全球卫星导航系统（GNSS）的应用几乎无所不在，但又非常脆弱，因为它极易受到各种恶意和无意识的干扰，包括压制性干扰（窄带和宽带）、欺骗式干扰、多径干扰和脉冲式干扰等。如何提高干扰环境下和突发情况下（比如卫星失效）GNSS的稳健性和快速恢复能力，已成为当前全球关注的焦点和研究热点。

无所不在的GNSS

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是各种卫星导航系统及其增强系统的总称，可以在任何时候为任何人或物体提供精确的定位、测速和授时（Position、Velocity、Time，PVT）服务。GNSS作为重要的空间信息基础设施，是一个国家实力的体现。目前世界主要大国或组织都竞相发展GNSS，包括美国的“全球定位系统”（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯的“格洛纳斯”（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）、欧洲的“伽利略”（Galileo）、中国的“北斗”（BeiDou）系统、印度的区域导航卫星系统（Indian Regional Navigational Satellite System，IRNSS）和日本的准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）。美国于1996年启动了GPS现代化工程，近年来发射卫星计划是自1993年以来最密集的，2016年计划发射首颗GPS III卫星。中国北斗系统按照“三步走”战略，2012年已经建成亚太区域卫星导航系统并投入使用（世界第三个投入运行的国家），并正向全球系统稳步推进，已经发射了三颗全球导航实验卫星。未来，这些系统将被全部集成起来，成为Global Navigation Satellite System of Systems，并为全球用户提供更加可靠和精确的服务。

GNSS的应用几乎无所不在，只要人能够想到的地方都可能找到其应用，包括空中、海上和地面运输与管理，智能电网，电讯系统，移动手机定位，智能载运工具，勘探测绘，罪犯跟踪，应急救援，疾病控制，捕鱼作业，石油勘探，精密农业，还有武器精密制导与打击等国防应用。GNSS像一个隐身技术，在背后默默无闻地支持着以上应用，并且为许多与国计民生关系密切的重要基础设施提供了支撑，如智能电网（授时服务）、银行运行（授时服务）、交通运输系统（定位和授时服务）和通信系统（定位和授时服务）。

无所不在的GNSS

由于太有用而非常脆弱GNSS

由于导航卫星离地面20 000～30 000km，卫星信号非常微弱（相当于22 000km外50W左右灯泡的功率），通常比噪声还低20dB以上，极容易受到各种恶意和无意的干扰。无意识干扰包括电离层闪烁、太阳无线电脉冲干扰、多径干扰、射频干扰（Radio Frequency Interference，RFI）、航空无线电保护频段内DME（Distance Measuring Equipment）和TACAN（Tactical Air Navigation System）设备产生的脉冲干扰等。恶意干扰包括大功率压制式干扰（jamming）和欺骗式干扰（spoofing）。压制性干扰将导致接收机失锁，但压制式干扰监测和抑制相对来说要成熟一些，可以从雷达领域借鉴很多相关技术。欺骗式干扰利用GNSS民用信号的公开透明性和可预测性，产生与卫星信号极其相似的干扰信号，更具有隐蔽性，危害更大，可以在用户不知道的情况下，产生定位和授时错误，甚至达到控制目标接收机的目的。由于各种干扰的存在，使得GNSS不能安全和可靠地提供服务。

GNSS中干扰原理示意图

目前，市场上已经出现了很多压制性干扰设备，如个人隐私保护设备（Personal Privacy Device，PPD），它们可以非常便宜地从网上购买到。2011年11月，发生了一起让全世界震惊的事件，美国中央情报局（Central Intelligence Agency，CIA）的一架侦查无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）被伊朗捕获，只是起落架有点小损伤，估计是降落引起的。至今原因没有公布。伊朗的工程师声称，他们是先干扰了美国无人机操作员和飞机之间的通信链路，导致无人机切换到自动驾驶模式，仅依赖飞机上的GPS设备将其导回到其阿富汗的基地。当飞机处于此工作模式时，伊朗工程师说他们利用欺骗式干扰将飞机诱捕到伊朗。美国的一些专家认为，伊朗工程师的说法值得怀疑，因为CIA的无人机一般使用军用编码，难以被欺骗。但是，专家们设想了以下情景，伊朗方面同时使用压制性干扰和欺骗式干扰分别干扰了GPS的军用和民用信号，无人机被设置为在军用信号被干扰时退回使用民用信号来导航的模式。无论何种解释，似乎无人机同时受到了压制式和欺骗式的恶意干扰。

