GNSS 高级篇 04 信号体制：4.3 信号强化技术解析-编程实验室

GNSS 高级篇

4 信号体制

4.3 信号强化技术解析

前面两节讲了信号"是什么"和"怎么共存"，这一节我们讲信号"怎么变强"——在真实世界里，GNSS 信号面临着干扰、多径、欺骗等各种威胁，信号体制和接收机技术是怎么应对的？

在正式开始前，请大家思考几个问题：

1，GNSS 信号到地面只有 -130dBm，比背景噪声还弱——一个几瓦的干扰器就能让一大片区域的 GNSS 失灵。系统和接收机是怎么抗干扰的？

2，在城市里，卫星信号经过墙面、地面反射后再到接收机，这种"多径"信号会让定位偏几米甚至几十米。有什么办法能消除多径的影响？

3，为什么 GPS 有 P 码、M 码这些"军码"？民用信号能不能加密？加密了之后，普通接收机还能用吗？

4，听说有人能用"欺骗器"伪造 GNSS 信号，把接收机骗到错误的位置。信号本身能不能防伪？怎么防？

接下来我们深入 GNSS 信号的"防御体系"——看看这些脆弱的信号，是怎么在复杂环境中生存下来的。

4.3.1 抗干扰技术：在噪声中寻找信号

GNSS 信号是出了名的"弱"——到地面的功率只有 -130dBm 左右，比热噪声功率（约 -104dBm，在 2MHz 带宽内）还低 26dB。
换句话说，信号完全被噪声"淹没"了，接收机靠扩频增益（相关处理）把信号从噪声里"捞"出来。

这种"信号藏在噪声里"的特性，本身就是一种抗干扰——普通的窄带干扰，经过扩频解扩后会被扩散到整个频段，功率密度大大降低。
但如果干扰足够强，或者干扰方式足够"聪明"，还是能让 GNSS 接收机失灵。

a. 干扰的类型

干扰类型	特点	典型来源	危害程度
窄带干扰	单一频点或窄频段的连续波	电台、对讲机、恶意干扰器	高
宽带干扰	覆盖整个 GNSS 频段的噪声	宽带噪声干扰器	极高
脉冲干扰	周期性的脉冲信号	雷达、脉冲干扰器	中高
扫频干扰	频率在 GNSS 频段内来回扫	扫频干扰器	中高
欺骗干扰	伪造的 GNSS 信号	欺骗器	极高（隐蔽）

最常见的是窄带干扰和宽带干扰。
一个功率 1W 的窄带干扰器，在 1 公里外就能让普通 GNSS 接收机完全失锁——因为干扰功率比真实信号强了 100 万倍以上。

b. 抗干扰的"四层防线"

GNSS 抗干扰是一个系统工程，从天线到基带，有四层防线：

第一层：天线级抗干扰

调零天线（Null Steering Antenna）：用多天线阵列，在干扰方向形成"零点"，把干扰"滤掉"
CRPA（受控辐射方向图天线）：自适应调整天线方向图，增强卫星方向、抑制干扰方向
圆极化天线：对线性极化的干扰有一定抑制（约 3dB）

天线级抗干扰是效果最好的——直接在信号进入接收机之前就把干扰抑制掉。
但代价也大：多天线阵列体积大、成本高、算法复杂，主要用在军用和高端民用领域。

第二层：射频级抗干扰

高性能滤波器：SAW/BAW/腔体滤波器，把带外干扰挡在外面
高线性度 LNA：防止强干扰把放大器推到饱和
AGC（自动增益控制）：防止强干扰导致 ADC 削波
限幅器：瞬时强干扰时保护后级电路

射频级抗干扰是"常规操作"——所有接收机都有，但只能对付带外干扰和不太强的带内干扰。

第三层：基带级抗干扰
这是最灵活、最有技术含量的一层。常见的基带抗干扰算法：

频域陷波（Frequency Domain Notching）：
把信号做 FFT 变换到频域，发现哪个频点有干扰就把那个频点置零，再 IFFT 变回时域。
对窄带干扰效果极好，可以抑制 40~60dB 的窄带干扰。
缺点是会损失一部分信号能量（因为陷波时把信号也滤掉了一点）。
时域自适应滤波：
用自适应滤波器（如 LMS、RLS）估计并抵消干扰。
对窄带和窄带阵列干扰有效。
空时自适应处理（STAP, Space-Time Adaptive Processing）：
结合多天线（空域）和时间延迟（时域），在二维空间里自适应抑制干扰。
这是目前最强的抗干扰技术，可以同时抑制多个宽带干扰。
需要多天线阵列和强大的计算能力，主要用在军用领域。
脉冲消隐（Pulse Blanking）：
检测到脉冲干扰时，在脉冲持续时间内把信号置零或衰减。
对脉冲干扰有效，实现简单。

第四层：算法级抗干扰

多系统融合：一个系统被干扰了，还有其他系统
多频融合：一个频点被干扰了，还有其他频点
惯导组合（GNSS/INS）：GNSS 被干扰时，用惯导短期维持定位
RAIM/完好性监测：检测被干扰的卫星，剔除异常观测值

