一種GPS轉(zhuǎn)發(fā)干擾方式的設(shè)計(jì)?

張敬慧

（海軍駐齊齊哈爾地區(qū)某部 齊齊哈爾 161041）

1 引言

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是美國(guó)的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它不僅具有全球性、全天候和連續(xù)的精密三維定位能力，而且能實(shí)時(shí)地對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的速度、姿態(tài)進(jìn)行測(cè)定以及精確授時(shí)。GPS技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了全方位的應(yīng)用，它從根本上解決了空中、陸地和海上各種運(yùn)行平臺(tái)的定位和導(dǎo)航問(wèn)題［1］。

世界上已經(jīng)投入運(yùn)行的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)除了GPS之外，另一個(gè)比較典型的就是俄羅斯的GLONASS。GLONASS打破了美國(guó)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航獨(dú)家經(jīng)營(yíng)的局面［2］。

歐洲在經(jīng)過(guò)幾年的醞釀研究之后，1999年初正式推出伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃，并將于2008年投入運(yùn)行。伽利略系統(tǒng)獨(dú)立于GPS，頻段分開(kāi)，但將與GPS兼容和相互操作，包括時(shí)間基準(zhǔn)和測(cè)地坐標(biāo)系統(tǒng)、信號(hào)結(jié)構(gòu)以及兩者的聯(lián)合使用［3］。

我國(guó)的“北斗”雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自行開(kāi)發(fā)研制，具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、自主控制的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。能夠全天候、全天時(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航和通信服務(wù)，它的通信信號(hào)覆蓋我國(guó)全境及周邊地區(qū)，具有其他導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

此外，世界上其他一些國(guó)家也在發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如亞洲的日本和印度。

GPS系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不可或缺的、綜合有導(dǎo)航/定位/制導(dǎo)諸功能于一體的、能夠覆蓋所有作戰(zhàn)領(lǐng)域的一個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要性，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的干擾與抗干擾問(wèn)題越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注。

火工系統(tǒng)在摧毀GPS系統(tǒng)的硬件設(shè)施上將起到至關(guān)重要的作用。GPS系統(tǒng)雖然采用中高度衛(wèi)星、多星配置、衛(wèi)星機(jī)動(dòng)、航天飛機(jī)補(bǔ)充等措施來(lái)增強(qiáng)其生存能力，但該系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)信息集中系統(tǒng)，系統(tǒng)的主控站、注入站、監(jiān)測(cè)站均是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)一旦被摧毀，整個(gè)系統(tǒng)便會(huì)失效?？梢酝ㄟ^(guò)動(dòng)能武器、激光武器等反衛(wèi)星武器直接摧毀GPS衛(wèi)星，致使GPS系統(tǒng)失效。美、俄等大國(guó)都相繼發(fā)展了不同的反GPS定位衛(wèi)星武器，攔截彈、攔截器是其中一種。在攔截彈、攔截器中，火工系統(tǒng)起到了獨(dú)特作用［4～5］。

鑒于用硬摧毀GPS衛(wèi)星和地面設(shè)備的方法會(huì)引起較大的國(guó)際爭(zhēng)議，而且設(shè)備復(fù)雜、成本較高，可以通過(guò)干擾機(jī)系統(tǒng)對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行干擾，從而達(dá)到使GPS精確制導(dǎo)武器偏離目標(biāo)。

本文以干擾GPS信號(hào)接收設(shè)備為目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案也可對(duì)干擾其他的導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供參考。

2 干擾技術(shù)概述

GPS干擾的主要任務(wù)是干擾敵方GPS接收設(shè)備。從戰(zhàn)術(shù)上考慮可以采用兩種完全不同的體制：一種通常稱為欺騙式干擾，另一種是壓制式干擾［3］。

