抗干扰GNSS天线的进步
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现代世界越来越依赖GNSS卫星星座提供的精确导航和授时（PNT）服务。GNSS的全球覆盖范围及其准确性正在通过不断扩大的应用范围推动其采用，并且随着技术进步的增加，功能强大、低成本接收器的可用性，GNSS在需要精确定位和授时的地方占据主导地位。
随着对全球导航卫星系统日益依赖，人们越来越意识到其脆弱性以及随之而来的全球服务和基础设施风险。欺骗和干扰攻击尤其在增加，GNSS 系统的开发人员越来越专注于应对这双重威胁。本文在描述抗干扰解决方案以及射频天线在防御干扰攻击方面发挥的关键作用之前讨论了常见的干扰技术。
GNSS 的经济效益
GNSS 服务对全球经济做出了重大贡献，2019 年的一项数据估计，自 1980 年代首次向美国私营部门提供 GPS 以来，美国私营部门已积累了 1.4 万亿美元的经济效益。英国政府于 2023 年委托进行的一项最新研究显示，该国每年从 GNSS 获得的经济效益为 136.22 亿英镑（图 1）， 其中大部分来自紧急服务和道路部门。
图 1：按行业划分的经济效益份额（英国）。
这些不断增长的好处伴随着与失去这一关键基础设施相关的风险的相应增加。当 GNSS 信号到达地球表面时，它们的功率明显低于环境噪声水平，接收器很容易被其频段内或邻近的更强大的传输所淹没。虽然这种干扰可能是无意的，是由频谱过度拥挤或基于站点的干扰等因素引起的，但恶意代理故意破坏 GNSS 服务的企图正在增加。这种中断可能会造成严重的后果，对于自动驾驶等应用来说，可能会危及生命。对于依赖 GNSS 进行精确引导的农业和建筑等行业来说，定位错误可能会产生重大的经济后果，影响作物产量、项目时间表和整体盈利能力。同样，定时信号的丢失会严重影响通信网络和能源基础设施，导致财务损失和关键任务服务中断。上述英国研究显示，GNSS 损失 7 天对英国的财务影响为 76.44 亿英镑，而单日中断对美国经济造成的损失估计约为 10 亿美元。[3]
欺骗和干扰攻击
对 GNSS 的依赖日益增加，伴随着通过欺骗或干扰攻击故意破坏的威胁增加。欺骗是一种智能干扰形式，传输虚假的 GNSS 信号，试图让 GNSS 接收器相信它们位于不同的位置。欺骗攻击被认为是更危险的恶意攻击形式，因为它们通常不会被发现，但相对更难生成。
另一方面，干扰攻击可以使用廉价、现成的设备发起。自 2016 年以来，GPS 干扰一直在增加，2024 年，东地中海、黑海、波罗的海地区、波兰和斯堪的纳维亚半岛部分地区是全球干扰最严重的地区（图 2）。
图 2：全球干扰热点。资料来源：https://gpsjam.org/?lat=44.17986&lon=44.89385&z=2.8&date=2024-03-13。图片由GPSJAM提供，https://gpsjam.org[4]。
干扰技术
干扰涉及传输超过GNSS接收机阈值的射频信号，有效地提高了本底噪声，使接收机无法区分卫星信号和干扰信号。灵敏度差的接收器更容易被强干扰信号淹没。干扰器可以发射各种类型的射频信号。
当干扰信号在目标频段之外传输时，就会发生带外干扰，强干扰信号溢出到 GNSS 频段，造成干扰并破坏接收器，或者只是过度驱动接收器。通过带内干扰，干扰信号在卫星频段（L1、L2、L5）内传输，并且足够强，可以压倒较弱的GNSS信号。带内干扰是不可能滤除的，但带外干扰可以通过充分的滤波来克服。
