基于无线电干涉的跳频扩谱抗干扰导航定位技术

Navigation and localization systems have become a vital information infrastructure. It is extremely important to enhance the anti-jamming capability of navigation and localization services for military and security applications. Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) is superior to direct sequence spread spectrum (DSSS) in some aspects with regard to anti-jamming capability and is widely used in tactical anti-jamming communications. But its use in navigation and localization is thought to be out of the question since ranging with FHSS is very hard to achieve due to the narrow frequency bandwidth of FHSS in each hop and the short duration of each carrier. We put forward in this proposal a novel approach to anti-jamming navigation and localization with FHSS signal. To achieve precise ranging with fast FHSS, we propose to take advantage of beat radio interferometry, a new interferometric technique developed for node localization in wireless sensor networks spanning short distances. Our previous study indicates that beat radio interferometry can be used for ranging with nodes spanning much greater distances if we turn to the random-hopping frequencies readily available in FHSS. In this proposal, we focus on the investigation of three fundamental aspects of anti-jamming navigation and localization based on FHSS with beat radio interferometry, namely, ranging process, multiplexing scheme and localization algorithm. Our goals are 1) to mitigate the effects of random noise and multipath on the performance of range estimation; 2) to put forward efficient algorithms for range and position estimation which would excel even in noisy circumstances; and 3) to put forward a viable multiplexing scheme. Research findings in this proposal would provide us with fresh ideas and new options in the anti-jamming campaign to enhance our national navigation and localization infrastructure.

导航定位系统已成为关键信息基础设施。增强导航定位服务的抗干扰能力对保障军事和安全相关应用极其重要。跳频扩谱相比直接序列扩谱在抗干扰方面具有独特的优势，被广泛用于战术抗干扰通信。但是该技术从未被用于导航定位领域，因为快速跳频信号瞬时带宽窄、载波停留时间短，难以实现精确测距。本项目提出利用跳频信号实现导航定位系统抗干扰增强的新思路并提出基于拍频无线电干涉原理实现快速跳频信号精确测距的新方法。拍频无线电干涉本来是用于小范围无线传感器网络节点定位的新型测量技术。我们的预研提示将其与跳频信号体制相结合有望解决大范围精确测距难题。本项目研究构造跳频无线电干涉定位系统所涉及到的基本理论问题，研究内容包括三个方面：测距技术、信号复用方式和定位算法。研究目标是突破随机噪声和多径抑制关键技术，设计高效抗噪的测距和定位算法，提出可行的信号复用方式。项目研究成果将对增强导航定位服务的抗干扰能力提供新的技术途径。

作为一个关键基础设施，卫星导航系统抗干扰能力弱。增强导航定位服务的抗干扰能力对保障军事和安全相关应用极其重要。跳频扩谱相比直接序列扩谱在抗干扰方面具有独特的优势，被广泛用于战术抗干扰通信，但是从未被用于导航定位领域。本项目为解决快速跳频信号瞬时带宽窄、载波停留时间短、难以实现精确测距的难题，提出基于拍频无线电干涉原理实现快速跳频信号精确测距的新方法。项目研究构造跳频无线电干涉定位系统所涉及到的基本理论问题，研究内容包括三个方面:测距技术、信号复用方式和定位算法。.项目的主要成果是：.1）分析得到了跳频干涉测距系统性能与参数的定量关系。在测距精度性能方面，我们得到了测距的均方误差在整个信噪比区间与跳频带宽、测量所使用的载波频率数等参数关系的闭合表达式；在系统布设范围方面，我们得到了描述系统非模糊距离概率特性的重要结果，表明当系统所使用的测量频率数大于10的时候系统非模糊距离达到理论最大值的概率就接近于1。这说明了基于跳频无线电干涉技术实现大范围导航增强系统具有可行性。.2）突破了测距实时解算、多径抑制关键技术，设计、实现和验证了高效距离解算方法、抗多径干扰方法。我们发现拍频干涉测距问题可以近似等价为单音信号的频率估计问题，可以利用快速傅立叶变换与二分搜索完成对干涉距离的快速估计，相比传统的相位解缠方法速度新算法的速度提升可达两、三个数量级。我们提出基于接收信号幅度测量值修正相位测量值的方法，显著减轻了多径引起的测距误差。.3）突破了导航电文传递的关键技术，设计、实现和验证了支持导航电文传递的信号复用方法。提出使用二进制频移键控信号作为新的测距信号，并设计了基于解调数据辅助的相位估计方法。.4）设计、实现并验证了高效定位算法和时间同步机制，显著提高了定位和时间同步精度。.这些成果为建立基于跳频的导航增强系统奠定了技术基础，在军事抗干扰导航领域具有重要意义。