基于M碼的GPS 干擾技術

劉 揚，杜春梅

（空軍航空大學，長春130022）

1 傳統GPS 信號干擾存在的問題

無論何種干擾樣式，只要有足夠大的干擾功率，即使在時頻空域重合度稍差一些，也終將導致接收機無法正常工作。由于GPS 接收機本身固有的非線性和有限動態范圍以及GPS 信號的脆弱性（信號功率小，抗干擾裕度不大），隨著干擾功率的增加，必然導致GPS 接收機接收誤碼率的增加。又因對目標信號先驗知識要求較低，大功率攔阻式干擾對非合作擴頻信號的干擾具有一定優勢。但是大功率干擾也存在一定的缺點：

（1）輻射功率越大，遭反輻射攻擊的可能性越大，干擾平臺生存概率越低。傳統大功率攔阻式干擾強調信號能量的決定性作用，使得干擾功率不斷加大，這不僅會造成干擾資源浪費，更使得干擾平臺極易遭敵方反輻射武器攻擊，生存概率大為降低。

（2）輻射功率越大，技術要求越先進，硬件實現越困難。為取得大的發射功率，采用普通技術體制（單元功放加線形天線）已很難滿足要求。若采用高增益拋物面天線實現大功率干擾，必須增大天線口徑，而天線過大不利于干擾平臺機動，同時干擾效果還受干擾波束寬度的影響。

（3）GPS 抗干擾技術使大功率攔阻式干擾效能大為降低。由于功率倒置陣和自適應天線調零技術的使用，GPS 接收機可在大功率干擾信號來波方向上產生天線方向圖零點，干擾信號越強，零陷越深。

2 GPS 干擾與抗干擾方式

2.1 GPS 干擾方式

從技術角度出發，GPS 干擾方式可分為壓制式干擾和欺騙式干擾。

壓制式干擾是指發射一定帶寬、頻率和功率的干擾信號，造成GPS 接收機的相關接收通道不能正常接收GPS 衛星信號，使接收機無法正確導航定位。

欺騙式干擾是利用虛假的GPS 信號來干擾和欺騙對方GPS 接收機，接收機無法分辨接收信號是否正確，從而使其利用錯誤參數進行解算，導致導航定位錯誤。其主要分為轉發式欺騙干擾和產生式欺騙干擾2 種。本文主要接收3 種干擾方式：

（1）點頻干擾：無需掌握目標信號太多技術參數，若已知目標信號的通信頻點且頻點較為固定時，可使用點頻干擾。當大功率的點頻干擾信號落入GPS 導航定位信號的瞬時頻帶內時，可以實現有效干擾。

（2）同速率偽碼干擾：干擾信號和目標信號之間任何顯著互相關都會大大降低GPS 接收機性能，當干擾信號與目標擴頻序列同載頻、同碼速率時，干擾效果最好。

（3）相關偽碼干擾：若已知目標信號的擴頻碼類型、偽碼周期、碼速率以及信號結構等技術參數，就能夠找到一種與目標信號相關性較大的偽隨機序列，適合實施相關偽碼干擾。干擾序列與目標信號的相關性越大，干擾頻譜被展寬得越少，通過GPS接收機窄帶濾波器的干擾能量越多，干擾效果也就越好。

2.2 GPS 抗干擾方式

從GPS 抗干擾角度看，為提高GPS 導航定位信號的抗干擾性能，美軍針對傳統干擾樣式研發了多種抗干擾技術，主要分為濾波技術、調零技術、組合導航技術幾大類。

（1）頻譜濾波：頻譜濾波包括帶通和帶阻濾波，該濾波技術對點頻干擾的抑制可以達到35dB 以上，因此可用于限定的點頻干擾源、連續波干擾源以及強的帶外干擾，但不適用于寬帶干擾或掃頻式干擾。

（2）時間濾波：時間濾波在時間域內對信號特征進行處理，用數字信號處理（DSP）方法來實現可編程無限／有限沖激響應濾波器和相關器。該技術對點頻干擾的抑制大于30dB，可用于多個點頻干擾和連續波干擾，也可用于多徑效應或回波抵消。

（3）空間調零：空間調零技術指用一個環形微波傳輸帶陣列對有方向性的干擾源進行自適應調零。該技術能夠有效處理寬帶噪聲和點頻干擾，對每種干擾源的抑制可達15 ～25dB。但該技術需要龐大的天線陣列和復雜的電子設備，造價較高。

