多模GNSS偽碼相關(guān)干擾機(jī)設(shè)計(jì)

張?jiān)孪?楊瑞琪 張玉宣

(北京信息科技大學(xué) 北京 100101)

0 引言

在信息化戰(zhàn)爭中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)貫穿戰(zhàn)場上的每一個(gè)環(huán)節(jié)，無論是單兵作戰(zhàn)，還是集團(tuán)的綜合推進(jìn)，都需要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來進(jìn)行指導(dǎo)規(guī)劃，所以遏制敵方衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作，對戰(zhàn)爭的勝利起著很重要的作用[1]。目前，四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)有美國的GPS系統(tǒng)[2]、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)[3]、歐盟的GALILEO系統(tǒng)[4]和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)[5]，他們形成了并存與發(fā)展的局面，并且多模融合成為未來的重要發(fā)展方向。GNSS系統(tǒng)主要依靠衛(wèi)星發(fā)送的射頻信號，當(dāng)射頻信號發(fā)送到地面時(shí)，信號功率極小，非常容易受到其他信號的干擾，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的導(dǎo)航定位精度下降，甚至不能正常工作。所以研究多模衛(wèi)星導(dǎo)航干擾機(jī)對現(xiàn)在戰(zhàn)爭具有非常重要的意義。

目前，世界上很多國家都進(jìn)行GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾研究。英國使用干擾功率為1W的干擾機(jī)可以使GPS接收機(jī)在3km范圍內(nèi)不能工作。俄羅斯2000年成功研制了一種壓制式干擾機(jī)，干擾功率8W，能對GPS的兩個(gè)頻段(1227MHz和1575MHz)實(shí)施干擾，干擾距離可達(dá)數(shù)百公里。美國正在開發(fā)一個(gè)名為“狼群”的項(xiàng)目，這是一種智能型干擾機(jī)，輸出功率只有幾瓦，可以使3英里范圍內(nèi)的接收機(jī)無法正常工作[6]。伊拉克戰(zhàn)爭中，伊拉克至少使用了6臺大功率的干擾機(jī)，大大降低了聯(lián)軍GPS制導(dǎo)武器的命中率。由此可見，掌握GNSS干擾技術(shù)對戰(zhàn)爭起著關(guān)鍵的作用，但是目前的干擾技術(shù)都集中在單模的研究中，多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航干擾機(jī)的研究是亟待解決的重要課題。

本文設(shè)計(jì)了一種多模GNSS偽碼相關(guān)干擾機(jī)(以下簡稱M-GNSS干擾機(jī))，其利用與多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號中C/A碼相似的偽碼作為干擾信號，使GNSS接收機(jī)不能正確解調(diào)衛(wèi)星信號，以使其失效。文中通過分析多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)偽碼相關(guān)干擾信號，理論分析表明其所需功率較小。本文利用DDS芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了M-GNSS干擾機(jī)，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)簡單，成本低廉。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該M-GNSS干擾機(jī)操作簡單、人機(jī)界面友好、干擾頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定、所需功率較小，干擾效果良好。

1 M-GNSS信號干擾分析

1.1 壓制式干擾原理

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾方式有兩種，分別是欺騙式干擾和壓制式干擾。

欺騙式干擾分為產(chǎn)生式和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，產(chǎn)生式干擾需要了解多模GNSS信號的詳細(xì)信息，如衛(wèi)星信號碼型和衛(wèi)星電文數(shù)據(jù)，由于GNSS軍碼信息處于保密狀態(tài)，所以針對GNSS軍用接收機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生式干擾比較困難；轉(zhuǎn)發(fā)式干擾需要先使接收機(jī)處于失鎖狀態(tài)，然后在GNSS衛(wèi)星信號中增加延遲信息轉(zhuǎn)發(fā)給接收機(jī)，以使GNSS接收機(jī)失效，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾操作復(fù)雜，且不易實(shí)現(xiàn)。

壓制式干擾是通過干擾機(jī)發(fā)射同頻率大功率的噪聲信號以阻塞衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻帶，使GNSS接收機(jī)降低或完全失去正常工作能力。壓制式干擾從干擾信號帶寬可分為寬帶干擾和窄帶干擾；從干擾信號樣式又可分為瞄準(zhǔn)式干擾(連續(xù)波干擾)、噪聲帶限干擾、相關(guān)干擾等多種方式，在干擾作用時(shí)間上有連續(xù)干擾和脈沖干擾，干擾方式不同干擾效果也不盡相同。壓制式干擾的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)難度較小，操作簡單，干擾效果良好[7]。因此，本文設(shè)計(jì)的M-GNSS干擾機(jī)采用壓制式干擾方式來對GNSS衛(wèi)星信號進(jìn)行干擾。