1）欺騙式干擾

欺騙式干擾是針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作機(jī)理、GPS接收機(jī)工作特性以及存在的薄弱環(huán)節(jié)，采用較隱蔽的方式進(jìn)行的干擾，由于干擾信號(hào)與GPS信號(hào)有極強(qiáng)的相關(guān)性，很容易被GPS接收機(jī)的跟蹤環(huán)撲捉，因此可以用較小的功率獲得更佳的效果。

欺騙式干擾有“產(chǎn)生式”和“轉(zhuǎn)發(fā)式”兩種體制。

所謂“產(chǎn)生式”干擾是指由干擾機(jī)產(chǎn)生能被GPS接收機(jī)接收的欺騙信號(hào)、GPS碼型以及當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星電文數(shù)據(jù)。C/A碼（粗碼）是公開(kāi)的，P碼（精碼）也已處于半公開(kāi)狀態(tài)，對(duì)它們的干擾可以實(shí)現(xiàn)，但對(duì)P碼加密后形成的軍用Y碼的干擾有較大的困難［7］。

所謂“轉(zhuǎn)發(fā)式”干擾是利用信號(hào)的自然延遲，沒(méi)有專門(mén)針對(duì)措施的GPS接收機(jī)很容易被這種類型的欺騙信號(hào)欺騙，特別是對(duì)戰(zhàn)時(shí)發(fā)布很難復(fù)制的Y碼更有效。采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)形式，能夠向被干擾目標(biāo)提供多樣的假位置。難點(diǎn)在于如何解決可靠的提取信號(hào)的同時(shí)而不被轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)干擾，如何解決在接收轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的隔離問(wèn)題。

2）壓制式干擾

壓制式干擾目前主要有阻塞式干擾以及相關(guān)干擾兩種。阻塞式干擾就是發(fā)射一個(gè)寬帶的或是窄帶的噪聲，使處于干擾范圍內(nèi)的接收機(jī)大大降低接收信號(hào)的信噪比，從而使得接收機(jī)失鎖。但這種干擾形式所需要的能量較大。相關(guān)干擾則是較好地利用了信號(hào)的相關(guān)性，它采用與GPS體系完全相同的偽碼和調(diào)制方式，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能利用信號(hào)之間的相關(guān)性，使較多的干擾能量進(jìn)入接收機(jī)，從而有效地降低接收機(jī)的性能，與阻塞式干擾相比可以節(jié)省較大的干擾功率。由于C/A碼的公開(kāi)性，使對(duì)其干擾變得容易實(shí)現(xiàn)且多樣化，通過(guò)對(duì)C/A碼的干擾既可阻止敵方獲得SPS（精確定位服務(wù)），又可使敵方無(wú)法通過(guò)接收C/A碼來(lái)獲得有關(guān)信息以引導(dǎo)對(duì)P碼的捕獲和跟蹤，相當(dāng)于干擾了P碼，所以對(duì)C/A碼的干擾也有軍用價(jià)值。但在特殊情況下，敵方無(wú)需C/A碼的引導(dǎo)，可直接捕獲P碼，當(dāng)然其定位時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)。所以，有必要考慮對(duì)P碼的干擾。P碼序列長(zhǎng)，且可加密成Y碼，要從接收中破譯P碼從而產(chǎn)生能被GPS接收機(jī)接收的高逼真欺騙信號(hào)，其技術(shù)難度非常大。這種情況下，可以采用轉(zhuǎn)發(fā)體制對(duì)GPS進(jìn)行欺騙干擾［8～9］。

本文設(shè)計(jì)一種對(duì)GPS進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的系統(tǒng)，解決了對(duì)GPS信號(hào)收發(fā)隔離問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS接收機(jī)的干擾。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和干擾效果分析

3.1 總體設(shè)計(jì)

干擾信號(hào)的產(chǎn)生是建立在信號(hào)接收的基礎(chǔ)之上的，比較難解決GPS信號(hào)收發(fā)隔離問(wèn)題。為了能夠?qū)h(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行干擾，發(fā)射信號(hào)的功率會(huì)比較大，這就很容易造成二次轉(zhuǎn)發(fā)，致使功放過(guò)激，干擾信號(hào)形成失敗。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收和發(fā)送GPS信號(hào)的隔離。系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 GPS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理圖