（4）空間波束轉換：空間波束轉換指利用自適應平面陣列，根據GPS 衛星選擇性和干擾抑制程度的不同來提供波束控制。為了產生窄波束，平面陣列結構較大，還需要具有對衛星短暫有效的跟蹤能力，設備體積大，價格昂貴，適用于地面固定或艦載GPS 接收機。

（5）幅／相抵消：一般用裝置在飛機頂端和底端的2 個不同天線來接收干擾信號和GPS＋干擾信號，二者組合，抵消干擾信號。該技術可用于寬帶和點頻干擾源。

（6）軸向調零：指在小圓柱體內（如導彈）通過使用干涉儀和地面效應在沿圓柱體軸線方向形成可編程零點。此技術能在軸線方向上產生10 ～15dB的干擾抑制，造價低，體積小，但不能對抗軸線以外的干擾源。

（7）極化抗干擾：極化調零的實質是通過電場向量抵消來去除干擾，利用偵察和跟蹤／控制通道識別和跟蹤干擾信號的相位和幅度，再用混合電路抵消接收到的干擾信號。理論上該技術能抑制所有類型的干擾，造價低，體積小。

（8）GPS／慣性導航系統（INS）組合導航：GPS和INS 組合導航應用于高速運動目標，如精確制導武器或飛機等。基于卡爾曼濾波技術組合的GPS／INS 系統可提高抗干擾能力10%～15%，GPS 用于周期性校正INS，消除誤差積累；當GPS 受到射頻干擾時，INS 系統可繼續完成導航任務，GPS／INS可在短時間內對抗GPS 干擾。

其中較為成熟，也是美軍目前主要采用的抗干擾技術是GPS／INS 組合導航技術和自適應天線調零技術。美軍還針對不同干擾措施下抗干擾技術的性能進行實驗評估，實驗結果見表1 。

由表1 可以看出，各種抗干擾技術對于采用點頻干擾或寬帶干擾的單一干擾源均有很好的抑制作用，當對抗多干擾源時，則顯得無能為力（GPS／INS組合導航除外）。若干擾樣式采用較為新穎的同速率偽碼干擾、相關干擾或欺騙式干擾，配置多干擾源時，上述抗干擾技術將失去作用。迫于GPS 信號面對的復雜嚴峻電磁環境，美軍下一步主要研發的抗干擾技術有：

（1）抗干擾濾波器技術；

（2）陸基／機載偽衛星技術；

（3）干擾源探測與定位技術；

（4）數字波束控制天線技術；

（5）提高軍用信號功率；

（6）專用軍碼（M碼）技術。

其中后三項實際上可歸結為新增軍用碼——M碼所具有的性能特點，這也說明M碼在抗干擾技術方面處于領先地位。

表1 對不同干擾措施的抗干擾技術性能評估

3 GPS 干擾技術研究

3.1 點頻干擾信號

點頻干擾即在GPS 的工作頻率內某載頻上發射一定頻信號進行干擾。設點頻干擾的頻率為fj；干擾幅值為AP；φP為點頻干擾初相位；則點頻干擾數學模型為：

將接收到的點頻干擾信號與本地復現碼相乘后變為：

仿真實驗得到點頻干擾對信號功率譜的影響如圖1 所示，當點頻干擾頻率對準M碼載頻時，由于副載波調制，處理后的干擾功率在零頻（基帶數據）附近分布較少，干擾效果較差，如圖1 （a），縱坐標為功率譜密度（PSD）。為消除副載波影響，可將干擾頻率偏差M碼載頻±10.23MHz ，使得功率譜主瓣重新搬移回M碼載頻，可取得較好的干擾效果，如圖1（b）。

因此，使用點頻干擾的前提條件應是M碼信號主載波頻率的精確測量。

頻率偏移10.23MHz 時點頻干擾誤碼率曲線如圖2 所示，隨著干信比的增加，誤碼率呈上升趨勢，當干信比增長達到一定程度時，誤碼率曲線變化基本不大，大約維持在10－1數量級上，對接收機捕獲M碼信號影響明顯，干擾性能較好（前提頻率偏移10.23MHz ）；當干信比大于5dB 時，誤碼率達到50%以上，此時可認為已經無法實現捕獲。