1.2 多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理

多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號原理如圖1所示。四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別具有多個(gè)頻點(diǎn)，每一個(gè)頻點(diǎn)表示一種模式，用i來表示多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的不同模式，最多有N種模式。在圖1中，ai(t)(i=1…N)表示不同模式的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電文數(shù)據(jù)碼，pi(t)(i=1…N)表示其對應(yīng)的擴(kuò)頻碼；cos(wcit+φi)(i=1…N)表示其對應(yīng)的載波信號，si(t)(i=1…N)表示每種模式的發(fā)送信號，s(t)表示多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總的發(fā)送信號，其可以表示為[8]：

(1)

圖1 GNSS信號原理圖

從圖1中可以看出，多模GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的信號y(t)可用下式表達(dá)：

y(t)=s(t)h(t)+n(t)

(2)

式中，n(t)為空間噪聲，h(t)=kδ(t-t0)為理想恒參信道，k為恒參信道的衰減，t0為恒參信道的時(shí)延。接收機(jī)接收到的信號與擴(kuò)頻碼相匹配，進(jìn)行解調(diào)后可以得出：

(3)

其中，擴(kuò)頻碼自相關(guān)函數(shù)為：

(4)

(5)

當(dāng)GNSS接收機(jī)接收到的信號功率小于接收機(jī)靈敏度時(shí)，不能正確識別衛(wèi)星導(dǎo)航信號。GNSS接收機(jī)靈敏度是由熱噪聲電平、接收系統(tǒng)噪聲損耗和獲取有效信息所需的載噪比組成[9]，如下式：

PR=N0+Lf+CS/N0

(6)

式中：PR為接收機(jī)靈敏度，約為-160dBW；N0=10lgkT，k=1.38×10-23J/K，T一般取290K；Lf一般取為6dB。

以GPS系統(tǒng)為例，通過式(6)可以得出，在GPS接收機(jī)不受干擾的情況下，獲取有效信息所需的載噪比約為37.9dB。因此，當(dāng)壓制式噪聲干擾信號使載噪比小于此值則會使GPS接收機(jī)失鎖而不能正常工作。

1.3 M-GNSS偽碼相關(guān)干擾機(jī)原理

在衛(wèi)星導(dǎo)航信號發(fā)送過程中對多模GNSS接收機(jī)施加偽碼相關(guān)干擾信號，如圖 2所示。

圖2 偽碼相關(guān)干擾信號

偽碼相關(guān)干擾信號是一種與GNSS衛(wèi)星信號相似的信號，偽碼相關(guān)干擾信號可以通過兩個(gè)10級數(shù)的線性反饋移位寄存器所產(chǎn)生的m序列經(jīng)過異或相加得到。偽碼干擾信號可表達(dá)為：

G(t)=J1(t)J2[t+K(10q)]

(7)

式中：J1與J2是線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的m序列；K是兩個(gè)m序列之間的相位偏差系數(shù)，q是碼元寬度。

如圖2所示，干擾信號可以表示為：

(8)

式中，gi(t)表示干擾第i種模式的干擾數(shù)據(jù)，Gi(t)表示干擾第i種模式的偽碼信號，sgi(t)是干擾第i種模式的干擾信號。

多模GNSS接收機(jī)接收到的信號yg(t)可用下式表示：

yg(t)=s(t)h(t)+sg(t)h(t)+n(t)

(9)

(10)

由此可見，施加偽碼相關(guān)干擾信號后，產(chǎn)生的偽碼相關(guān)干擾噪聲為：

(11)

由于G(t)與p(t)不同步，所以τ≠0，RGp(τ)≠0，對某些τ值RGp(τ)很大已經(jīng)接近衛(wèi)星信號的擴(kuò)頻碼的自相關(guān)函數(shù)值[10]。由于壓制式噪聲與GPS擴(kuò)頻碼互相關(guān)函數(shù)值很小，只能通過增加信號功率來對GPS接收機(jī)施加干擾，所以偽碼相關(guān)干擾對比壓制式噪聲干擾，所需功率更小，干擾效果更加良好。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

M-GNSS干擾機(jī)硬件主要由主控芯片、信號產(chǎn)生電路、載波調(diào)制、上變頻電路、可變增益放大器、發(fā)射天線等組成。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

主控芯片控制信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生基帶信號，經(jīng)過載波調(diào)制后傳輸至上變頻器，上變頻器將信號上變頻為指定頻點(diǎn)的射頻信號，并經(jīng)過可變增益放大器對射頻信號功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后輸出至發(fā)射天線[11]。

