導(dǎo)航戰(zhàn)中GNSS信號干擾技術(shù)特征研究

吳忠望，胡彥逢，徐龍威

(航天工程大學(xué) 航天信息學(xué)院，北京 101416)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)由于具有全天候、大范圍、高精度的特點(diǎn)，在各領(lǐng)域，尤其是軍用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。因?yàn)闃O大受益于GPS在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮的重要作用，并認(rèn)識到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在信號抗干擾方面的先天脆弱性以及一旦受攻擊后將對作戰(zhàn)行動造成重大影響，美國于1997年正式提出了導(dǎo)航戰(zhàn)的概念。該概念包含阻止與保護(hù)2個(gè)重要的方面，即“防止敵人在作戰(zhàn)中利用GNSS，保護(hù)己方和友軍正常使用GNSS，同時(shí)避免作戰(zhàn)區(qū)域以外的非敵方導(dǎo)航服務(wù)受到影響”。而導(dǎo)航戰(zhàn)中的一個(gè)主要問題，即對導(dǎo)航系統(tǒng)的攻擊或干擾，還沒有得到很好的解決。衛(wèi)星導(dǎo)航干擾的體制機(jī)制、干擾程序的特點(diǎn)不一樣，導(dǎo)致干擾的效果可能差別較大。GNSS作為重大信息基礎(chǔ)設(shè)施，即便在沖突地區(qū)進(jìn)行導(dǎo)航信號干擾行動，也需要有相應(yīng)原則來維護(hù)民用和軍用基礎(chǔ)設(shè)施的安全[1-4]。

早在1991年的海灣戰(zhàn)爭中，導(dǎo)航戰(zhàn)已經(jīng)初見端倪。在1999年的科索沃戰(zhàn)爭中，南聯(lián)盟軍隊(duì)利用俄制肩扛式GPS干擾機(jī)對北約軍隊(duì)的巡航導(dǎo)彈實(shí)施了干擾，在戰(zhàn)爭實(shí)踐中導(dǎo)航戰(zhàn)有了進(jìn)一步發(fā)展。到了2003年的伊拉克戰(zhàn)爭，針對GPS的干擾與抗干擾作戰(zhàn)行動在伊拉克與美英聯(lián)軍之間激烈展開，導(dǎo)航對抗的技術(shù)手段和戰(zhàn)法進(jìn)一步深化。2018年4月美軍空襲敘利亞軍事行動、2018年11月挪威海軍“南森”級宙斯盾護(hù)衛(wèi)艦沉沒事件、2019年6月伊朗擊落美軍RQ-4“全球鷹”無人機(jī)事件等一系列局部戰(zhàn)爭和軍事行動中，可以非常清晰地看到導(dǎo)航戰(zhàn)的身影。本文針對未來戰(zhàn)爭的導(dǎo)航戰(zhàn)下對導(dǎo)航信號干擾機(jī)理及特征進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，提出應(yīng)對策略；重點(diǎn)研究了壓制干擾和欺騙干擾的關(guān)鍵特征，提出了壓制干擾和欺騙干擾的處理措施。

1 導(dǎo)航信號脆弱性分析

GPS大大提升了美軍戰(zhàn)斗力，但同時(shí)在歷次戰(zhàn)爭中，也暴露出誤炸盟軍、飛彈跑偏等問題。如在伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍至少有10枚以上的巡航導(dǎo)彈遭到了伊拉克GPS干擾機(jī)的干擾，并且伊拉克擁有400多部GPS干擾機(jī)按照一定的地圖分布，來達(dá)到最佳干擾GPS的效果[5-6]。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已成為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭信息戰(zhàn)、導(dǎo)航戰(zhàn)的重要組成部分和關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的3個(gè)部分中，對空間星座和地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施電子攻擊難度較大，且政治風(fēng)險(xiǎn)高，對用戶設(shè)備實(shí)施攻擊卻容易得多。與移動通信的信號接收功率相比，衛(wèi)星導(dǎo)航信號的接收機(jī)功率低100～1 000萬倍，這使其很容易受到干擾，嚴(yán)重影響了衛(wèi)星導(dǎo)航尤其是復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下軍事衛(wèi)星導(dǎo)航裝備的應(yīng)用[7-9]。

