GPS偽碼瞄準(zhǔn)式干擾及硬件實(shí)現(xiàn)*

潘偉，楊祖芳，鄭建生

(1.武漢大學(xué) a.衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心； b.電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

GPS偽碼瞄準(zhǔn)式干擾及硬件實(shí)現(xiàn)*

潘偉1a，楊祖芳2，鄭建生1

(1.武漢大學(xué) a.衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心； b.電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

GPS(全球定位導(dǎo)航系統(tǒng))天線濾波和極化抗干擾技術(shù)，使得寬帶阻塞式干擾的效能急劇下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種采用偽碼瞄準(zhǔn)式干擾方案。方案能夠?qū)PS信號(hào)進(jìn)行干擾，并且干擾性能得到提升。分析了偽碼瞄準(zhǔn)式干擾原理和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)GPS偽碼瞄準(zhǔn)式干擾機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分別包括偽碼干擾源模塊設(shè)計(jì)和載波模塊設(shè)計(jì)，并給出了個(gè)電路的原理和硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)GPS接收機(jī)的載噪比進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明偽碼瞄準(zhǔn)式干擾，載噪比降低，具有干擾功率集中的優(yōu)點(diǎn)。相比寬帶阻塞式干擾，性能得到提升。

壓制性干擾；瞄準(zhǔn)式干擾；GPS對(duì)抗；C/A碼；相關(guān)干擾；衛(wèi)星干擾；電子對(duì)抗

0 引言

寬帶阻塞式干擾是針對(duì)全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(global positioning system，GPS)系統(tǒng)常用的干擾方式[1]，多用于對(duì)GPS制導(dǎo)巡航導(dǎo)彈進(jìn)行干擾。然而，GPS天線濾波和極化抗干擾技術(shù)[2]的研究，使得GPS接收機(jī)對(duì)干擾的抗性得到增強(qiáng)，寬帶阻塞式干擾的性能急劇下降。為了提高干擾性能，采用窄帶干擾信號(hào)[3]是研究的主要趨勢(shì)。

文獻(xiàn)[4-5]介紹了偽碼瞄準(zhǔn)式干擾在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用，然而，在GPS領(lǐng)域的研究還未見(jiàn)到報(bào)道[6-7]。本文在分析GPS信號(hào)的特點(diǎn)上，提出了針對(duì)GPS的偽碼瞄準(zhǔn)式干擾技術(shù)。分析了干擾對(duì)GPS接收信號(hào)相關(guān)特性的影響，并設(shè)計(jì)了載波模塊和干擾源模塊，搭建了測(cè)試平臺(tái)。結(jié)果表明，采用偽碼瞄準(zhǔn)式干擾技術(shù)，相比阻塞式干擾[8]載噪比更低，干擾性能更好。

1 偽碼瞄準(zhǔn)式干擾技術(shù)

1.1 瞄準(zhǔn)式干擾原理

瞄準(zhǔn)式干擾是基于壓制性干擾的技術(shù)，主要用于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)[9]。偽碼瞄準(zhǔn)式干擾是將干擾信號(hào)精確瞄準(zhǔn)到GPS下行信號(hào)，干擾信號(hào)集中在GPS頻譜范圍內(nèi)[10]。

圖1 瞄準(zhǔn)式干擾與GPS收發(fā)系統(tǒng)Fig.1 Aiming- jamming and GPS system

如圖1所示，說(shuō)明了干擾信號(hào)與GPS通信系統(tǒng)的關(guān)系。數(shù)據(jù)碼DATA經(jīng)過(guò)C/A碼擴(kuò)頻與BPSK調(diào)制發(fā)射出去，成為GPS信號(hào)。GPS信號(hào)和干擾信號(hào)同時(shí)被接收端接收，經(jīng)過(guò)解調(diào)與解擴(kuò)得到數(shù)據(jù)碼DATA。該接收端DATA同時(shí)包含噪聲信號(hào)和數(shù)據(jù)。因此，GPS接收系統(tǒng)受到干擾。