該系統(tǒng)由兩部分組成，一是收信機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收GPS信號(hào)和干擾機(jī)傳來(lái)的導(dǎo)頻信號(hào)（頻率暫定為1GHz），并把這兩個(gè)信號(hào)相加形成復(fù)合信號(hào)（GPS信號(hào)+導(dǎo)頻信號(hào)=復(fù)合信號(hào)）傳向空中系統(tǒng)干擾機(jī)。二是空中干擾機(jī)部分，有兩個(gè)功能，一是向地面系統(tǒng)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，二是接收來(lái)自收信機(jī)的復(fù)合信號(hào)，并分離出延時(shí)后的GPS信號(hào)（復(fù)合信號(hào)-導(dǎo)頻信號(hào)=GPS信號(hào)），轉(zhuǎn)發(fā)出去，對(duì)干擾范圍內(nèi)的GPS接收機(jī)進(jìn)行干擾［10］。

GPS衛(wèi)星信號(hào)是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波，目前采用L波段的兩種載頻：L1載波和 L2載波［11］。

考慮到美國(guó)增加了第三個(gè)民用頻率L5，1176.45MHz，波長(zhǎng) λ5=25.48cm，本文所設(shè)計(jì)的干擾系統(tǒng)將考慮對(duì)以上三個(gè)波段的GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

3.2 收信機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收信機(jī)系統(tǒng)可以固定在某一處或放置在移動(dòng)載體上（飛艇、飛機(jī)上）。如圖2所示，收信機(jī)系統(tǒng)有兩副天線，一副天線用來(lái)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，另一副天線用來(lái)接收空中系統(tǒng)的導(dǎo)頻信號(hào)，并向空中系統(tǒng)發(fā)送GPS信號(hào)與導(dǎo)頻信號(hào)復(fù)合后形成的復(fù)合導(dǎo)頻信號(hào)。

圖2 收信機(jī)系統(tǒng)組成原理圖

收信機(jī)系統(tǒng)首先要接收真實(shí)的GPS信號(hào)，所采用的 GPS 天線應(yīng)可以同時(shí)接收 L1、L2、L5信號(hào)，并要求有較高的增益。接收到的真實(shí)的GPS信號(hào)先通過(guò)中心頻率為 1575.42MHz、1227.60MHz和1176.45MHz的帶通濾波器，然后與接收到的空中傳來(lái)的1GHz導(dǎo)頻混頻，再通過(guò)三個(gè)中心頻率為2575.42MHz、2227.60MHz和2176.45MHz的帶通濾波器，最后三個(gè)信號(hào)累加，由發(fā)送天線發(fā)送給空中系統(tǒng)干擾機(jī)。

3.3 干擾機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，干擾機(jī)系統(tǒng)有兩副天線，一副天線用來(lái)發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào)和接收地面系統(tǒng)發(fā)來(lái)的復(fù)合導(dǎo)頻信號(hào)；另一副天線將下變頻后分離出的GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖3 空中轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)組成原理圖

干擾機(jī)系統(tǒng)放在空中載體上，可以采用直升機(jī)、專用電子對(duì)抗機(jī)、無(wú)人駕駛飛機(jī)、系留氣球等，升空高度不低于一定值，以確保要求的干擾半徑或干擾范圍。本文采用一種無(wú)人駕駛航模作為載體，該航模性能指標(biāo)如下：

