单频或窄带干扰，对于宽带压制干扰没有抑制效果，空域干扰抑制技术采用天线阵形式，会使接收机的复杂程度、成本和使用难度显著增加，不利于部队的大量装备和使用。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法。
为此，本发明公开了一种基于低轨卫星的导航抗干扰系统，所述系统包括：GNSS卫星、低轨卫星和地面导航接收机；
所述GNSS卫星、所述低轨卫星和所述地面导航接收机采用无线通讯方式相互连接；
所述GNSS卫星用于向所述低轨卫星和所述地面导航接收机播发GNSS信号；
所述低轨卫星用于接收所述GNSS信号，并向所述地面导航接收机播发导航抗干扰信号，所述导航抗干扰信号包括所述低轨卫星自身的轨道及钟差信息、以及所述地面导航接收机可视的GNSS卫星电文；
所述地面导航接收机用于接收并处理所述GNSS信号和所述导航抗干扰信号，并根据处理结果确定所述地面导航接收机自身的时间及位置信息。
进一步地，在所述基于低轨卫星的导航抗干扰系统中，所述GNSS卫星包括GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四个卫星导航星座。
进一步地，在所述基于低轨卫星的导航抗干扰系统中，所述系统还包括干扰源，所述干扰源设置在所述地面导航接收机的设定范围内，所述干扰源用于产生干扰信号，以测试导航抗干扰能力。
此外，本发明还公开了一种用于上述基于低轨卫星的导航抗干扰系统的导航抗干扰方法，所述方法包括：
当所述地面导航接收机根据接收到的所述GNSS卫星播发的GNSS信号无法输出其自身的时间及位置信息时，所述低轨卫星向所述地面导航接收机播发导航抗干扰信号；
所述地面导航接收机接收所述低轨卫星播发的所述导航抗干扰信号；
所述地面导航接收机利用所述导航抗干扰信号内的载波和伪码获取其自身的时间及位置信息的估计值；
所述地面导航接收机根据所述估计值和所述导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，估算出其自身相对所述GNSS卫星的伪距和多普勒偏移的估计值；
所述地面导航接收机根据所述伪距和多普勒偏移的估计值，缩短其自身对GNSS信号的捕获搜索范围，以得到其自身相对于所述GNSS卫星的伪距的精确值，并结合所述导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，计算出其自身的时间及位置信息的精确值。
进一步地，在所述导航抗干扰方法中，所述低轨卫星播发的所述导航抗干扰信号采用正交相移键控调制，所述导航抗干扰信号的信号格式表示为：
Figure GDA0002405938240000031
其中，P为所述低轨卫星的发射信号功率，CI(t)和CQ(t)分别为调制在I、Q支路上的用于测距的扩频码，DI(t)和DQ(t)分别为调制在I、Q支路上的导航电文，DI(t)包括所述低轨卫星自身的星历和钟差参数，DQ(t)包括所述地面导航接收机可视的GNSS卫星电文，f0表示所述低轨卫星所发信号的载波频率，t表示时间变量。
进一步地，在所述导航抗干扰方法中，所述地面导航接收机采用单星多普勒定位方法处理所述导航抗干扰信号，以获取所述时间及位置信息的估计值。
进一步地，在所述导航抗干扰方法中，所述地面导航接收机利用最小二乘法处理所述伪码和多普勒偏移、以及所述GNSS卫星电文。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法利用低轨卫星向地面导航接收机播发导航抗干扰信号，能够以低成本实现高信号落地功率，提高地面导航接收机在室内、遮蔽环境以及干扰环境下的灵敏度和抗干扰能力，系统简单，运行成本低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的基于低轨卫星的导航抗干扰系统的结构原理图；
图2为本发明一个实施例的导航抗干扰方法的流程图；
图3为本发明一个实施例的单星多普勒定位方法的原理图。
附图标记说明：
1-GNSS卫星、2-低轨卫星、3-地面导航接收机、4-干扰源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
