衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾裝備效能評估方法

王月，郝金明，劉偉平

(戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，“導(dǎo)航戰(zhàn)”日益受到各國的重視，欺騙干擾相關(guān)技術(shù)已經(jīng)從早期的理論研究與仿真階段，邁向了具體試驗階段，相關(guān)單位陸續(xù)開展以欺騙式干擾為主的衛(wèi)星導(dǎo)航干擾與抗干擾技術(shù)，并研制了欺騙式干擾裝備、抗干擾接收機或原理樣機[1]；而作為“導(dǎo)航戰(zhàn)”重要工具之一的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)欺騙干擾裝備，其干擾效能直接關(guān)系到被保護目標的生存概率及裝備實施欺騙的成功概率，可為裝備設(shè)計、干擾方案優(yōu)化等工作提供重要參考，具有實用價值和深入研究價值。

國內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對“電子戰(zhàn)”設(shè)備等效能評估開展過研究，如文獻[2-3]對合成孔徑雷達(SAR)和逆合成孔徑雷達(ISAR)的欺騙干擾效果進行了評估，文獻[4-5]對激光類裝備進行干擾效能評估，文獻[6-7]對雷達的干擾及抗干擾效果進行評估，文獻[8]對導(dǎo)彈類武器的抗干擾性能進行評估。而國外學(xué)者對效能評估方法的研究主要集中于欺騙攻擊下的生物識別系統(tǒng)[9]、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)[10-11]、智能電網(wǎng)[12-13]、民用無人機[13]和用戶接收機抗欺騙的防御能力[14-15]等領(lǐng)域。

圖1 GNSS欺騙干擾裝備效能評估試驗平臺

不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外鮮有學(xué)者對GNSS欺騙干擾裝備的干擾效能評估方法進行理論及仿真分析，但仍有小部分學(xué)者對其展開了研究。梁高波等[16]提出了定位誤差、壓制系數(shù)、干擾有效概率和干擾覆蓋范圍4個典型的導(dǎo)航欺騙式干擾評估指標，重點確定各指標權(quán)重并建立灰色模型評估整體效果，而沒有明確指標類型及檢測方法；王婭等[17]主要提出了全球定位系統(tǒng)(GPS)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)組合導(dǎo)航接收機壓制式干擾效果評估的指標和檢測方法，但對GNSS欺騙式干擾效能評估的研究不夠全面；張順健等[18]給出干擾有效距離的計算方法，但僅僅就干擾有效距離指標具體研究；張鑫[19]通過仿真及實測提出新的寬帶導(dǎo)航信號延時控制方法等，總結(jié)當前欺騙干擾信號評估檢測技術(shù)中存在的問題，但未提及任何評估指標。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，前人對GNSS欺騙干擾裝備效能評估的研究存在指標構(gòu)建不全面、指標檢測方法不完整和實踐性差、未考慮裝備的綜合作戰(zhàn)能力等問題。基于此，本文結(jié)合前人研究的欺騙干擾關(guān)鍵技術(shù)，在構(gòu)建完整且合理的評估指標體系和評估試驗平臺的基礎(chǔ)上，通過建立實踐性強的指標檢測方法及其計算模型，得到理論評估方法；采用模糊綜合評價思路、半定性半定量的等級量化定權(quán)方法及加權(quán)積的算法，得到綜合作戰(zhàn)效能評估閾值；以全數(shù)字、半實物仿真和全實物外場試驗，分析效能指標對裝備干擾效果的具體影響并得出結(jié)論，為裝備后期性能改進及實際應(yīng)用效能提供置信度較高的意見及評估。

1 欺騙干擾裝備效能評估指標檢測方法

作為衡量干擾模式有效性及裝備優(yōu)劣性的綜合指標，干擾效能評估扮演著十分重要的角色。由于各種不可控的因素，對裝備進行評估檢測可用全數(shù)字仿真法及半實物仿真法和全實物試驗法3種方法，而通過大量的仿真測試可確定外場試驗的最佳條件[20]。評估試驗平臺及工作流程如圖1所示，其中RTK是指實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)；效能評估指標體系如圖2所示；測試方法特點如表1所示。

