（通信与信息系统专业论文）gps转发式干扰原理样机的设计与实现.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的进步，g p s 系统得到了广泛的应用。有效地利用g p s 干扰技 术破坏对方的导航系统并实现对己方的有效隐蔽和保护，是g p s 技术在军事领域 的一个新应用。在众多干扰技术中，转发式干扰有着发射功率低，不需要了解g p s 信号伪码结构，实现简单等优点。 本文主要研究g p s 转发式干扰原理。在分析了g p s 定位原理的基础上，对转 发式干扰进行了可行性分析，完成了转发式干扰原理样机的设计与实现，并着重 对干扰机的射频电路进行了研究。转发式干扰主要是利用信号的自然延时来实施 干扰。因此，干扰信号与导航信号完全相同，只是延迟时间有所不同。另外转发 式干扰信号经过功率放大，信号的幅度大于导航信号的幅度，g p s 接收机完全有 可能捕获到转发后的信号。从而使g p s 接收机获得错误的伪距，达不到精确的定 位。 本文首先在g p s 转发式干扰机理的领域中，详细描述了g p s 接收机的定位原 理和转发式干扰原理，重点就干扰效果进行了详细分析，并对干扰机工作时接收 机的各种状态进行了研究。此外，对干扰机的各部分功能进行细化和进一步的模 块化设计。总体模型分为三个单元，包括：信号接收单元、干扰信号生成单元、 干扰信号发送单元。系统中，通过模拟信号延迟模块，完成了对实时连续信号的 延迟功能。干扰信号生成模块采用f p g a 来控制模数数模转换，以f i f o 存储器 实现信号的连续存储转发，并通过存储的深度决定延迟时间。最后对转发式干扰 原理样机进行了干扰效果测试，并就各种情况进行了比较分析。 关键字：全球定位系统；转发式干扰；射频；延迟模块 沈阳理工大学硕士学文论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , t h eg l o b a lp o s i t i o ns y s t e mh a sb e e n u s e dw i d e l y t h en e wa p p l i c a t i o no fg p st e c h n o l o g yi nt h em i l i t a r yf i e l di sh o wt o d e s t r o ye n e m yn a v i g a t i o ns y s t e ma n de n s h r o u de f f e c t i v e l yo u r s e l v e su t i l i z i n gt h eg p s c o u n t e rt e c h n o l o g y i nt h eg p si n t e r f e r e n c et e c h n o l o g y , t h er e t r a n s m i t t e dj a m m i n gh a s t h ea d v a n t a g e so fl o ws e n d i n gp o w e r , u n a w a r e n e s so ft h ep r nc o d es t r u c t u r eo fg p s s i g n a la n ds i m p l ei m p l e m e n t a t i o n t h er e t r a n s m i t t e dja m m i n gp r i n c i p l ei ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h eg p sp o s i t i o nt h e o r y , t h ee f f e c to fj a m m i n gp r o t o t y p ei ss t u d i e da n d e v e r yp a r to ft h ej a m m i n gp r o t o t y p ei sa n a l y z e d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f j a m m i n gp r o t o t y p eh a v eb e e nd o n et o o t h er e t r a n s m i t t c dj a m m i n gm e t h o dm a i n l y m a k e su s eo fs i g n a l sn a t u r a ld e l a y , s ot h ej a m m i n gs i g n a li sc o m p l e t e l yt h e & a n l ea s n a v i g a t i n gs i g n a l ，e x c e p t f o rt h e d i f f e r e n t l yd e l a yt i m e b e s i d e s ，t h ep o w e ro f r e t r a n s m i t t e dj a m m i n gs i g n a li sg r e a t e rt