衛星導航系統由於太有用而非常脆弱，科學家如何應對？

全球衛星導航系統（GNSS）的應用幾乎無所不在，但又非常脆弱，因為它極易受到各種惡意和無意識的干擾，包括壓制性干擾（窄帶和寬頻）、欺騙式干擾、多徑干擾和脈衝式干擾等。如何提高干擾環境下和突發情況下（比如衛星失效）GNSS的穩健性和快速恢復能力，已成為當前全球關注的焦點和研究熱點。

無所不在的GNSS

全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）是各種衛星導航系統及其增強系統的總稱，可以在任何時候為任何人或物體提供精確的定位、測速和授時（Position、Velocity、Time，PVT）服務。GNSS作為重要的空間信息基礎設施，是一個國家實力的體現。目前世界主要大國或組織都競相發展GNSS，包括美國的「全球定位系統」（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯的「格洛納斯」（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）、歐洲的「伽利略」（Galileo）、中國的「北斗」（BeiDou）系統、印度的區域導航衛星系統（Indian Regional Navigational Satellite System，IRNSS）和日本的准天頂衛星系統（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）。美國於1996年啟動了GPS現代化工程，近年來發射衛星計劃是自1993年以來最密集的，2016年計劃發射首顆GPS III衛星。中國北斗系統按照「三步走」戰略，2012年已經建成亞太區域衛星導航系統並投入使用（世界第三個投入運行的國家），並正向全球系統穩步推進，已經發射了三顆全球導航實驗衛星。未來，這些系統將被全部集成起來，成為Global Navigation Satellite System of Systems，並為全球用戶提供更加可靠和精確的服務。

GNSS的應用幾乎無所不在，只要人能夠想到的地方都可能找到其應用，包括空中、海上和地面運輸與管理，智能電網，電訊系統，移動手機定位，智能載運工具，勘探測繪，罪犯跟蹤，應急救援，疾病控制，捕魚作業，石油勘探，精密農業，還有武器精密制導與打擊等國防應用。GNSS像一個隱身技術，在背後默默無聞地支持著以上應用，並且為許多與國計民生關係密切的重要基礎設施提供了支撐，如智能電網（授時服務）、銀行運行（授時服務）、交通運輸系統（定位和授時服務）和通信系統（定位和授時服務）。

無所不在的GNSS

由於太有用而非常脆弱GNSS

GNSS中干擾原理示意圖

目前，市場上已經出現了很多壓制性干擾設備，如個人隱私保護設備（Personal Privacy Device，PPD），它們可以非常便宜地從網上購買到。2011年11月，發生了一起讓全世界震驚的事件，美國中央情報局（Central Intelligence Agency，CIA）的一架偵查無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）被伊朗捕獲，只是起落架有點小損傷，估計是降落引起的。至今原因沒有公布。伊朗的工程師聲稱，他們是先干擾了美國無人機操作員和飛機之間的通信鏈路，導致無人機切換到自動駕駛模式，僅依賴飛機上的GPS設備將其導回到其阿富汗的基地。當飛機處於此工作模式時，伊朗工程師說他們利用欺騙式干擾將飛機誘捕到伊朗。美國的一些專家認為，伊朗工程師的說法值得懷疑，因為CIA的無人機一般使用軍用編碼，難以被欺騙。但是，專家們設想了以下情景，伊朗方面同時使用壓制性干擾和欺騙式干擾分別干擾了GPS的軍用和民用信號，無人機被設置為在軍用信號被干擾時退回使用民用信號來導航的模式。無論何種解釋，似乎無人機同時受到了壓制式和欺騙式的惡意干擾。