第一方面，如附图1所示，本发明实施例提供了一种基于低轨卫星的导航抗干扰系统，该导航抗干扰系统包括：GNSS卫星1、低轨卫星2和地面导航接收机3；GNSS卫星1、低轨卫星2和地面导航接收机3采用无线通讯方式相互连接；GNSS卫星1用于向低轨卫星2和地面导航接收机3播发GNSS信号；低轨卫星2接收GNSS信号，并向地面导航接收机3播发导航抗干扰信号，导航抗干扰信号包括低轨卫星2自身的轨道及钟差信息、以及地面导航接收机3可视的GNSS卫星电文；地面导航接收机3接收并处理GNSS信号和导航抗干扰信号，并根据处理结果确定地面导航接收机3自身的时间及位置信息。
以下对本发明实施例提供的基于低轨卫星的导航抗干扰系统的工作原理进行具体说明：
具体地，本发明实施例提供的基于低轨卫星的导航抗干扰系统在应用时，当地面导航接收机3根据接收到的GNSS卫星1播发的GNSS信号能够精确地确定其自身的时间及位置信息时，地面导航接收机3直接输出时间及位置信息；当地面导航接收机3根据接收到的GNSS卫星1播发的GNSS信号无法精确地输出其自身的时间及位置信息时，低轨卫星2向地面导航接收机3播发包括低轨卫星2自身的轨道及钟差信息和地面导航接收机3可视的GNSS卫星电文的导航抗干扰信号；地面导航接收机3接收低轨卫星2播发的导航抗干扰信号，并利用低轨卫星2所播发的导航抗干扰信号内的载波和伪码实现时空粗同步，以获取其自身的时间及位置信息的估计值；而后地面导航接收机3再根据估计值和导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，估算出其自身相对GNSS卫星1的伪距和多普勒偏移的估计值；确定伪码和多普勒偏移的估计值后，地面导航接收机3根据伪距和多普勒偏移的估计值，缩短其自身对GNSS信号的捕获搜索范围，以提高其自身接收GNSS信号的抗干扰能力，从而得到其自身相对于GNSS的伪码的精确值；而后结合导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，计算出其自身的时间及位置信息的精确值，并输出时间及位置信息的精确值。
本发明实施例中，GNSS卫星1包括GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四个卫星导航星座。
进一步地，为了实现该系统的抗干扰能力的测试，本发明实施例中，该导航抗干扰系统还包括干扰源4，干扰源4设置在地面导航接收机3的设定范围内，干扰源4用于产生干扰信号，以测试导航抗干扰能力。其中，干扰源4的设置范围可以根据实际测试需求进行设定，以实现系统的多种抗干扰测试。
第二方面，如附图2所示，本发明实施例还公开了一种用于上述基于低轨卫星的导航抗干扰系统的导航抗干扰方法，该方法包括如下步骤：
当地面导航接收机3根据接收到的GNSS卫星1播发的GNSS信号无法输出其自身的时间及位置信息时，低轨卫星2向地面导航接收机3播发导航抗干扰信号；
地面导航接收机3接收低轨卫星2播发的导航抗干扰信号；
地面导航接收机3利用导航抗干扰信号内的载波和伪码获取其自身的时间及位置信息的估计值；
地面导航接收机3根据估计值和导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，估算出其自身相对GNSS卫星1的伪距和多普勒偏移的估计值；
地面导航接收机3根据伪距和多普勒偏移的估计值，缩短其自身对GNSS信号的捕获搜索范围，以得到其自身相对于GNSS卫星1的伪距的精确值，并结合导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，计算出其自身的时间及位置信息的精确值。
其中，本发明实施例提供的导航抗干扰方法仅在地面导航接收机3根据接收到的GNSS卫星1播发的GNSS信号无法精确地输出其自身的时间及位置信息时实施，当地面导航接收机3根据接收到的GNSS卫星1播发的GNSS信号能够精确地确定其自身的时间及位置信息时，地面导航接收机3直接输出已确定的时间及位置信息。
现有的地面导航接收机3依靠GNSS信号的扩频增益具备43dBc的抗干扰能力，例如设定GPS L1信号落地功率为-150dBW，当干扰信号电平超过-107dBW时，地面导航接收机3无法输出定位解算结果。此时，利用本发明实施例提供的导航抗干扰方法可使地面导航接收机3能够输出定位解算结果。