根據(jù)上述分析，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)式干擾的關(guān)鍵技術(shù)：①干擾信號(hào)帶寬與GPS信號(hào)帶寬2 MHz一致，②干擾信號(hào)載頻與GPS信號(hào)載頻1 575.42 MHz一致。為了解決這2點(diǎn)，本文在硬件設(shè)計(jì)上，提出了偽碼干擾源和載波發(fā)生模塊設(shè)計(jì)方案。

1.2 偽碼瞄準(zhǔn)式干擾對(duì)GPS信號(hào)影響理論分析

在沒(méi)有干擾的情況下，衛(wèi)星接收機(jī)的接收信號(hào)為

(1)

式中：A表示信號(hào)s(t)傳輸過(guò)程中的信道衰減；d(t)為數(shù)據(jù)信號(hào)；Pi(t)為GPS信號(hào)擴(kuò)頻碼；w0為載波信號(hào)。

在有干擾情況下，信號(hào)s(t)和人為干擾j(t)是線性疊加的，即接收機(jī)的接收信號(hào)為

(2)

對(duì)于偽碼瞄準(zhǔn)式干擾，式(2)中干擾信號(hào)j(t)可以表示為

(3)

式中：Aj為干擾振幅；Pj為偽碼干擾序列；wj為干擾信號(hào)載頻。為了簡(jiǎn)化分析，不考慮導(dǎo)航電文d(t)和相位φ的影響，接收機(jī)的接收信號(hào)可簡(jiǎn)化為

r(t)=APicos(w0t)+AjPjcos(wjt).

(4)

對(duì)于接收機(jī)K路信道，對(duì)式(4)的r(t)求自相關(guān)[11]，即接收信號(hào)的相關(guān)特性：

(5)

式中：T為信道積分時(shí)間；上述第1個(gè)積分為第i衛(wèi)星信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)；第2個(gè)積分為干擾序列與衛(wèi)星信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)。

在無(wú)干擾情況下，對(duì)于GPS L1頻段，Pi擴(kuò)頻碼為C/A碼，其有良好的自相關(guān)特性c(τ)，如圖2所示。在有干擾信號(hào)時(shí)，存在Pj偽碼干擾序列，會(huì)使的c(τ)的自相關(guān)特性發(fā)生改變。如圖3所示，存在多個(gè)相關(guān)系數(shù)，導(dǎo)致在GPS信號(hào)解擴(kuò)過(guò)程中，碼跟蹤環(huán)[12]無(wú)法鎖定，無(wú)法捕獲導(dǎo)航電文。

圖2 無(wú)干擾時(shí)GPS信號(hào)的相關(guān)系數(shù)Fig.2 Correlation coefficient of GPS signal without interference

圖3 偽碼干擾時(shí)GPS信號(hào)的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient of GPS signal in PN code jamming

1.3 瞄準(zhǔn)式干擾性能評(píng)估

文獻(xiàn)[13]給出了GPS干擾效能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)偽碼瞄準(zhǔn)式干擾的性能進(jìn)行了研究。干擾對(duì)GPS接收機(jī)的影響是降低信號(hào)/噪聲功率密度比C/N0。

(6)

式中：S為接收到的GPS功率；N0為熱噪聲功率密度W/Hz；I0為干擾噪聲功率密度。本文通過(guò)C/N0來(lái)衡量干擾信號(hào)對(duì)GPS信號(hào)的影響。C/N0越低，信號(hào)質(zhì)量越差，受到的干擾越強(qiáng)。后續(xù)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了干擾信號(hào)會(huì)降低C/N0。

2 偽碼瞄準(zhǔn)式干擾硬件電路實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，干擾機(jī)本質(zhì)上采用發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)[14]，包括基帶和射頻兩大部分。偽碼瞄準(zhǔn)式干擾的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)上述2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，因此，分別對(duì)偽碼干擾源、載波發(fā)生模塊進(jìn)行了研究。

