GPS生成式欺騙干擾關(guān)鍵技術(shù)

馬 克，孫 迅，聶裕平

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究生院，北京100076；2.北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京100076；3.衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用國(guó)家工程研究中心，北京100076）

0 引言

欺騙式干擾通過(guò)發(fā)播偽造的導(dǎo)航欺騙信號(hào)，誘導(dǎo)接收機(jī)捕獲、跟蹤該欺騙信號(hào)，使接收機(jī)解算出錯(cuò)誤位置、時(shí)間信息［1］。GPS 導(dǎo)航信號(hào)功率極低、且其體制公開、導(dǎo)航信息具有良好的可預(yù)測(cè)性和穩(wěn)定性［2］，這些特點(diǎn)使得干擾方可以輕易偽造導(dǎo)航信號(hào)，發(fā)動(dòng)欺騙干擾。欺騙干擾信號(hào)高度仿真衛(wèi)星信號(hào)，且其功率低于噪聲功率，目前的抗干擾算法均無(wú)法有效識(shí)別、抑制，戰(zhàn)時(shí)對(duì)GNSS系統(tǒng)進(jìn)行小代價(jià)攻擊便可顯著降低敵方衛(wèi)星導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能。2012年，美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的Todd帶領(lǐng)自己的研究團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行了對(duì)大型游輪、無(wú)人直升機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的劫持試驗(yàn)。同年，美國(guó)海軍辦公室授予羅克韋爾柯林斯公司一項(xiàng)GPS干擾和欺騙檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目開發(fā)合同。本文研究總結(jié)了生成式欺騙干擾關(guān)鍵技術(shù)，介紹了目前較為成熟的反饋式欺騙干擾設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并討論了欺騙干擾有效實(shí)施的原則。

1 導(dǎo)航欺騙干擾關(guān)鍵技術(shù)

生成式欺騙干擾主要針對(duì)民碼接收機(jī)，干擾設(shè)備根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)ICD 文件生成欺騙信號(hào)，較壓制式干擾隱蔽性更好，效率更高，危害性更大。GNSS系統(tǒng)采用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)［3］（RAIM）使得接收機(jī)具有一定的抗欺騙干擾能力，因此在一次成功的欺騙干擾中，需要解決衛(wèi)星信號(hào)偽造、合理欺騙偽距構(gòu)造、捕獲、跟蹤環(huán)路侵入等關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 衛(wèi)星信號(hào)偽造

GPS L1信號(hào)可以表示為：

式中，A 表示C／A 碼信號(hào)幅值，C（t-τ）表示C／A 碼及初始相位，D（t）為導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星信號(hào)偽造可分為導(dǎo)航數(shù)據(jù)偽造及C／A 碼調(diào)制方式偽造。導(dǎo)航信息D（t）具有良好的可預(yù)測(cè)性與穩(wěn)定性，接收機(jī)接收完整的導(dǎo)航信息需12.5min，但接收本衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)只需不到1min，且接收到的歷書數(shù)據(jù)在2h內(nèi)可完美預(yù)測(cè)。因此，干擾設(shè)備具有充分時(shí)間偽造基于真實(shí)星座信息的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘修正項(xiàng)、電離層修正函數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)等，達(dá)到欺騙目的。C／A 碼調(diào)制方式偽造可以使用當(dāng)前不可見衛(wèi)星的C／A 碼或當(dāng)前可見衛(wèi)星的C／A 碼進(jìn)行偽造，將導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行延遲或提前處理，接收機(jī)在接收到經(jīng)過(guò)處理后的欺騙信號(hào)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的偽距，從而解算出錯(cuò)誤的結(jié)果。

1.2 偽距偽造

設(shè)干擾設(shè)備Ai的物理位置為，干擾信號(hào)發(fā)送時(shí)刻相對(duì)導(dǎo)航電文時(shí)間標(biāo)簽偏置為，偽造衛(wèi)星位置，目標(biāo)接收機(jī)Vj最終解算的位置L′j。干擾設(shè)備與目標(biāo)接收機(jī)的構(gòu)造偽距示意圖如圖1所示。