以GPS為例，GPS衛(wèi)星位于距地球表面約20 000 km的高空軌道上，信號發(fā)射功率為30 W，信號經(jīng)空間路徑傳播、大氣吸收等，傳播到地球表面已經(jīng)十分微弱，信號功率在-130 dBm左右。假設(shè)噪聲在2 MHz帶寬內(nèi)的功率為-115 dBm，則GPS信號頻譜如圖1所示[10]。

圖1 GPS信號頻譜Fig.1 GPS signal spectrum diagram

由圖1可知，GPS信號功率主要集中在(-1～1 MHz)2 MHz帶寬內(nèi)(由C/A碼速率決定)，淹沒在噪聲功率水平以下。

針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的人為干擾一般可以分為壓制干擾和欺騙干擾。壓制干擾通過產(chǎn)生大功率的電磁波覆蓋導(dǎo)航接收機(jī)的頻帶，造成信號接收質(zhì)量的下降，使其不能正常地定位，就可以干擾到接收機(jī)。民用GPS干擾設(shè)備在成本和小型化方面已經(jīng)得到了較好的發(fā)展，目前市面上100美元左右便可以獲取手機(jī)大小的GPS干擾器。而軍用GPS干擾設(shè)備更加注重干擾的性能，如俄制車載GPS干擾機(jī)，據(jù)稱可以干擾十幾萬平方千米GPS信號[11-12]。

而在實(shí)際中還有一類干擾更加隱蔽，這類干擾與真實(shí)的衛(wèi)星信號功率相當(dāng)，而且信號格式完全一致。這樣一種虛假的衛(wèi)星信號，通過欺騙導(dǎo)航接收機(jī)，使之產(chǎn)生錯誤的定位結(jié)果，也就是近些年廣受關(guān)注的欺騙干擾。2011年伊朗采用欺騙干擾的方式劫持了美國RQ-170無人機(jī)。該次無人機(jī)被捕獲事件很可能是壓制式干擾和欺騙式干擾的互相使用，使接收機(jī)產(chǎn)生錯誤的定位結(jié)果，而進(jìn)入到伊朗境內(nèi)，被伊朗捕獲[13-14]。

2 GNSS干擾策略及應(yīng)對措施

2.1 GNSS干擾策略

在導(dǎo)航戰(zhàn)中，壓制干擾的關(guān)鍵特征如下：

① 壓制干擾的目的是抑制衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤。

② 干擾的有效性主要取決于干擾功率、干擾帶寬、干擾類型、天線增益、遮擋損耗和接收機(jī)設(shè)計(jì)等。

③ 干擾源分布方式可以是聚合式(單干擾源)或分布式(多干擾源)。

欺騙干擾的關(guān)鍵特征如下：

① 欺騙干擾信號與GNSS信號類似，接收機(jī)可以像真實(shí)信號一樣跟蹤欺騙信號，使導(dǎo)航接收機(jī)定位錯誤。

② 生成式欺騙干擾需要了解偽隨機(jī)碼(PRN)、歷書信息、調(diào)制解調(diào)和導(dǎo)航解算等信息，以產(chǎn)生欺騙信號。

③ 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾包括定點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)、多通道分離轉(zhuǎn)發(fā)等。

④ 與壓制干擾類似，欺騙干擾分布方式也包括聚合式和分布式，且每個(gè)干擾源可偽造單顆或多顆衛(wèi)星信號。

2.2 干擾處理措施及評估

根據(jù)上述干擾特征分析，未來導(dǎo)航戰(zhàn)可能面臨的干擾類型如表1所示。

表1 未來導(dǎo)航戰(zhàn)可能面臨的干擾類型Tab.1 Possible jamming types of future navigation warfare

陣列天線抗干擾技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾方向最重要的技術(shù)之一，可以在復(fù)雜干擾環(huán)境中發(fā)揮重要作用，因此本文對其進(jìn)行重點(diǎn)分析?；陉嚵行盘柼幚淼目垢蓴_技術(shù)利用導(dǎo)航信號與干擾信號的來波方向差異，通過空域自適應(yīng)處理能夠抑制干擾增強(qiáng)信號，從而改善輸出信干噪比[15-16]。為了提高抗干擾能力，可進(jìn)一步聯(lián)合時(shí)域或頻域，改善自適應(yīng)陣列的抗干擾能力。設(shè)寬帶壓制干擾干信比大于100 dB，陣列天線抗干擾處理效果如圖2所示，經(jīng)抗干擾處理，天線方向圖零陷大于100 dB，可有效抑制壓制干擾。