2.1 偽碼干擾源設(shè)計(jì)

如圖4所示，偽碼干擾源采用C/A碼，由可編程邏輯器件 XILINX FPGA(field programmable gate array)產(chǎn)生。由于C/A碼是以一定規(guī)律和周期重復(fù)產(chǎn)生的，具有類似噪聲的序列，具有接近白噪聲的相關(guān)函數(shù)[15]，同時(shí)C/A碼也是GPS信號(hào)的擴(kuò)頻碼。因此，采用C/A碼能夠?qū)崿F(xiàn)干擾信號(hào)帶寬與GPS信號(hào)帶寬一致。

如圖5所示，C/A Code主要由G1 Code與G2 Code異或產(chǎn)生。C/A模擬產(chǎn)生速率1.023 MHz的第i顆衛(wèi)星的C/A碼序列，C/A碼有1 023個(gè)碼片，持續(xù)周期是1 ms。如圖6所示，為C/A碼的半邊頻譜，C/A碼帶寬為2 MHz≈1.023 MHz×2，說(shuō)明與GPS信號(hào)帶寬一致，采用該方法可行。

2.2 載波發(fā)生模塊設(shè)計(jì)

如圖4所示，載波發(fā)生模塊包括數(shù)字頻率綜合器(direct digital synthesizer，DDS)，鎖相環(huán)倍頻器PLL(phase locked loop)，濾波電路。載波發(fā)生模塊的功能是產(chǎn)生載波信號(hào)。該載波信號(hào)瞄準(zhǔn)GPS信號(hào)中心頻率1 575.42 MHz。

文獻(xiàn)[16]給出了DDS+PLL合成頻率的方案，本文將其應(yīng)用于載波頻率的合成。

圖4 干擾機(jī)硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of jamming machine

圖5 C/A碼發(fā)生器原理Fig.5 Principle of C/A code generator

圖6 C/A碼頻譜Fig.6 C/A code spectrum

如圖7所示，恒溫晶振提供基準(zhǔn)時(shí)鐘源fREF，通過(guò)頻率控制字FTW對(duì)DDS進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)低通濾波，輸出分頻信號(hào)fDDS。該信號(hào)作為PLL的輸入信號(hào)。PLL包括PFD鑒相器，低通濾波器，壓控振蕩器VCO，N DIVIER分頻器。輸出信號(hào)為fOUT。

圖7 載波發(fā)生硬件設(shè)計(jì)Fig.7 Hardware design of carrier

該電路經(jīng)過(guò)調(diào)試，說(shuō)明這一方案是成功的。如圖8給出了載波信號(hào)的頻譜圖，中心頻率為1 575.42 MHz。

圖8 載波輸出信號(hào)Fig.8 Carrier output signal

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 干擾機(jī)輸出信號(hào)測(cè)試

如圖9所示，Tektronix頻譜儀測(cè)試輸出波形。信號(hào)主瓣中心頻率為1 575.42 MHz，帶寬為2 MHz，與GPS信號(hào)的特征一致，說(shuō)明該干擾信號(hào)瞄準(zhǔn)了GPS信號(hào)。

圖9 干擾信號(hào)頻譜Fig.9 Spectrum of interference signal

3.2 偽碼瞄準(zhǔn)式干擾性能評(píng)估測(cè)試

如圖10所示，在戶外條件下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)了測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)包括：維科V.KEL衛(wèi)星接收模塊以及上位機(jī)軟件顯示的衛(wèi)星狀態(tài)圖，說(shuō)明收到了衛(wèi)星信號(hào)。

測(cè)試的主要參數(shù)為載噪比C/N0，單位dB- Hz。如表1所示，分別測(cè)試了偽碼瞄準(zhǔn)式干擾與寬帶阻塞是干擾對(duì)GPS載噪比C/N0的影響。

