空間維度的守護：多天線GNSS接收技術在抗干擾與反欺騙中的深度應用

從單點接收到空間感知 – GNSS強韌性的維度躍升

全球導航衛星系統（GNSS）的訊號，因其源自數萬公里之外的太空，抵達地球表面時已極為微弱，這使其在複雜的電磁環境中極易受到各種有意或無意的干擾（Jamming）和欺騙（Spoofing）攻擊；傳統的單天線GNSS接收機在面對這些威脅時，往往束手無策，輕則定位精度下降，重則完全無法提供PNT（定位、導航與授時）服務；然而，透過引入多個天線單元構成天線陣列，並利用先進的訊號處理技術，我們便能在「空間」這個新的維度上對抗這些威脅，實現GNSS強韌性的顯著躍升；多天線GNSS接收技術的核心在於利用不同天線單元接收到的訊號在空間特徵（主要是到達角 Angle of Arrival, AoA）上的差異，智慧地增強期望的衛星訊號，同時抑制來自不同方向的干擾或欺騙訊號。

無論是自動駕駛車輛還是其他關鍵應用，其依賴的GNSS訊號都時刻面臨著干擾（Interference）和欺騙（Spoofing）的挑戰，多天線技術為應對這些挑戰提供了關鍵的空間域解決方案。

多天線GNSS系統的核心原理：空間訊號的辨識與分離

多天線GNSS系統的基礎是天線陣列（Antenna Array），它由多個（通常至少2個，複雜系統可達數十甚至上百個）天線單元按照特定的幾何構型（如均勻線陣ULA、均勻圓陣UCA、平面陣列等）排列而成，來自不同空間方向的電磁波到達天線陣列中不同單元時，會因傳播路徑的微小差異而產生不同的相位差和幅度。這種差異構成了訊號的「空間特徵」或「空間簽名」。
多天線處理技術的目標正是利用這些空間特徵：

1. 辨識期望訊號源： 確定真實GNSS衛星訊號的來向。
2. 辨識不期望訊號源： 確定干擾或欺騙訊號的來向。
3. 空間分離： 透過訊號處理演算法，對來自不同方向的訊號進行選擇性增強或抑制。

自適應波束成形 (Adaptive Beamforming)：智慧導向的訊號增益

自適應波束成形是多天線技術中一種非常強大且應用廣泛的方法，它能夠根據即時的訊號環境，動態地調整天線陣列的接收方向圖（Antenna Pattern）。

原理：動態調整天線權重，塑造接收方向圖

其核心思想是為每個天線單元接收到的訊號分配一個複數權重（包含幅度和相位調整），然後將加權後的各路訊號進行相干疊加，透過智慧地調整這些權重，可以使得天線陣列在期望的衛星訊號方向上形成一個高增益的「主波束」（Main Lobe），從而增強有用訊號的接收；同時，在已識別的干擾訊號方向上形成極低的增益，即「零點」（Nulls），從而有效抑制干擾。

關鍵演算法與最佳化準則

自適應權重的計算基於特定的最佳化準則，常見的包括：

• 最小均方誤差（LMS）或遞迴最小二乘（RLS）：
  這些是經典的自適應濾波演算法，透過迭代調整權重以最小化輸出訊號與某個期望參考訊號之間的誤差。
• 最小變異數無失真響應（MVDR）：
  在確保期望訊號方向增益不失真的前提下，最小化總輸出功率（從而抑制來自其他方向的干擾和雜訊）。
• 線性約束最小變異數（LCMV）：
  MVDR的一種推廣，可以施加多個線性約束，例如在多個期望訊號方向上保持增益，同時在多個干擾方向上形成零點。
• 最大訊號干擾雜訊比（Max SINR）：
  直接以最大化輸出的SINR為目標來求解最佳權重。

這些演算法通常需要估計輸入訊號的協方差矩陣或干擾加雜訊的協方差矩陣。

在抗干擾中的應用：精準「屏蔽」干擾源

自適應波束成形在抗干擾方面表現出色，一旦偵測到干擾源的空間特徵（如到達角），系統就能迅速調整權重，在該方向形成深度零點，有效「屏蔽」掉該干擾源，即使干擾功率遠大於衛星訊號功率，它對窄頻連續波（CW）、掃頻連續波（SCW）以及某些寬頻干擾都有良好的抑制效果。