(a) 抗干擾前后頻譜圖

(b) 陣列天線零陷圖2 壓制干擾仿真結(jié)果Fig.2 Suppression jamming simulation results

對于欺騙干擾，陣列天線處理技術(shù)也有一定抑制效果。經(jīng)仿真分析及實(shí)測結(jié)果可知，對正常跟蹤狀態(tài)的接收機(jī)，欺騙干擾信號干信比大于25 dB才可破壞接收機(jī)環(huán)路，導(dǎo)致定位錯誤。設(shè)欺騙干擾強(qiáng)度與噪聲相近時(shí)(干信比30 dB)，陣列天線在抗干擾模式下，天線方向圖仿真結(jié)果如圖3所示，干擾抑制零陷約-12 dB。此時(shí)，經(jīng)過抗干擾處理后，欺騙干擾殘留干信比為18 dB，欺騙干擾難以破壞接收機(jī)跟蹤狀態(tài)。當(dāng)欺騙信號強(qiáng)度更大時(shí)，零陷會進(jìn)一步加深，可抑制干擾效果。

圖3 欺騙干擾下陣列天線零陷仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of array antenna null under deception jamming

實(shí)際應(yīng)用過程中，陣列天線可有效抑制壓制干擾，對于欺騙干擾，可利用欺騙干擾檢測手段，如時(shí)間一致性檢測、慣性位置一致性檢測、多普勒檢測和多系統(tǒng)多頻點(diǎn)檢測等進(jìn)欺騙干擾識別，再通過DOA估計(jì)技術(shù)進(jìn)行欺騙干擾來向檢測，最后結(jié)合波束賦形的陣列天線抗干擾處理方法[15-16]進(jìn)行干擾抑制。

3 GNSS接收機(jī)欺騙干擾的基本原理

3.1信號傳輸損耗模型

根據(jù)信號在自由空間的傳播理論，信號傳輸功率與傳播距離的平方成反比[17]，假設(shè)信號源發(fā)射天線發(fā)射到距離接收天線Ro(單位m)時(shí)的功率為Po(單位dBw)，則傳播到距離信號源發(fā)射天線RL時(shí)功率衰減到P1，表達(dá)式為：

GPS衛(wèi)星軌道距地面約20 000 km，信號在傳輸過程中受到各種因素的衰減作用，到達(dá)接收機(jī)接收天線時(shí)已經(jīng)變得很弱，這時(shí)接收機(jī)位置小范圍的移動相比整個(gè)遙遠(yuǎn)的傳輸路徑而言，可以認(rèn)為接收到的真實(shí)衛(wèi)星信號信噪比基本不變。對于通過同一天線發(fā)射的欺騙信號，由于與接收機(jī)距離一般在幾千米甚至幾百米以內(nèi)，此時(shí)目標(biāo)用戶的位置變化會引起信噪比變化。已知信號傳輸功率與傳播距離的平方成反比，隨著干擾源與接收機(jī)之間距離的變化，載噪比變化曲線如圖4所示。

圖4 信號傳輸損耗曲線Fig.4 Signal transmission loss curve

普通GPS接收機(jī)的噪聲功率約為-205 dBW/Hz，接收機(jī)接收到的載波L1上的C/A碼信號在-163～-153 dBW，與之相對應(yīng)的載噪比變化范圍為38～48 dBHz。也就是說，對于一般的情況,接收機(jī)接收到的真實(shí)信號載噪比是在一定范圍內(nèi)的，而引入的欺騙信號如果功率過高會使接收機(jī)得出的載噪比偏大，偏離真實(shí)可能范圍，容易被檢測出異常。