圖1 點頻干擾

圖2 點頻干擾誤碼率曲線（頻率偏差）

3.2 同速率偽碼干擾信號

同速率偽碼干擾信號采用擴頻二進制相移鍵控（BPSK）調制信號，這種干擾實際上是一種優化后的擴頻干擾信號。二進制數據經過PN序列擴頻后再進行BPSK調制，這樣發射信號就是直接序列擴頻二進制相移鍵控（DS－BPSK）信號。同速率偽碼干擾的數學模型：式中：AS為干擾幅值；d（t ）為二進制數據；mS（t ）為干擾擴頻碼；擴頻碼碼速率與M碼偽碼速率一致，采 用 5 .115Mbps ；fj為 干 擾 頻 率；φS為 干 擾 初相位。

收到的同速率偽碼干擾信號與本地復現碼相乘后：

同速率偽碼干擾對信號功率譜的影響如圖3 所示。由同速率偽碼干擾的數學模型可知，該干擾信號與M碼的唯一區別是無副載波調制。當干擾載頻對準M碼載頻時，將接收信號與本地復現M碼信號相乘后，由于干擾與M碼采用的PN 碼不相關，并不能完成解擴，仍為寬帶干擾；與點頻干擾類似，副載波將原對準M碼載頻的干擾功率主瓣搬移，如圖3（a），干擾效果較差；因此可將干擾頻率偏差M碼載頻±10.23MHz ，消除副載波達到較佳干擾效果，如圖3（b）。同速率偽碼干擾誤碼率曲線如圖4 所示。

圖3 同速率偽碼干擾

圖4 同速率偽碼干擾誤碼率曲線

3.3 相關偽碼干擾信號

由于M碼除擴頻碼類型未知外，其載頻、擴頻碼速率、副載波頻率等參數已知，為使干擾信號與目標信號（M碼）有盡可能大的互相關，抵消GPS 接收機的處理增益，進一步節省干擾功率，可以考慮采用相關偽碼干擾信號。相關偽碼干擾信號的產生仿制M碼信號的調制方式，擴頻→副載波調制→BPSK調制。數學模型參考同速率偽碼干擾為：

式中：AX為干擾幅值；d（t ）為隨機二進制數據；mX（t ）為干擾擴頻碼，碼速率與M碼偽碼速率一致；ScX（t ）為副載波，頻率與 M碼所用副載波一致，采用10.23MHz ；φX為干擾的初相位。

接收到的相關偽碼干擾信號與本地復現碼相乘后變為：

相關偽碼干擾對信號功率譜的影響如圖5 所示，當干擾頻率對準M碼載頻時，相關偽碼干擾的功率譜與M碼類似，如圖5 （a），干擾與本地復現 M碼相乘后，去除副載波調制，干擾由原來的雙主瓣變為單主瓣形式（與普通BPSK 調制信號相同），同樣由于PN碼采用的不同，干擾也無法完成解擴，仍為寬帶干擾；當干擾頻率偏離M碼載頻時，與本地復現M碼相乘后，干擾功率分布與頻率偏離大小有關，功率譜變化如圖5 （b）?？梢钥闯觯旑l率對準時得到的功率譜與M碼一致，只是幅值較高，干擾效果類似于欺騙式干擾；當頻率偏差時得到的功率譜變化較大，說明相關偽碼干擾對頻率同樣要求較高。

圖5 相關偽碼干擾

相關偽碼干擾誤碼率曲線如圖6 所示，干信比為－5dB 時，誤碼率接近50%，干擾效果明顯。隨著干信比的減小，干擾性能急劇惡化，在干信比小于－30dB 時，干擾對信號的影響已基本可忽略不計。

圖6 相關偽碼干擾誤碼率曲線（頻率對準）

4 結束語

GPS M碼作為美軍未來最主要的導航定位信號，具有抗干擾、安全保密和高精度的性能特點，是美軍取得戰爭勝利的重要舉措和實現全球戰略的首要前提。本文針對傳統大功率GPS 干擾的缺點，在詳細分析GPS 干擾方式的基礎上介紹并對比了GPS 抗干擾方式的優缺點，分別對點頻干擾、同速率偽碼干擾和相關偽碼干擾3 種干擾方式進行了分析，對比了頻率對準和頻率偏差時的干擾誤碼率曲線，對M碼干擾方法的研究具有重要的理論和現實意義。

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