h a nt h en a v i g a t i o ns i g n a l ，s og p sr e c e i v e rw i l l p r o b a b l yr e c e i v et h ej a m m i n gs i g n a l ，w h i c hr e s u l t si ni t sg e t t i n gt h ef a l s ep s e u d or a n g e a n dn o tb e i n gp o s i t i o np r e c i s e l y a tf i r s t , i nt h ef i e l do fg p sr e t r a n s m i t t e dj a m m i n gt h e o r y , t h ep o s i t i o na n d r e t r a n s m i s s i o nj a m m i n gm e c h a n i s m sa r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e j a m m i n ge f f e c ti sa n a l y z e d ，a n dj a m m i n ge f f e c ta r er e s e a r c h e di nd e t a i l t h e nv a r i o u s w o r k i n gs t a t e so fj a m m i n gp r o t o t y p ei ss t u d i e d i na d d i t i o n , t h ef u n c t i o no fj a m m i n g p r o t o t y p ei st h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g n e d t h ew h o l em o d u l ei sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s i n c l u d i n gs i g n a l - r e c e i v i n gu n i t ，j a m m i n gs i g n a lg e n e r a t i o nu n i ta n dj a m m i n gs i g n a l t r a n s m i s s i o nu n i t , a n dt h ef u n c t i o no fe a c hp a r ti sd e s c r i b e d b yd e s i g n i n ga n d i m p l e m e n t i n gt h ea n a l o gs i g n a ld e l a ym o d u l e ，t h es y s t e ma c c o m p l i s h sr e a l t i m e c o n t i n u o u s s i g n a ld e l a y f u n c t i o n t h ec o n v e r t e r so f a n a l o g t o d i g i t a l a n d d i g i t a l - t o a n a l o ga r ec o n t r o l l e db yf p g a , t h es i g n a l ss t o r e - a n d f o r w a r df u n c t i o ni s i m p l e m e n t e db yf i f om e m o r y , t h ed e l a yt i m ei sd e c i d e db yt h ed e p t ho fs t o r a g e a tl a s t ， t h et e s tf o rr e t r a n s m i t t e dj a m m i n gp r o t o t y p ei sc a r r i e do u t ，a n da l lc a s e sa r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：g p s ；r e t r a n s m i t t e dj a m m i n g ；r a d i of r e q u e n c y ；d e l a ym o d u l e 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：亳勿钍 日期 ： 而年月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：杉b 翘 日期：or , 多 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题的提出 现今社会，各个国家相继开展了以携带各类有效载荷的航天器及其星座为核 心体的相关资源利用和组网等技术的研究，期望通过空间优势获得信息优势，其 目的是夺取制天权。