起飛重量：60kg

翼展：3.5m

有效載荷：15kg

飛行高度：≤5000m

飛行半徑：450km

續(xù)航時(shí)間：≥8h

起飛方式：滑跑

降落方式：傘降或滑跑

用途：可根據(jù)用戶的不同需求，搭載不同的有效載荷，實(shí)現(xiàn)不同的功能，可廣泛用于偵察、校飛、線路巡航、干擾等。

干擾機(jī)系統(tǒng)不斷地向收信機(jī)系統(tǒng)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，確定與地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)系以后，接收收信機(jī)系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信號(hào)，通過(guò)三個(gè)中心頻率為2575.42MHz、2227.60MHz和2176.45MHz的帶通濾波器后，進(jìn)行下變頻，去掉導(dǎo)頻信號(hào)，通過(guò)中心頻率為1575.42MHz、1227.60MHz和1176.45MHz的帶通濾波器，分離出延時(shí)后的SL1、SL2、SL5信號(hào)，最后三個(gè)信號(hào)累加，由發(fā)射天線發(fā)射出去，對(duì)處在干擾范圍內(nèi)的GPS接收機(jī)進(jìn)行干擾。

3.4 收發(fā)隔離問(wèn)題

3.4.1 收信機(jī)系統(tǒng)收發(fā)隔離

如圖2所示，收信機(jī)系統(tǒng)的天線1接收GPS系統(tǒng)信號(hào)，中心頻率分別為1575.42MHz、1227.6MHz和1176.45MHz，天線2分時(shí)的接收空中系統(tǒng)發(fā)來(lái)的1GHz導(dǎo)頻和向空中系統(tǒng)發(fā)送GPS系統(tǒng)信號(hào)復(fù)合導(dǎo)頻信號(hào)的復(fù)合信號(hào)，兩副天線同作為接收天線時(shí)，之間可以達(dá)到互不干擾；在天線2向空中發(fā)送復(fù)合導(dǎo)頻信號(hào)時(shí)，其中心頻率比GPS系統(tǒng)信號(hào)的中心頻率分別高出1GHz，兩天線之間的工作頻率都不相同，相差在1GHz左右，而且收信機(jī)系統(tǒng)在安放在地面的情況下會(huì)有足夠空間分隔兩天線，讓收發(fā)天線彼此之間互不干擾，實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離。

3.4.2 干擾機(jī)系統(tǒng)收發(fā)隔離

如圖3所示，干擾機(jī)系統(tǒng)天線1分時(shí)的向地面發(fā)送1GHz導(dǎo)頻和接收收信機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的復(fù)合信號(hào)，復(fù)合導(dǎo)頻信號(hào)的中心頻率分別為2575.42MHz、2227.6MHz和2176.45MHz。天線2發(fā)送的是分離出延時(shí)后的SL1、SL2、SL5信號(hào)，其中心頻率為1575.42MHz、1227.6MHz和 1176.45MHz。兩天線同時(shí)作為發(fā)送天線時(shí)，之間可以達(dá)到互不干擾；在天線1接收、天線2發(fā)送時(shí)，兩天線之間的工作頻率都不相同，相差在1GHz左右，而且干擾機(jī)系統(tǒng)用航空模型作為載體，其翼展為3.5m，也可以在空間上分離兩天線，實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離。

系統(tǒng)的成功運(yùn)行的關(guān)鍵是收信機(jī)系統(tǒng)的天線1如何可靠的接收GPS系統(tǒng)的信號(hào)而不被干擾機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的GPS信號(hào)干擾。解決的辦法有距離隔離及技術(shù)隔離。

距離隔離是使收信機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)離被干擾區(qū)域，系統(tǒng)將接收到的GPS系統(tǒng)的信號(hào)變換為復(fù)合信號(hào)，以能夠使干擾機(jī)系統(tǒng)可靠接收的功率發(fā)送給干擾機(jī)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的方法是接力式，其原理如圖4。

