GNSS干擾感知與對抗決策方法研究

王 月，孫付平*，叢佃偉

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.航天工程大學(xué) 航天信息學(xué)院，北京 101416)

0 引言

由于導(dǎo)航信號發(fā)射功率低、穿透能力差等固有弱點(diǎn)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)容易受到電磁干擾(這里是指有意干擾)而影響其正常運(yùn)作，因此有必要感知系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境。為了使得到的感知結(jié)果落到實(shí)處，即實(shí)現(xiàn)抗干擾方的利益最大化，干擾感知完成后的策略選擇更是重中之重。因此，在系統(tǒng)安全防護(hù)這一大背景下，對衛(wèi)星導(dǎo)航干擾感知與對抗決策分析的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的探討，對于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)安全防護(hù)而言，具有重大的決策價(jià)值和實(shí)踐意義。

從干擾感知方法來講，復(fù)合式干擾準(zhǔn)確識別與干擾源精準(zhǔn)定位是衛(wèi)星導(dǎo)航對抗決策分析及抗干擾性能提升的先決條件。而目前的導(dǎo)航系統(tǒng)不具備干擾感知功能[1-2]，不能夠根據(jù)干擾環(huán)境及時(shí)進(jìn)行決策分析并選取最優(yōu)的抗干擾措施，致使導(dǎo)航設(shè)備整體抗干擾性能得不到充分發(fā)揮，最終影響防護(hù)方的獲益[3-4]。因此，迫切需要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航干擾感知功能，以期為設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的高生存率和精準(zhǔn)、高效、全覆蓋作戰(zhàn)實(shí)力的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

從對抗決策分析方法來講，由于目前國內(nèi)外缺少與現(xiàn)實(shí)對抗場景相匹配的決策方法[5-6]，導(dǎo)致抗干擾設(shè)備無法得到有效評估；又加之得到的感知結(jié)果與實(shí)踐的最終需求脫節(jié)[7-8]，阻礙內(nèi)部系統(tǒng)更新、外部設(shè)施維護(hù)和性能進(jìn)一步優(yōu)化，無法靈活地應(yīng)對導(dǎo)航對抗場景的多變性，而造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，如何高效地開展導(dǎo)航對抗決策分析的研究，已成為防護(hù)方贏利值的驗(yàn)證反饋和設(shè)備性能進(jìn)一步優(yōu)化的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

基于此，結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航干擾感知與對抗決策分析兩方面的知識框架，首先介紹了其對應(yīng)的應(yīng)用背景、基礎(chǔ)概念和研究進(jìn)展；隨后，分析了二者的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了前人研究存在的不足，為深入開展導(dǎo)航干擾感知與對抗決策方法研究提供了一定的理論指導(dǎo)；最后，根據(jù)研究存在的不足，提出了改進(jìn)意見，以期引起相關(guān)部門的重視，進(jìn)一步推動(dòng)導(dǎo)航安全防護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

本文主要在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)有意干擾的理論基礎(chǔ)上開展相關(guān)研究。對GNSS的有意干擾實(shí)際上是對其下行信號的干擾，主要有壓制干擾和欺騙干擾兩大類，具體分類如圖1所示。

圖1 GNSS有意干擾分類示意Fig.1 Schematic diagram of the classification of GNSS intentional jamming

壓制式干擾原理簡單，實(shí)現(xiàn)難度低，但由于干擾信號功率過大，容易喪失隱蔽性；欺騙式干擾是相關(guān)設(shè)備采用轉(zhuǎn)發(fā)或生成的方式，播發(fā)虛假的導(dǎo)航信號，包括虛假的導(dǎo)航電文或信號傳播時(shí)延，使接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置信息。相比于壓制式干擾，欺騙式干擾實(shí)現(xiàn)難度更大，危害更嚴(yán)重，但隱蔽性更好，且能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)控制[9]。

考慮到電磁環(huán)境的復(fù)雜性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)將面臨多干擾源，故全文均假設(shè)干擾方選擇復(fù)合式干擾的策略，而非某一或某類干擾源。通過討論衛(wèi)星導(dǎo)航干擾感知方法和對抗決策分析方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，汲取了前人研究的精華。