表1 載噪比C/N0的測(cè)試結(jié)果

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：①本文設(shè)計(jì)的偽碼瞄準(zhǔn)式干擾系統(tǒng)降低了載噪比，達(dá)到了干擾效果。②瞄準(zhǔn)式干擾相比寬帶阻塞式干擾載噪比更低，干擾性能得到提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)壓制性干擾性能的不足，擴(kuò)頻后干擾功率下降的問(wèn)題，結(jié)合GPS信號(hào)特征，提出了借助偽碼噪聲序列實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)式干擾的方法。通過(guò)對(duì)GPS信號(hào)的自相關(guān)性分析，表明在瞄準(zhǔn)式干擾下，GPS信號(hào)的自相關(guān)性發(fā)生改變，碼跟蹤環(huán)無(wú)法鎖定，接收機(jī)收到干擾。在硬件電路上，設(shè)計(jì)了偽碼干擾源和載波發(fā)生模塊，產(chǎn)生了干擾信號(hào)。搭建了干擾測(cè)試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該方法能夠降低GPS信號(hào)的載噪比，相比阻塞式干擾性能更強(qiáng)。

[1] 喻紅婕，潘成勝.GPS阻塞式壓制干擾技術(shù)的分析與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(1)：65-67. YU Hong- jie，PAN Cheng- sheng.The Research and Implementation of the Blocking- Suppressing Jamming Technigue in GPS[J].Transactions of Shenyang Ligong University，2006，25(1)：65-67.

[2] 楊忠，白渭雄，付孝龍.全極化輔助天線對(duì)消極化干擾方法分析[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2016，44(5)：131-136. YANG Zhong，BAI Wei- xiong，F(xiàn)U Xiao- long.Cancellation Method Analysis of Full Polarized Auxiliary Antenna to Polarized Interference[J].Modern Defence Technology，2016，44(5)：131-136.

[3] 胡澤賓，趙惠昌.偽碼引信瞄準(zhǔn)式欺騙干擾及硬件實(shí)現(xiàn)[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2006，28(10)：1817-1819. HU Ze- bin，ZHAO Hui- chang.Jamming of Spot and Deception of Pseudo- Random Code Phase- Modulation Fuze and Hardware Implemented Circuit[J].Journal of Electronics & Information Technology，2006，28(10)：1817-1819.

[4] 侯者非，王學(xué)東，陳國(guó)軍.GPS干擾與抗干擾技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(23)：99-101. HOU Zhe- fei，WANG Xue- dong，CHEN Guo- jun.Research on Interference and Anti- Interference of GPS[J].Modern Electronics Technique，2004，27(23)：99-101.

[5] 沈陽(yáng)，李修和，陳永光.一種新的壓制性干擾技戰(zhàn)術(shù)研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2008，30(5)：1068-1071. SHEN Yang，LI Xiu- he，CHEN Yong- guang.Research on One New Blanket Jamming Technology and Tactics[J].Journal of Electronics & Information Technology，2008，30(5)：1068-1071.

[6] 楊春曉，謝軍偉，張昭建.針對(duì)制導(dǎo)雷達(dá)的新型干擾仿真及分析[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2016，44(5)：194-200. YANG Chun- xiao，XIE Jun- wei，ZHANG Zhao- jian.Simulation and Analysis of New Type Jamming for Guidance Radar[J].Modern Defence Technology，2016，44(5)：194-200.

[7] BEK M K，SHAHEEN E M，ELGAMEL S A.Mathematical Analyses of Matched Spectrum Interference Signal on Post- CorrelationC/N0for the GPS Receivers[C]∥International Conference on Computer Engineering & Systems，2014：119-124.

[8] 毛虎，吳德偉，盧虎，等.GPS M碼信號(hào)壓制干擾樣式效能分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，44(3)：350-356. MAO Hu，WU De- wei，LU Hu，et al.Effectiveness Analysis of the Blanket Jamming Mode to GPS M Code Signal[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2015，44(3)：350-356.