2001年，美国运输部评估了GPS的脆弱性对交通运输设施的影响，并首次表达了对于欺骗式干扰威胁的担忧。2008年，研究者演示了通过从一般商店购买元器件，利用软件无线电技术搭建的低成本欺骗式干扰设备，可以生成欺骗式干扰信号。受美国国土安全部的邀请，2012年6月，Todd Humphreys教授领导的无线电导航实验室开展了2项公开的测试研究，评估欺骗式干扰对于民用无人机（将来要融入国家空域系统）和智能电网的影响，结果表明，它们都很容易受到欺骗式干扰的影响。2013年7月，该实验室还通过现场实验，用欺骗式干扰成功地控制了一艘船偏离航线。

以上事件表明，GNSS的稳健性和安全性面临很大的挑战。美国国土安全部下设了科学与技术局（Science and Technology Directorate），专门评估压制性干扰和欺骗式干扰的影响，研究抗干扰措施，并为关键设施保护提供最好的实践手段。2014年6月，美国国防部长Ashton Carter表示对于缺乏稳健的PNT表示悲痛。美国一个政府高级官员甚至声称：“GPS如此脆弱，我们应该用新的惯导设备加芯片级的原子钟来替代它”。据悉，美国正在评估各种可能与GPS互补的替代PNT方案，希望通过集成融合，提高GPS的稳健性和安全性。

GNSS中的干扰监测和抑制引起了全球的高度关注。2011年，国际GNSS委员会ICG（International Committee on GNSS）推动设立了专门的IDM论坛（workshop on Interference Detection and Mitigation），2012年首届会议在奥地利联合国维也纳国际会议中心召开，主要讨论不同GNSS系统之间的兼容互操作和干扰监测与抑制问题，迄今已经连续召开了4届。在ION（Institute of Navigation）举办的GNSS学术年会上，IDM也一直是讨论的热点和焦点。2015年9月14～18日，ION GNSS+ 2015会议在美国佛罗里达州的坦帕市召开，30个分组和专题讨论中有5个与IDM直接相关，有近50篇论文也与IDM有关，参加分组讨论的人数也最多，讨论也最热烈。

我是如何进入卫星导航抗干扰技术研究领域的

我1985～1991年在西北工业大学首届本硕连读教改试点班学习，硕士阶段即参与了超分辨率阵列信号处理的科研工作。1991～1994年在西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室攻读博士学位，参与了中国科学院保铮院士领导的机载预警雷达空时自适应信号处理（Space-Time Adaptive Processing，STAP）技术的研究团队，这是国内最早系统性开展STAP研究的团队，课题组取得了与国外同步的科研成果，国外首本STAP专著的作者Richard Klemm博士在序言中把美国与中国在这方面的研究相提并论，讲“There are activities all over the world, especially in USA and China”（全世界均有相关的研究，特别是美国和中国）。1994～1996年，我在西北工业大学航海工程学院做博士后，参与了中国工程院马远良院士领导的航空吊放声纳探潜系统的科研团队，主要研究复杂阵列结构下宽容波束形成这一技术难题。1997～2002年先后三次以博士后和访问教授的身份到美国佛罗里达大学谱分析实验室工作，与IEEE会士、美国总统青年研究者奖获得者Jian Li教授合作开展基于信号分离估计理论的谱估计和稳健Capon波束形成技术的研究。2004年，以国家首批高级研究学者的身份到英国帝国理工大学从事Galileo抗干扰技术的研究。可以说，我的研究兴趣一直围绕传感器阵列信号处理（超分辨率测向、自适应空域和空时域滤波）和现代谱分析及其应用。

2002年夏天，我应邀在美国佛罗里达大学谱分析实验室做访问教授，主要研究稳健Capon波束形成技术及其应用。在那里，看到了美国斯坦福大学Sayed教授科研团队关于卫星导航系统稳健波束形成的介绍，更引起我注意的是，看到了美国MITRE公司Ronald L.Fante等人发表在IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems上的一篇文章“Wideband cancellation of interference in a GPS receive array”，把机载预警雷达中的STAP技术推广应用到卫星导航中，用于抑制宽带干扰和色散多径干扰。与我相似，Fante本人原来就是搞机载雷达信号处理的。这两篇文章引起了我对于卫星导航抗干扰技术的浓厚兴趣。