圖4 接力式距離隔離原理圖

技術(shù)隔離是通過(guò)天線陣列的智能天線，將天線增益零點(diǎn)指向干擾機(jī)等方法來(lái)解決隔離問(wèn)題。

3.5 干擾效果分析

如圖1所示，收信機(jī)B接收空中GPS衛(wèi)星系統(tǒng)A發(fā)布的GPS系統(tǒng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)發(fā)至干擾機(jī)C，經(jīng)干擾機(jī)C處理還原出B接收到的GPS信號(hào)后，再用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空中GPS衛(wèi)星系統(tǒng)A的功率發(fā)射出去，被要干擾的GPS接收機(jī)D接收。雖然經(jīng)過(guò)了一定的延時(shí)，但GPS接收機(jī)D接收到的信號(hào)仍為收信機(jī)B所接收到的信號(hào)，故解算出來(lái)的位置信息應(yīng)為地面站B的位置信息，而不是GPS接收機(jī)D的位置信息，從而干擾GPS接收機(jī)D的正常工作?？罩蠫PS衛(wèi)星系統(tǒng)A發(fā)布的系統(tǒng)信號(hào)與干擾機(jī)C發(fā)出的信號(hào)都到達(dá)了GPS接收機(jī)D，但由于C的信號(hào)電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A的信號(hào)電平，所以D只能接收處理C發(fā)來(lái)的信號(hào)，從而達(dá)到了干擾目的［11］。

3.6 干擾距離計(jì)算

對(duì)于特定的GPS干擾機(jī)，當(dāng)發(fā)射功率已知時(shí)，計(jì)算其有效干擾距離對(duì)于作戰(zhàn)時(shí)正確布站具有重要意義。下面對(duì)本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾系統(tǒng)的有效干擾距離進(jìn)行計(jì)算。

3.6.1 最大可視距離的計(jì)算

欺騙干擾機(jī)有效干擾距離受到干擾機(jī)和GPS接收機(jī)之間的最大可視距離的限制。只考慮地球曲率而不考慮電波繞射等現(xiàn)象時(shí)，自由空間兩目標(biāo)通信的最大可視距離為

式中，d為最大可視距離（km）；h1為干擾機(jī)天線高度（m）；h2為GPS接收機(jī)天線高度（m）。

如果GPS干擾機(jī)即空中系統(tǒng)放置在無(wú)人駕駛機(jī)上，無(wú)人駕駛機(jī)的最大升空高度（天線高度）h1=5km，不考慮GPS接收機(jī)（被干擾對(duì)象）的高度，即h2=0，由上式可得，最大可視距離（半徑）為d=252km。

3.6.2 欺騙式干擾機(jī)有效干擾距離

軍用GPS接收機(jī)接收信號(hào)電平一般為-130dB·m。對(duì)于不同廠家生產(chǎn)的GPS接收機(jī)，欺騙干擾信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)大于GPS信號(hào)15dB～30dB?？紤]干擾信號(hào)進(jìn)入GPS接收機(jī)天線的角度很低（10°以下），取天線旁瓣損耗為-5dB，則在最不利的情況下完成對(duì)軍用GPS接收機(jī)欺騙干擾所需干擾信號(hào)電平為J=-130+30+5=-95dB·m?？紤]到以上因素，欺騙干擾機(jī)有效干擾距離計(jì)算式：

式中：R為有效干擾距離（km）；Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率（dB·m）；G為干擾機(jī)發(fā)射天線增益（dB）；J為干擾信號(hào)電平（-95dB·m）；f為GPS信號(hào)頻率（MHz）

設(shè)有效干擾距離R=50km，G=0，分別對(duì)L1、L2和L5波段進(jìn)行干擾，則由上式可算出 Pj分別為3.45W、2.09W和1.92W。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)GPS干擾體制做了簡(jiǎn)單介紹，設(shè)計(jì)了一種對(duì)GPS進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，提出了一種在對(duì)GPS進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)干擾過(guò)程中出現(xiàn)的收發(fā)隔離問(wèn)題的解決方法，對(duì)干擾距離和干擾功率進(jìn)行了計(jì)算。該方案僅僅停留在系統(tǒng)和理論分析的層面，還沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)仿真，真誠(chéng)希望各位專家能對(duì)此文中的錯(cuò)誤和不足給予指正，也希望此文能對(duì)廣大讀者有所啟示。