[9] 祝愛(ài)民，石春和，董良東，等.基于FPGA高斯白噪聲發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].火力與指揮控制，2009，34(7)：119-121. ZHU Ai- min，SHI Chun- he，DONG Liang- dong，et al.Design and Realization of Gaussian White Noise Generator Based on FPGA[J].Fire Control & Command Control，2009，34(7)：119-121.

[10] BONFANTI A，AMOROSA F，SAMORI C.A DDS- Based PLL for 2.4- GHz Frequency Synthesis[J].Circuits & Systems II Express Briefs IEEE Transactions on，2003，50(12)：1007-1010.

[11] 薛磊，湯俊杰，張煊滏.基于接收機(jī)跟蹤性能的GPS壓制干擾效果分析[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2011，39(4)：26-30. XUE Lei，TANG Jun- jie，ZHANG Xuan- fu.Analysis of Blanket Jamming Effect on GPS Receiver Based on Performance of Tracking Loop of Receiver[J].Modern Defence Technology，2011，39(4)：26-30.

[12] 劉雅娟，高偉，張娜.壓制性干擾系統(tǒng)仿真研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(10)：1671-1815. LIU Ya- juan，GAO Wei，ZHANG Na.The Study of Blanketed Jamming System Simulation[J].Science Technology and Engineering，2012，12(10)：1671-1815.

[13] 何江，郭承軍，陳智.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的干擾頻域門限檢測(cè)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2016，42(4)：105-111. HE Jiang，GUO Cheng- jun，CHEN Zhi.Research on Threshold Detection Technology of Interference Frequency Domain in Global Navigation Satellite System[J].Computer Engineering，2016，42(4)：105-111.

[14] 趙敏，趙麗屏.全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2016，7(1)：37-40. ZHAO Min，ZHAO Li- ping.Anti- Jamming Technologies for Global Satellite Navigation and Positioning Systems[J].Command Information System and Technology，2016，7(1)：37-40.

[15] 楊朝，徐慨，楊海亮.衛(wèi)星通信干擾信號(hào)的檢測(cè)方法指揮[J].控制與仿真，2016，38(6)：125-134. YANG Zhao，XU Kai，YANG Hai- liang.Study on Detection for Interference Signals in Satellite Communication[J].Command Control & Simulation，2016，38(6)：125-134.

[16] 潘高峰，王李軍，華軍.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016. PAN Gao- feng，WANG Li- jun，HUA Jun.Anti- Jamming Technology of Satellite Navigation Receiver[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2016.

Pseudo Code Aiming- Jamming Design of GPS

PAN Wei1a，YANG Zu- fang2，ZHENG Jian- sheng1b

(1.Wuhan University，a.GNSS Research Center；b.Electronic Information School，Hubei Wuhan 430072，China； 2.Wuhan Technology and Business University，Information Engineering School，Hubei Wuhan 430065，China)

Global positioning system (GPS) antenna filtering and polarization interference technology makes the performance of broadband blocking interference decreased dramatically. To solve this problem, a pseudo code aiming jamming scheme is proposed which can interfere with the GPS signal, and the performance is improved. The pseudo code aiming jamming principle and evaluation standards are analyzed. GPS code aiming jamming machine is designed, including pseudo code and carrier interference source module design, as well as the realization principle and hardware circuit. The carrier to noise ratio of the GPS receiver is tested. Experimental results show that the pseudo code aiming jamming can effectively interfere with GPS and has the advantage of the interference power concentration. Compared to broadband blocking interference, the performance is enhanced.

blanket jamming； spot jamming； GPS countermeasure； C/A code； correlated interference； satellite interference； electronic countermeasure

2016-12-13；

2017-03-21 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273053)；武漢工商學(xué)院2016年度科研基金項(xiàng)目(A2016008) 作者簡(jiǎn)介：潘偉(1991-)，男，安徽六安人。碩士生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星干擾與抗干擾技術(shù)，衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.023

TN972;P228.4

A

1009- 086X(2017)- 04- 0143- 06

通信地址：340000 湖北省武漢市武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 E- mail：panwei314@163.com