1.1 GNSS干擾感知方法研究現(xiàn)狀

“感知”要先“感”而后才是“知”?！案小敝攸c(diǎn)在于對感官層面感受的察覺，對應(yīng)該領(lǐng)域的詞匯即“識別”；而“知”重點(diǎn)在于主體層面對“感”后接收到信息的學(xué)習(xí)，對應(yīng)該領(lǐng)域的詞匯即“定位”。故這里提到的GNSS干擾感知方法包含對復(fù)合式干擾識別的方法和干擾源定位的方法。

1.1.1 干擾識別方法

干擾識別作為干擾感知研究的前情提要、基礎(chǔ)技術(shù)和重點(diǎn)問題，指的是對干擾信號的調(diào)制識別。常見的方法可參考文獻(xiàn)[10-11]。

國內(nèi)針對衛(wèi)星導(dǎo)航干擾識別的研究中，文獻(xiàn)[12]分別運(yùn)用支持向量機(jī)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制識別方法，對衛(wèi)星導(dǎo)航存在的7種干擾信號的8種特征參數(shù)進(jìn)行了識別，仿真證明提出的方法在識別率和魯棒性上具有優(yōu)越性；文獻(xiàn)[13]結(jié)合高階累積量的調(diào)制識別方法，運(yùn)用改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，對常見的4種類型的有意干擾進(jìn)行了識別，實(shí)例驗(yàn)證提出的方法在低信噪比條件下具有良好的識別性能；文獻(xiàn)[14]結(jié)合星座圖聚類分析的調(diào)制識別方法，運(yùn)用改進(jìn)的高階累積量的調(diào)制識別方法，實(shí)現(xiàn)了對調(diào)制信號的自動(dòng)識別，實(shí)例驗(yàn)證提出的方法在中等信噪比條件下具有很高的識別性能。

國外主要是對雷達(dá)、通信系統(tǒng)的干擾信號進(jìn)行識別。文獻(xiàn)[15]引入統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，提出了決策樹方法，以分類識別調(diào)制的干擾信號，得到的分類結(jié)果性能良好；文獻(xiàn)[16]運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對仿真產(chǎn)生的干擾信號進(jìn)行分類，得到的分類結(jié)果性能良好；文獻(xiàn)[17]運(yùn)用改進(jìn)的高階累積量的調(diào)制識別方法，能夠較好地識別多徑干擾；文獻(xiàn)[18-19]分別運(yùn)用星座圖聚類分析和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制識別方法，對移動(dòng)基站間的通信干擾進(jìn)行識別，對干擾具有較好的識別性能；文獻(xiàn)[20]利用深度殘差網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)識別方法，對導(dǎo)航干擾信號進(jìn)行識別，實(shí)例驗(yàn)證提出的方法具有高于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的識別準(zhǔn)確率。

1.1.2 干擾源定位方法

由于電磁環(huán)境復(fù)雜多變，干擾信號形式多變，對不同形式的干擾源進(jìn)行定位是干擾感知研究的難點(diǎn)技術(shù)，也是監(jiān)測領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一。常用的技術(shù)可參考文獻(xiàn)[21-22]。

國外研究中，① 基于AOA(Angle of Arrival)/DOA(Difference of Arrival)[23]的干擾源定位方法：2000年，Alison利用互相關(guān)測量和相位差測量的方法，估計(jì)得到干擾源到達(dá)角(Angle of Arrival，AOA)及來波方向，實(shí)例驗(yàn)證提出方法的成功使用對干擾功率和天線群延遲有特定要求；2007年，Brenneman提出自適應(yīng)周期圖方法，估計(jì)得到干擾源的到達(dá)頻率，實(shí)例驗(yàn)證在定位結(jié)果上提出的方法較優(yōu)于傳統(tǒng)的干擾源定位方法。② 基于到達(dá)時(shí)差(Time Difference of Arrival，TDOA)[24]的干擾源定位方法：2002年，美國自主開發(fā)的干擾檢測與定位系統(tǒng)中提到的多天線陣列到達(dá)時(shí)間的定位方法，可測量出互相關(guān)的多個(gè)接收信號的TDOA，得到的定位結(jié)果已精確到米級。