3.2 導(dǎo)航戰(zhàn)下GNSS接收機(jī)受干擾仿真

由于衛(wèi)星信號到達(dá)接收機(jī)天線口面強(qiáng)度很弱，淹沒在熱噪聲以下，需要通過偽碼相關(guān)提取信號[18]。以BDS B3頻點(diǎn)信號為例，碼速率為10.23 MHz。1 ms時(shí)長內(nèi)BDS B3頻點(diǎn)偽碼歸一化自相關(guān)功率如圖5所示。從圖中可以看出，歸一化自相關(guān)功率譜中主峰比次峰高約30 dB，即如果目標(biāo)接收機(jī)對BDS B3頻點(diǎn)信號累積1 ms時(shí)長進(jìn)行解擴(kuò)，可以獲得約30 dB增益；依次類推，若累積10 ms時(shí)長進(jìn)行解擴(kuò)，可以獲得約40 dB增益。隨著累積時(shí)間的增加，受多普勒頻移、數(shù)據(jù)/NH碼翻轉(zhuǎn)等影響，可提升增益降低，常用目標(biāo)接收機(jī)的解擴(kuò)增益為43 dB。

圖5 BDS B3偽碼歸一化自相關(guān)功率Fig.5 BDS B3 PN code normalized autocorrelation power

在沒有干擾信號的正常情況下，數(shù)字處理的輸出產(chǎn)生偽距、多普勒頻移和導(dǎo)航電文以進(jìn)行定位。信號捕獲、跟蹤和解調(diào)都依賴于相關(guān)后的信噪比。在壓制干擾情況下，如果J/S超過容許值，可能導(dǎo)致信號跟蹤鎖定失敗，則干擾成功。為了使PVT產(chǎn)生虛假輸出，欺騙干擾信號必須被跟蹤環(huán)路鎖定，欺騙干擾才是成功的。根據(jù)接收機(jī)的一般處理步驟和干擾過程分析接收機(jī)受GNSS干擾的基本流程，如圖6所示。分別對存在壓制、欺騙干擾情況下的信號捕獲進(jìn)行仿真，仿真條件如表2和3所示，對應(yīng)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 接收機(jī)受GNSS干擾的基本流程Fig.6 Basic flow of receiver interfered by GNSS

表2 壓制干擾仿真條件Tab.2 Suppression jamming simulation conditions

表3 欺騙干擾仿真條件Tab.3 Deception jamming simulation conditions

(a) 存在壓制干擾

(b) 存在欺騙干擾圖7 干擾對接收機(jī)捕獲影響Fig.7 Influence of jamming on receiver acquisition

從仿真結(jié)果可以看出，對于壓制干擾，-90 dBm干擾信號(干信比40 dB)可以壓制衛(wèi)星信號，隨著干擾強(qiáng)度增加，壓制能力更強(qiáng)；對于欺騙干擾，欺騙干擾信號與真實(shí)信號具有強(qiáng)相關(guān)性，當(dāng)欺騙信號強(qiáng)度與真實(shí)信號一致時(shí)就可能捕獲、跟蹤到欺騙信號；當(dāng)欺騙干擾增強(qiáng)，捕獲、跟蹤到欺騙干擾的概率增加，直到完全淹沒真實(shí)信號，接收機(jī)只能收到欺騙信號，如圖8所示，當(dāng)欺騙干擾信號強(qiáng)度達(dá)到-110 dBm(干信比20 dB)時(shí)，真實(shí)信號相關(guān)結(jié)果被完全壓制，只有欺騙干擾可以被檢測到。

圖8 欺騙干擾完全淹沒真實(shí)信號Fig.8 Deceptive jamming completely drowns the real signal

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段沒有哪一種干擾手段可以攻破一切防護(hù)，也沒有哪一種防護(hù)手段可以抵御所有樣式的干擾攻擊。在未來導(dǎo)航戰(zhàn)發(fā)展過程中，攻防對抗雙方不會僅限于單獨(dú)采用一種干擾或者抗干擾手段。而衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)勢必會加裝多種抗干擾技術(shù)，相應(yīng)的導(dǎo)航干擾設(shè)備也將更加趨于復(fù)雜化(多種干擾模式)、協(xié)同化(與相關(guān)偵察設(shè)備協(xié)同配合)、智能化(智能決策)，而陣列抗干擾技術(shù)、多源信息融合抗干擾技術(shù)，以及由此衍生的導(dǎo)航戰(zhàn)戰(zhàn)法將成為今后發(fā)展的重要方向。