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本书介绍了美军导航战和现代化计划实施过程中的经验教训，从原理上研究了接收机要面临的各种干扰。为了使干扰和抗干扰双方有一个共同语言，本书作者首次采用信息论对各种可能的干扰作了理论分析。卫星导航采用直接序列扩频体制，本书作者根据自己的经验，分析了直扩体制对各种干扰的容限，介绍了通用抗干扰技术和卫星导航接收机可以采用的独特的抗干扰方法。

目    录
第1章  绪论	1
1.1  卫星导航简引	3
1.2  接收机抗干扰需求和发展	7
1.2.1  弱信号	7
1.2.2  人为干扰	8
1.2.3  接收机数字化、软件化及其体系结构	8
1.2.4  接收机的实际使用环境	8
1.2.5  接收机的系统和体系属性	9
1.3  本书结构和适用范围	9
第2章  卫星导航及其现代化概论	11
2.1  卫星导航定位原理简介	12
2.2  卫星导航定位系统简介	18
2.2.1  北斗卫星导航定位系统（BDS）简介	18
2.2.2  其他卫星导航定位系统简介	22
2.3  卫星导航系统抗干扰技术的发展	28
2.3.1  系统抗干扰技术的起源	29
2.3.2  美军的系统抗干扰技术计划	29
2.3.3  GPS现代化计划	34
2.3.4  GPS新信号结构推出过程	36
2.3.5  GPS BlockIII计划	51
第3章  卫星导航软件接收机	53
3.1  采用软件接收体制的优势	54
3.1.1  采用软件接收体制的技术优势	54
3.1.2  采用软件接收体制的独特抗干扰优势	54
3.1.3  采用软件接收体制的发展优势	56
3.2  软件接收原理简介	57
3.2.1  软件接收机组成简介	57
3.2.2  软件接收机设计思想简介	58
3.3  软件接收机技术简介	60
3.3.1  卫星导航软件接收机结构选择	61
3.3.2  卫星导航软件接收机的模拟前端	64
3.3.3  卫星导航信号的数字化	69
3.3.4  卫星导航软件接收机的数字信号处理	69
第4章  非人为干扰环境	73
4.1  卫星导航信息传递信道和信道模型	74
4.2  卫星导航信息传递信道中的非人为干扰	76
4.3  载体动态的影响	77
4.3.1  卫星多普勒频移	77
4.3.2  多普勒频率的变化	80
4.4  环境多径及对接收机跟踪环路的影响	82
4.4.1  卫星导航信号多径误差模型	82
4.4.2  多径对接收环路的影响	83
4.4.3  对多径效应的讨论	85
4.5  载体遮蔽的影响	86
4.5.1  信号方向与用户航向及水平面夹角影响的讨论	87
4.5.2  信号方向与用户之间的角度影响的仿真	88
4.6  陆地的影响	115
4.6.1  菲涅尔区的讨论	115
4.6.2  开阔面陆地对卫星导航信号的影响	121
4.6.3  陆地部分遮挡对卫星导航信号的影响	127
第5章  电子战环境	131
5.1  最佳干扰和绝对最佳干扰	132
5.1.1  卫星导航信息传递中平均互信息量的描述	132
5.1.2  干扰最大熵	135
5.1.3  绝对最佳干扰样式	140
5.1.4  几种常见压制干扰样式危害性的讨论	140
5.1.5  干扰影响的不确定性讨论	144
5.2  相关干扰	146
5.2.1  相关干扰原理	146
5.2.2  相关干扰的物理描述	147
5.2.3  相关干扰危害评估	148
5.3  灵巧干扰	149
5.3.1  灵巧干扰定义	150
5.3.2  多普勒时移	151
5.3.3  对接收机环路的危害	151
5.3.4  一个实例	153
5.4  欺骗干扰	156
5.4.1  欺骗干扰的危害性	156
5.4.2  欺骗干扰的原理	157
5.4.3  对捕获跟踪环路的干扰实验	161
5.4.4  转发欺骗干扰的限制	162
第6章  直接序列扩频抗干扰技术	165
6.1  直接序列扩频接收机处理增益原理	166
6.2  环路同步技术的讨论	168
6.3  直扩抗噪声容限	170
6.3.1  抗噪声容限的理论分析	171
6.3.2  抗噪声容限的数值分析和设计	174
6.4  多模信号处理	178
第7章  自适应天线阵列抗干扰技术	181
7.1  自适应调零天线抗干扰技术	185
7.1.1  基本概念	185
7.1.2  调零天线的抗干扰自由度	190
7.1.3  GPS调零天线的算法	192
7.1.4  GPS调零天线的特点	200
7.1.5  GPS调零天线的性能	202
7.2  多波束接收技术	208
7.2.1  阵列信号模型	208
7.2.2  MVDR波束形成算法	209
7.2.3  仿真分析	210
第8章  信号处理抗干扰技术	213
8.1  时频域抗干扰原理	214
8.2  时频域抗干扰算法	215
8.2.1  自适应时域滤波	215
8.2.2  频域FFT	216
8.2.3  空时（STAP）抗干扰	218
8.2.4  其他算法	224
8.3  抗干扰性能分析	234
8.3.1  瞬时相位存在估计误差时的性能分析	234
8.3.2  瞬时幅度存在估计误差时的性能分析	240
8.3.3  仿真分析	242
第9章  GPS/INS组合导航技术	247
9.1  GPS/INS组合导航原理	249
9.2  组合导航技术	250
9.2.1  GPS/INS松耦合技术	250
9.2.2  GPS/INS紧耦合技术	256
9.2.3  GPS/INS深耦合技术	258
9.3  GPS/INS组合系统的性能	259
9.3.1  GPS/INS组合导航接收机测量误差与跟踪门限的关系	259
9.3.2  GPS/INS组合导航的多普勒频移误差估计	260
9.3.3  GPS/INS组合导航接收机的抗干扰性能分析	261
第10章  其他抗干扰技术	263
10.1  干扰信号监测识别技术	264
10.1.1  干扰监测技术研究现状	264
10.1.2  干扰监测关键技术分析	265
10.2  干扰源测向定位技术	270
10.2.1  干扰源测向技术	270
10.2.2  干扰源定位技术	271
10.3  完好性检测	272
10.3.1  完好性检测算法	273
10.3.2  故障卫星探测算法[73]	275
10.3.3  故障卫星分离算法[73]	276
第11章  卫星导航接收机实际使用中的抗干扰	279
11.1  实际使用方式对抗干扰能力的影响	280
11.2  卫星导航接收机的系统属性	280
11.2.1  现在性	280
11.2.2  体系性	280
11.2.3  系统多样性	281
11.2.4  用户多样性	281
11.3  干扰机的体系要求	281
11.4  干扰方式预测	281
11.4.1  体制针对性	281
11.4.2  核心观测值针对性	282
11.4.3  效果评估针对性	282
11.5  干扰机的分布预计	282
11.5.1  干扰方程	282
11.5.2  距离增益	283
11.5.3  升空干扰增益	283
11.5.4  分布干扰增益	283
11.5.5  干扰机的协同	283
11.6  展望	284
参考文献	285