而信息能力已成为现代作战的核心能力，未来空间攻防对抗 的实质也将是一场空间信息对抗，其目的在于夺取控制信息权。 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t 锄一g p s ) 是美国从上世纪7 0 年代开始 研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进 行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统l l 】。 为了实现空间电子对抗，干扰g p s 系统正常工作的方法可分为两大类：一类 是直接摧毁卫星，一类是用电子手段进行干扰。硬摧毁武器从研制、部署到使用 的成本比较昂贵。因此，不到万不得已，不应轻易采用硬摧毁的手段。以g p s 为 代表的卫星导航系统而言，它已经成为精确制导武器的重要手段，美军使用的精 确制导弹药占全部使用量的9 0 以上，而绝大多数精确制导弹药均装备了g p s 导 航定位装置将打击精度提升到数米量级。它分为空间部分、地面控制部分和地面 控制部分三个部分。对空间部分、地面控制部分和由地面控制部分发往空间卫星 的上行链路信号进行“软干扰 攻击的难度也非常大，而从卫星反馈到用户定位 设备的下行信号比较微弱，其开放性的特点，容易受到干扰，因此g p s 的下行星 地通信链路信号便是其“软肋。对导航系统的卫星通信下行链路进行“软干扰” 主要是对用户接收机的干扰对抗，从技术上考虑，主要有压制式干扰和欺骗式干 扰。 转发式干扰是g p s 干扰技术中欺骗式干扰的一个分支。其最大的优势是发射 功率低，不易被探测器材发现，因而具有很强的战场生存能力。同时，它不需要 对所接收的真实g p s 信号进行分析，而直接通过信号的延迟达到欺骗目的，因而 从理论上可以认为是一种与码无关的干扰，因此进行该方式的研究具有一定的实 际指导意义。本课题研究的就是g p s 转发式干扰原理样机的设计与实现。 本文研究的主要内容包括四个方面：首先，对g p s 转发式干扰机理进行分析 沈阳理工大学硕士学位论文 研究。其次，对g p s 转发式干扰的射频电路进行设计实现。再次，在高速数据采 集的理论基础上，选择合理的a d 和d a 芯片、适当采样速率。最后，对干扰信 号延迟模块进行设计与实现，产生干扰信号。 1 2 国内外的发展现状 1 2 1 卫星导航的应用现状 本世纪，出于其军事利益、经济利益、国家安全等方面的考虑，世界上有能 力的国家都在纷纷建设自己的或与其他国家联合的卫星导航系统。 现今，世界上的卫星导航系统主要存2 】：美国的g p s 系统，欧洲的g a l i l e o 系 统，俄罗斯的g l o n a s s 系统，中国的北斗卫星导航系统。 经过近5 0 年的研究和开发，今天的卫星导航技术已趋于实用，形成了卫星导 航产业链。据统计，1 9 9 7 年全世界销售g p s 接收机1 8 0 万台，到2 0 0 2 年，销售 1 8 0 0 万台，平均年增长5 8 。目前，卫星导航的应用已经遍及军事、航海、航空、 测量、交通等几乎一切与位置、速度、时间有关的人类活动中。 卫星导航已成为现代化战争“信息战”、“导航战的重要组成部分，海湾战 争以来精确制导武器使用量与总投弹量比逐年提升，其中g p s 制导武器占整个精 确制导武器的比例由海湾战争的1 0 急增至2 0 0 3 年自由伊拉克战争的9 8 。 航空导航g p s 化是g p s 系统建设的重要目标之一，但航空导航可靠性要求高， 技术相对复杂，因此g p s 航空导航系统建设落后于g p s 航海系统。国际上，为了 使卫星导航成为航空导航的主导航手段，需要在现有的卫星导航系统基础上，建 设增强系统，例如北美的w a a s 系统，l 讼s 系统，欧洲的e g n o s 系统，日本 的m s a s 系统等。 北美的w a a s 系统经过多年试验，航空导航g p s 化技术上相对复杂，2 0 0 3 年底，美国宣布w a a s 系统投入使用，标志着北美地区航路导航、终端导航、进 近( 机头对准跑道准备着陆那- n ) 和飞机一级着陆g p s 化基础设施的完成。目 前，局域增强系统( l a a s ) i e 在建设中，u 认s 的建成，将为三级着陆g p s 化提供 保障，届时，军用和民用飞机从航路导航、终端导航、进近、到零能见度自动着 陆、跑道滑行等航行的五个阶段导航将全面实现g p s 化。g p s 将逐步取代二战以 来形成的陆基导航系统，成为航空导航主要手段，传统的导航设施将逐步退居辅 第1 章绪论 助地位。 星基导航设备具有精度高、体积小、功耗小、成本低、实时性强、全球通用 等特点，越来越多的卫星导航产品被应用到交通运输、城市监控、天气监测、灾 害预报与防治、地震监测、电力网控制、通讯网控制、个人移动通信、遥感、测 量、商业活动、农业耕作等一切与位置、速度、时间有关的人类活动中，并且发 挥着越来越重要的作用。 1 2 2g p s 干扰技术的发展现状 从技术上考虑，g p s 的干扰技术主要分为压制式与欺骗式两大类。 g p s 压制式干扰可以分为瞄准式干扰、阻塞式干扰和相关干扰：g p s 欺骗式 干扰可以分为转发式干扰和产生式干扰。欺骗式干扰技术的出现使得美国军方实 施了g p s 信号的反欺骗技术，即将g p s 的p 码加密为y 码。