低軌點波束增強實現(xiàn)區(qū)域定位阻斷分析

侯林源，黃新明，張鵬程，肖 偉，李井源，李崢嶸

低軌點波束增強實現(xiàn)區(qū)域定位阻斷分析

侯林源，黃新明，張鵬程，肖 偉，李井源，李崢嶸

（國防科技大學 電子科學學院，長沙 410073）

針對導航出站信號易被惡意用戶利用來獲取定位信息的問題，在保證區(qū)域外導航服務正常使用的前提下，分析衛(wèi)星功率增強信號在壓制模式下的阻斷效果及實施條件：分析通過低軌衛(wèi)星（LEO）增強實現(xiàn)區(qū)域定位阻斷的模型，并研究區(qū)域定位阻斷的評估方法；然后將用戶接收等效載噪比做為評估定位阻斷性能的核心指標；最后給出相應的載噪比門限的計算方法，用最小星上天線增益評價阻斷實施條件。分別對二進制偏置載波（BOC）（1,1）、四相移相鍵控（QPSK）（10）和二相移相鍵控（BPSK）（5）調(diào)制信號進行阻斷仿真。結(jié)果表明，對于低軌衛(wèi)星實施的增強信號，至少需要15.69 dB的最小星上天線增益；星上增益大小與信號體制、播發(fā)干擾類型有關(guān)，也取決于信號的抗干擾能力；對于QPSK（10）調(diào)制信號，帶限白噪聲干擾需要27.93 dB的最小星上天線增益。

低軌衛(wèi)星；功率增強：定位阻斷；壓制干擾；等效載噪比；星上天線增益

0 引言

在未來導航戰(zhàn)背景下，如何有效實現(xiàn)導航戰(zhàn)保護、阻止、保持的目標，是導航戰(zhàn)研究的重要內(nèi)容之一[1]。由于出站信號處于開放的電磁環(huán)境中，出站信號上的定位信息完全有可能被惡意獲取，因此需要對區(qū)域內(nèi)非法使用民用導航服務者采取阻斷的措施，同時還要保證區(qū)域外的民用導航服務正常使用，這就需要對民用信號的管理控制方式進行研究。為達到以上目的，可采用2種方式：一是將覆蓋特定區(qū)域內(nèi)的民用衛(wèi)星導航系統(tǒng)的部分導航信號關(guān)閉，使依賴于該衛(wèi)星導航系統(tǒng)的惡意用戶無法使用其定位服務或授時服務；二是在區(qū)域內(nèi)對導航信號實施干擾[1]。文獻[1]論述了方式一的實施效果。由于民用信號的可容忍干擾功率較小，且未來軍民信號頻譜分離后，針對民用的干擾不會對軍用信號產(chǎn)生影響，本文將選取第二種方法對阻斷效果進行分析。

當前對導航信號實施干擾的常見方式有壓制干擾與欺騙干擾2種。壓制干擾包括單頻、窄帶、脈沖、掃頻、寬帶等干擾類型，主要通過影響信號到達接收機的載噪比來干擾信號[2-3]。欺騙干擾是以有用信號碼形、速率、帶寬等相同或相似的偽信號，使系統(tǒng)或通信鏈路被欺騙造成不正確判斷而做出錯誤反應的干擾[4-5]。這些常規(guī)的干擾方式有覆蓋區(qū)域小、覆蓋區(qū)域固定、易被抗干擾處理的缺點，無法滿足未來導航對抗的需求。

如今北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）已經(jīng)全部完成星座部署，并開始提供全球服務[6]，面對上述問題，必須要考慮其系統(tǒng)的安全防護。本文將在BDS短報文服務（short message service，SMS）信號體制下，針對出站信號進行阻斷干擾分析，采用衛(wèi)星星上點波束增強信號的方式進行干擾。這種干擾方式通過低軌（low Earth orbiting，LEO）衛(wèi)星進行干擾播發(fā)，與普通地面干擾源相比具有不同的特點：首先，星上播發(fā)干擾區(qū)域廣，可以靈活調(diào)整干擾區(qū)域；其次，對于同一顆衛(wèi)星上的干擾信號與有用信號，用戶接收的來波方向基本相同，致使空域抗干擾難度加大。本文干擾模式考慮壓制干擾，分析在點波束天線功率增強的實施方式下的可行性，以期為我國未來的衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號優(yōu)化設(shè)計以及系統(tǒng)安全管理策略提供參考。

