高空無人機載GPS／INS系統干擾效能及對策研究＊

吳志建，方勝良，吳付祥

（1.解放軍電子工程學院，安徽合肥230037；2.電子制約技術安徽省重點實驗室安徽合肥230037）

0 引言

高空長航時“全球鷹”無人機高空、縱深的偵察能力，令無人機在現代戰爭中的地位明顯提高，引起了各國軍方的高度關注。如何遏制其作戰效能的發揮是當前研究的一個重要課題。GPS／INS系統在高空長航時無人機自動完成從起飛、偵察到著陸的整個飛行過程中發揮著重要作用。因此本文從對抗無人機載GPS／INS系統的角度進行研究，并給出了對抗策略。

1 對GPS／INS系統干擾效能分析

1.1 GPS天線方向圖

GPS接收機是上半球覆蓋的，具有抑制仰角小于5°信號的能力。典型的GPS接收天線方向圖如圖1所示。

圖1 典型的GPS接收機天線方向圖

本文擬采用sinc函數來對GPS接收機天線進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 sinc函數模擬的GPS接收機天線方向圖

1.2 GPS干擾方程

目前對GPS干擾的手段有升空干擾、星載GPS干擾以及地面GPS干擾。升空干擾技術主要采用機載、平流層飛艇載以及氣球載GPS干擾機等實施升空干擾。星載GPS干擾主要用于遠距離干擾敵方空中目標的GPS，以壓制、轉發衛星下行GPS信號，起到干擾、欺騙效果。地面GPS干擾技術是采用功率合成技術匯聚足夠的干擾功率，組成強干擾壓制，確保重點攻防方向GPS無法定位的技術。本文則針對目前高空無人機機載的GPS／INS系統的特點，重點研究升空壓制式干擾對機載GPS系統的效能。

對GPS的壓制式干擾就是通過干擾信號進入接收機后的強度高于GPS信號解擴的強度，從而使得接收機無法截獲、跟蹤GPS信號。在此以接收機輸入端的干擾容限來衡量對GPS接收機干擾是否成功。

式中，So為GPS接收機輸出端的信號強度；Jo為GPS接收機輸出端的干擾信號強度；Gk為擴頻處理增益；Kj為干擾容限，也可以理解為壓制系數；Ls為系統損耗。

假設GPS干擾為全向天線，則GPS干擾方程為：

式中，Pj為干擾機發射功率，Gj為干擾機天線增益，Grj為GPS接收機在干擾機方向上的增益，Rt為GPS接收機與導航衛星之間的距離，Pt為導航衛星發射功率，Gt為導航衛星天線增益，Grs為GPS接收機在導航衛星方向上的增益，Rj為干擾機到GPS接收機之間的距離。

1.3 GPS干擾機的需求計算

GPS接收機是上半球覆蓋的，具有抑制小于5°仰角信號的能力，所以對高空無人機載GPS／INS組合系統中的GPS干擾采用升空干擾的方式，如圖3所示。

圖3 對高空無人機載GPS干擾示意圖

圖3中仰角小于5°的區域為干擾機的不可配置區。根據干擾方程，定義：

Rj≤Ro區域為壓制區，Rj＞Ro區域為導航區，如圖4所示。

圖4 干擾壓制區示意圖

下文重點研究在確保一定飛行距離L的情況下，GPS／INS組合導航系統中GPS無法導航時，不同干擾機配置對干擾機的需求數量。具體平面示意圖如圖5所示。

圖5 對高空無人機載GPS干擾空間關系

圖5中d為干擾機與飛機垂直方向的高度差，Li為一部干擾機對GPS干擾時的有效壓制距離。要完成L距離上的有效壓制，干擾機的配置需滿足以下條件：

1）干擾機位于大于GPS仰角5°的范圍內；

2）干擾機與飛機飛行方向的距離，即干擾機與飛機垂直方向的高度差小于最大壓制距離Ro；

3）干擾機水平方向的配置小于或等于兩干擾機有效壓制距離之和的一半；

4）干擾機與GPS接收機之間滿足可視要求。

所以為壓制機載GPS／INS組合導航系統一定距離L時GPS不能導航，所需要的干擾機數目N為：

條件為：

1.4 INS導航誤差分析

GPS／INS組合導航系統是通過GPS的長期高精度和INS的短期高精度組合進行導航，以松耦合、緊耦合以及深度耦合等方式利用卡爾曼濾波將GPS的輸出與INS輸出相比較，使各種誤差減少到最小，從而達到總的精度高于GPS或INS的目的。

