由于GPS卫星发射的导航信号比较微弱,而且以固定的频率发射,因此军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰。美国国防预研计划局(DARPA,Defense Advanced Research Plan Administration)发展一种新的抗干扰方法,采用战场上空的无人机来创造伪GPS星座,使其信号功率超过敌方干扰信号的功率。
所谓伪卫星,就是将GPS导航信号发射机装在飞机或地面上,顶替GPS卫星来进行导航。DARPA用无人机做伪卫星的研究,称为GPS伪卫星,旨在使己方的部队在受干扰的战场环境中具有精确的导航能力。其方法是由飞行中无人机上的4颗伪卫星广播大功率信号,这样在战场区域上空产生一个人工GPS星座。4架“猎人”无人机就可覆盖300千米见方的战区。
只要对现有GPS接收机的软件做些改变就可使用伪卫星发射的信号。通常使用实际GPS星座导航时,接收机开始需要知道卫星位置,即星历的情况,故伪卫星面临的挑战是采用可用的低数据率信息把4颗运动的伪卫星的位置告诉接收机。因此,DARPA和柯林斯公司设计人员的关键任务是在可用的50比特/秒信息中发送伪卫星星历。无人机的稳定性相当好,不会像战斗机那样机动;但任何运动都会使位置有点不确定。因而与采用卫星星座的导航比较,其定位总误差将增长约20%。DAPRA已用在7500米高度的公务机上以及约3000米高度上的“猎人”无人机上试验了单颗伪卫星,导航精度从采用真实卫星时的2.7米下降到4.3米。
当然,伪卫星不一定要全部机载,也可采用地面和机载发射机混合的方案。将某些伪卫星设在地面上的缺点是减少了覆盖范围,但提高了导航精度。为了克服干扰,伪卫星可发射100瓦信号,使地面接收机处的信号强度比来自卫星的信号强度增加45分贝。
诺斯罗普·格鲁门公司正在研制可提供30~40分贝抗干扰改进的GPS接收机。这种称为“反干扰自主完整性监控外推”的抗干扰方法将由惯性导航和GPS接收机在载波相位级进行全耦合来实现。全耦合滤波器将减小GPS跟踪回路的带宽,从而减少干扰信号进入GPS接收机的机会。
柯林斯公司和洛克希德·马丁公司联合为JASSM空地导弹研制的G-STAR高反干扰GPS接收机采用了调零和波束操纵的方法。该接收机重11.3千克,采用了一个空间时间适配器,适配器探测出一个威胁,便将其信号调到零,并在发射导航信号的卫星方向增大增益。
这种反干扰技术以数字方式实现,故称为数字波束成形器,它比常规的模拟调零法更为精确,同时可将接收机的波束调整到朝向可用的导航卫星。数字信号处理可通过动态移动零位来抵消噪声,增加增益,并通过一个6元天线阵来操纵波束。
民用GPS接收机也有抗干扰的问题,但民用GPS接收机用户更关心非故意干扰。非故意干扰基本上为宽波段类型,与干扰机将其功率集中于GPS频率不同。与软件有密切关系的数字信号处理方法,在对付宽波段干扰方面是很理想的。
美国Electro-Radiation(ERI)公司指出,常规抗干扰方法的是采用相控阵天线组成的零位操纵天线,这不仅要增加重量,且成本较高,而在接收机上实现的抗干扰技术通常只有有限的干扰剔除能力或者是专为对付某种干扰而特地设计的抗干扰能力。
这家公司已研制出能有效地对付所有已知类型干扰的一种干扰抑制装置(ISU),它不需要昂贵和笨重的天线,可以以低成本、高效率的方式加装到新的和现有的GPS接收机中,既适合军用,也适合民用。
这种干扰抑制装置包括补丁天线以及可插入任何GPS接收机天线接口的电子装置,用来抑制宽带噪声和窄带干扰。它使GPS接收机增加20分贝的抗宽带噪声能力和35分贝的抗窄带干扰能力。
美国军方在“全球鹰”或“捕食者”无人机上安装了一种伪卫星发射机,这种伪卫星曾经在伊拉克上空创造一个微型GPS星座。伪卫星从太空捕捉微弱的GPS信号,并将信号放大后在较近的距离内中继给炸弹和导弹或地面部队。与太空中的卫星一样,提供一个导航解需要4颗伪卫星。美国国防高级研究项目局曾在2000年4月进行了一系列试验,这些试验使美国军方相信,伪卫星功能强大,足以克服干扰问题。