目前的美国国防部 接收机容易被压制式干扰机干扰，但很难被欺骗式干扰机干扰。因此，压制式干 扰技术和措施已成为各国军方极为关注的焦点。 在众多国家中，俄罗斯对g p s 干扰技术的研究是最为深入的，成果也最为显 著，先后提出了五代g p s 干扰机理论。目前比较流行的主动干扰机是在复制导航 信号的基础上形成干扰信号，优点是既可实现“硬”抑制，也可实现“软 抑制， 在坐标测量过程中，在导航接收器中可以引用可控误差，干扰效率高，可形成任 何前面探讨的干扰信号，暴露性非常小；而缺点是复杂性增大，功耗大。 目前，除俄罗斯和美国外，能制造g p s 干扰机的国家还有法国、德国、意大 利、朝鲜等。 就国内而言，g p s 干扰技术的理论研究及干扰装置的研制起步较早，取得了 一定的进展。但随着技术的发展，迫切需要在现有干扰体制的基础上提出更合理， 更有效的干扰方法。 通常，g p s 在接收有用信号的同时，不可能完全抑制外部干扰以及特征参数 与有用信号相同或相似的其他信号，g p s 接收机检测有用信号时，必然存在不确 定因素。利用这一特点，可以人为地施放干扰信号，迫使敌方获得的有用信息量 降至最小。因此，g p s 干扰就是通过辐射干扰信号，来压制或欺骗敌方的g p s 接 收机。 g p s 对抗中使用的技术手段主要有以下几种：g p s 侦察引导技术、升空干扰 沈阳理工大学硕士学位论文 技术、星载g p s 干扰技术和地面g p s 干扰技术。 g p s 干扰的主要任务是干扰敌方接收设备。从战术上考虑可以采用两种完全 不同的体制，一种是压制性干扰，一种是模拟性干扰或迷惑性干扰，通常称欺骗 性干扰。另外，在导航战背景下，也可采用有效的反卫星武器对g p s 全球定位系 统进行破坏和摧毁。 1 3 论文结构 本文的主体内容可分为2 大部分。第一部分包括第二章到第三章，对g p s 转 发式干扰的基础理论进行研究，分另i j 阐述了g p s 系统的工作原理和g p s 转发式干 扰机理；第二部分包括第四章到第六章，完成g p s 转发式干扰原理样机设计与实 现，并对其进行实际测试，并进一步对g p s 接收机受到干扰前后的工作状态进行 比较与分析。 具体的章节内容概况如下： 第二章，对g p s 系统的研究既是研究g p s 干扰机的前提，也是检验干扰效果 的主要依据。本章在对g p s 系统的工作原理进行阐述的基础上，对干扰方式的种 类及其原理进行了论述。 第三章，对g p s 转发式干扰机理进行了研究。在分析了g p s 定位原理的基础 上，对转发式干扰进行可行性分析。分别对转发式干扰的相关特性、延迟时间的 确定和干扰距离进行了讨论，并重点对干扰机工作时接收机处于的各种不同状态 进行了研究。 第四章，在射频电路的基础上对原理样机进行了设计，实现了信号接收单元 和干扰信号发送单元的射频电路，并对主要器件的具体参数加以重点论述。 第五章，设计了基于f p g a 的模拟信号延迟模块。模块通过f p g a 实现对模 数数模转换的控制，以f i f o 存储器完成信号的连续存储转发，并通过存储的深 度决定延迟时间，重点研究了干扰信号生成单元的设计与实现。 第六章，系统的设计验证。首先阐述了系统的设计验证方案，随后对设计验 证测试结果进行了比较分析。 第2 章g p s 系统基本原理 第2 章g ps 系统基本原理 对g p s 系统的研究既是研究干扰g p s 系统的前提，也是检验干扰效果的主要 依据。本章在对g p s 系统的工作原理进行阐述的基础上，对干扰方式的种类和原 理进行了论述。 2 1g p s 系统工作原理 2 1 1g p s 系统组成 全球定位系统( g p s ) 是美国继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大航天工程， 是利用g p s 卫星实现全球、全天候、实时、连续导航定位的新一代高精度卫星导 航系统，可为近地空间的各类用户实时提供精密三维位置坐标、三维速度和时间 ( p v t ) 等信息，用于对全球的民用及军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导航 定位服务。 g p s 系统由3 个区段组成：卫星星座、地面控制监视网络和用户接收设备。 其空间卫星星座由2 4 颗( 3 颗备用) 卫星组成【，1 。卫星分布在6 个轨道面内，每个 轨道上分布有4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为5 5 0 ，各轨道平面 升交点的赤经相差6 0 0 。在相邻轨道上卫星的升交距相差3 0 0 。轨道平均高度约为 2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。因此在同一观测站上，每天出现的卫星 分布图形相同 4 1 ，只是每天提前4 分钟。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上， 同时位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最少为4 颗，最多可达1 1 颗。 