连续波长 （CW） 干扰是最直接的干扰方法，其中干扰信号的全部功率集中到一个频率中，阻止在同一波长上传输的任何其他信号。由于现代接收器可以使用陷波滤波器克服连续波攻击，因此攻击者还可以使用扫描调制技术，即以交替频率按顺序传输多个连续频率，从而提高传输信号的有效性。干扰器还可以使用弹幕技术，一个接一个地传输一系列窄带信号，在目标GNSS频段的整个或部分宽度上产生噪声。
定向精度有助于改善干扰攻击，市场上可以找到类似于枪支的干扰装置，使用定向天线，旨在精确瞄准特定目标。尽管在包括美国和英国在内的大多数国家/地区作干扰设备是违法的，但个人获得干扰设备并不难，并且互联网搜索会发现可以在线购买的各种设备。能够以 1 瓦传输的小型干扰器大约与香烟包大小，而较大的 VCR 大小的设备可以以高达 100 瓦的功率传输。考虑到这一点，乌克兰军事冲突中使用的干扰器通常与卡车大小差不多，发射功率约为 1 kW。
故意干扰曾经是一项专业的军事活动，现在任何可以购买或制造信号干扰器的人都可以使用。
GNSS抗干扰策略与技术
GNSS接收机的设计人员在对抗干扰时可以使用多种策略，包括：
零点系统，在干扰信号方向上产生“零点”。如果存在多个干扰信号，则可以在每个干扰器的方向上生成多个零点。
波束成形，即“波束”或射频方向图指向已知的 GNSS 卫星，从而减少干扰的机会，因为任何干扰信号都需要来自已知卫星的确切方向。
切除，消除任何超过规定阈值的窄带信号。任何超过这些阈值的信号都会被消除，剩下的信号被转换以进行“归零”——如上所述。
GNSS天线作为接收机处理卫星信号的第一个部件，在抗干扰方面起着关键作用，因此正确选择和安装天线至关重要。例如，如果天线饱和，第一道防线就会失效，接收器将无法校正 GNSS 信号。
有源天线包括表面声波 （SAW） 或陶瓷等嵌入式滤波，可有效对抗带外干扰，最大限度地提高 GNSS 频段内的增益，同时衰减频段外的信号。
传统的 GPS 天线通常是全向的，而抗干扰天线则专注于已知 GNSS 卫星的特定方向，从而减少对发射干扰信号的接收。受控接收方向图天线 （CRPA） 将多个天线元件组合在一个自适应天线阵列中，间隔已知距离。当与信号处理技术相结合时，该阵列可以确定干扰信号的到达方向，从而适应天线的辐射方向图，从而产生指向干扰信号方向的较低增益或“零点”（图 3）。CRPA 在减轻所有类型的干扰（包括带内干扰）方面非常有效，尽管 CRPA 系统需要足够的天线元件来对抗每个干扰信号。
图 3：典型辐射方向图和零辐射方向图。
支持多个GNSS频段和多个星座的天线系统提供了一定程度的分集，当主要GNSS信号受到干扰时，可以提供替代方案。复杂的多频段GNSS接收机可以与CRPA结合使用，通过独立地将不同的GNSS频段归零来抵消多次干扰攻击。
设计 CPRA 和多频段天线系统需要专业知识和测试工具，并且会给 GNSS 接收机的开发周期增加大量时间、复杂性和成本。陶格斯等专门从事天线设计的公司可以通过提供现成的设备以及深入的支持和定制服务来显着加快上市时间。
抗干扰技术的潜在未来发展
GNSS 信号面临的威胁变得越来越复杂，需要持续关注先进抗干扰解决方案的开发和实施。军事和政府部门是抗干扰技术大部分研发的幕后推手，其举措包括：
旨在提高抗干扰性能的高级信号处理算法。
开发紧凑的集成抗干扰解决方案，将多元件天线阵列和信号处理集成在一个单元中。
抗干扰卫星通信（SATCOM）系统的开发。
卫星的改进，提供更多功率以增加抗干扰能力。
随着 GNSS 技术的不断发展并与关键任务系统越来越集成，开发强大的抗干扰解决方案仍将是确保其长期完整性的优先事项。
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