本发明实施例中，低轨卫星2播发的导航抗干扰信号采用正交相移键控调制，导航抗干扰信号的信号格式表示为：
Figure GDA0002405938240000051
其中，上述公式1中，P为低轨卫星2的发射信号功率，CI(t)和CQ(t)分别为调制在I、Q支路上的用于测距的扩频码，DI(t)和DQ(t)分别为调制在I、Q支路上的导航电文，DI(t)包括低轨卫星2自身的星历和钟差参数，DQ(t)包括地面导航接收机3可视的GNSS卫星电文，f0表示低轨卫星2所发信号的载波频率，t表示时间变量。
进一步地，为了便于地面导航接收机3对接收到的导航抗干扰信号进行处理，以获取地面导航接收机3的时间及位置信息的估计值；本发明实施例中，采用单星多普勒定位方法处理导航抗干扰信号，以获取时间及位置信息的估计值。
以下本发明实施例提供的单星多普勒定位方法的原理进行具体说明：
具体地，如附图3所示，单星多普勒定位方法是利用低轨卫星2前后不同历元的数据对地面导航接收机3进行定位；在物理量上，表现为地面导航接收机3与低轨卫星2的距离变化率；在几何上，由于地面导航接收机3的位置未确定，因而表现为低轨卫星2与地面导航接收机3速度方向成某一特定夹角的圆锥面，特定夹角的数值根据低轨卫星2的位置的改变而改变。设定地面导航接收机3位置静止于地面某点，随着低轨卫星2过境，地面导航接收机3接收到的导航抗干扰信号增加，采集到的数据增多；设定一个时段内卫星钟稳定，不同历元的低轨卫星2和地面导航接收机3形成多个不同的圆锥面，多个圆锥面的交集即为地面导航接收机3。
进一步地，本发明实施例中，地面导航接收机3根据时间及位置信息的估计值和导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，估算出其自身相对GNSS卫星1的伪距和多普勒偏移的估计值。具体地，当估算出伪码和多普勒偏移的估计值后，地面导航接收机3根据伪码和多普勒偏移的估计值相应地减小其自身捕获模块的搜索范围，并相应地增加每个搜索点上的驻留时间，以此来提高捕获灵敏度和抗干扰能力，从而得到伪码和多普勒偏移的精确值；其中，搜索范围的减小量和驻留时间的增加量可以根据实际需求进行设定。此外，地面导航接收机3在捕获跟踪中还可以利用导航抗干扰信号中的GNSS卫星电文来剥离GNSS信号中导航电文比特翻转的影响，实现跨数据比特长度的相干积分，进一步提高捕获灵敏度和抗干扰能力。
进一步地，本发明实施例中，地面导航接收机3利用最小二乘法处理伪码和多普勒偏移、以及GNSS卫星电文，以获取地面导航接收机3的时间及位置信息的精确值。
可见，本发明实施例提供的基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法利用低轨卫星2向地面导航接收机3播发导航抗干扰信号，能够以低成本实现高信号落地功率，提高地面导航接收机3在室内、遮蔽环境以及干扰环境下的灵敏度和抗干扰能力，系统简单，运行成本低。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于低轨卫星的导航抗干扰系统，其特征在于，所述系统包括：GNSS卫星(1)、低轨卫星(2)和地面导航接收机(3)；
所述GNSS卫星(1)、所述低轨卫星(2)和所述地面导航接收机(3)采用无线通讯方式相互连接；
所述GNSS卫星(1)用于向所述低轨卫星(2)和所述地面导航接收机(3)播发GNSS信号；
所述低轨卫星(2)用于接收所述GNSS信号，并向所述地面导航接收机(3)播发导航抗干扰信号，所述导航抗干扰信号包括所述低轨卫星(2)自身的轨道及钟差信息、以及所述地面导航接收机(3)可视的GNSS卫星电文；
所述地面导航接收机(3)用于接收并处理所述GNSS信号和所述导航抗干扰信号，并根据处理结果确定所述地面导航接收机(3)自身的时间及位置信息；
所述导航抗干扰信号采用正交相移键控调制，所述导航抗干扰信号的信号格式表示为：
Figure FDA0002405938230000011
P为所述低轨卫星(2)的发射信号功率，CI(t)和CQ(t)分别为调制在I、Q支路上的用于测距的扩频码，DI(t)和DQ(t)分别为调制在I、Q支路上的导航电文，DI(t)包括所述低轨卫星(2)自身的星历和钟差参数，DQ(t)包括所述地面导航接收机(3)可视的GNSS卫星电文，f0表示所述低轨卫星所发信号的载波频率，t表示时间变量；