总　　序
“北斗系统与应用出版工程”丛书，能作为国家出版工程推进，是件很好的事情，我表示热烈的祝贺，欣然作序予以鼓励支持。北斗系统不仅是项充满活力的新兴技术，而且是国家重要的时空信息基础设施，同时由于它与其他技术和产业的多重关联性和融合性，故成为现代智能信息产业群体的重大技术支持系统和具有巨大带动力的时代产业发展引擎，与国家安全、国民经济和社会民生密切相关，与两个“中国梦”密切相关，能够服务全中国和全世界。北斗系统的建设和运营，给国家和社会的兴邦强国、行业和企业的建功立业、团队和个人的著书立说与创新创业创造精神的大发挥、大发展，提供了百年难遇的良好机会。“北斗系统与应用出版工程”丛书，也承载着同样的使命，它所包括的内容包括系统、技术和应用三个方面，这种选择非常符合实际需要，很全面，且顾及了眼前和长远，而且应用方面所占的分量相当大。我建议在应用的服务领域要多下点功夫，这是北斗系统和时空信息服务体系的关键。在当今的条件下，推进这个出版工程，具有明显的现实意义和长远价值。为此，我在这里要强调三点：一是一定要把国内外GNSS领域的成功经验和教训，进行系统总结，作为良好的参考；二是应该将我们在系统建设中的实践，上升为理论与模式，进一步推进我们的工作与事业；三是在上面两点的基础上，我们要有所前进，有所创造，在理论、实践、产业和体系化发展推进上有所突破，逐步走向世界的前列，真正把这一出版工程，做成北斗系统伟大工程的一个不可分割的组成部分，反过来对于系统工程发挥指导促进作用，发挥其GNSS里程碑效应和效能。


 