國內(nèi)對干擾源定位技術(shù)的研究起步較晚，但近年來也取得不錯(cuò)的成果，例如多普勒頻差的定位技術(shù)[25]和多種方法聯(lián)合的新型定位系統(tǒng)[26]。整體來說，國內(nèi)的干擾源定位技術(shù)仍與國外相關(guān)技術(shù)存在差距(主要集中在設(shè)備和實(shí)測試驗(yàn)平臺(tái)的全面建設(shè)中)，但目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全面建設(shè)的完成，對我國干擾源定位技術(shù)研究的進(jìn)一步推進(jìn)來說是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。

1.2 導(dǎo)航對抗決策方法研究現(xiàn)狀

隨著干擾技術(shù)的發(fā)展，迫切需要在熟知GNSS抗干擾原理和指標(biāo)體系搭建完成的基礎(chǔ)上，利用決策分析方法來調(diào)度有效的防護(hù)策略，以提高導(dǎo)航設(shè)備整體抗干擾性能，最終實(shí)現(xiàn)利益最大化。故首先需要從導(dǎo)航對抗決策分析方法的研究進(jìn)展探尋防護(hù)的終極目標(biāo)：決策分析方法的分類有很多，早期用得較多的是數(shù)據(jù)包絡(luò)分析等單一方法[27]；近期引進(jìn)了雷達(dá)對抗中的零和博弈法[28]，體現(xiàn)了對抗中存在的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性，性能對比如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航對抗決策分析方法的性能對比Fig.2 Performance comparison chart of the analysis methods of navigation countermeasure decision

國外學(xué)者對對抗決策分析方法的研究主要集中在干擾攻擊下的生物識別技術(shù)[29-30]、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)[31-32]、智能電網(wǎng)[33-34]、民用無人機(jī)[35]以及用戶端防御能力[36-37]等領(lǐng)域。下面將對圖2包含的幾種決策方法的國內(nèi)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分類闡述。

1.2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析方法

針對灰色關(guān)聯(lián)分析的評估方法，先后有部分學(xué)者進(jìn)行研究。余俊等人[3]和閻艷等人[4]提出了一種基于模糊理論的灰色關(guān)聯(lián)度的評估方法，解決了在不確定情況下的各評估方案與理想方案區(qū)分度不高的問題；寧小磊等人[38]提出了一種基于仿真模型綜合驗(yàn)證的改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析方法，解決了傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度無法獲得模型整體性能評價(jià)的問題。故灰色關(guān)聯(lián)分析方法在減弱多方案間影響因素的相互影響、開展整體性能評價(jià)和仿真模型驗(yàn)證上發(fā)揮著有效作用。

1.2.2 模糊層次分析方法

針對模糊層次分析方法，即模糊綜合評判和層次分析結(jié)合的方法，先后有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。鄭雪冰運(yùn)用模糊層次分析法對航空電子系統(tǒng)對抗效能進(jìn)行了分析[39]；陳希祥等人[40]通過將模糊層次分析方法，對定性定量集成指標(biāo)進(jìn)行了綜合分析，為對抗設(shè)備的合理選擇提供依據(jù)；趙剛等人[41]結(jié)合人工智能風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了多層次模糊綜合評判與熵權(quán)理論相結(jié)合的方法，提高了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的客觀性。故針對復(fù)雜系統(tǒng)在決策分析過程中存在的模糊性和隨機(jī)性問題，模糊層次分析方法起到了有效作用，但該方法主觀性較強(qiáng)。

1.2.3 對抗博弈分析方法

針對對抗博弈分析方法，先后有部分學(xué)者進(jìn)行研究。王剛[42]基于博弈論方法，通過贏利矩陣將干擾和抗干擾有效地聯(lián)系起來，分析了SAR最優(yōu)化的對抗策略選擇；黃玉川等人[43]運(yùn)用博弈論思想，建立了雷達(dá)對抗博弈策略矩陣模型，并提出了遮蓋性干擾動(dòng)態(tài)效果分析的方法；張永順[44]利用博弈論思想，從定性與定量分析2個(gè)角度對雷達(dá)對抗的復(fù)雜電磁環(huán)境特征進(jìn)行了主要參數(shù)的求解。雖然目前雷達(dá)對抗得到的贏利矩陣的精確程度有待驗(yàn)證，但該方法對導(dǎo)航對抗決策分析來說，具有一定的思路啟發(fā)和模型改進(jìn)意義。

2 研究存在的不足

結(jié)合上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，汲取前人研究的精華，總結(jié)前人研究的不足，為課題研究進(jìn)一步改進(jìn)提供解決思路和發(fā)展啟示。