圖2 裝備欺騙效能評估指標體系

表1 3種干擾效能測試方法特點比較表

1.1 導(dǎo)航信號指標檢測方法

1.1.1 信號捕獲

1.1.1.1 平均重捕時間

半實物測試時，利用專用試驗室的導(dǎo)航信號模擬器輸出14路功率一致的欺騙干擾信號，功率待定，輸入到導(dǎo)航接收機中，進行功率檢測。當接收機鎖定信號時(接收機測得載噪比時)關(guān)閉模擬器電源；待接收機不能正常捕獲導(dǎo)航信號，即檢測不到載噪比(簡稱為失鎖)時，再次打開電源，并在接收機重新鎖定信號時，記錄該段時間。按上述步驟，重復(fù)試驗20次并對結(jié)果取平均，得到平均重新鎖定信號的時間，即平均重捕時間為

(1)

式中：ti為第i次試驗重新鎖定信號的時間。

1.1.1.2 干噪比與捕獲概率關(guān)系

半實物測試時，內(nèi)場試驗是導(dǎo)航信號模擬器輸出多路功率不變的欺騙干擾信號，輸入到導(dǎo)航接收機中；待接收機正常工作后接收到載噪比視為信號捕獲成功，假設(shè)在10次捕獲中共成功k次，統(tǒng)計捕獲概率Pd；而對于干噪比與捕獲概率關(guān)系，在平均捕獲時間內(nèi)，調(diào)整一次干噪比(按1 dB步進，調(diào)整20次)，就根據(jù)捕獲概率的測試方法統(tǒng)計一次，得到捕獲概率Pd1～Pd20，繪制關(guān)系曲線，直觀進行捕獲欺騙干擾信號概率大小的評估。

全數(shù)字測試時，令虛警概率Pfa=0.15[21]，則干噪比J/N與捕獲概率Pd的函數(shù)關(guān)系為

Pd=1-exp(ln(Pfa)-J/N)·

(2)

式中：J為欺騙干擾信號功率；N為噪聲信號功率。

1.1.2 信號跟蹤

1.1.2.1 載噪比穩(wěn)定度

半實物測試時，構(gòu)建內(nèi)場試驗環(huán)境，切斷目標接收機與衛(wèi)星的上行鏈路，使其短暫失鎖，在僅有生成式導(dǎo)航信號模擬器的情況下，輸出一定功率的干擾信號和包含模擬定位的信息到目標接收機中，觀察和記錄接收機載噪比的變化，其值在每顆衛(wèi)星每20個歷元更新一次，并以率先滿足5顆衛(wèi)星的載噪比穩(wěn)定度δCN評估生成式欺騙干擾的效果：

(3)

式中：C為接收機輸入端的載波功率；Nij為第i顆衛(wèi)星在第j個歷元下的噪聲信號功率。

1.1.2.2 干信比臨界值

干信比臨界值是當滿足指定的欺騙成功率和欺騙效果，且接收機未失鎖時，所能達到的干信比極值，當達到同等干擾效果時，干信比臨界值越小，裝備性能越好。

半實物測試時，在已知最大干擾距離的前提下，將接收機放置在最大干擾距離的位置，每5 s按1 dB步進調(diào)整(調(diào)小)待測干擾裝備的干信比，直至接收機失鎖，記錄下接收機此刻的干噪比；再關(guān)閉干擾裝備，重啟接收機，在完全沒有干擾的情況下，記錄下接收機接收到正常信號的信噪比；將記錄的干噪比與信噪比相除，即可得到與最大干擾距離對應(yīng)的干信比臨界值。

全數(shù)字測試時，接收機在受到欺騙干擾時降到的電平為等效載噪比(C/N0)eq，N0為未受干擾時的噪聲功率信號。當(C/N0)eq低于接收機跟蹤門限時接收機將失鎖，故令(C/N0)eq等于接收機跟蹤門限值，即可得到干信比臨界值，為

(4)

式中：接收機未受干擾時的載噪比C/N0為自變量；(J/S)min為因變量，J/S為干信比，S為真實信號功率；Q為擴頻處理增益調(diào)節(jié)因數(shù)，設(shè)置為1.5；RC為GPS偽隨機噪聲(PRN)碼的碼速率，這里為C/A碼的碼元速率。最后，用接收機的載波跟蹤環(huán)門限值替代(C/N0)eq，其典型值為28 dB·Hz.

