慣性輔助GNSS接收機(jī)的干擾識(shí)別

尹偉偉，高端陽(yáng)，傅 軍

(1.海軍902工廠，上海 200083；2.海軍工程大學(xué) 導(dǎo)航工程系，武漢 430033)

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的日漸成熟，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)可以在全球范圍內(nèi)提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)(positioning，navigation and timing，PNT)服務(wù)，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)、軍事領(lǐng)域還是在社會(huì)生活中都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。正是由于GNSS在眾多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在軍事領(lǐng)域，使得GNSS干擾與反干擾技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]闡述了當(dāng)前抗欺騙干擾方法存在的問(wèn)題和未來(lái)欺騙防護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[2]指出了現(xiàn)有抗欺騙方法的缺陷及將來(lái)可能采取的抗欺騙干擾手段。文獻(xiàn)[3-4]按照信號(hào)層加密處理階段、射頻前端處理階段、基帶中頻信號(hào)處理階段、導(dǎo)航信息輸出階段等4個(gè)階段對(duì)當(dāng)前的抗欺騙干擾技術(shù)體系進(jìn)行了歸納分析，并指出當(dāng)前抗欺騙干擾技術(shù)存在的局限性，提出了一種欺騙功率控制策略，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整欺騙干擾的總功率及各支路信號(hào)功率，使得噪聲基底的抬高幅度和最大欺騙信號(hào)信噪比限制在一定范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)有效欺騙。文獻(xiàn)[5]從信號(hào)體制設(shè)計(jì)和接收機(jī)信號(hào)處理2個(gè)不同層面提出了一系列通用的抗欺騙措施，可直接用于GNSS接收機(jī)的抗欺騙設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]提出了一種根據(jù)探測(cè)到的飛行器軌跡，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星上施加傳播時(shí)延和多普勒控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)位置和速度同時(shí)欺騙的方法。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于信號(hào)能量的自動(dòng)增益控制(automatic gain control，AGC)欺騙檢測(cè)算法，當(dāng)欺騙干擾引入時(shí)，接收信號(hào)總能量會(huì)增加，AGC減小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)欺騙干擾的檢測(cè)。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于加速度計(jì)的欺騙檢測(cè)算法，通過(guò)對(duì)比加速度計(jì)信息與GNSS信息的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)欺騙干擾的檢測(cè)。

當(dāng)存在干擾信號(hào)時(shí)，GNSS接收機(jī)自身如何準(zhǔn)確判斷干擾信號(hào)是否存在，是實(shí)施反干擾的關(guān)鍵。鑒于此，本文針對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)與GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，從定位的角度仿真分析了當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)遭到干擾時(shí)，GNSS定位結(jié)果與INS輸出結(jié)果之間的差異變化特性。

1 干擾方式

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)分壓制式干擾和欺騙性干擾2種。

1.1 壓制式干擾

壓制式干擾目的是使GNSS接收機(jī)失去定位能力。根據(jù)干擾頻譜寬度與被干擾GNSS接收機(jī)通頻帶的比值，壓制式干擾可分為瞄準(zhǔn)式干擾、阻塞式干擾和掃頻式干擾等。

瞄準(zhǔn)式干擾是指用于干擾的載頻與GNSS接收機(jī)通信信號(hào)頻率重合，頻譜寬度基本相同，而功率明顯強(qiáng)于對(duì)方通信信號(hào)。由于其干擾頻率集中，干擾能量全部用來(lái)壓制對(duì)方的通信信號(hào)，因而干擾信號(hào)的利用率高、干擾效果好；但同時(shí)要求干擾的頻率重合度要好，對(duì)干擾機(jī)性能要求高，需要有專(zhuān)門(mén)的引導(dǎo)干擾頻率的偵察單元。

阻塞式干擾是在很寬的頻帶(一般在數(shù)十兆赫以上)上發(fā)射噪聲干擾信號(hào)，在此頻帶內(nèi)的所有通信設(shè)備都將受到干擾。由于干擾功率分散在很寬的頻帶上，要想實(shí)現(xiàn)有效壓制，就必須采用大功率干擾發(fā)射機(jī)。