1 區(qū)域功率增強信號系統(tǒng)模型

本文研究的干擾實施方式為LEO星上點波束天線實現(xiàn)對目標區(qū)域播發(fā)功率增強信號，從而使得目標區(qū)域的民用信號服務能力失效。低軌功率增強信號播發(fā)模型如圖1所示。

圖1 LEO功率增強信號播發(fā)模型

通常情況下，載噪比是評估導航信號質(zhì)量的重要指標，其表示為載波功率與噪聲功率譜密度的比。這里同樣可以用此指標評價干擾信號的接收質(zhì)量。

1 鏈路計算

在工程計算中，式（3）通常等價表示成以分貝為單位，表示的鏈路功率預算方程[7]為

1.2 接收載噪比

根據(jù)上面的鏈路分析可知，功率增強的干擾信號的接收載噪比與衛(wèi)星星上功放功率及目標區(qū)域等效面積有關(guān)，其表達式為[8]

為了顯示表征接收載噪比與星上功率及天線增益的關(guān)系，給出如下示例：

設(shè)大氣損耗為2 dB，信號波長為0.19 m，用戶接收天線的增益為0，衛(wèi)星信號星上發(fā)射功率為26.8 W，天線增益為自變量。給出用戶接收的干擾信號載噪比與衛(wèi)星星上天線增益及衛(wèi)星離地面垂直距離的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 載噪比與星上天線增益及衛(wèi)星離地面垂直距離的三維關(guān)系

從圖2可以看出，用戶接收的干擾信號干噪比與星上天線增益及衛(wèi)星離地面垂直距離呈線性關(guān)系。在衛(wèi)星高度300 km條件下的天線增益大約為12 dB，此時的接收干噪比為84 dB·Hz，波動2 dB。

2 區(qū)域定位阻斷評估方法

本節(jié)首先分析采用功率增強信號實現(xiàn)區(qū)域阻斷時相關(guān)各變量間的約束關(guān)系，得出用戶接收的等效載噪比為評估區(qū)域定位阻斷性能的核心指標；然后給出相應的載噪比門限的計算方法，最后定義2種評估通過點波束功率增強信號方式實現(xiàn)區(qū)域定位阻斷的性能指標。

2.1 相關(guān)變量約束關(guān)系分析

在本文中，區(qū)域定位阻斷定義為在目標區(qū)域的定位精度無法達到給定指標，或者無法定位。本文研究的干擾類型為壓制式干擾，壓制式干擾主要是從信號接收層面影響用戶的接收，因此，可以采用用戶在干擾條件下的等效載噪比作為評估指標。

與用戶接收載噪比相關(guān)的變量包括星上功放發(fā)射功率、星上天線增益、目標地區(qū)坐標，這3個因素會影響干擾信號的功率大小，從而影響用戶接收到的等效載噪比。另外，評估是否成功實現(xiàn)區(qū)域阻斷需要定義對應的接收載噪比門限。相應變量之間的約束關(guān)系如圖3所示.

圖3 區(qū)域定位阻斷指標關(guān)系

探討干擾信號功率增強能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域定位阻斷，實際上是探討在各初始變量不同取值條件下能否干擾接收機正常定位，也就是分析在何種星上功率及天線增益下用戶接收的等效載噪比低于門限載噪比，從而達到成功干擾的目的。

2.2 區(qū)域定位阻斷載噪比門限分析

載噪比門限由捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度與定位精度門限中的最小值決定。由于跟蹤靈敏度一般都小于捕獲靈敏度，這里主要分析捕獲靈敏度以及定位精度門限要求所需要的載噪比門限，取較大值為區(qū)域定位阻斷載噪比門限。

2.2.1 捕獲靈敏度的載噪比門限

設(shè)等效的信號相干時間為100 ms，則捕獲靈敏度約為-148 dBm，這基本上是現(xiàn)代大部分接收機的捕獲靈敏度，對應的信號接收載噪比為24 dB·Hz，即如果接收到的等效載噪比仍能高于24 dB·Hz，則接收仍能正常接收。

（1）依托互聯(lián)網(wǎng)工具：企業(yè)必須依托互聯(lián)網(wǎng)來建立網(wǎng)絡品牌，因此網(wǎng)絡品牌也具有互聯(lián)網(wǎng)的全球性、服務的連續(xù)性、動態(tài)性等特點。