2.1 GNSS干擾感知方法研究不足

(1) 通過前人對衛(wèi)星導(dǎo)航干擾識別方法的研究可以總結(jié)4點(diǎn)不足：

① 對于衛(wèi)星導(dǎo)航干擾識別，雖然近幾年針對壓制式干擾識別的研究較多，但是相比于通信和目標(biāo)識別領(lǐng)域，無論是針對單一類型的導(dǎo)航干擾識別還是復(fù)合式干擾識別的研究數(shù)量及成果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

② 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾識別技術(shù)主要是在未知干擾源類型情況下對接收信號進(jìn)行處理，而現(xiàn)有研究更關(guān)注的是已知干擾源類型對特定應(yīng)用場景的信號特征提取上，因此如何高效地提取分離度較高的信號特征參數(shù)是干擾識別領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。

③ 未來干擾識別領(lǐng)域的發(fā)展趨勢必將是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源識別和排查，但前人卻鮮少關(guān)注GNSS干擾信號的智能分類與自動(dòng)識別，故還存在較大的技術(shù)提升空間。

④ 大多針對干擾識別的研究都止步于干擾識別技術(shù)層面，卻忽視實(shí)現(xiàn)防護(hù)方的利益最大化才是導(dǎo)航安全防護(hù)的終極目標(biāo)，因此干擾識別完成后的對抗策略選擇更為重要，導(dǎo)航對抗決策分析方法對終極目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。

(2) 通過前人對衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源定位方法的研究可以總結(jié)2點(diǎn)不足：

① 已有的衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源定位技術(shù)大多從時(shí)間和頻率的角度出發(fā)完成對某一干擾源的有效定位。但復(fù)雜電磁環(huán)境下干擾源部署結(jié)構(gòu)不同，對抗干擾方產(chǎn)生的破壞效果必然不同。參考文獻(xiàn)[45]，假設(shè)干擾方將干擾源放置在節(jié)點(diǎn)1、2和3附近，如圖3(a)所示，則該部署結(jié)構(gòu)對抗干擾方造成的影響，如圖3(b)所示(通信正常，抗干擾方受影響較小)；如果將干擾源部署在節(jié)點(diǎn)4、5和6附近，如圖3(c)所示，則該部署結(jié)構(gòu)對抗干擾方可能造成的破壞效果，如圖3(d)所示(通信中斷，抗干擾方受影響較大)。故干擾源部署結(jié)構(gòu)的選擇是很重要的，但鮮有從干擾源部署的角度出發(fā)開展干擾源定位及精度評估的研究。

(a) 第1種部署結(jié)構(gòu) (b) 第1種部署結(jié)構(gòu)的影響

(c) 第2種部署結(jié)構(gòu) (d) 第2種部署結(jié)構(gòu)的影響圖3 多干擾源聯(lián)合部署結(jié)構(gòu)對抗干擾方的影響Fig.3 Joint deployment of multiple interference sources influencing anti-jamming party

② 已有的衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源定位技術(shù)大多適用于單干擾源情況，但鮮有研究在識別并定位到某一干擾源時(shí)進(jìn)一步對所有已定位的單干擾源進(jìn)行多干擾源聯(lián)合部署結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合決策分析方法選擇有效的抗干擾部署結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)防護(hù)方利益最大化。衛(wèi)星導(dǎo)航干擾感知方法研究不足匯總?cè)鐖D4所示。

圖4 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾感知方法研究不足匯總Fig.4 Summary of research deficiencies in jamming sensing methods in satellite navigation

2.2 導(dǎo)航對抗決策方法研究不足

通過前人對導(dǎo)航對抗決策分析方法的研究可以總結(jié)3點(diǎn)不足，具體內(nèi)容如圖5所示。

圖5 導(dǎo)航對抗決策分析方法研究不足匯總Fig.5 Summary of research deficiencies in the analysis methods of navigation countermeasure decision

(1) 國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對SAR、ISAR、激光制導(dǎo)和雷達(dá)等領(lǐng)域決策方法開展了研究，而國外學(xué)者對干擾攻擊下的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)及用戶端防御能力等領(lǐng)域決策方法開展了研究。不難發(fā)現(xiàn)，前人未能提出較好地適用于導(dǎo)航對抗的決策分析方法。