工程挑戰：校準、運算量與動態適應

• 陣列校準：
  實際天線陣列中各通道間的幅相響應差異（由天線單元本身、饋線、射頻前端等引入）會嚴重影響波束成形性能，因此精確的陣列校準是前提。
• 運算量：
  自適應演算法（尤其是基於協方差矩陣求逆的）計算量較大，對接收機的處理能力要求較高，尤其是在天線單元數量較多或需要快速適應動態變化的干擾環境時。
• 動態適應：
  對於移動的干擾源或接收機自身處於高動態平台的情況，波束成形演算法需要具備快速的收斂速度和追蹤能力。

空間濾波 (Spatial Filtering)：更廣義的空間域處理

空間濾波可以視為波束成形概念的一個更廣泛的體現，它泛指利用天線陣列的空間響應特性來區分和處理來自不同方向的訊號。

概念：利用空間響應區分訊號

其核心在於設計一個「空間濾波器」，該濾波器對入射到天線陣列的不同空間角度的訊號施加不同的增益（或衰減）。

不同策略的空間濾波器

• 固定波束（Fixed Beams）：
  形成具有預先設定好的、固定不變的方向圖，例如，可以設計一個主波束始終指向天頂附近（大多數衛星分佈的區域），而將零點或低增益區域指向地平線，以抑制主要來自地面的干擾，這種方法簡單，但對動態變化的干擾源或多變的衛星幾何適應性差。
• 零點導向（Null Steering）：
  這是自適應波束成形的核心功能之一，明確地在一個或多個已知的干擾方向上形成深度零點，以最大限度地抑制這些特定的干擾。
• 子空間方法（Subspace Methods）：
  如MUSIC（Multiple Signal Classification）、ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）等演算法，主要用於高解析度地估計多個訊號源的到達角。一旦精確估算出干擾源和期望訊號的AoA，就可以更有針對性地設計空間濾波器權重。

在反欺騙中的應用：辨識與抑制「偽裝」的訊號

欺騙訊號，尤其是來自地面的偽造訊號，其到達角通常與來自太空的真實衛星訊號有顯著差異，多天線系統可以利用這一點進行反欺騙：

• 基於AoA的欺騙偵測：
  透過高解析度AoA估計，可以判斷接收到的訊號是否來自預期的衛星方向，若偵測到來自異常方向（如地平線以下或與星曆預測方向嚴重不符）的類GNSS訊號，則有理由懷疑其為欺騙訊號，先進的監測系統，例如OHB GIDAS 系列的設計理念中，其欺騙偵測模型內建的「空間相關性檢測器」(Spatial Correlation Detector)，便是利用了多天線提供的空間分辨能力來輔助識別欺騙訊號的異常空間特徵。

OHB GIDAS 系列的反欺騙偵測模型中，「空間相關性檢測器」利用多天線陣列提供的訊號到達角資訊，與CNR、相關峰、ARAIM、接收器時脈及都卜勒等多維度檢測結果進行融合，以提升對欺騙攻擊的識別準確性。

• 空間濾波抑制欺騙源：
  一旦確認欺騙訊號的來向，可以利用零點導向等空間濾波技術，在該方向上形成接收零點，從而抑制或消除欺騙訊號的影響。

多天線GNSS技術的關鍵考量與實現要素

成功實現高性能的多天線GNSS接收系統，研發工程師需關注以下關鍵因素：

• 天線陣列設計：
  包括天線單元的類型、數量、間距、幾何構型（如ULA、UCA、共形陣等），這些參數直接決定了陣列的孔徑、方向圖的解析度、可形成的零點數量、以及避免柵瓣（Grating Lobes）的能力。
• 到達角估計（AoA Estimation）演算法的精度與效率：
  精確的AoA是許多自適應演算法的前提。
• 通道校準（Channel Calibration）：
  補償各天線通道間的幅度和相位不一致性至關重要，否則會嚴重劣化波束成形和空間濾波的性能。
• 即時處理能力：
  多天線訊號處理，尤其是自適應演算法，通常計算量較大，需要強大的即時處理硬體（如FPGA、DSP或專用ASIC）支持。
• 與其他抗干擾/反欺騙技術的整合：
  多天線技術通常作為綜合防護方案的一部分，與時域處理（如脈衝抑制）、頻域處理（如自適應濾波）、以及接收機自主完好性監測（RAIM/ARAIM）等技術協同工作，以實現更全面的強韌性。

