對GPS/INS接收機干擾效果評估方法分析

王 婭,宋福曉,李榮美,孫 旭

(北京跟蹤與通信技術研究所,北京100094)

0 引語

GPS/INS組合導航技術是目前最先進的全天候、自主式制導技術,2個系統經過不同方式的結合,既可提高系統的導航定位精度,又可增強GPS接收機的抗干擾能力。因此,GPS/INS組合系統有廣泛的軍事應用前景,是國外中/遠程精確制導武器普遍采用的一項關鍵技術。如何針對GPS/INS組合導航接收機進行有效干擾,并對干擾效果進行準確評估是一項值得研究的工作。

1 GPS/INS組合導航機理[1]

GPS/INS組合導航是將GPS和INS兩種導航方式結合起來進行組合導航。自主式的INS是獨立的,在初始對準后完全處于自主狀態,可消除外界環境的影響,但存在陀螺儀和加速度計誤差及重力場模型誤差,而使得給出位置中的誤差隨時間增長;GPS具有很高的測量精度,但GPS動態適應能力較差,輸出數據率比較低,不能滿足高動態系統工作的要求,且易受干擾影響。將二者的信息進行融合,利用GPS的高精度數據間斷性對INS的數據進行校正,反過來用INS的數據輔助GPS的捕獲跟蹤,既可提高系統的導航定位精度,又增強了GPS接收機的抗干擾能力,可以起到優勢互補的作用。

按照組合方式的不同,GPS/INS可分為3種:松散耦合、緊密耦合和深度耦合,其結構分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 松散耦合示意圖

圖2 緊密耦合示意圖

圖3 深度耦合示意圖

松散耦合結構中,GPS接收機獨立于慣導系統工作,是在定位位置上融合2個系統。當GPS可用時,主要進行位置估算和校準INS。當GPS不可用時,用INS來進行導航。

緊密耦合結構中,GPS和INS共用一個導航濾波器。GPS為組合導航濾波器提供偽距估算而不是位置估算。當GPS可用時,主要進行位置估算和校準INS。當一些GPS信號不可用時,剩下可用的GPS偽距測量仍然能用于位置估算并輔助校準INS。這樣即使當較弱的信號消失時,較強的衛星信號仍然有用。

深度耦合與緊密耦合結構相同點是GPS和INS共用一個導航濾波器,當GPS可用時,主要進行位置估算和INS校準。如果GPS出現問題,那么組合定位估計就用來輔助GPS環的信號跟蹤。組合系統得到的位置和速度估算被用來預測沿著衛星視線方向的速度。預測出的速度用于輔助延遲環(DLL)和鎖相環(PLL)。即通過采用更窄的跟蹤環帶寬,INS可幫助GPS抵御射頻干擾。

由上述分析可知,緊密耦合的抗干擾能力強于松散耦合,深度耦合的抗干擾能力是最強的。

2 干擾方法分析

由于INS是獨立系統,不受電磁干擾影響,因此對GPS/INS的干擾主要是針對GPS進行干擾,并希望將干擾引入GPS/INS系統。下面分析2種典型干擾樣式對GPS/INS的干擾及效果。

2.1 壓制式干擾

壓制式干擾就是通過發射干擾信號壓制在GPS接收機端的GPS衛星信號,使GPS接收機部分失去或完全失去GPS衛星信號而無法定位,從而達到干擾目的。由對GPS/INS組合導航原理可知,壓制式干擾對松散耦合方式最有效,當干擾使GPS接收機跟蹤星座少于4顆衛星時,GPS接收機已不能定位,并且無法對INS進行修正,導致INS的誤差隨時間迅速增加,從而達到干擾目的。對于緊致耦合接收機,如果壓制干擾僅使得某個衛星信號無法檢測時,仍可以利用其他衛星信號的偽距測量進行定位并輔助校準INS。對于深度耦合接收機,由于組合定位結果還可輔助延遲環甚至鎖相環,使得跟蹤環帶寬更窄,干擾更難進入,壓制式干擾效果更有限。但對于松散耦合方式的GPS/INS接收機,即使壓制式干擾使GPS信號完全不可用,GPS/INS仍可利用INS進行導航,只是導航精度會隨時間降低,但在較短時間內干擾效果不明顯。

2.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾是指發射與GPS信號具有相同參數(只有信息碼不同)的假信號,干擾GPS接收機,并使其產生錯誤的定位信息。欺騙式干擾有“產生式”和“轉發式”2種方式。產生式干擾是指由干擾機產生能被GPS接收的高逼真欺騙信號。產生式干擾需要知道GPS的碼型以及衛星的電文數據。目前只有C/A碼是完全公開的,由于P碼序列長,且可加密成Y碼,要從偵收中破譯P碼從而產生能被GPS接收的高逼真的欺騙信號,技術難度非常大。因此產生式干擾多用于C/A碼接收機的干擾。