算法级抗干扰是"最后一道防线"——当信号已经被干扰到无法正常跟踪时，靠冗余和智能来维持基本服务。

c. 抗干扰的"军备竞赛"

抗干扰和干扰，是一场永恒的"军备竞赛"：

干扰器功率越来越大，方式越来越聪明
抗干扰技术也在不断升级，从简单的滤波器到复杂的 STAP

对于民用接收机，目前的主流是：

消费级：靠滤波器 + 频域陷波，对付常见的窄带干扰
专业级：滤波器 + 频域陷波 + 多系统多频冗余
高端/军用：CRPA 天线 + STAP + 惯导组合，几乎能对抗所有已知干扰

值得注意的是，抗干扰能力是有代价的——每增加一层抗干扰，成本、功耗、体积都会增加。
消费级接收机不可能用 CRPA + STAP，不是技术做不到，而是成本和体积不允许。

4.3.2 抗多径技术：城市峡谷里的"幽灵信号"

多径（Multipath）是 GNSS 在城市环境中最大的误差源之一。

a. 多径是怎么产生的？

卫星信号从天上下来，不是只有一条路径到接收机。

直达信号（LOS, Line of Sight）：直接从卫星到接收机，这是我们想要的
反射信号：经过墙面、地面、建筑物反射后到达接收机，这是"幽灵信号"

反射信号比直达信号多走了一段路，所以到达时间更晚——在相关器的输出里，反射信号会在直达信号的相关峰旁边形成一个"小峰"。
这个小峰会把直达信号的相关峰"推歪"，导致码相位测量偏差——反映到定位上，就是几米甚至几十米的误差。

多径在开阔场地影响很小（厘米级），但在城市峡谷里可以达到几十米——这就是为什么手机导航在高楼之间有时候会"飘"。

b. 多径的特点

多径是"局部"的：跟接收机周围环境有关，不同位置多径情况完全不同
多径是"动态"的：接收机移动时，多径情况不断变化
多径跟卫星高度角有关：低仰角卫星的信号更容易被反射，多径更严重
多径不能通过差分消除：因为基准站和用户站的多径环境不一样

c. 抗多径技术

抗多径是 GNSS 信号处理的经典难题，目前有几类技术：

技术一：窄相关器（Narrow Correlator）

普通相关器的早迟码间距是 1 个码片（0.5~1.0 chip）
窄相关器把间距缩小到 0.1~0.2 码片
相关峰更窄，多径的"小峰"对主峰的影响更小
可以把多径误差减小 2~3 倍
这是最经典、最常用的抗多径技术，几乎所有现代接收机都支持

技术二：多径消除技术（MED/MET/Strobe 等）

MED（Multipath Elimination Technology）：用特殊的相关器设计，把多径的影响"减掉"
MET（Multipath Estimation Technology）：估计多径参数，然后从测量值中扣除
Strobe 相关器：用更复杂的相关器组合，进一步抑制多径
这些技术可以把多径误差再减小 2~3 倍
但实现复杂，计算量大，主要用在高精度接收机里

技术三：高码速率信号

码速率越高，码片越窄，相关峰越窄，多径越难"推歪"主峰
BPSK(10) 信号的多径误差，只有 BPSK(1) 的 1/10 左右
这就是为什么 L5/E5a/B2a 这些 10.23Mcps 的信号，在城市里表现比 L1 好得多
用信号体制本身来抗多径，是最根本的解决方案

技术四：多普勒域处理

直达信号和反射信号的多普勒频移可能不同（因为反射面在动，或者路径长度变化率不同）
在多普勒域把两者分开
对动态多径有一定效果

技术五：多天线/阵列处理

用多天线阵列，在空域区分直达信号和反射信号（来波方向不同）
可以有效抑制多径
但成本高，主要用在特殊场合

技术六：信号设计层面

BOC 信号的相关峰更窄，多径分辨率更高
AltBOC 超宽带信号（Galileo E5），51MHz 带宽，多径误差极小
北斗 B2 频段的 ACE-BOC 技术：B2a（1176.45MHz）+ B2b（1207.14MHz）总带宽约 51MHz，跟 Galileo E5 频段布局完全对应。卫星端采用清华大学提出的 ACE-BOC（非对称恒包络二进制偏移载波）技术，把 B2a 数据、B2a 导频、B2b I 路、B2b Q 路共 4 个分量合成为一个恒包络信号发射，提升星上功放效率。在终端侧，接收机可以用宽带射频前端接收 B2 信号，基带分别做 BPSK(10)/QPSK(10) 相关，也可以做联合处理，获得宽带带来的测距增益和抗多径增益——跟 AltBOC 类似，宽带信号的相关峰更窄，多径分辨率更高。当然，ACE-BOC 的基带联合处理算法跟标准 AltBOC(15,10) 不同，需要专门的算法支持。
数据+导频结构，导频分量可以做更长的积分，提高多径估计精度

抗多径没有"银弹"——没有任何一种技术能完全消除多径。
实际中通常是多种技术组合使用：窄相关器 + 高码速率信号 + MED + 多频观测，把多径误差控制在可接受范围内。

