魏永峰

(91404部隊(duì)92分隊(duì)　秦皇島　066000)

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針對(duì)BOC調(diào)制的GPS信號(hào)欺騙式干擾技術(shù)研究*

魏永峰

(91404部隊(duì)92分隊(duì)秦皇島066000)

摘要為了實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的有效干擾,針對(duì)采用BOC調(diào)制技術(shù)的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),開展干擾技術(shù)研究。論文論述了BOC調(diào)制技術(shù)的基本原理,重點(diǎn)討論了基于BOC調(diào)制編碼通信GPS系統(tǒng)的有效的欺騙式干擾,分析了轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、播放式干擾、間斷干擾、分布式轉(zhuǎn)發(fā)干擾等欺騙干擾技術(shù)的產(chǎn)生機(jī)理,為未來研究欺騙式干擾如何戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞全球定位系統(tǒng); 二進(jìn)制偏置載波調(diào)制; 欺騙干擾

Deceiving Jamming Technology for GPS Signals with BOC Modulation

WEI Yongfeng

(Unit 92, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractIn order to implement the effective jamming to GPS signals, for the global positioning system(GPS) with based on BOC Modulation, the GPS jamming technology is studied. Basic principles of BOC modulation are introduced, deceiving jamming technology for GPS signals with BOC modulation is discussed. Creation mechanism of retransmitted jamming, broadcast jamming, discontinuous jamming and distributing repeated jamming are discussed. It can provide basis for tactical application of deceiving jamming.

Key WordsGPS, binary offset carrier modulation, deceiving jamming

Class NumberTN972.3

1引言

定位系統(tǒng)性能與其射頻信號(hào)的調(diào)試方式關(guān)聯(lián)較大,M碼采用二進(jìn)制偏移載波(BOC)等先進(jìn)技術(shù)調(diào)制方式的GPS信號(hào),具有較強(qiáng)的抗多路徑效應(yīng)能力和良好的跟蹤性能。BOC調(diào)制是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種創(chuàng)造性服務(wù),BOC調(diào)制技術(shù)對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有良好的應(yīng)用前景。我國目前在這一全新領(lǐng)域尚處于初期預(yù)研階段,對(duì)導(dǎo)航戰(zhàn)這一新的戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的緊迫性和必要性。

2BOC調(diào)制技術(shù)原理

二進(jìn)制偏置載波(Binary Offset Carrier,BOC)調(diào)制以方波作為副載波,對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的碼信號(hào)輔助調(diào)制,之后再調(diào)制到主載波上。BOC調(diào)制主要由兩個(gè)參數(shù)來描述:副載波頻率和傳播的碼率,表示為BOC(fs,fc),其中fs是副載波頻率,fc是碼率,單位為MHz,BOC(fs,fc)與實(shí)際頻率間的換算關(guān)系為:實(shí)際子載波頻率為1.023fs,實(shí)際碼率為1.023fc。導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制到擴(kuò)頻碼后,再調(diào)制一矩形副載波,生成BOC信號(hào),最后調(diào)制到導(dǎo)航信號(hào)頻段的主載波上發(fā)射出去,與GPS C/A碼信號(hào)的區(qū)別是引入了一矩形副載波[1～2]。BOC信號(hào)原理如圖1所示。

圖1　BOC信號(hào)原理

BOC信號(hào)的復(fù)數(shù)形式公式為

s(t)=e-jθ∑akunTs(t-knTs-t0)CTs(t-t0)

(1)

式中,{ak}為數(shù)據(jù)調(diào)制后的擴(kuò)頻碼單元大小;CTs(t)是副載波;周期為2Ts;unTs為擴(kuò)頻符號(hào);θ為相位,t0為初始時(shí)間。

BOC調(diào)制是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種創(chuàng)造性服務(wù),其信號(hào)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是信號(hào)功率并不是調(diào)制到載波頻率的主瓣,而是調(diào)制到了載波頻率兩側(cè)的旁瓣上,這兩個(gè)旁瓣之間的間隔為兩倍的副載頻寬度,如圖2所示。

圖2　BOC(fs=10,fc=5)調(diào)制信號(hào)的功率譜密度

經(jīng)BOC(fs,fc)調(diào)制的基帶信號(hào)的歸一化功率譜密度定義為

(2)