轉發式干擾就是將干擾機接收到的GPS導航信號,經過一定的延時,再放大后發送出去。轉發式干擾利用信號的自然延時,因此干擾信號與導航信號完全相同,只是延時不同,GPS接收機容易被欺騙。另外,轉發式干擾信號經過放大,信號的幅度大于導航信號的幅度,GPS接收機完全有可能將轉發的干擾信號捕獲到,從而獲得錯誤的偽距,使GPS接收機達不到精確的定位。轉發式干擾利用信號的自然延時,不需要產生高逼真信號,技術上相對容易實現。

欺騙式干擾對松散耦合接收機的干擾效果較好,因為干擾不但使得GPS定位位置產生誤差,也使受GPS修正的INS信號出現誤差。有資料研究表明[2],對于緊致耦合GPS/INS接收機,如果用多顆衛星信號進行轉發式欺騙,則多個偽距加上偏差會增大接收機時鐘偏差,有可能將迅速地被濾波器所補償。相反,僅在1顆衛星的通道加上偏差,將會取得一定欺騙干擾效果。

欺騙式干擾對于深度耦合GPS/INS接收機的干擾效果更復雜一些[3]。由于深度耦合GPS/INS中取消了編碼和載波跟蹤操作,使用估算的導航參數生成用于跟蹤衛星的本地副本信號,直接將相關的輸出數據(如本地信號和衛星信號比較)用于計算導航速率誤差。對于已經鎖定、產生了正確的本地副本信號的導航系統來說,由于Kalman預濾波器為每個衛星產生一個量測協方差矩陣M(由后驗協方差矩陣計算得到),如果本地信號與接收的干擾信號之間的互協方差過大,就可以通過相應的預濾波量測互協方差矩陣進行去權重;如果這個值很小,其對導航的影響就會在Kalman濾波過程中被減到最低。

3 評估方法分析

由于INS的特點,對于GPS/INS組合導航接收機的干擾不同于對GPS接收機的干擾,因此需研究與其相適應的檢驗干擾效能的評估方法。因為GPS/INS組合導航接收機多用于彈載和機載模式,其中,彈載比機載復雜度更高,因此這里主要對彈載GPS/INS組合導航接收機的干擾效果評估方法進行探討。

3.1 評估指標

評估指標體系是進行干擾效果評估的依據。由典型干擾樣式對松散耦合、緊致耦合、深度耦合3種GPS/INS組合導航接收機的干擾效果分析可知,不同干擾樣式對GPS/INS不同耦合方式的干擾效果應選取不同的指標進行評估。與單純對GPS接收機進行干擾不同的是,還需要把對INS的影響包括在內。并且GPS/INS多用于彈載,因此還應結合導彈打靶的最終效果進行最終評價。一些典型指標分析如下:

①C/N0[4]:通常可通過信噪比S/N來描述接收機接收到的信號質量。但是,噪聲功率N與帶寬成正比,并且GPS接收機的延遲鎖定環(DLL)、載波跟蹤環(PLL)和數據鑒別器的帶寬各不相同。這里將信噪比歸一化到1 Hz的帶寬上,可以用信號/噪聲功率密度比C/N0來描述到達接收機內部的信號質量。壓制干擾對接收機的根本影響也正是降低了C/N0。C/N0越小表明干擾效果越好;

②失星個數:當對GPS/INS進行壓制式干擾時,最直接的效果就是導致接收機對衛星信號跟蹤能力的減弱。干擾使丟掉的衛星個數越多表明干擾效果越好;

③壓制系數:壓制系數是指在規定的定位誤差下,接收機接入端的干信比。在相同定位誤差條件下,壓制系數越小,表明干擾機的干擾能力越強;

④欺騙信號捕獲概率[5]:只有當接收機對欺騙信號進行有效捕獲,才能起到很好的干擾效果。捕獲概率指的是接收機對轉發的欺騙信號進行捕獲的成功率,捕獲概率越大,表明干擾效果越好;

⑤位置誤差:無論是對GPS/INS進行壓制干擾或欺騙干擾,干擾效果都會體現在定位的位置與真實位置信息的偏差,誤差越大表明干擾效果越好;

⑥誤差漂移[6]:誤差漂移是指導彈到達的實際位置與設定目標的距離。當GPS信號完全被干擾時,INS的性能是確定其精度的決定性參數。INS誤差漂移是衡量INS性能的主要指標,它與干擾距離、導彈飛行速度及INS漂移誤差有關。誤差漂移越大,表明干擾效果越好;