所述地面导航接收机(3)采用单星多普勒定位方法处理所述导航抗干扰信号，以获取所述时间及位置信息的估计值；所述地面导航接收机(3)根据所述时间及位置信息的估计值和所述导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，估算出其自身相对GNSS卫星(1)的伪距和多普勒偏移的估计值；所述地面导航接收机(3)根据伪码和多普勒偏移的估计值减小其自身捕获搜索范围，并增加每个搜索点上的驻留时间，提高捕获阶段的抗干扰能力，以获取伪码和多普勒偏移的精确值；所述地面导航接收机(3)利用最小二乘法处理伪码和多普勒偏移、以及GNSS卫星电文，提高跟踪阶段的抗干扰能力，以获取所述地面导航接收机(3)的时间及位置信息的精确值。
2.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的导航抗干扰系统，其特征在于，所述GNSS卫星(1)包括GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四个卫星导航星座。
3.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的导航抗干扰系统，其特征在于，所述系统还包括干扰源(4)，所述干扰源(4)设置在所述地面导航接收机(3)的设定范围内，所述干扰源(4)用于产生干扰信号，以测试导航抗干扰能力。
4.一种用于如权利要求1至3中任一项所述的基于低轨卫星的导航抗干扰系统的导航抗干扰方法，其特征在于，所述方法包括：
当所述地面导航接收机(3)根据接收到的所述GNSS卫星(1)播发的GNSS信号无法输出其自身的时间及位置信息时，所述低轨卫星(2)向所述地面导航接收机(3)播发导航抗干扰信号；
所述地面导航接收机(3)接收所述低轨卫星(2)播发的所述导航抗干扰信号；
所述地面导航接收机(3)利用所述导航抗干扰信号内的载波和伪码获取其自身的时间及位置信息的估计值；
所述地面导航接收机(3)根据所述估计值和所述导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，估算出其自身相对所述GNSS卫星(1)的伪距和多普勒偏移的估计值；
所述地面导航接收机(3)根据所述伪距和多普勒偏移的估计值，缩短其自身对GNSS信号的捕获搜索范围，增加每个搜索点上的驻留时间，提高捕获阶段的抗干扰能力，以得到其自身相对于所述GNSS卫星(1)的伪距的精确值，并结合所述导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，计算出其自身的时间及位置信息的精确值；
所述低轨卫星(2)播发的所述导航抗干扰信号采用正交相移键控调制，所述导航抗干扰信号的信号格式表示为：
Figure FDA0002405938230000021
P为所述低轨卫星(2)的发射信号功率，CI(t)和CQ(t)分别为调制在I、Q支路上的用于测距的扩频码，DI(t)和DQ(t)分别为调制在I、Q支路上的导航电文，DI(t)包括所述低轨卫星(2)自身的星历和钟差参数，DQ(t)包括所述地面导航接收机(3)可视的GNSS卫星电文，f0表示所述低轨卫星所发信号的载波频率，t表示时间变量；
所述地面导航接收机(3)采用单星多普勒定位方法处理所述导航抗干扰信号，以获取所述时间及位置信息的估计值；所述地面导航接收机(3)根据所述时间及位置信息的估计值和所述导航抗干扰信号内的GNSS卫星电文，估算出其自身相对GNSS卫星(1)的伪距和多普勒偏移的估计值；所述地面导航接收机(3)根据伪码和多普勒偏移的估计值减小其自身捕获搜索范围，并增加每个搜索点上的驻留时间，提高捕获阶段的抗干扰能力，以获取伪码和多普勒偏移的精确值；所述地面导航接收机(3)利用最小二乘法处理伪码和多普勒偏移、以及GNSS卫星电文，提高跟踪阶段的抗干扰能力，以获取所述地面导航接收机(3)的时间及位置信息的精确值。
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