在城市环境中，即使最好的接收机，多径误差也可能有 1~3 米——这是物理规律决定的，不是算法能完全解决的。
要彻底解决城市峡谷的定位问题，还得靠惯导组合、视觉定位、5G 定位等其他技术的辅助。

4.3.3 加密与授权服务：谁能用什么信号？

GNSS 信号分为公开服务（Open Service）和授权服务（Authorized Service）。
公开服务谁都能用，授权服务只有授权用户才能用——这背后是加密技术。

a. 为什么需要授权信号？

原因一：军事安全

军码加密后，敌方无法使用己方的导航信号
敌方也无法伪造己方的军码信号来欺骗己方接收机
军码通常功率更高、抗干扰更强、精度更高

原因二：商业增值

部分高精度信号或增强服务需要付费使用
通过加密控制访问权限，实现商业变现

原因三：系统安全

授权信号可以携带更敏感的系统信息
防止恶意用户利用信号对系统进行攻击

b. 各系统的授权信号

系统	授权信号	频点	调制	特点
GPS	P(Y)码	L1/L2	BPSK(10)	经典军码，加密
GPS	M码	L1/L2	BOC(10,5)	新一代军码，抗干扰更强
北斗	B1A	1575.42	-	授权信号
北斗	B3A	1268.52	-	授权信号
Galileo	E6 商业服务	1278.75	BPSK(5)	加密商业服务
Galileo	PRS	E1/E6	BOC	公共管制服务，加密
GLONASS	高精度码(SF)	L1/L2	BPSK	军码加密

c. 加密是怎么做的？

GNSS 信号的加密，主要有几个层面：

层面一：码加密

伪随机码本身是加密的——只有知道密钥的接收机才能生成正确的码，才能做相关
不知道密钥的接收机，根本无法捕获和跟踪这个信号
这是最基本、最有效的加密方式
GPS P(Y)码、M码都是码加密

层面二：电文加密

导航电文用密钥加密后广播
即使能跟踪信号（比如知道码），没有密钥也解不出电文内容
常用于商业增值服务

层面三：抗欺骗加密

在信号中加入只有授权用户知道的"安全特征"
接收机可以验证信号是不是真的来自卫星，而不是伪造的
这部分在下一节"防欺骗"里详细讲

d. 民用信号会不会加密？

目前所有系统的民用公开信号（GPS C/A、L1C、L2C、L5；北斗 B1I、B1C、B2a、B2b、B3I；Galileo E1、E5；GLONASS L1/L2 OF）都是不加密的——谁都可以接收使用。
这是 GNSS 作为全球公共服务的基本定位。

但有一个趋势：民用信号虽然不加密，但会加入"认证"功能——让接收机能验证信号的真实性，防止欺骗。
这不是"不让你用"，而是"让你知道用的是不是真的"。

4.3.4 信号认证与防欺骗：怎么证明信号是真的？

欺骗（Spoofing）是比干扰更隐蔽、更危险的攻击。
干扰是"让你收不到信号"，欺骗是"给你假信号，让你算出错误的位置，而且你还不知道自己被骗了"。

a. 欺骗攻击的原理

欺骗器发射伪造的 GNSS 信号——信号格式跟真的一模一样，但码相位和载波相位是伪造的。
接收机如果无法区分真假，就会跟踪假信号，解算出欺骗者想要的位置和时间。

欺骗攻击的危害：

无人机被劫持到错误位置
船舶被误导到错误航道
金融系统时间被篡改
自动驾驶被误导
个人位置被跟踪或伪造

欺骗攻击比干扰难检测——干扰会让信号变弱或丢失，用户能察觉到；欺骗会让信号"看起来一切正常"，但结果是错的。

b. 信号认证技术

为了防欺骗，各系统开始在民用信号中加入"认证"功能。

技术一：导航消息认证（NMA, Navigation Message Authentication）

在导航电文中加入数字签名或消息认证码（MAC）
接收机验证电文的真实性——如果电文是伪造的，签名验证通不过
优点：实现简单，不需要改信号体制
缺点：只能认证电文，不能认证信号本身——欺骗者可以重放真实的电文，但用伪造的码相位

技术二：安全码（SP, Security Code）/ 加密码

在民用码中插入加密的安全码片段
安全码的结构只有授权用户知道
接收机可以通过验证安全码来确认信号的真实性
欺骗者不知道安全码，无法伪造完整的信号
Galileo OS-NMA 和 GPS Chips Message 都在研究这类技术

技术三：信号认证（SA, Signal Authentication）

更彻底的方案：对整个信号（码+电文）进行认证
需要在信号设计阶段就考虑进去
目前还在研究阶段，尚未大规模部署

c. 各系统的防欺骗进展

系统	防欺骗措施	状态
GPS	Chips Message（民用信号认证）	研究/试验中
Galileo	OS-NMA（开放服务导航消息认证）	已在部分卫星试验
北斗	正在研究民用信号认证	规划中
GLONASS	暂无明确民用防欺骗计划	-