圖1 干擾設(shè)備構(gòu)造偽距示意圖

為了解算位置信息，接收機(jī)需要解算的偽計(jì)算偽距為：

式中，δ′j為期望接收機(jī)解算出的偽鐘差。

為了使目標(biāo)接收機(jī)解算出期望的偽位置L′j與偽鐘差δ′j，方程（2）必須和（3）相匹配，要求＝R′ij，即：

1.3 捕獲、跟蹤環(huán)路侵入

捕獲階段的載波多普勒頻移／偽碼相位二維搜索時(shí)，接收機(jī)會(huì)選擇最大相關(guān)積分對(duì)應(yīng)的多普勒頻移／偽碼相位值作為捕獲輸出。若捕獲階段欺騙信號(hào)功率高于真實(shí)信號(hào)，接收機(jī)無(wú)真實(shí)信號(hào)先驗(yàn)信息時(shí)，會(huì)誤捕獲欺騙信號(hào)，如圖2所示。

圖2 真實(shí)信號(hào)與欺騙信號(hào)相關(guān)峰

當(dāng)接收機(jī)處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)時(shí)，本地復(fù)現(xiàn)偽碼相位與真實(shí)信號(hào)偽碼相位精確同步。GNSS擴(kuò)頻碼良好的相關(guān)性，使得只有當(dāng)接收機(jī)天線相位中心欺騙信號(hào)偽碼相位與本地偽碼相位差小于1個(gè)碼片時(shí)，欺騙信號(hào)才可以與本地偽碼發(fā)生相關(guān)，對(duì)處于跟蹤鎖定階段的接收機(jī)產(chǎn)生干擾。

DLL環(huán)路跟蹤本質(zhì)是尋找使超前碼、滯后碼相關(guān)值相等時(shí)的即時(shí)碼，在欺騙信號(hào)存在時(shí)，DLL 環(huán)路跟蹤過(guò)程可表示為公式［4］。其中，P 為真實(shí)／欺騙信號(hào)相關(guān)峰功率。

欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)偽碼相位差小于1碼片時(shí)，欺騙信號(hào)相關(guān)峰與真實(shí)信號(hào)疊加，誘導(dǎo)接收機(jī)轉(zhuǎn)而跟蹤欺騙信號(hào)偽碼相位。如圖3所示。

圖3 欺騙干擾對(duì)偽碼跟蹤影響

2 反饋式欺騙干擾結(jié)構(gòu)

欺騙干擾設(shè)備產(chǎn)生高精度的仿真信號(hào)，需要與GNSS系統(tǒng)時(shí)間同步、實(shí)時(shí)獲取真實(shí)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和設(shè)備自身位置、速度信息。戰(zhàn)時(shí)對(duì)欺騙干擾設(shè)備成本、體積和自持能力的要求使得干擾設(shè)備不可能采用昂貴的穩(wěn)定時(shí)鐘、獲取離線的星歷數(shù)據(jù)和位置速度信息。反饋式欺騙干擾方案［5］可有效解決這些問(wèn)題，該方案在傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中加裝欺騙信號(hào)生成控制模塊、信號(hào)生成模塊和發(fā)射天線，如圖4所示。

圖4 反饋式欺騙干擾源結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)接收機(jī)模塊可以為設(shè)備提供本地時(shí)鐘修正參數(shù)、本地位置速度參數(shù)、衛(wèi)星信號(hào)載波相位參數(shù)、多普勒頻移參數(shù)、信號(hào)幅值參數(shù)和導(dǎo)航電文。欺騙信號(hào)控制模塊收到接收機(jī)模塊傳送數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同使用場(chǎng)景，計(jì)算并控制信號(hào)生成模塊進(jìn)行欺騙信號(hào)生成和發(fā)射。

3 欺騙干擾的有效實(shí)施

欺騙信號(hào)只有被目標(biāo)接收機(jī)捕獲、跟蹤、參與解算后才會(huì)產(chǎn)生欺騙干擾效果，因此有效實(shí)施欺騙干擾是成功干擾的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鑒于GNSS系統(tǒng)偽碼擴(kuò)頻體制的抗干擾能力和接收機(jī)自主 完 好 性 檢 測(cè)（RAIM），干擾設(shè)備在實(shí)施欺騙干擾時(shí)面臨以下兩個(gè)問(wèn)題：