g p s 卫星的主要功能是接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执 行监控站的控制指令，同时星上设有微处理机，来进行部分必要的数据处理工作， 同时向用户发送定位信息。 g p s 的地面监控部分，目前由分布在全球的5 个地面站组成，其中包括卫星 监测站( 5 个) 、主控站( 1 个) 、信息注入站( 3 个) o 现有的5 个地面站均具有监测站的功能。监测站是在主控站直接控制下的数 据自动采集中心。主控站主要作用是协调和管理地面监控系统工作【习，根据本站和 其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正 5 沈阳理工大学硕士学位论文 参数等，并把这些数据传送到注入站，同时测出各观测站g p s 卫星的原子钟和主 控站原子钟之间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送达注入站。注入站 主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文 和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。 整个g p s 的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯 网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度自 动化和标准化。 用户接收设备典型情况下称为“g p s 接收机 ，接收机是实现g p s 卫星导航定 位的终端仪器，它处理由卫星发射来的l 波段信号。它的主要任务是：能够捕获 到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对 所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收 机天线的传播时间，计算出伪距，解调出g p s 卫星所发送的导航电文，从而实时 地计算出被测站的三维位置、甚至三维速度和时间。 2 1 2g p s 信号构成 g p s 系统采用典型的c d m a 体制，这种扩频调制信号具有低截获概率特性， 系统以码分多址形式区分各卫星信号。目前g p s 系统是部分公开的，采用的伪码 有c a 码、p 0 0 码等。 g p s 卫星信号包括三种信号分量：载波，两个伪随机噪声码( c a 码和p 码) 和数据码( d 码) 。随着g p s 现代化建设的提出，其伪码将增设新的军用m 码。 g p s 测距的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号【6 1 ，其中c a 码的码速 率为1 0 2 3 x 1 0 6 码片秒，p 码的码速率为1 0 2 3 x 1 0 6 码片秒，而d 码( 数据码) 的 数据率仅为5 0 比特秒。g p s 卫星距离地面约2 1 0 4 k m 。其电能又非常紧张，因 此很难将上述数据率很低的信号传输到地面。解决这一难题的办法就是另外发射 一种高频信号，并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上， 最终构成一个高频的调制波发射给地面。g p s 卫星采用l 频带的两种不同频率的 电磁波作为高频信号，分别称为l 1 载波和l 2 载波。其中：l 1 载波的频率f l = 1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 载波的频率t 2 = 1 2 2 7 6 m h z 。g p s 卫星发射信号的频率，都要受 卫星上原子钟的基准频率的控制，g p s 卫星原子种基准频率为1 0 2 3 m h z ，p 码产 生采用基准频率，c a 码产生采用基准频率的1 1 0 ，即1 0 2 3 m h z ，而l 1 载波的 第2 章g p s 系统基本原理 频率n 为基准频率的1 5 4 倍，l 2 载波的频率q 为基准频率的1 2 0 倍。图2 1 为 g p s 卫星信号调制示意图： 图2 1g p s 卫星信号调制不恿图 数据流和两种伪随机码分别以同相和正交的方式调制在l 1 载波上，信号的结 构如式( 2 - 1 ) ： ， s 厶= a p e ( f ) b ( t ) e o s ( o j l t + 伊1 ) + 彳c q ( f ) d i ( t ) s i n ( a 9 l t + 仍) ( 2 - 1 ) 而l 2 由p 码和d 码进行调制，其信号结构如式( 2 - 2 ) - 屯= b p p i ( t ) d t ( t ) e o s ( a 0 2 t + 妒2 ) ( 2 2 ) 式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 中： a p 、b p 调制于l 1 、l 2 上的p 码振幅； 毋( f ) 取值1 的p 码； d a t ) 取值l 的数据码； 彳c 调制于厶上的c a 码振幅； g ( f ) 取值1 的c a 码； i 卫星编号； 缈，载波的角频率( - ，= 1 ，2 ) ； 竹 载波工的初相( ，= l ，2 ) 。 