⑦命中概率比:命中概率比定義為干擾后命中概率與干擾前命中概率之比。對彈載GPS/INS接收機進行有效干擾必然會使導彈對目標的命中概率降低,命中概率比越小,說明干擾前后命中概率相差越大,表明干擾效果越好;

⑧干擾成功率:干擾成功率是一個典型的概率指標,定義為干擾設備在規定條件下能夠達到有效干擾的次數與實施干擾總次數之比。對于彈載GPS/INS接收機進行干擾,可用導彈脫靶量作為衡量干擾是否有效的標準。干擾成功率越高,表明干擾效果越好。

3.2 檢測方法

對彈載GPS/INS組合導航接收機干擾效果進行檢測可用內場仿真試驗和外場飛行試驗及實彈干擾試驗3種方法。內場仿真試驗是將試驗系統中的部分環節(如導航信號、信道等)用仿真模型代替,部分環節用實體設備,一起組成仿真干擾試驗系統,在仿真試驗室內進行靜態或動態干擾仿真試驗。內場仿真試驗的優點是可控性、安全性和保密性好,試驗經費低,組織難度不高。主要存在的問題是目前仿真模型的置信度有限。

外場飛行試驗是在外場環境條件下,用機載GPS/INS接收機代替彈載GPS/INS接收機檢測模擬動態條件下對彈載GPS/INS接收機的干擾效果。外場飛行試驗的優點是避免消耗昂貴的實彈,試驗費用和危險性大大降低。主要存在的問題是以飛機模擬導彈的飛行特征,置信度有所下降。

實彈干擾試驗是在外場環境條件下,通過實際發射搭載GPS/INS接收機的制導武器或模擬彈檢測對飛行中的制導武器的干擾效果。由于參試設備均為實物,并處于真實的外場環境(包括大氣環境、復雜電磁環境等),可以認為是在全真條件下進行的試驗。因此實彈干擾試驗的最大優點是可信度高。主要存在的問題是可控性、安全性和保密性低,試驗費用高,組織難度大。

實際上,由于各種不可控制的隨機因素的作用,導致各次干擾試驗的結果并不相同,因此干擾設備對彈載GPS/INS接收機的干擾效果是具有一定概率分布的隨機事件,必須建立在統計意義上才是準確和完整的。因此,只有通過大量重復干擾試驗來研究干擾結果的概率分布特點,然后用統計方法作定量分析才能對干擾設備的干擾效果作出可靠評估。因此,可通過大量的仿真試驗,獲得足夠多的試驗數據以滿足試驗結果統計分析的需要,全面檢驗干擾設備在各種試驗條件下的干擾效果,并通過摸底,確定進行外場試驗的最佳試驗條件。少量的外場試驗及實彈試驗,可用于對干擾效果進行綜合演示驗證,以及對仿真試驗結果、仿真模型準確性進行驗證和修正。對于彈載GPS/INS組合導航接收機的干擾試驗可以采用綜合試驗的方法,即以仿真試驗為主,同時應結合少量外場飛行試驗和外場實彈干擾試驗,最終可對干擾設備的干擾效果作出置信度較高的評估。

4 結束語

隨著GPS/INS在軍事上的廣泛應用,對GPS/INS組合導航接收機的干擾將是未來導航對抗的發展重點。如何運用正確可信的方法對GPS/INS組合導航接收機的干擾效果進行檢測與評估是非常復雜的問題。針對彈載GPS/INS組合導航接收機的特點所選取的指標具有一定的代表性和參考價值,下一步還需要對其中的具體問題,特別是評估指標的測量及檢測方法的實施等關鍵問題等進行深入的研究和分析。

[1]MISRA P,ENGE P.全球定位系統——信號、測量與性能(第2版)[M].羅 鳴,曹 沖,譯.北京:電子工業出版社,2008:420-421.

[2]周坤芳,周湘蓉,李德武.對GPS/INS制導巡航導彈GPS干擾方法的探討[J].航天電子技術,2005,36(3):1-5.

[3]狄 珉,張爾揚.超緊致GPS/慣性耦合技術及干擾措施[J].航天電子對抗,2006:22(1):33-35.

[4]焦 遜,陳永光.對GPS接收機實施壓制干擾的效能評估研究[J].航天電子對抗,2003(3):11-13.

[5]劉延斌,蘇五星.轉發式欺騙信號干擾GPS接收機的效能分析[J].空軍雷達學院學報,2004:18(4):4-6.

[6]路 遠,陳鵬舉.對GPS/INS制導巡航導彈的干擾研究[J].航天電子對抗,2003(1):6-9.