2001年，美國運輸部評估了GPS的脆弱性對交通運輸設施的影響，並首次表達了對於欺騙式干擾威脅的擔憂。2008年，研究者演示了通過從一般商店購買元器件，利用軟體無線電技術搭建的低成本欺騙式干擾設備，可以生成欺騙式干擾信號。受美國國土安全部的邀請，2012年6月，Todd Humphreys教授領導的無線電導航實驗室開展了2項公開的測試研究，評估欺騙式干擾對於民用無人機（將來要融入國家空域系統）和智能電網的影響，結果表明，它們都很容易受到欺騙式干擾的影響。2013年7月，該實驗室還通過現場實驗，用欺騙式干擾成功地控制了一艘船偏離航線。

以上事件表明，GNSS的穩健性和安全性面臨很大的挑戰。美國國土安全部下設了科學與技術局（Science and Technology Directorate），專門評估壓制性干擾和欺騙式干擾的影響，研究抗干擾措施，並為關鍵設施保護提供最好的實踐手段。2014年6月，美國國防部長Ashton Carter表示對於缺乏穩健的PNT表示悲痛。美國一個政府高級官員甚至聲稱：「GPS如此脆弱，我們應該用新的慣導設備加晶元級的原子鐘來替代它」。據悉，美國正在評估各種可能與GPS互補的替代PNT方案，希望通過集成融合，提高GPS的穩健性和安全性。

GNSS中的干擾監測和抑制引起了全球的高度關注。2011年，國際GNSS委員會ICG（International Committee on GNSS）推動設立了專門的IDM論壇（workshop on Interference Detection and Mitigation），2012年首屆會議在奧地利聯合國維也納國際會議中心召開，主要討論不同GNSS系統之間的兼容互操作和干擾監測與抑制問題，迄今已經連續召開了4屆。在ION（Institute of Navigation）舉辦的GNSS學術年會上，IDM也一直是討論的熱點和焦點。2015年9月14～18日，ION GNSS+ 2015會議在美國佛羅里達州的坦帕市召開，30個分組和專題討論中有5個與IDM直接相關，有近50篇論文也與IDM有關，參加分組討論的人數也最多，討論也最熱烈。

我是如何進入衛星導航抗干擾技術研究領域的

我1985～1991年在西北工業大學首屆本碩連讀教改試點班學習，碩士階段即參與了超解析度陣列信號處理的科研工作。1991～1994年在西安電子科技大學雷達信號處理國防科技重點實驗室攻讀博士學位，參與了中國科學院保錚院士領導的機載預警雷達空時自適應信號處理（Space-Time Adaptive Processing，STAP）技術的研究團隊，這是國內最早系統性開展STAP研究的團隊，課題組取得了與國外同步的科研成果，國外首本STAP專著的作者Richard Klemm博士在序言中把美國與中國在這方面的研究相提並論，講「There are activities all over the world, especially in USA and China」（全世界均有相關的研究，特別是美國和中國）。1994～1996年，我在西北工業大學航海工程學院做博士後，參與了中國工程院馬遠良院士領導的航空吊放聲納探潛系統的科研團隊，主要研究複雜陣列結構下寬容波束形成這一技術難題。1997～2002年先後三次以博士後和訪問教授的身份到美國佛羅里達大學譜分析實驗室工作，與IEEE會士、美國總統青年研究者獎獲得者Jian Li教授合作開展基於信號分離估計理論的譜估計和穩健Capon波束形成技術的研究。2004年，以國家首批高級研究學者的身份到英國帝國理工大學從事Galileo抗干擾技術的研究。可以說，我的研究興趣一直圍繞感測器陣列信號處理（超解析度測向、自適應空域和空時域濾波）和現代譜分析及其應用。

2002年夏天，我應邀在美國佛羅里達大學譜分析實驗室做訪問教授，主要研究穩健Capon波束形成技術及其應用。在那裡，看到了美國斯坦福大學Sayed教授科研團隊關於衛星導航系統穩健波束形成的介紹，更引起我注意的是，看到了美國MITRE公司Ronald L.Fante等人發表在IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems上的一篇文章「Wideband cancellation of interference in a GPS receive array」，把機載預警雷達中的STAP技術推廣應用到衛星導航中，用於抑制寬頻干擾和色散多徑干擾。與我相似，Fante本人原來就是搞機載雷達信號處理的。這兩篇文章引起了我對於衛星導航抗干擾技術的濃厚興趣。