沈阳理工大学硕士学位论文 g p s 卫星的导航电文主要包括的信息有卫星星历、时钟改正、电离层时延改 正、工作状态信息以及c a 码转到捕获p 码的信息等。这些数据是以二进制码的 形式发送给用户的，它是个永不归零的数据流，故导航电文又称为数据码，或称 之为d 码。 导航电文按帧向外播送，基本单位是长度为1 5 0 0 b i t 的一个主帧，传输速率是 每秒5 0 b i t ，3 0 s 才能够传送完一个主帧。一个主帧包括5 个子帧，每个子帧各有 1 0 个字码，每个字码3 0 b i t 。第4 ，5 子帧各有2 5 个页面。因此，一帧完整的导航 电文共有3 7 5 0 0 b i t ，长达1 2 5 m i n 。 2 2g p s 干扰方法 对g p s 导航系统的下行信号进行干扰，主要是针对用户接收机的干扰对抗， 从技术上考虑，主要有压制式干扰和欺骗式干扰，如图2 2 所示。 图2 2g p s 干扰方式 2 2 1g p s 压制式干扰 所谓压制式干扰就是通过发射某种干扰信号，以某种方式遮蔽敌方信号频谱， 压制到达g p s 接收机天线端的g p s 卫星信号，使敌方g p s 接收机不能正确接收 g p s 卫星信号而无法定位，从而使其降低或完全失去正常工作能力。在所有对g p s 信号的潜在威胁中，压制式干扰的威胁较大，g p s 信号的特点使压制式干扰占有 一定的优势，通常分为三种：瞄准式干扰、阻塞式干扰和相关干扰0 1 。 1 瞄准式干扰 瞄准式干扰主要是从g p s 卫星信号的独特码型出发，采用频率瞄准技术，使 干扰载频精确对准信号载频，针对特定码型的卫星信号实施干扰，使该信号在一 定区域内失效。 g 第2 章g p s 系统基本原理 2 阻塞式干扰 阻塞式干扰就是通过发射干扰信号压制g p s 接收机天线端的g p s 卫星信号， 使g p s 接收机接收不到g p s 卫星信号而无法定位，从而达到干扰目的。这种干扰 方式存在着多种干扰体制，包括：单频( 窄带) 干扰，宽带干扰等，通常瞄准式 干扰被认为是阻塞式干扰的种特例。 3 相关干扰 相关干扰是采用伪码调制的干扰体制，即利用干扰信号的伪码序列与g p s 信 号的伪码序列有较大的相关性这一特点对g p s 实施干扰。与不相关干扰相比，它 有较多的能量可以通过接收机窄带滤波器，因此，能以较小的功率实现与其他方 式相当的有效干扰。为实施最佳相关干扰，要研究与信号伪码序列能产生最大互 相关值的干扰伪码序列。 2 2 2g p s 欺骗式干扰 所谓欺骗式干扰是指发射与g p s 信号具有相同参数( 只有信息码不同) 的假 信号，干扰g p s 接收机，使其产生错误定位信息，其功效相当于伪g p s 卫星。根 据伪距定位原理，由于g p s 用户设备不配带原子钟，用户至卫星的伪距测量结果 会包括钟差等引入误差，因此对g p s 进行定位欺骗可从两方面着手，即给出虚假 导航信息或增加信号传播时延，从而使测得的伪距产生偏差。这种欺骗式干扰有 产生式和转发式两种体制。 1 产生式干扰 产生式干扰是指由干扰机发射与g p s 卫星信号相同的无线电信号来欺骗接收 机，使其出现错误解码。当前就g p s 的p r n 码而言，c a 码是公开的，p 码也已 处于半公开状态，对它们可实现干扰，但由于p 码本身的信号长周期、自相关特 性给产生式干扰技术的研究提出了很大的挑战，同时对p 码加密后形成的军用y 码的干扰也有较大困难，需要进一步深入研究和突破关键技术。 2 转发式干扰 转发式干扰就是将接收到的g p s 卫星信号重新广播出去，从而构成一个虚假 的g p s 卫星信号，使接收机出现错误解码，导致测距误差，发生错误定位。 就空间g p s 干扰技术而言，我们首要研究重点是具有最佳干扰效果的相关干 扰技术，其研究的最终目的在于通过产生的最大互相关伪码匹配序列进行虚假导 沈阳理工大学硕士学位论文 航电文的扩频，实现g p s 产生式欺骗干扰。由于转发式欺骗干扰不需要对所接收 的真实g p s 信号进行分析，而直接通过延迟调节发射达到欺骗目的，因而从理论 上可以认为是一种与码无关的干扰，因此进行该方式的研究也具有一定的实际指 导意义。阻塞式压制干扰实际上是一种非常有效的干扰手段，其缺点在于功率过 高，但就战时g p s 信号可能发生的变化而言，该方式在一定条件下还是可以达到 干扰目的的。随着g p s 系统抗干扰能力的增加，及其覆盖范围和精度的提高，单 一效能的干扰手段很难达到预期效果。 第3 章g p s 转发式干扰机理研究 第3 章g p s 转发式干扰机理研究 本章主要对g p s 转发式干扰机理进行了研究。在分析了g p s 定位原理的基础 上，对转发式干扰进行可行性分析。并对转发式干扰机理进行了讨论，重点对干 扰机工作时接收机处于的各种不同状态进行了研究。 3 1g p s 定位原理 g p s 定位原理是g p s 系统工作的重要理论，图3 1 为g p s 定位原理图。为了 确定从卫星到用户的距离。首先要确定矢量，它代表用户接收机相对于e c e f 坐 标原点的位置 s l 。 图3 1g p s 定位原理图 用户的位置坐标屯，儿，z 誓认为是未知的。矢量，表示用户到卫星的矢量偏离， 在e c e f 笛卡尔坐标系中卫星位于坐标，儿，z j 。矢量j 代表卫星相对与坐标原点 的位置。