1.1.3 信號解調(diào)

信號解調(diào)對應(yīng)的指標為干信比與誤碼率關(guān)系。半實物測試時：首先測試誤碼率，設(shè)置轉(zhuǎn)臺運動和射頻信號源，設(shè)置系統(tǒng)為誤碼率測試狀態(tài)等待生效；然后發(fā)送誤碼率測試指令，處理并存儲裝備上報數(shù)據(jù)；最后停止信號源，也可將標準碼相位與接收機實際接收到的碼相位做差，將差值除以標準碼的總長度，但事后處理時要將0183協(xié)議的對應(yīng)信息轉(zhuǎn)換成二進制形式處理；隨后，不斷改變欺騙干擾信號功率，可以得到干信比與誤碼率曲線，用于直觀評估不同信號功率的欺騙干擾效果。干信比從比正常信噪比低3 dB開始，按1 dB步進改變，直到誤碼率大于1.00×10-7.

全數(shù)字測試時，解調(diào)采取二進制頻移鍵控(2FSK)方法，可得到相對簡易的仿真模型。根據(jù)文獻[22]推導(dǎo)可得單/雙通道干擾的誤碼率Pe為

Pe=0.5exp{-[2/(S/N)+0.05(J/S)]-1}，

(5)

式中：S/N為信噪比，取值為10 dB、20 dB及40 dB.

1.2 定位結(jié)果指標檢測方法

1.2.1 靜態(tài)定位

1.2.1.1 功率與偽距測量精度

半實物測試時，利用中國電子科技集團公司第54研究所北斗測試評估軟硬件結(jié)合微波暗室模擬出14顆衛(wèi)星信號，不斷改變信號功率，記錄偽距測量精度，可以得到一條干擾信號功率與偽距測量精度關(guān)系曲線。功率從-160 dBW開始增加，直至接收機失鎖。

1.2.1.2 欺騙成功率

欺騙成功率是體現(xiàn)裝備效能的關(guān)鍵指標之一，也是一個純檢測的指標。

(6)

式中：(xsj0,ysj0,hsj0)為預(yù)設(shè)欺騙位置，(x,y,h)分別對應(yīng)高斯直角坐標系的縱坐標、橫坐標和正常高；(xsj,ysj,hsj)為接收機測得動態(tài)點被欺騙后的實測坐標。

1.2.2 動態(tài)定位

1.2.2.1 試驗基本原理

全站儀具備自動跟蹤功能，可進行動態(tài)測量，其主要組成包括光電測距儀、電子經(jīng)緯儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，測量方式分為測距和測角：測距是光電測距儀發(fā)出紅外光束到目標點位調(diào)平后經(jīng)棱鏡反射回來，儀器計算從發(fā)出光束時間到返回時間，從而計算光束運行軌跡長度；測角與經(jīng)緯儀的原理一樣，用電掃描和電子元件生成電子數(shù)據(jù)，為儀器內(nèi)部計算提供數(shù)據(jù)。其定位原理可采用交會法和極坐標法，和交會法相比，極坐標法測度更快。全站儀的測量精度可達毫米級。

(hi-hri0)2],

(7)

得到動態(tài)測試環(huán)境下欺騙定位精度及欺騙目的性測試的指標后，進一步根據(jù)欺騙定位精度、欺騙成功率等檢測步驟，得相應(yīng)指標閾值及評估曲線，基本思路如圖3所示。

圖3 動態(tài)定位試驗的基本思路

1.2.2.2 試驗結(jié)果分析

動態(tài)試驗時，先完成利用全站儀的欺騙目的性測試，即預(yù)設(shè)軌跡點位與全站儀實測點位作差運算(見(7)式)。坐標間的差值越小，即曲線越接近水平0值，欺騙目的性越明顯，動態(tài)測試結(jié)果越好。故取2018年10月25日進行的動態(tài)測試中欺騙效果較好的4次試驗結(jié)果，如圖4所示。

圖4 欺騙目的性測試結(jié)果圖

1.3 軟硬件性能指標檢測方法

1.3.1 硬件性能

代表硬件性能指標之一的硬件冗余度，是指在系統(tǒng)的關(guān)鍵部位設(shè)置冗余硬件作為靜態(tài)或動態(tài)備份[23]。

全數(shù)字測試時，當裝備為并聯(lián)系統(tǒng)時，共有U個裝置并聯(lián)，只要有一個裝置處于正常狀態(tài)，裝備就能正常工作。令每個裝置的可靠度為Ri(i=1,2,…,U)，則裝備硬件冗余度為