美国的空基PNT执行委员会直接受白宫领导，NASA（National Aeronautics and Space Administration）是其咨询机构，该执行委员会由国防部和交通运输部担任共同主席，由此可见，除了国防应用，交通运输是GPS最重要的用户。交通运输主要包括航空、海上和陆地运输，相对而言，航空运输对于GNSS的性能要求最高。对于陆地和海上运输，卫星导航主要关注精度（Accuracy），但对于航空运输则要求同时满足精度（Accuracy）、完好性（Integrity）和连续性（Availability）的要求，其中完好性要求非常高。民航基础设施包括飞机、空管设备和机场地面设施，未来空管系统主要采取基于卫星通信和卫星导航的空地协同系统，由于前述各种恶意和无意识干扰的存在，民航应用中GNSS的稳健性和安全性成为一个非常严重且日益增长的关切点，因为民航对于国民经济影响很大，以美国为例，航空公司每年运输8亿人，通用航空每年运输1.5亿人，FAA估计民航运输贡献了美国GDP的5.4%。

无线电干扰是一直困扰民航界的技术难题。2003年我成功申请到了国家杰出青年基金，主要从事卫星导航和VHF地空通信抗干扰技术的研究。2006年，又得到了科技部“863”项目的资助。这几年，又持续得到了4个国家自然科学基金项目的研究，围绕不同干扰情况下的卫星导航抗干扰技术，以及不同的应用领域（尤其是民航领域）开展研究。

国内首本卫星导航自适应抗干扰方面的专著

《卫星导航自适应抗干扰技术》是国内首本卫星导航自适应抗干扰方面的专著。2015年9月在美国佛罗里达州坦帕市出席ION GNSS+ 2015会议期间，我特地花了425美金全程参加了Todd Humphreys教授主讲的一个名叫“Robust and Resilient Navigation”的综述报告，专门向他询问国际上是否有相关专著出版，他的答案是没有，他在即将于6个月后出版的一个关于卫星导航系统的手册中专门有一章是他写的，章节名称是“Robust and Resilient GNSS Navigation”，这个章节内容与我们专著相关，也是他本次综述报告的主讲内容。我有幸提前看到章节内容，感觉像篇比较长一点的综述文章（手册形式），没有太多涉及抗干扰技术的细节。

就在校对本书样稿的过程中，我们突然在网上发现，最近Artech House Publishers出版了Fabio Dovis的著作“GNSS Interference Threats and Countermeasures”。从网上公布的该书章节目录来看，它主要介绍了干扰的影响和检测技术（8章中占5章），而在干扰抑制部分重点介绍了该作者研究较多的基于变换域（如小波变换）的脉冲干扰抑制技术，其他的抗干扰技术只是简单介绍了一下，而且集中在基于单天线的时域信号处理方法。本书的重点则是介绍各类干扰（种类更多）的自适应抑制技术，尤其是基于阵列信号处理的方法。

本书内容涉及压制式（含高动态）、欺骗式、多径和脉冲干扰抑制，主要研究了基于阵列信号处理的方法，含空域和空时域自适应滤波、波达方向估计。这些方法都充分利用了卫星信号的特点（如卫星信号功率小、周期重复、扩频码已知），都考虑自治系统，即不需要其他传感器（比如惯导）提供辅助信息。我们重点研究了对于阵列流型误差不敏感的稳健自适应滤波方法。波达方向估计和多径时延估计都用到了我们基于信号分离估计理论的方法，即把多个混合信号参数估计的问题，通过一种特殊结构的循环优化算法，转化成一系列单信号参数的估计问题（剩下来的关键是保证单信号参数估计的精度和计算效率），它具有计算简单有效、收敛性好、对于模型误差不敏感的特点。

本文由刘四旦摘编自吴仁彪、王文益、卢丹、王璐、贾琼琼著《卫星导航自适应抗干扰技术》一书“序言”部分，有删减改动，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-045980-0

《卫星导航自适应抗干扰技术》是国内第一本关于卫星导航自适应抗干扰的专著。全书共分6章。第1章介绍了卫星导航系统原理基础及各种干扰对于GNSS的影响。第2章介绍了压制式窄带和宽带干扰抑制技术，包括时域/频域/时频域，空域和空时域自适应滤波方法。第3章介绍了高动态环境下压制性干扰的抑制技术。第4章、第5章和第6章分别介绍了欺骗式干扰、多径干扰和脉冲干扰抑制技术。全书重点介绍了著者们提出的充分利用卫星信号特点（功率低、周期重复、扩频码已知）的稳健阵列信号处理方法和基于信号分离估计理论的方法。该书内容全面丰富，可以作为卫星导航领域广大科技工作者的参考读物，也可以作为相关领域研究生的教材。该书对于从事雷达、通信、声纳等领域抗干扰技术和阵列信号处理（超分辨率测向、自适应阵列、空时自适应处理）的研究者也具有重要参考和借鉴价值。

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