壓制式干擾的目的就是為了讓GPS／INS組合導航系統失去GPS定位系統的調整作用，使其僅有慣性導航起作用，最終增加INS積累誤差，偏移預定航線。飛機飛行速度為v，飛行航線長度為Rd，INS角誤差漂移速度為σ°／s，則飛行方向角度的偏差為：

無人機的圓概率誤差CEP為：

2 仿真實例

敵某型高空無人偵察機飛行高度19850m，飛行速度為635km／h，GPS接收天線最大增益為3d B，系統損耗2d B，C／A碼調制帶寬為2MHz，P碼調制帶寬為20MHz，碼速率為50bit／s，INS偏移圓概率誤差120m／20min；導航衛星軌道高度20200km，發射功率為26 W，天線增益為12dB；干擾機發射功率為4W，天線增益為0dB，干擾機之間距離等于兩干擾機有效壓制距離之和的一半，同一高度配置；飛機的圓概率誤差為300m。不同高度差d時所需干擾機數量見表1、表2。

表1 干擾C／A碼導航所需干擾機數目

表2 干擾P碼導航所需干擾機數目

從表1可知，為使無人機偵察機航線的圓概率誤差達到300m，如果干擾機高于無人機偵察機3600 m布置，所需要的干擾機數目為7臺，并隨著高度差的增加，干擾機的數目也隨之增加；相比C／A碼，P碼的擴頻處理增益增強了它的抗干擾能力，在高度差為1127m，仰角為5.0020°的臨界值時就需要21臺干擾機，當高度差為10000m時，增加至33臺。

3 對抗策略

從上述仿真分析中不難得知，為了使高空無人機載平臺航線的圓概率誤差達到一定的數值，采用壓制式干擾方式對GPS／INS系統進行干擾所需要的裝備數量是巨大的，并且采用機載GPS干擾機、平流層飛艇載GPS干擾機以及氣球載GPS干擾機對高空無人機載GPS／INS系統進行壓制式干擾難度是相當大的，所以對抗高空無人機載GPS／INS系統，在加大對機載GPS系統進行干擾的同時，還要兼顧對機載INS系統的干擾或破壞，可采取以下方式來對抗高空無人機載GPS／INS系統：

1）對GPS／INS系統GPS接收機的瞬時高功率損壞。當GPS接收機的輸入功率達到或超過10 W時，接收機的限幅管就會因高功率微波信號與接收機電子系統的耦合作用而損壞，使GPS接收機癱瘓。

2）對GPS／INS系統中INS敏感器件損壞加壓制式干擾。對于一般的GPS接收機，其要求的最大的輸入功率不超過－15dBW，否則會使接收設備的信號飽和，導致不能分辨真假，有用信息無法提取；如果同時采用高功率微波武器使INS敏感器件損壞，致使GPS、INS系統都不能正常工作，從而達到不能導航的目的。

3）對GPS／INS系統中INS敏感器件損壞加欺騙式干擾。采用高功率微波武器使INS系統損壞，在INS系統不能對GPS進行校正的情況下，對GPS采用欺騙式干擾，使GPS接收機接收錯誤的衛星導航數據，導致定位誤差增加，達到對抗的目的。

4 結束語

本文在建立GPS干擾方程的基礎上，針對GPS接收天線方向圖特點，對GPS干擾的裝備需求進行了計算，并進行了仿真分析，結果表明，對抗高空無人機載GPS／INS系統采用壓制式干擾是可行的，并能取得很好的效果。從對GPS干擾裝備的軍事需求方面考慮，對高空無人機載GPS／INS系統的干擾，如能兼顧對INS系統的干擾或破壞，可在一定程度上減少對GPS干擾裝備的需求。所以，多源、多方式干擾手段的有效結合可對高空無人機載GPS／INS系統起到很好的干擾作用?！?/p>

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