工程驗證的挑戰：高傳真模擬多天線接收環境

驗證多天線GNSS接收機及其複雜的波束成形/空間濾波演算法的性能，是一項極具挑戰性的任務。在實驗室環境中精確重現包含多個期望衛星訊號、多個來自不同方向的干擾源以及潛在欺騙訊號同時存在的複雜電磁環境，並且能夠精確控制每個訊號源相對於天線陣列各單元的到達角、功率、相位和時延，對GNSS模擬器提出了極高的要求。

高階GNSS模擬器如OHB XPLORA Pro憑藉其多個獨立的、可進行精密相位/幅度和時延同步控制的RF輸出通道（用以模擬多天線單元分別接收到的不同訊號），以及強大的場景生成引擎和靈活的干擾注入能力，能夠為多天線系統的HIL（硬體在環）測試提供必要的、高度可控的訊號環境，其焦點規格如支援模擬多達數百個GNSS訊號通道、對所有民用GNSS頻段的覆蓋、以及高達50Hz的即時場景更新率，確保了對複雜多天線接收場景的逼真再現；此外，它還可與ACE9600 先進通道模擬器等設備結合，疊加更複雜的空間通道模型（如角度擴展、空間衰落、多徑的空時特性），從而全面評估多天線演算法在真實傳播環境下的強韌性。

OHB XPLORA Pro GNSS模擬器，以其多RF輸出通道和精密的訊號同步控制能力，是進行多天線GNSS接收機和CRPA（可控接收模式天線）演算法研發與驗證的理想平台。

DBM ACE9600 先進通道模擬器 可與GNSS模擬器配合，為多天線系統測試疊加逼真的空間通道效應，如多徑訊號的到達角擴展和空間衰落特性。
 

對於基礎的多天線概念驗證或特定演算法模組的測試，OHB XPLORA One雖然主要針對單天線或雙天線應用設計，但其靈活的訊號產生能力與可選的干擾訊號模擬功能，也能為某些簡化的多天線研究（例如，研究兩單元陣列的基本干涉消除）提供初步的實驗支援。

多天線抗干擾/反欺騙技術比較

未來趨勢：AI整合、小型化與更廣泛的應用

多天線GNSS技術仍在不斷演進，未來發展呈現以下趨勢：

• AI/機器學習的深度整合：
  AI技術有望在自適應波束成形權重計算的快速最佳化、複雜干擾環境下的到達角精確估計、以及新型未知干擾/欺騙模式的智慧識別等方面發揮重要作用。
• CRPA（可控接收模式天線）技術的成熟與小型化：
  專為抗干擾設計的CRPA天線系統，將隨著微電子技術和整合天線設計的進步而更加小型化、低成本化，從而更容易部署到空間和功耗受限的平台。
• 在自動駕駛、無人機（UAV）、關鍵基礎設施等領域的普及：
  隨著這些應用對PNT強韌性要求的日益提高，多天線技術將從傳統的軍事、航空領域逐步擴展到更廣泛的民用市場。
• 與其他感測器和PNT源的融合：
  多天線GNSS系統的輸出（如經過去干擾的PNT解、或干擾源方位資訊）可以與IMU、視覺、雷達、光學雷達等其他感測器資訊進行更深層次的融合，以提供更全面的態勢感知和更可靠的導航能力。

OHB GIDAS 系列解決方案，從嵌入式模組到固定式監測站，其許多高階功能（如欺騙偵測中的空間相關性分析）均可受益於或體現多天線處理的思想，為各類關鍵應用提供GNSS訊號品質的保障。

多天線技術 – 開啟GNSS強韌性的新維度

面對日益複雜和嚴峻的GNSS電磁環境威脅，多天線接收技術憑藉其在空間維度辨識、分離和抑制非期望訊號的獨特能力，已成為提升GNSS系統強韌性的關鍵技術路徑，從自適應波束成形到各種空間濾波策略，這些技術為抗擊GNSS干擾和欺騙攻擊提供了強有力的「空間盾牌」，儘管其在工程實現上仍面臨諸如陣列校準、計算複雜度等挑戰，但隨著演算法的持續優化、處理器能力的提升以及硬體成本的降低，多天線GNSS技術的應用前景廣闊；對於致力於打造下一代高強韌PNT系統的研發工程師而言，深入掌握多天線訊號處理的原理，並結合如OHB XPLORA Pro等先進的GNSS模擬與測試工具進行嚴謹的設計驗證，將是其贏得這場GNSS「攻防戰」的關鍵。

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