(8)

當裝備為串聯(lián)系統(tǒng)時，共有U個裝置串聯(lián)，只有所有裝置處于正常狀態(tài)，裝備才能正常工作。令每個裝置的失效率為λi(i=1,2,…,U)，則裝備硬件冗余度為

(9)

任何裝備都是串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)的復(fù)雜組合，在冗余分析時，先按功能將其分解，再按零件分解。以串聯(lián)為主的硬件冗余稱為部件級冗余；以并聯(lián)為主的稱為系統(tǒng)級冗余[24]。

1.3.2 軟件性能

代表軟件性能指標之一的軟件冗余度，是設(shè)計兩套或多套功能相同但程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)區(qū)等不同的程序，供關(guān)鍵程序備用。實際檢測時，查看裝備中包含功能不同的程序種類數(shù)為ns，同時查看欺騙干擾裝備中的程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)區(qū)或功能等不同的程序總數(shù)ntot，根據(jù)(10)式計算軟件冗余度：

Rsr=(ntot-ns)/ntot.

(10)

1.4 綜合作戰(zhàn)效能評估

由于各指標為串行關(guān)系，使用加權(quán)積方法計算綜合干擾效能[25]，即總欺騙性能Pad和軟硬件總性能Phs分別為

(11)

式中：wta為平均重捕時間ta的權(quán)值；wδCN為載噪比穩(wěn)定度δCN的權(quán)值；w(J/S)min為干信比臨界值(J/S)min的權(quán)值；wpe為誤碼率Pe的權(quán)值；wσ為欺騙定位精度σ的權(quán)值；wth為熱啟動時間th的權(quán)值；wω為欺騙成功率ω的權(quán)值；wtf為平均無故障時間tf的權(quán)值；wB為存儲容量B的權(quán)值；wW為功耗值W的權(quán)值；wRhr為硬件冗余度Rhr的權(quán)值；wRsr為軟件冗余度Rsr的權(quán)值；wγ為軟件化程度γ的權(quán)值。Pad值越小，欺騙效果越好；Phs值越大，裝備性能越好。

2 干擾效能指標評估流程及試驗分析

2.1 干擾效能指標評估流程

干擾效能評估流程如圖5所示。首先獲取效能評估計算所需的參數(shù)，并完成參數(shù)的預(yù)處理；然后分別計算干擾效能評估的各項指標閾值，設(shè)定指標權(quán)重；最后綜合計算總欺騙性能Pad和軟硬件總性能Phs指標，評價裝備的欺騙干擾效果。

圖5 衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾裝備效能評估基本流程

2.2 干擾效能指標評估試驗分析

2.2.1 干擾效能經(jīng)驗閾值設(shè)定

這里采用模糊綜合評價思路(由因素集、權(quán)重集和評價集3部分組成[26])、半定性半定量的等級量化定權(quán)方法及加權(quán)積的算法進行理論閾值設(shè)定，作為試驗結(jié)果分析的有力參考依據(jù)，如圖5所示。理想條件下欺騙干擾效能評估指標的輸入?yún)?shù)，如表2所示；根據(jù)評估指標對裝備干擾效果的影響程度，結(jié)合專家經(jīng)驗設(shè)定權(quán)值，即權(quán)重集，如表3所示；根據(jù)北斗測試評估軟件、導(dǎo)航信號模擬器和指標的檢測方法，可得評估指標閾值，即因素集，如表4和表5所示；總欺騙性能和軟硬件總性能組成評價集。

表2 效能評估指標理想條件下閾值參數(shù)匯總表

表3 半定性半定量的等級量化表

表4 軟硬件性能指標匯總

表5 欺騙效能評估指標匯總

此處的閾值為理想條件下指標的最大值，低于閾值認為裝備該指標達標。故裝備總欺騙效能指標值小于0.009 7時，認為該裝備的欺騙效能達標；而當裝備的軟硬件總性能小于2 246 000.367 8時，認為裝備的軟硬件性能達標。

2.2.2 干擾效能指標評估試驗

圖6 全數(shù)字仿真結(jié)果圖

選取信號捕獲、跟蹤等3個層面的主要指標隨干擾信號功率變化的仿真測試及實測試驗，分析參數(shù)變化時干擾效果的變化規(guī)律及其對裝備干擾效果的影響。

2.2.2.1 全數(shù)字仿真測試

全數(shù)字仿真測試的參數(shù)設(shè)定參考2.2.1節(jié)各指標檢測方法的數(shù)值設(shè)定(見表2)，仿真結(jié)果如圖6所示。