1）有效進(jìn)入接收機(jī)：欺騙信號(hào)可以在信號(hào)捕獲或跟蹤階段直接進(jìn)入接收機(jī)。當(dāng)接收機(jī)處于開機(jī)捕獲或失鎖重捕（自然環(huán)境或壓制式干擾造成的失鎖）時(shí)，環(huán)境中存在的欺騙干擾信號(hào)可能被接收機(jī)捕獲。通過(guò)捕獲階段進(jìn)入接收機(jī)方法簡(jiǎn)單且效果較好，軟件Monte Carlo仿真與理論計(jì)算得出的接收機(jī)誤捕獲欺騙信號(hào)概率與干信比關(guān)系如圖5所示。

圖5 欺騙信號(hào)捕獲率與JSR 關(guān)系圖

欺騙信號(hào)僅需要約5dB，干信比即可以保證在捕獲階段誘使接收機(jī)捕獲欺騙信號(hào)。跟蹤階段侵入要求欺騙信號(hào)偽碼相位與處于跟蹤鎖定狀態(tài)的接收機(jī)本地偽碼相位差小于1，此時(shí)欺騙信號(hào)與接收機(jī)偽碼發(fā)生相關(guān)，欺騙信號(hào)依靠功率優(yōu)勢(shì)可以將接收機(jī)碼NCO拉偏，使其鎖定至欺騙信號(hào)偽碼相位。在實(shí)際場(chǎng)景中，估計(jì)動(dòng)態(tài)接收機(jī)或廣域內(nèi)大量接收機(jī)天線相位中心真實(shí)信號(hào)偽碼相位極具挑戰(zhàn)性，采用真實(shí)／欺騙信號(hào)偽碼相位滑動(dòng)可有效解決此問(wèn)題。干擾設(shè)備產(chǎn)生與真實(shí)信號(hào)不同多普勒頻率的欺騙信號(hào)，多普勒頻差造成真實(shí)／欺騙信號(hào)的偽碼速率不同，由此造成真實(shí)／欺騙信號(hào)偽碼相位隨時(shí)間滑動(dòng)，最差經(jīng)過(guò)一個(gè)偽碼周期，即可以實(shí)現(xiàn)欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)偽碼相位同步。穩(wěn)定跟蹤接收機(jī)在偽碼滑動(dòng)欺騙干擾影響下的環(huán)路輸出如圖6 所示。20000ms時(shí)接收機(jī)逐漸被引導(dǎo)至跟蹤欺騙信號(hào)。

圖6 偽碼相位滑動(dòng)欺騙信號(hào)對(duì)接收機(jī)牽引作用

2）避免RAIM 告警：目前接收機(jī)自主完好性檢測(cè)（RAIM）通常進(jìn)行星歷數(shù)據(jù)、偽距、解算結(jié)果驗(yàn)證。為避免RAIM 發(fā)出預(yù)警，欺騙信號(hào)參與解算造成的結(jié)果偏差不能超出RAIM 告警閾值，即要求欺騙信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)與真實(shí)信號(hào)保持低于RAIM告警閾值的偏差。確定欺騙信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)解算環(huán)節(jié)后，采用星歷數(shù)據(jù)偽造及小誤差隨時(shí)間積累方式將接收機(jī)逐漸拉偏至預(yù)定區(qū)域，從而避免RAIM 發(fā)出預(yù)警，棄用欺騙信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

生成式欺騙干擾高度仿真真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)，其信號(hào)功率遠(yuǎn)低于噪聲，目前抗干擾算法均無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，較壓制式干擾隱蔽性更好，效率更高，危害性更大。美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)環(huán)境的欺騙干擾實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)該類技術(shù)研究起步較晚，難以滿足未來(lái)導(dǎo)航戰(zhàn)需求。本文研究了生成式欺騙干擾所需的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了目前較為成熟的反饋式欺騙干擾設(shè)備結(jié)構(gòu)，探究了欺騙干擾有效實(shí)施的方法，可為未來(lái)導(dǎo)航戰(zhàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)?！?/p>

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