美國的空基PNT執行委員會直接受白宮領導，NASA（National Aeronautics and Space Administration）是其諮詢機構，該執行委員會由國防部和交通運輸部擔任共同主席，由此可見，除了國防應用，交通運輸是GPS最重要的用戶。交通運輸主要包括航空、海上和陸地運輸，相對而言，航空運輸對於GNSS的性能要求最高。對於陸地和海上運輸，衛星導航主要關注精度（Accuracy），但對於航空運輸則要求同時滿足精度（Accuracy）、完好性（Integrity）和連續性（Availability）的要求，其中完好性要求非常高。民航基礎設施包括飛機、空管設備和機場地面設施，未來空管系統主要採取基於衛星通信和衛星導航的空地協同系統，由於前述各種惡意和無意識干擾的存在，民航應用中GNSS的穩健性和安全性成為一個非常嚴重且日益增長的關切點，因為民航對於國民經濟影響很大，以美國為例，航空公司每年運輸8億人，通用航空每年運輸1.5億人，FAA估計民航運輸貢獻了美國GDP的5.4%。

無線電干擾是一直困擾民航界的技術難題。2003年我成功申請到了國家傑出青年基金，主要從事衛星導航和VHF地空通信抗干擾技術的研究。2006年，又得到了科技部「863」項目的資助。這幾年，又持續得到了4個國家自然科學基金項目的研究，圍繞不同干擾情況下的衛星導航抗干擾技術，以及不同的應用領域（尤其是民航領域）開展研究。

國內首本衛星導航自適應抗干擾方面的專著

《衛星導航自適應抗干擾技術》是國內首本衛星導航自適應抗干擾方面的專著。2015年9月在美國佛羅里達州坦帕市出席ION GNSS+ 2015會議期間，我特地花了425美金全程參加了Todd Humphreys教授主講的一個名叫「Robust and Resilient Navigation」的綜述報告，專門向他詢問國際上是否有相關專著出版，他的答案是沒有，他在即將於6個月後出版的一個關於衛星導航系統的手冊中專門有一章是他寫的，章節名稱是「Robust and Resilient GNSS Navigation」，這個章節內容與我們專著相關，也是他本次綜述報告的主講內容。我有幸提前看到章節內容，感覺像篇比較長一點的綜述文章（手冊形式），沒有太多涉及抗干擾技術的細節。

就在校對本書樣稿的過程中，我們突然在網上發現，最近Artech House Publishers出版了Fabio Dovis的著作「GNSS Interference Threats and Countermeasures」。從網上公布的該書章節目錄來看，它主要介紹了干擾的影響和檢測技術（8章中佔5章），而在干擾抑制部分重點介紹了該作者研究較多的基於變換域（如小波變換）的脈衝干擾抑制技術，其他的抗干擾技術只是簡單介紹了一下，而且集中在基於單天線的時域信號處理方法。本書的重點則是介紹各類干擾（種類更多）的自適應抑制技術，尤其是基於陣列信號處理的方法。

本書內容涉及壓制式（含高動態）、欺騙式、多徑和脈衝干擾抑制，主要研究了基於陣列信號處理的方法，含空域和空時域自適應濾波、波達方向估計。這些方法都充分利用了衛星信號的特點（如衛星信號功率小、周期重複、擴頻碼已知），都考慮自治系統，即不需要其他感測器（比如慣導）提供輔助信息。我們重點研究了對於陣列流型誤差不敏感的穩健自適應濾波方法。波達方向估計和多徑時延估計都用到了我們基於信號分離估計理論的方法，即把多個混合信號參數估計的問題，通過一種特殊結構的循環優化演算法，轉化成一系列單信號參數的估計問題（剩下來的關鍵是保證單信號參數估計的精度和計算效率），它具有計算簡單有效、收斂性好、對於模型誤差不敏感的特點。

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