掃頻干擾結(jié)合了瞄準(zhǔn)式干擾和阻塞式干擾的特點(diǎn)，在任一時(shí)刻，干擾機(jī)產(chǎn)生的雜波信號(hào)帶寬與瞄準(zhǔn)式干擾一樣，與GNSS接收機(jī)的帶寬相當(dāng)；但雜波信號(hào)頻率又在一個(gè)更寬的頻率范圍內(nèi)周期變化，相當(dāng)于以雜波的帶寬在大頻率范圍內(nèi)掃描：這樣，即使GNSS接收機(jī)的工作頻率不確定，但只要落入掃頻的范圍，就存在干擾進(jìn)入GNSS接收機(jī)內(nèi)的可能性。

1.2 欺騙式干擾

欺騙干擾并不是通過(guò)噪聲壓制GNSS接收機(jī)，使其不能接收真實(shí)信號(hào)，而是制造虛假衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)處理，使得該虛假信號(hào)具備GNSS接收機(jī)期望信號(hào)的特征，使GNSS接收機(jī)錯(cuò)誤的理解和使用該虛假信號(hào)。衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾技術(shù)按照欺騙方式的不同，可分為2類(lèi)：一類(lèi)是簡(jiǎn)單欺騙干擾；另一類(lèi)是隱蔽欺騙干擾。

簡(jiǎn)單欺騙干擾，即欺騙干擾只是通過(guò)各種欺騙的手段，使得GNSS接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置信息，從而輸出錯(cuò)誤結(jié)果。此類(lèi)干擾在干擾前跟干擾后GNSS接收機(jī)的輸出位置信息存在較大的差異。正是這種差異性的存在使得簡(jiǎn)單欺騙干擾易被發(fā)現(xiàn)。

隱蔽欺騙干擾，通過(guò)使用一些精準(zhǔn)的欺騙干擾方式，使得GNSS接收機(jī)的輸出結(jié)果與真實(shí)位置逐漸拉偏，從而GNSS接收機(jī)輸出的位置信息與真實(shí)位置誤差越來(lái)越大。由于整個(gè)欺騙的過(guò)程是一個(gè)漸變的過(guò)程，此類(lèi)干擾信號(hào)不易被GNSS接收機(jī)察覺(jué)。

2 INS/GNSS抗干擾技術(shù)

INS具有故障率低、連續(xù)性好、數(shù)據(jù)更新率高、短期高精度等優(yōu)點(diǎn)；但是由于導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)積分得到，導(dǎo)致誤差隨時(shí)間積累，長(zhǎng)期定位精度較差。INS/GNSS組合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了INS和GNSS之間的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，結(jié)合了2種系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以提供連續(xù)、高帶寬、長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)精度均較高的、完整的導(dǎo)航參數(shù)[9-10]。

圖1表示INS/GNSS組合一般組合方式。在組合系統(tǒng)中，GNSS測(cè)量抑制了慣性導(dǎo)航的誤差積累，而INS對(duì)GNSS導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行了平滑且抑制了信號(hào)的跳變；當(dāng)GNSS信號(hào)受到干擾時(shí)，可以利用INS信息對(duì)干擾進(jìn)行判斷，剔除GNSS數(shù)據(jù)異常值。

圖1 INS/GNSS組合一般組合方式

圖2為INS/GNSS松耦合組合結(jié)構(gòu)，GNSS輸出的位置和速度作為測(cè)量輸入提供給卡爾曼濾波器，組合卡爾曼濾波器進(jìn)而估算出INS誤差，再對(duì)INS導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行校正，校正后的INS導(dǎo)航參數(shù)為組合導(dǎo)航參數(shù)輸出[11]。松耦合組合導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)在于除了組合導(dǎo)航信息輸出，還有獨(dú)立的GNSS導(dǎo)航信息輸出以及獨(dú)立的INS導(dǎo)航信息輸出。

圖2 INS/GNSS松耦合組合結(jié)構(gòu)

圖3為INS/GNSS組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合流程，GNSS系統(tǒng)有自己獨(dú)立的導(dǎo)航信息輸出，INS也有自己獨(dú)立導(dǎo)航信息輸出，當(dāng)二者之間的差值大于一定的閾值ΔP時(shí)，則認(rèn)為GNSS導(dǎo)航信息異常，GNSS接收機(jī)可能受到干擾[12]。ΔP的選擇與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GNSS性能有關(guān)。

圖3 INS/GNSS數(shù)據(jù)融合流程

3 干擾環(huán)境下INS/GNSS仿真分析

針對(duì)高、低精度INS與GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，分別采用簡(jiǎn)單欺騙干擾和隱蔽欺騙干擾對(duì)GNSS接收機(jī)特性進(jìn)行仿真分析。