2.2.2 定位精度的載噪比門限

定位精度的載噪比門限定義為在低于該載噪比門限時，無法滿足給定的定位精度指標。

在高斯白噪聲環(huán)境下，對該信號進行同步跟蹤所能達到的精度表達式[11]為

給定接收機前端帶寬取為2.27 MHz，環(huán)路帶寬為1 Hz，可以看出，在等效載噪比為24 dB·Hz時，對應的測距精度大概為20 ns，測距精度為10 m左右。一般情況下，跟蹤靈敏度要遠低于捕獲靈敏度，因此認為定位精度載噪比門限要低于捕獲載噪比門限。本文以捕獲靈敏度要求的載噪比門限值作為相應區(qū)域定位阻斷時的載噪比門限。

2.3 區(qū)域定位阻斷的評估指標

一般為了評估是否可行而采用的方法是：計算出在給定星上功率及天線增益條件下用戶接收的等效載噪比，然后計算出區(qū)域定位阻斷時的載噪比門限，再將二者進行比對；如果低于門限值，則認為能夠成功實施定位阻斷，否則無法成功實施阻斷。

步驟1：根據(jù)目標地區(qū)坐標、星上功放發(fā)射功率以及初始星上天線增益，計算出用戶接收的等效載噪比。

步驟2：與定位阻斷時用戶接收的載噪比門限比較，如果大于該門限，則增大星上天線增益，并跳轉(zhuǎn)至步驟1；否則，輸出最小星上天線增益。

圖4 最小星上天線增益求解流程

3 實驗與結(jié)果分析

本節(jié)對壓制干擾模式下區(qū)域點波束功率增強信號對信號接收性能的影響進行仿真實驗和分析。

北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3）在B1、B2、B3各頻段上可能均會存在民用的導航信號，并根據(jù)下行導航信號體制的初步論證方案執(zhí)行。本節(jié)論證采用的信號體制為二進制偏置載波（binary offset carrier，BOC）（1,1）、四相相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）（10）和二相移相鍵控（binary phase shift keying，BPSK）（5），假設(shè)接收機的接收帶寬與發(fā)射帶寬相等，3個頻點民用信號的前端帶寬分別為6.138、30.69、15.345 MHz，正常信號接收載噪比為45 dB·Hz。圖5給出干擾信號條件下等效載噪比與干信比間的關(guān)系。

從圖5可以看出：若需要成功干擾信號，對于BOC（1,1）信號，3種干擾形式下需要的干信比分別為41.02、45.21及48.22 dB；對于BPSK（5）信號，3種干擾形式下需要的干信比分別為43、47、49.98 dB；對于QPSK（10）信號，3種干擾形式下需要的干信比分別為46.44、50.25、53.26 dB。3種信號體制收到阻斷的最小干信比如表1所示?？梢缘贸?，QPSK（10）信號的抗干擾能力較強，達到門限需要較低高的干擾強度；3種干擾形式中，窄帶干擾的效果較好，可以以較低的干信比達到阻斷門限。

圖5 窄帶/匹配譜/帶限白噪聲干擾條件下等效載噪比衰減

表1 不同干擾對不同信號體制阻斷的最小干信比 dB

假設(shè)低軌衛(wèi)星高度為300 km，通過鏈路計算可以得出達到阻斷的最小星上天線增益（如表2所示）。

表2 不同干擾對不同信號體制阻斷的最小星上天線增益 dB

從表2可知，天線增益要比正常導航信號的天線增益增強15.69 dB以上才能達到阻斷定位的目的。雖然通過縮短衛(wèi)星與用戶機的距離可以達到減小天線增益的作用，但是較低的衛(wèi)星軌道會使單一衛(wèi)星干擾覆蓋時長縮短，需要更多的衛(wèi)星實現(xiàn)區(qū)域干擾阻斷。

4 結(jié)束語

本文就通過播發(fā)點波束天線增強信號實現(xiàn)區(qū)域定位阻斷的可行性進行了仿真分析，采用載噪比損耗、最小星上天線增益等指標對能否實現(xiàn)定位阻斷進行判定，驗證了通過低軌衛(wèi)星播發(fā)增強信號可阻斷正常民用信號的接收。低軌衛(wèi)星高度為300 km、采用壓制干擾時，若想達到阻斷效果，需要天線增益比正常導航信號天線增益強至少15.69 dB。對于抗干擾性能較好的QPSK（10）信號，在帶限高斯白噪聲壓制干擾下，最小星上增益需要27.93 dB。適當降低衛(wèi)星的軌道高度可以減小星上增益。本文的結(jié)果可以為我國未來的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號優(yōu)化設(shè)計以及系統(tǒng)安全管理策略提供參考。

后續(xù)將會對低軌衛(wèi)星干擾覆蓋與最小星上增益進行最優(yōu)設(shè)計，在實現(xiàn)較小星上增益的條件下采用合適的低軌衛(wèi)星高度。

[1] 彭競, 聶俊偉, 王飛雪. 關(guān)閉部分導航信號實現(xiàn)區(qū)域定位阻斷對全球定位性能的影響分析[J]. 中國科學: 物理學力學天文學, 2011, 41(5): 547-555.