信號跟蹤層面效能評估：觀察圖6(d)可以發(fā)現(xiàn)，干信比臨界值與接收機未受干擾時的載噪比成對應(yīng)關(guān)系，當C/N0確定時即可得到接收機處于失鎖邊緣的干信比；觀察圖6(e)發(fā)現(xiàn)，最大干擾距離Rjmax隨干信比臨界值增大而減小，因此裝備想要造成多大的干擾效果，離不開干擾作用距離的調(diào)控，故裝備的干擾信號功率不宜過大。

信號解調(diào)層面效能評估：觀察圖6(f)可知，S/N越大，Pe越小，且一定條件下干信比與誤碼率成正比，當干信比超過一定值時，誤碼率不變。

2.2.2.2 半實物仿真試驗

圖7 半實物仿真試驗圖

由于B3頻點的碼速率約是B1頻點的5倍，故用B3測到的定位精度更好[27]，借助中國電子科技集團公司第54研究所研制的北斗測試軟硬件和微波暗室，如圖7(a)和圖7(b)所示。采用半實物測試方式進行20次試驗，獲取20組功率參數(shù)及坐標值再結(jié)合標準差公式，得到圖7(c)的20組結(jié)果曲線及其趨勢線。在J小于-120 dBW時干擾效果隨功率增大而增加，之后隨著功率增大，欺騙定位精度存在一定程度的波動。故在實施干擾時，適宜增大欺騙干擾信號功率對提高干擾效果有較大影響。

2.2.2.3 全實物測試試驗

借助動態(tài)實測平臺，在開展欺騙目的試驗的同時進行欺騙成功率的測試。試驗時間為2018年11月5日，試驗平臺由全站儀、基準站、2臺美國天寶公司生產(chǎn)的IDO-GGB-R42M授時接收機天線與授時型接收機、測量小車(見圖8(a))及導(dǎo)航信號模擬器等構(gòu)成；欺騙軌跡設(shè)為學(xué)校某一田徑場內(nèi)環(huán)，實際運行軌跡(見圖8(b))設(shè)為學(xué)校另一田徑場內(nèi)環(huán)。

圖8 全實物仿真試驗圖

在欺騙情況下，沿著設(shè)計的實際運行軌跡，采用接收機進行測量，走完一圈，將接收機的定位結(jié)果與預(yù)設(shè)的欺騙軌跡作標準差，用欺騙成功率指標判斷欺騙是否成功；隨后改變欺騙干擾信號功率，開始下一次試驗。欺騙過程中由于導(dǎo)航信號模擬器離目標接收機很近，故欺騙成功率普遍偏高。試驗共進行17次測試，取其中11次有效測試結(jié)果(見圖8(c))。從11次結(jié)果曲線及其趨勢線可知，在干擾作用距離不變的情況下，欺騙成功率與干信比沒有明顯的函數(shù)關(guān)系，但隨著干擾信號功率適宜地增大，欺騙成功率趨于穩(wěn)定；隨后,當信號功率過大時，欺騙成功率反而會下降。

3 結(jié)論

本文建立了各項指標的檢測方法及計算模型，得到裝備效能理論評估方法；再以3種效能測試方法，分析指標對裝備干擾效果的實際影響。試驗結(jié)果及未來工作如下：

1)縮短信號捕獲時間、熱啟動時間及干信比臨界值，提高裝備誤碼率，適宜增加欺騙干擾信號功率以及提高軟硬件冗余度或使用完好性監(jiān)測方式都可全面提高裝備干擾效果。

2)本文重點在于構(gòu)建欺騙干擾裝備效能評估方法理論體系，這里需要說明的是裝備作戰(zhàn)能力指標還未實現(xiàn)，僅在構(gòu)想階段。

3)下階段首先會對作戰(zhàn)能力指標進行評估；其次對動態(tài)定位的相關(guān)指標建立更加準確的計算模型；同時推進多組指標外場試驗的進程，提高裝備效能評估指標的精確度；最后建立評估軟件測試平臺，為裝備高效、可靠地應(yīng)用于實際打基礎(chǔ)。