M-GNSS干擾機(jī)硬件電路圖如圖 4所示：

圖4 M-GNSS干擾機(jī)電路圖

2.1 主控芯片

主控芯片選用STM32F103RET單片機(jī)，該單片機(jī)可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器使數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬信號來控制可變增益放大器產(chǎn)生不同功率的干擾信號。

單片機(jī)還集成了串口通信模塊，可以通過串口來控制信號產(chǎn)生電路和混頻電路。

單片機(jī)接收來自上位機(jī)的指令信號，解析后發(fā)送給信號產(chǎn)生電路和混頻電路，控制信號產(chǎn)生電路里的DDS產(chǎn)生不同頻率和波形的基帶信號；控制混頻電路產(chǎn)生所需要的載波信號。

2.2 信號產(chǎn)生電路

信號產(chǎn)生頻率可以產(chǎn)生不同頻率(即不同模式)和多種調(diào)制方式的干擾信號。運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)可以更加準(zhǔn)確地產(chǎn)生高頻率的信號，DDS是由二進(jìn)制數(shù)字來實(shí)現(xiàn)頻率的合成，產(chǎn)生狀態(tài)穩(wěn)定，不會隨著時(shí)間的變化而變化。本文的DDS芯片選用ADI半導(dǎo)體公司的AD9854[12]，該芯片可以輸出高達(dá)300MHz的信號，并能夠輸出BPSK、ASK、FSK等多種調(diào)制信號。

如圖5所示，上位機(jī)將配置參數(shù)傳遞給主控芯片；配置參數(shù)包括信號頻率、帶寬、功率、調(diào)制方式等。主控芯片控制基帶信號發(fā)生器，產(chǎn)生基帶干擾信號；干擾信號經(jīng)過插值濾波器、上變頻和功率控制后，變?yōu)橹蓄l信號進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器；數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的信號進(jìn)入調(diào)制單元，經(jīng)調(diào)制之后，變?yōu)槲⑷醯纳漕l信號，供后續(xù)模塊使用。

圖5 信號發(fā)生電路組成框圖

2.3 混頻電路

混頻電路是將DDS產(chǎn)生的信號調(diào)制到本地載波上，使信號的頻率上變頻至GNSS衛(wèi)星信號的頻率并保持一致。本文中本地載波產(chǎn)生電路選擇鎖相環(huán)電路，GNSS衛(wèi)星信號的頻率在1.5GHz左右，要產(chǎn)生同樣的載波信號，需要將晶振的頻率放大幾百倍，這樣很容易產(chǎn)生頻率偏移，使用鎖相環(huán)芯片可以解決這種頻率偏移，得到頻率穩(wěn)定的射頻信號[13]。

鎖相環(huán)電路選用SI4133芯片，該芯片具有兩路射頻輸出和一路中頻輸出。SI4133具有較高的精度?；祛l芯片選用ADL5375芯片，該芯片可提供較寬帶寬的輸出信號。

3 試驗(yàn)結(jié)果

該設(shè)備主要用于軍事用途，在某軍事基地進(jìn)行實(shí)地測試時(shí)，選取了某種型號的制導(dǎo)武器進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，把M-GNSS干擾機(jī)距離被測試物的多模接收機(jī)設(shè)置為50m，接收機(jī)可以通過與監(jiān)測設(shè)備連接實(shí)時(shí)監(jiān)測星況信息。試驗(yàn)方案示意圖如圖6所示。

以GPS系統(tǒng)為例，進(jìn)行測試。正常情況下，GPS接收機(jī)上位機(jī)軟件界面如圖7所示，其中圓形點(diǎn)代表GPS衛(wèi)星，方形點(diǎn)代表BD衛(wèi)星，三角點(diǎn)代表GLONASS衛(wèi)星，右下角的柱形圖代表接收到GPS衛(wèi)星信號的信噪比。當(dāng)施加干擾后，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可以看出所有圓形點(diǎn)消失，且右下角GPS信噪比全部為零，可以說明壓制式偽碼相關(guān)干擾GPS衛(wèi)星信號，使接收機(jī)失效，接收機(jī)已無法正常接收GPS信號，干擾效果良好。

圖6 試驗(yàn)方案示意圖

圖7 正常星況圖

圖8 干擾后星況圖

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的M-GNSS干擾機(jī)中干擾信號是偽碼相關(guān)干擾信號，該信號與多模衛(wèi)星導(dǎo)航信號中的C/A碼相似。通過理論分析并結(jié)合多模衛(wèi)星導(dǎo)航信號的特點(diǎn)，得出偽碼相關(guān)干擾所需功率小。本文利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了M-GNSS干擾機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明偽碼相關(guān)干擾機(jī)操作簡單、頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定，可以對多模衛(wèi)星接收機(jī)實(shí)施有效干擾。

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