一般地,BOC調(diào)制的自相關(guān)函數(shù)不容易顯式表達(dá)。當(dāng)信號(hào)理想地以復(fù)帶寬βr為帶限,其自相關(guān)函數(shù)可以定義為

(3)

BOC功率譜上兩側(cè)主瓣之間的主瓣和旁瓣的個(gè)數(shù)由調(diào)制參數(shù)fs,fc決定,具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系式可以表示為

n1=2fs/fc

(4)

式(4)中,n1表示兩側(cè)主瓣之間的主瓣和旁瓣的個(gè)數(shù),也稱為BOC調(diào)制階數(shù)。

同時(shí),BOC的調(diào)制參數(shù)fs、fc決定了自相關(guān)函數(shù)正峰和負(fù)峰的個(gè)數(shù),其具體對(duì)應(yīng)關(guān)系式為

n2=4fs/fc-1

(5)

其中,n2表示自相關(guān)函數(shù)正峰和負(fù)峰的個(gè)數(shù),同時(shí)相鄰兩個(gè)峰的延遲時(shí)間為副載波(即方波)周期的一半。

3欺騙式干擾技術(shù)

本文主要討論針對(duì)GPS的欺騙式干擾,欺騙式干擾信號(hào)包括:轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、播放式干擾、間斷干擾、分布式轉(zhuǎn)發(fā)干擾[3～10]。

欺騙式干擾是指發(fā)射與真實(shí)的GPS信號(hào)具有相同的參數(shù)只是信息碼不同的假信號(hào),干擾GPS接收機(jī)的工作并使之產(chǎn)生錯(cuò)誤的定位信息。針對(duì)GPS的工作原理,對(duì)GPS進(jìn)行定位欺騙可以分兩個(gè)方面:給出虛假導(dǎo)航信息或者增加信號(hào)傳播時(shí)延。他們分別對(duì)應(yīng)于“生產(chǎn)式”和“轉(zhuǎn)發(fā)式”兩種干擾體制。生產(chǎn)式干擾需要知道GPS碼型以及當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星電文數(shù)據(jù),這對(duì)于已經(jīng)公開的C/A碼以及半公開的P碼來說是可以實(shí)現(xiàn)的,但對(duì)于Y碼和M碼來說,干擾就有很大的困難,目前仍需要進(jìn)一步突破關(guān)鍵技術(shù)。

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。對(duì)于M碼的GPS接收信號(hào),在接收信號(hào)中已經(jīng)包含了解擴(kuò)所需的本地碼P(t)或C(t)。如果能把這樣的信號(hào)存儲(chǔ)下來,再轉(zhuǎn)發(fā)給GPS接收機(jī),就干擾信號(hào)而言,與GPS接收機(jī)能夠很好的匹配。從定位原理可以看到,確定GPS接收機(jī)的當(dāng)前位置必須依賴兩部分設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。一部分是天上的四顆GPS衛(wèi)星,另一部分是載體上的GPS接收機(jī)。根據(jù)定位方程,GPS接收機(jī)顯示其接收天線處的位置信息。如果使用一部較大功率的轉(zhuǎn)發(fā)式GPS干擾機(jī),使干擾區(qū)域內(nèi)的GPS接收機(jī)都接收轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)(因?yàn)楦蓴_信號(hào)比GPS衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)),那么,所有這些GPS接收機(jī)都將顯示相同的位置信息。這是因?yàn)镚PS接收機(jī)的位置信息由轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)上的GPS天線和天空的四顆GPS衛(wèi)星決定,GPS信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)于GPS信號(hào)的延時(shí),不影響其定位精度。從破壞GPS接收機(jī)的定位能力來看,轉(zhuǎn)發(fā)式干擾可以滿足要求。但轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的最大問題還是收發(fā)隔離。