3.1 壓制干擾下GNSS接收機(jī)特性分析

此類(lèi)干擾目的在于阻塞GNSS接收機(jī)正常工作。根據(jù)干擾功率的大小GNSS接收機(jī)主要有2種現(xiàn)象：

1)干擾功率中等時(shí)，會(huì)導(dǎo)致GNSS接收機(jī)的信號(hào)質(zhì)量下降，因此信號(hào)的載噪比較低，如果大部分信號(hào)的載噪比低于30 dB Hz，則可放棄使用接收機(jī)定位結(jié)果；

2)干擾功率很強(qiáng)時(shí)，GNSS接收機(jī)將不能正常工作，沒(méi)有定位結(jié)果輸出。

3.2 欺騙干擾下GNSS接收機(jī)特性分析

欺騙干擾在GNSS接收機(jī)端的現(xiàn)象主要有2種：簡(jiǎn)單欺騙干擾和隱蔽欺騙干擾。

簡(jiǎn)單欺騙干擾：即欺騙干擾只是簡(jiǎn)單使接收機(jī)輸出錯(cuò)誤的結(jié)果，此時(shí)接收機(jī)輸出的結(jié)果與INS輸出的結(jié)果之間會(huì)有很大的誤差；因此可以依據(jù)這一現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)欺騙干擾，并舍棄GNSS接收機(jī)的使用。

隱蔽欺騙干擾：這類(lèi)干擾逐漸拉偏GNSS接收機(jī)的位置信息，此時(shí)在只有當(dāng)INS的精度很高，一般位置誤差小于0.5 n mile/h 時(shí)，操作人員才能發(fā)現(xiàn)GNSS接收機(jī)故障；若INS精度較差，操作人員無(wú)法判斷GNSS接收機(jī)輸出的位置信息是否錯(cuò)誤。

分別對(duì)高、低精度INS仿真分析如圖4～圖9所示。

圖4 高精度INS，無(wú)干擾

圖5 高精度INS，簡(jiǎn)單欺騙干擾

圖6 高精度INS，隱蔽欺騙干擾

圖7 低精度INS，無(wú)干擾

圖8 低精度INS，簡(jiǎn)單欺騙干擾

圖9 低精度INS，隱蔽欺騙干擾

由圖5～圖6和圖8～圖9可知，在欺騙初期無(wú)法依據(jù)INS輸出的定位結(jié)果PI和GNSS輸出的定位結(jié)果PS單個(gè)歷元之間的差異來(lái)判斷GNSS輸出的定位結(jié)果PS是否正確。隨著GNSS受到干擾，載體被逐漸拉偏，單個(gè)歷元的INS輸出的定位結(jié)果PI和GNSS輸出的定位結(jié)果PS之間的差異越來(lái)越大，此時(shí)可以根據(jù)該差異來(lái)判斷GNSS是否可用。

圖10為無(wú)欺騙干擾、簡(jiǎn)單欺騙干擾、隱蔽欺騙干擾時(shí)GNSS和INS輸出的定位結(jié)果差異累加值的變化情況。GNSS和INS結(jié)果差異累加值的計(jì)算公式為

(1)

式中：PS(i)為i時(shí)刻GNSS輸出的定位結(jié)果；PI(i)為i時(shí)刻INS輸出的定位結(jié)果。

綜合上述圖形可見(jiàn)，簡(jiǎn)單欺騙干擾下的‖PS-PI‖累加值y(k)大于無(wú)欺騙干擾的情形，而隱蔽欺騙干擾下的y(k)小于無(wú)欺騙干擾的情形，這說(shuō)明使用y(k)有時(shí)不能準(zhǔn)確檢測(cè)出欺騙干擾；因此在INS精度較差時(shí)，依據(jù)PS和PI之間的差異來(lái)判斷PS是否正確的方法不夠穩(wěn)健。

圖10 低精度INS下‖PS-PI‖累加值變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于高、低精度INS條件下INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，針對(duì)GNSS接收機(jī)被干擾的情形，仿真分析了載體的真實(shí)位置、INS輸出的定位結(jié)果與GNSS輸出的定位結(jié)果3者之間的關(guān)系。當(dāng)GNSS接收機(jī)被干擾時(shí)，INS輸出的位置信息與GNSS輸出的位置信息之間的差異越來(lái)越大；但是在低精度INS條件下，單純使用INS定位信息與GNSS定位信息之間的差異來(lái)判斷GNSS接收機(jī)是否受干擾的方法不夠穩(wěn)健，需結(jié)合其他手段共同判斷。

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