[2] KRAUS T, BAUERNFEIND R, EISSFELLER B. Survey of in-car jammers—analysis and modeling of the RF signals and IF samples (suitable for active signal cancelation)[C]// The Institute of Navigation. Proceedings of the 24th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2011). Portland, Oregon: The Institute of Navigation, 2011: 430-435[2022-06-23].

[3] BORIO D, DOVIS F, KUUSNIEMI H, et al. Impact and detection of GNSS jammers on consumer grade satellite navigation receivers [EB/OL]. (2016-05-02)[2022-06-23]. https://ieeexplore.ieee.org/document/7463455.

[4] 何亮. GNSS欺騙式干擾仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 成都: 電子科技大學, 2015.

[5] 劉清秀, 程玉, 王國棟, 等. 北斗衛(wèi)星導航欺騙與抗欺騙技術(shù)現(xiàn)狀探討[J]. 導航與控制, 2021, 20(4): 24-32, 23.

[6] LU Jun, GUO Xia, SU Chengen. Global capabilities of BeiDou navigation satellite system[J/OL]. Satellite Navigation. (2020-8-31)[2022-6-23]. https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020- 020-00025-9.

[7] 甘忠良, 白如順. 衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計工程應用研究[J]. 通信技術(shù), 2020, 53(7): 1684-1688.

[8] 劉冠邑, 張海勇, 任重. 干擾條件下衛(wèi)星通信鏈路計算模型研究[J]. 通信技術(shù), 2018, 51(10): 2279-2286.

[9] 郭海玉, 魯祖坤, 陳飛強, 等. 窄帶與脈沖干擾對衛(wèi)星導航信號載噪比的影響[J]. 全球定位系統(tǒng), 2021, 46(1): 50-56.

[10] 黃仰博. 高性能導航接收機基帶處理算法與實現(xiàn)技術(shù)研究[D]. 長沙: 國防科技大學, 2011.

[11] 謝鋼. GPS原理與接收機設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2017: 292-295.

Analysis on realization of regional positioning and blocking by low-orbit spot beam enhancement

HOU Linyuan, HUANG Xinming, ZHANG Pengcheng, XIAO Wei, LI Jingyuan, LI Zhengrong

(College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Aiming at the problem that it is easy to be used by malicious users to obtain location information for navigation outbound signals, under the premise of ensuring the normal use of navigation services outside the area, the paper analyzed the blocking effect and implementation conditions of satellite power enhancement signals in the suppression jamming mode: the model of realizing regional positioning blocking through low Earth orbit (LEO) satellite enhancement was analyzed, and the evaluation method of regional positioning blocking was studied; then the user-received equivalent carrier-to-noise ratio was used as the core index for evaluating positioning blocking performance; finally the calculation method of the corresponding carrier-to-noise ratio threshold was given, and the minimum on-board antenna gain was used to evaluate the blocking implementation conditions.Blocking simulations were performed for binary offset carrier (BOC) (1,1), quadrature phase shift keying (QPSK) (10) and binary phase shift keying (BPSK) (5) modulated signals, respectively. Results showed that for the enhanced signals implemented by LEO satellites,a minimum on-board antenna gain of 15.69 dB would be required; and the on-board gain would be related to the signal system and broadcast interference type, and also depend on the anti-jamming capability of the signal; moreover, for QPSK(10) modulated signals, band-limited white noise interference would require a minimum on-board antenna gain of 27.93 dB.

low Earth orbit satellite (LEO);power enhancement;positioning interference;suppress interference;equivalent carrier-to-noise ratio;onboard antenna gain

侯林源, 黃新明, 張鵬程, 等. 低軌點波束增強實現(xiàn)區(qū)域定位阻斷分析[J]. 導航定位學報, 2023, 11(3): 132-137.（HOU Linyuan, HUANG Xinming, ZHANG Pengcheng, et al. Analysis on realization of regional positioning and blocking by low-orbit spot beam enhancement[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 132-137.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230318.

P228

A

2095-4999(2023)03-0132-06

2022-06-23

侯林源（1998—），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為導航與時空技術(shù)。

黃新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，講師，研究方向為導航與時空技術(shù)。