播放式干擾。預(yù)先將GPS信號(hào)采集下來,裝入干擾機(jī),由干擾機(jī)按一定的使用要求進(jìn)行播放。由于采集的數(shù)據(jù)都是過去的歷史數(shù)據(jù),盡管與GPS接收機(jī)能夠很好的匹配接收,但從導(dǎo)航電文中取出的數(shù)據(jù)或者不能滿足數(shù)據(jù)的一致性要求而廢棄,或者處理出的結(jié)果(包括時(shí)間、位置)都是虛假的。這種干擾方式因?yàn)闆]有接收部分,干擾設(shè)備比較簡(jiǎn)單,成本較低。不足之處在于一旦GPS的信號(hào)發(fā)生了變化,干擾就不起作用。在將來的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,完全有可能也有能力改變軍用GPS信號(hào)(包括載頻、調(diào)制信號(hào)、發(fā)射功率等)。

間斷干擾。間斷干擾也是一種有效的干擾方法,可以用時(shí)分制方式來實(shí)現(xiàn)。GPS的接收和干擾

是分時(shí)進(jìn)行的,在T1期間對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)接收并存儲(chǔ),在T2期間播放。通過間斷性地重復(fù)播放某一時(shí)段的相參信號(hào),使GPS接收機(jī)受到以下影響:接收機(jī)在搜索/跟蹤狀態(tài)之間來回切換;接收信號(hào)在GPS衛(wèi)星信號(hào)和干擾信號(hào)之間來回切換;阻塞相關(guān)接收通道(破壞數(shù)據(jù)的一致性、處理不出有效數(shù)據(jù))。這種工作方式解決了兩個(gè)難題:收發(fā)隔離問題;用時(shí)分制在時(shí)域上進(jìn)行隔離。這種隔離方法在雷達(dá)對(duì)抗中經(jīng)常被采用,是一種比較成熟的干擾技術(shù)。能夠動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)信號(hào)的變化:T1和T2是整個(gè)工作周期T的二個(gè)不同階段,T1期間跟蹤目標(biāo)信號(hào)的變化,這種方式可以在每個(gè)周期中更新一次目標(biāo)信號(hào),只要T選擇適當(dāng),就能及時(shí)跟上目標(biāo)信號(hào)的變化。

分布式轉(zhuǎn)發(fā)干擾。為解決轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的收發(fā)隔離問題,采用空間隔離的辦法,將收發(fā)在空間上分開,組成多個(gè)接收和多個(gè)發(fā)射:接收站具有很高的接收靈敏度,對(duì)當(dāng)前的GPS衛(wèi)星信號(hào)接收、放大并下變頻到較低的載頻上;干擾機(jī)將低頻信號(hào)上變頻到GPS的工作頻率上,經(jīng)過放大、干擾樣式的調(diào)制后,從干擾天線上發(fā)射出去;接收站和發(fā)射機(jī)之間通過有線或無線方式傳輸。

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對(duì)GPS接收機(jī)的干擾是十分有效的,近距離作為壓制式干擾,遠(yuǎn)距離可以構(gòu)成欺騙干擾。針對(duì)目前的GPS精確制導(dǎo)武器,即使它們應(yīng)用諸如自適應(yīng)調(diào)零天線、自適應(yīng)濾波以及提高功率等反干擾技術(shù)措施,如果在戰(zhàn)場(chǎng)的前沿部署轉(zhuǎn)發(fā)式干擾帶,當(dāng)GPS接收機(jī)將近距離的干擾機(jī)屏蔽,遠(yuǎn)距離的干擾機(jī)仍能發(fā)揮作用,雷達(dá)陣地和重要目標(biāo)將得到有效的保護(hù),從而使它們避免遭到精確制導(dǎo)武器的打擊。

4結(jié)語

采用BOC調(diào)制的GPS信號(hào)具有較強(qiáng)地抗干擾性,如何有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的干擾,可以有效降低敵方現(xiàn)代化武器的使用效能,同時(shí)也是有效的一種進(jìn)攻性措施。因此,為了在未來的電子戰(zhàn)中,研究針對(duì)BOC調(diào)制的GPS信號(hào)干擾技術(shù),對(duì)掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)具有重要的軍事意義。

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中圖分類號(hào)TN972.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.016

作者簡(jiǎn)介:魏永峰,男,碩士,工程師,研究方向:電子對(duì)抗。

*收稿日期:2015年8月5日,修回日期:2015年9月25日