矢量广播的星历数据计算。卫星距用户的矢量，为 厂= s 一“ ( 3 1 ) 距离厂测量由卫星产生的测距码从卫星传送到用户接收机天线所需的传播时 间来计算。 为了确定用户的三维位置( 毛，咒，z 。) 和偏移量乞，需要对4 颗卫星进行伪距测 量，产生方程组式( 3 2 ) 。 乃- - u , - 8 + 吒 ( 3 2 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 式中j 的范围是l 4 ，代表不同的卫星s i 卫星的位置，t 。包括：a t 彬第j 颗卫 星信号传播延迟误差和其他误差；钒用户钟相对于系统时的偏差：岛第j 颗星 的卫星钟相对于g p s 系统时的偏差；可展开由未知数表示的联立方程式( 3 3 ) 式 ( 3 6 ) ： 岛= ( 毛一靠) 2 + 锄一以) 2 + ( z 1 一) 2 + 吒 ( 3 3 ) 岛= ( 屯一屯) 2 + ( 耽一以) 2 + ( 乞- z p ) 2 + c o ( 3 - 4 ) p 3 = ( 黾一) 2 + ( 乃一以) 2 + ( 乃一) 2 + 吒 ( 3 5 ) 见= ( 而一) 2 + ( 欺一以) 2 + ( z 4 一乃) 2 + c ( 3 6 ) 式中工j ，j ，和乃指第j 颗卫星的三维位置。 。这些非线性方程可采用三种方法求解：闭合形式解；基于线性化的迭代技术； 卡尔曼滤波。其中，线性化法较为常用。 如果近似地知道接收机的位置，那么便可以将其真实位置0 。，y 。，z 。) 与近似位 置( 量。，夕。，三。) 之间的偏离用位移( 瓴，缈。，z 。) 来标记。将式( 3 - 3 ) 式( 3 6 ) 按泰勒 级数展开，那么便可将位置偏移表示为已知坐标和伪距测量值的线性函数，其过 程如下： 将单一伪距表示为式( 3 7 ) ： 乃= ( _ 一屯) 2 + ( 以一以) 2 + ( 乃一乙) 2 + 吒 ( 3 7 ) 利用近似的位置( 至。，夕。，三。) 和时间偏差估计值毛，可以计算出一个近似伪距， 式( 3 8 ) ： a = 抓_ 一屯) 2 + 一九) 2 + ( 乃一乃) 2 + c 乞 ( 3 8 ) = 厂( 毛，允，z u ，乇 正如上所示，认为未知的用户位置和接收机时钟偏差由近似分量和增量两部 分组成，即： x u = 囊h + 厶x u y u = 多u + 姆h z q = 艺b + & u ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 一i t ) 第3 苹g p s 转发式干扰机理研冗 0 = 乞+ 吒 ( 3 1 2 ) 因此有： f ( x u ，y 4 ，z 。，t j = f 媾b + 厶) c h ，多+ 厶y h 。艺4 + 厶z u ，i q + & 0 q 1 3 ) 后一个函数可以围绕近似点和相关联的接收机时钟偏差的预测值用泰勒级数 展开成为式( 3 1 4 ) ： f 媾。+ 缸。，多。+ 母u ，2 。+ & 。，i 。+ & j = f 媾。，多。，艺。，i j + 鲣攀a x f - t 巡辱盟毗+ 业哮地：一毕( 3 。1 4 ) 毓a 5 q q a 受l争； 为了消除非线性项，上述展开式( 3 1 4 ) 中截去一阶偏导数以后的项。各偏导数 经计算为： 鲣攀：一牮( 3 - 1 5 ) 吼_ r j 业鲫：一兰墨( 3 1 6 ) o y ,r j 业掣：一牮( 3 - 1 7 ) ， u qh f l 丝掣：一华( 3 1 8 ) 掣r j 式中： 0 = ( 一礼) 2 + ( 乃- l ) 2 + ( z 厂z ) 2 ( 3 1 9 ) 将式( 3 8 ) 和式( 3 1 5 ) - - - ( 3 1 8 ) 代入式( 3 1 4 ) ，得到式( 3 - 2 0 ) ： 岛。色一半瓴一学饥一孚碗+ c 他( 3 乏0 ) 于是完成了式( 3 8 ) n 对于未知数a x 。，缈。，a z 。和f 口的线性化。其中忽略了诸 如地球旋转补偿、测量噪声、传播延迟和相对论效应等二阶误差源1 9 1 。 将式( 3 2 0 ) n 新安排，使已知量在左边，未知量在右边，得到式( 3 2 1 ) ： a 一一2 学瓴- t 。学钒+ 孚瓴吖他 ( 3 乏) 为方便起见，引进新变量以简化式( 3 2 2 ) ： 沈阳理工大学硕士学位论文 p j = 备j p j q 一2 2 ) 5 学 ( 3 - 2 3 ) 。孕 ( 3 2 4 ) ：华( 3 - 2 5 ) 驴彳 式中口可，口鲥，口万各项表示由近似用户位置指向第j 号卫星的单位矢量的 方向余弦。对于第j 号卫星，单位矢量的定义为式( 3 2 6 ) ，方程( 3 2 0 ) 可简单记为式 ( 3 - 2 7 ) ： a i = ( ，a 谚，) ( 3 - 2 6 ) 厶p j = a 日k - a 婚崎i 七a 4 & l c & l q - 2 7 、 现有4 个未知量( 瓴，瓴，a z 。) 和缸。，可以用对4 颗卫星进行距离测量而将它 们解出来。这些未知量可以用解( 3 2 8 ) 联立线性方程求出。 