2015年12月 
前    言
卫星导航接收机已广泛应用于我们的日常生活当中，军事领域中的通信、指控、授时以及各种平台，包括汽车、飞机、大炮、舰船、卫星、导弹、炮弹等几乎没有不受卫星导航影响的领域。本书以北斗或GPS接收机为代表，讲述卫星导航接收机的抗干扰技术。
从美国提出导航战概念以来，“GPS下一步的任务，除了抗干扰还是抗干扰和抗干扰”，抗干扰的重要性已成为业内共识。随着我国“北斗”系统能力的形成，“北斗”接收机的抗干扰能力也正在成为系统应用的核心问题之一。目前关于卫星导航接收机的大部分书籍，关注的重点是GPS接收机输出信息的应用，而不关心接收机本身。对于卫星导航的初级应用者来说，关注GPS接收机输出信息的应用就够了，但毕竟还有越来越多的人需要对卫星导航接收机特别是北斗接收机的抗干扰做深入的研究和应用，恰好作者是这样的一些人，并且已对卫星导航接收机的抗干扰技术关注和研究了十多年，也愿意与大家共同探讨思考过的问题，共享经历过的经验教训。
本书的总体编写思路分三个层次：
第一，卫星导航接收机的抗干扰要抗什么样的干扰？作者认为主要是抗人为干扰，其次才是非人为干扰（包括自然干扰和非故意的人为干扰）。本书把各种干扰因素和传播条件都看成接收机面临的“环境”，并进行了详细分析。正因为干扰是人为的，所以人为干扰可以是专门设计的，针对卫星导航接收体制、信息处理流程中的各个薄弱环节和导航定位过程，而不仅仅是针对卫星导航信号层面。这样的干扰是“自由的”，比非人为干扰要复杂得多，抗这样的干扰也困难得多，而且人为干扰和抗干扰是相互博弈的，是一个过程。本书将博弈分成战术使用博弈和技术博弈，并穿插介绍。
第二，各种卫星导航为什么不约而同都采用了直接序列扩频体制？这种体制对各种干扰如何发挥潜能？卫星导航接收机还可以采用哪些通用的抗干扰技术和独特的抗干扰技术？本书提供了作者自己的经验设计。
第三，卫星导航系统是一个复杂的体系，卫星导航接收机可以发挥系统属性，极大地提高抗干扰能力，反过来干扰机也可以有体系要求、协同要求、战术使用方法要求。对于卫星导航接收机而言，这部分内容非常重要，却也往往被忽视。为了简化起见，本书在描述各种技术时，通常采用直扩通信体制和卫星导航接收机的单通道，但会不断穿插提醒体系性质，并在最后一章进行了集中简要描述。
另外，因为抗干扰技术和设计都需要一个载体，依赖于具体的接收体制。本书采用了数字接收体制。目前各种接收机都趋向采用数字接收体制，需要抗干扰的接收机尤其如此。而且，相对来说，卫星导航接收机属于窄带接收机，在现有条件下，很多技术功能可以进一步用软件方式来实现。本书简要描述了软件接收机模式。本书强调软件接收机模式还有一个重要原因，就是可以采用作者的导师杨小牛院士的成果和作者翻译的《GPS软件接收机基础》一书的成果。在软件接收机中，信号被数字化后，可以通过数字信号处理得到必要的信息，也就是说，可以用软件进行信号和信息处理，这种方式对增强抗干扰能力非常有意义。而且，一旦很好地理解了软件无线电的概念，读者就能够自己提出一些解决问题的新方法，比如能够提高效率和性能的其他捕获和跟踪方法，因为软件功能是可以由读者自己设计和重构的。
通信和导航是两个不同的学科，却又是两个紧密相关的学科，通信和导航的接收机尤其如此。卫星导航的对抗（干扰和抗干扰）技术研究刚起步不久，而通信对抗已具备相对成熟的理论和技术，本书借用了通信对抗中的许多概念和术语，并往往以通信对抗为基础进行分析，然后针对卫星导航接收机的特点再进行专门讨论。
需要提醒的是，在实际工作中，抗干扰研究与干扰研究的视角往往并不相同，使用的术语也不尽相同，究其原因，可能是接收机设计时有“最佳接收理论”，而干扰自有其“最佳干扰理论”，人为干扰是自由的，干扰设计者不会局限于“最佳接收理论”约定的前提条件。信息论是信息传输的基础理论，是干扰与抗干扰设计者的通用语言，本书采用信息论对干扰的基础理论进行分析，作者认为，抗干扰设计只需了解各种干扰可能的原理，而没有必要了解干扰产生过程。
本书各章节的安排请参考1.3节。
本书由潘高峰具体负责第1～6章和第11章的撰写，并负责全书统稿工作；王李军负责第8～10章的撰写；华军负责第7章的撰写。另外，张建强研究员提供了大量数据和分析；2.3节中使用了英年早逝的曹国英女士提供的资料。在本书的成稿过程中，金晓帆和高腾协助了全书统稿和部分编写工作，陈伟峰负责全书的校对。我们很荣幸地得到了杨小牛院士的支持，他不仅担任了全书的审查工作，还就全书各个部分的具体编写进行了指导。杨小牛院士是国内软件无线电技术的开拓者和引领者，杨小牛院士也是王李军的博士后导师，本书的研究成果包含了他的智慧，并且许多地方直接引用了杨小牛院士有关书籍中的内容。另外，在本书的编写过程中还得到作者所在单位和众多相关课题组同事，以及本书策划编辑宋梅的大力支持和帮助，作者在此一并感谢。


作者

卫星导航－导航接收机－抗干扰措施

潘高峰，中国电科集团首席专家，研究员级高级工程师，博士生导师，兼职教授，政府特殊津贴获得者。所学专业为无线电通讯以及通信与信息系统，主要研究方向为通信网络和导航等。主持完成过国家工程、重点型号和重大预研背景等多个项目，多次获得省部级以上科技成果奖励。在卫星导航方面，公开发表了十多篇学术论文，合作出版专著五部。

卫星导航系统是一个庞大的体系，卫星导航接收机可以发挥系统属性，极大地提高抗干扰能力；反过来，干扰机也可以具有体系要求、协同要求、战术使用方法要求，这是本书所独具的特色。

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卫星导航接收机抗干扰技术