(2) 不同領(lǐng)域?qū)W者采取了不同的分析方法，雖然在一定程度上削弱了影響因素的模糊性和隨機(jī)性，但沒有兼顧分析時(shí)決策信息的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性，且評估過程中的整體效率低。

(3) 目前被廣泛用于雷達(dá)對抗領(lǐng)域的博弈理論對處理對抗復(fù)雜性的公式模型和方法較成熟，但存在幾點(diǎn)不足：① 該理論及相關(guān)算法鮮少用于導(dǎo)航對抗領(lǐng)域來解決類似的評估問題；② 雷達(dá)對抗提出的贏利矩陣(開展博弈的核心要素)，對導(dǎo)航對抗決策分析來說不適用；③ 對抗雙方對其所處的同一場景態(tài)勢的理解不相同，僅靠某一方對場景態(tài)勢的估計(jì)進(jìn)行決策，勢必存在較大隱患，而部分雷達(dá)對抗的博弈方法在運(yùn)用時(shí)未考慮博弈信息是不完全信息和參與者的有限理性；④ 未考慮策略實(shí)施獲得的收益對策略選取的反饋影響。

3 總結(jié)與展望

(1) 對干擾識別研究存在不足的改進(jìn)建議：基于傳統(tǒng)特征匹配與多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合的改進(jìn)識別方法，既可以強(qiáng)化復(fù)合式GNSS干擾信號的智能分類和自動(dòng)識別技術(shù)的研究，也可以完成對多干擾源分類識別效果的橫向?qū)Ρ龋云诘玫礁行У膹?fù)合式干擾識別方法；再運(yùn)用導(dǎo)航對抗決策分析方法，例如線性規(guī)劃算法等，來綜合調(diào)度更為有效的抗干擾手段，以尋求盡可能大的贏利值，擴(kuò)大防護(hù)方的安全收益。

(2) 對干擾源定位研究存在不足的改進(jìn)建議：在干擾識別完成的基礎(chǔ)上，基于多天線陣列的干擾源定位方法等開展干擾源定位解算，以快速地估計(jì)出干擾源來向；再利用得到的結(jié)果確定并分析多干擾源聯(lián)合部署結(jié)構(gòu)；最后運(yùn)用導(dǎo)航對抗決策分析方法，來綜合調(diào)度更為有效的抗干擾部署結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對干擾部署結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)防護(hù)方的利益最大化。

(3) 對決策分析方法研究存在不足的改進(jìn)建議：可引入動(dòng)態(tài)演化博弈方法，建立更加精準(zhǔn)的導(dǎo)航對抗贏利矩陣和對評估結(jié)果的反饋驗(yàn)證環(huán)節(jié)。相較于雷達(dá)對抗建立的經(jīng)過專家反復(fù)驗(yàn)證的贏利矩陣模型，已建立的適用于導(dǎo)航對抗的贏利矩陣模型的未經(jīng)過驗(yàn)證[6]，對應(yīng)得到的GNSS干擾效能評估結(jié)果缺少反饋驗(yàn)證環(huán)節(jié)。因此，未來應(yīng)在對動(dòng)態(tài)演化博弈方法的研究上，投入更多的關(guān)注度和精力。

4 結(jié)束語

本文圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航干擾識別方法、干擾源定位方法和導(dǎo)航對抗決策分析方法等方面，從干擾感知與決策分析方法的應(yīng)用背景與研究進(jìn)展、應(yīng)用前景與研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究存在的不足等角度開展了對上述方面研究現(xiàn)狀的總結(jié)。針對研究存在的不足，結(jié)合本團(tuán)隊(duì)近幾年在該領(lǐng)域的研究成果，對GNSS干擾感知與對抗決策分析方法的發(fā)展和改進(jìn)趨勢進(jìn)行了總結(jié)，以期通過傳統(tǒng)識別方法與多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)復(fù)合式導(dǎo)航干擾源識別準(zhǔn)確性的提升、通過多種方法聯(lián)合定位的技術(shù)實(shí)現(xiàn)多干擾源聯(lián)合部署結(jié)構(gòu)定位、通過引入動(dòng)態(tài)演化博弈方法建立更加精準(zhǔn)的導(dǎo)航對抗贏利矩陣和對評估結(jié)果的反饋驗(yàn)證環(huán)節(jié)。