j 确= a x l 6 x + a y l 毗+ 口：i 瓴一c 叱 i 峨= q z 瓴+ c i y z 蛾+ 巳z 叱一呜 i 舰= a x ，吒+ q ，饥+ 口z ，瓴一c 叱 【帆= a x 4 a x + a y 4 饥+ a z 4 包一c 叱 这些方程可以利用下列定义写成矩阵形式，最后得到式( 3 2 9 ) ， ( 3 3 0 ) 。 p = 岛 岛 岛 反 日= a x l a j r l a x 2 a y 2 q 3 a j ，3 龟4 a j ，4 a = i - c 呸3 - - c 口：3 - - c a ：4 呷 a x = 出u 坶。 垃u c & q ( 3 2 8 ) 它的解是式 ( 3 - 2 9 ) a p = h a x( 3 - 3 0 ) a x = h 。1 p ( 3 - 3 1 ) 一旦算出未知量，便可以用式( 3 9 ) - - ( 3 1 2 ) 算出用户的坐标z 。，y 。，z 。和接收机 时钟偏移f 一。只要位移( 瓴，缈。，止。) 是在线性化点的附近，这种线性化方法便是 可行的。可以接受的位移取决于用户的精度要求p o l 。如果位移超过了可以接受的值， 第3 章g p s 转发式干扰机理研究 便重新迭代上述过程，即以算出的点坐标屯，y 。，z 。作为新的估计值，以代替p 。 在实际中，用户到卫星的真实测量值受到诸如测量噪声，卫星轨道与所报告 的星历间的偏差，以及多径等非公共( 即独立) 误差的不良影响。这些误差转换 为矢量缸各分量的误差，见式( 3 3 2 ) ： = h 。1 ， ( 3 - 3 2 ) 这里占，。是由伪距测量误差组成的矢量，毛是表示用户位置和接收机时钟偏 差的矢量，可以通过对多于4 颗卫星进行测量，以使占。误差减小。一般来说，每 一个冗余测量值均包含有独立的误差所产生的影响。冗余测量值可以用最小二乘 估计技术加以处理，以求得对未知量改善的估计。这种技术有各种形式，且在目 前的接收机中都使用了，以利用对于多于4 颗卫星的测量值来计算用户的位置、 速度和时间。 3 2 转发干扰的可行性分析 g p s 系统作为一个广播系统，为了满足多用户自主导航定位的要求，采用的 是用户机被动接收定位的体制，这固然可以使用户数量不受限制，但也使系统失 去了自我校正功能，用户得到的定位信息的真伪无法通过本系统判别。同时，潜 在的干扰源如电视发射机、手提电话产生的谐波、一些电子设备产生的电磁干扰 等都会降低g p s 信号的品质，使得对g p s 信号的干扰变得相对容易。另外，尽管 由于g p s 系统采用扩频技术，有很高的处理增益，极具隐蔽性，其信号电平通常 比噪声电平低2 0 d b 左右，很难检测到并对其进行干扰。但是它到达地面的信号 强度极低，约为1 0 - 1 6 w ，远低于热背景噪声电平。因此通用g p s 接收机是非常容 易被干扰的m l 。还有，g p s 现有军用( p 码) 和民用( c a 码) 两种信号。p 码较 长，捕获较难，保密性好，但近年来p 码的结构已被破译，美军则将p 码加密使 用( y 码) ；而c a 码结构简单并且码型公开，不保密，所以使用c a 码的g p s 接收机尤其容易被干扰。总之，g p s 卫星信号抗电子干扰方面异常脆弱，传输功 率小，信号频率公开，是g p s 易受干扰的重要原因。 g p s 接收机定位导航采用的是测量“伪距”来定位的，其基本原理是同时接 收四颗或四颗以上的卫星信号，通过测量各个卫星信号到接收机的时间差，计算 出卫星与接收机的距离，由于时间差或距离的测量值有误差，因此称之为“伪距 。 “伪距 根据式( 3 3 3 ) 经过误差修正后可以得到其真实距离： 1 s 沈阳理工大学硕士学位论文 弓= ( x j x ) 2 + ( x y ) 2 + ( z j - z ) 2 + c a t r ( 3 - 3 3 ) 式中x i ，艺，z ，j = 1 ，2 ，3 ，4 是各卫星在地心坐标系中的坐标，它是由卫星 信号以导航电文的形式传给用户接收机的，对接收机来说它是已知的。a t r 是用户 钟与卫星钟之间的时差，是一个待定的参数。在公式中共包含有4 个待定参数， 即用户接收机的坐标( x ，y ，z ) 和a t r 。对四颗或四颗以上的卫星测得的伪距方程联 立求解，就可以求出接收机的具体位置。现以四元方程组为例，得到g p s 伪距测 量导航定位的基本方程组( 3 - - 3 4 ) ： 丑= 厮i 再面丽丽+ c a t r 墨2 坦：型二竖：! 二! 三：! 札破( 3 - 3 4 ) 忍= 4 ( x 3 x ) 2 + ( x - 2 + ( z 3 - z ) 2 + c a t r 只= 辱i 再瓦面互万+ c a t r 在有g p s 转发装置的情况下，目标或接收机接收到的信号并非仅仅来自卫 星，其中经由空中的转发干扰机转发的干扰信号场强至少大于g p s 卫星信号场强 的1 0 0 0 倍以上。此时接收机测定的对卫星j 的伪距为r s j + l b j + c a t ， j = 1 ，2 ，3 ，4 ，c a t 是误差修正值。式( 3 - 3 5 ) 变为： r s 。+ r 。+ c a t = 正i 万鬲河丽+ c a t r r s z + r 0 z + c 址。、( ! ：兰二! 兰：兰：二! 三：兰! ：+ c 址r( 3 3 5 ) k s 3 + r 0 3 + e a t = ,