GPS偽碼瞄準式干擾及硬件實現*

潘偉，楊祖芳，鄭建生

(1.武漢大學 a.衛星導航定位技術研究中心； b.電子信息學院，湖北 武漢 430072； 2.武漢工商學院 信息工程學院，湖北 武漢 430065)

GPS偽碼瞄準式干擾及硬件實現*

潘偉1a，楊祖芳2，鄭建生1

(1.武漢大學 a.衛星導航定位技術研究中心； b.電子信息學院，湖北 武漢 430072； 2.武漢工商學院 信息工程學院，湖北 武漢 430065)

GPS(全球定位導航系統)天線濾波和極化抗干擾技術，使得寬帶阻塞式干擾的效能急劇下降。為了解決這個問題，提出了一種采用偽碼瞄準式干擾方案。方案能夠對GPS信號進行干擾，并且干擾性能得到提升。分析了偽碼瞄準式干擾原理和評估標準，對GPS偽碼瞄準式干擾機進行了設計，分別包括偽碼干擾源模塊設計和載波模塊設計，并給出了個電路的原理和硬件實現。對GPS接收機的載噪比進行了測試，實驗結果表明偽碼瞄準式干擾，載噪比降低，具有干擾功率集中的優點。相比寬帶阻塞式干擾，性能得到提升。

壓制性干擾；瞄準式干擾；GPS對抗；C/A碼；相關干擾；衛星干擾；電子對抗

0 引言

寬帶阻塞式干擾是針對全球定位導航系統(global positioning system，GPS)系統常用的干擾方式[1]，多用于對GPS制導巡航導彈進行干擾。然而，GPS天線濾波和極化抗干擾技術[2]的研究，使得GPS接收機對干擾的抗性得到增強，寬帶阻塞式干擾的性能急劇下降。為了提高干擾性能，采用窄帶干擾信號[3]是研究的主要趨勢。

文獻[4-5]介紹了偽碼瞄準式干擾在雷達領域的應用，然而，在GPS領域的研究還未見到報道[6-7]。本文在分析GPS信號的特點上，提出了針對GPS的偽碼瞄準式干擾技術。分析了干擾對GPS接收信號相關特性的影響，并設計了載波模塊和干擾源模塊，搭建了測試平臺。結果表明，采用偽碼瞄準式干擾技術，相比阻塞式干擾[8]載噪比更低，干擾性能更好。

1 偽碼瞄準式干擾技術

1.1 瞄準式干擾原理

瞄準式干擾是基于壓制性干擾的技術，主要用于直接序列擴頻通信系統[9]。偽碼瞄準式干擾是將干擾信號精確瞄準到GPS下行信號，干擾信號集中在GPS頻譜范圍內[10]。

圖1 瞄準式干擾與GPS收發系統Fig.1 Aiming- jamming and GPS system

如圖1所示，說明了干擾信號與GPS通信系統的關系。數據碼DATA經過C/A碼擴頻與BPSK調制發射出去，成為GPS信號。GPS信號和干擾信號同時被接收端接收，經過解調與解擴得到數據碼DATA。該接收端DATA同時包含噪聲信號和數據。因此，GPS接收系統受到干擾。

根據上述分析，實現瞄準式干擾的關鍵技術：①干擾信號帶寬與GPS信號帶寬2 MHz一致，②干擾信號載頻與GPS信號載頻1 575.42 MHz一致。為了解決這2點，本文在硬件設計上，提出了偽碼干擾源和載波發生模塊設計方案。

1.2 偽碼瞄準式干擾對GPS信號影響理論分析

在沒有干擾的情況下，衛星接收機的接收信號為

(1)

式中：A表示信號s(t)傳輸過程中的信道衰減；d(t)為數據信號；Pi(t)為GPS信號擴頻碼；w0為載波信號。

在有干擾情況下，信號s(t)和人為干擾j(t)是線性疊加的，即接收機的接收信號為

(2)

對于偽碼瞄準式干擾，式(2)中干擾信號j(t)可以表示為

(3)

式中：Aj為干擾振幅；Pj為偽碼干擾序列；wj為干擾信號載頻。為了簡化分析，不考慮導航電文d(t)和相位φ的影響，接收機的接收信號可簡化為

r(t)=APicos(w0t)+AjPjcos(wjt).

(4)

對于接收機K路信道，對式(4)的r(t)求自相關[11]，即接收信號的相關特性：

(5)

式中：T為信道積分時間；上述第1個積分為第i衛星信號的自相關系數；第2個積分為干擾序列與衛星信號的互相關系數。

在無干擾情況下，對于GPS L1頻段，Pi擴頻碼為C/A碼，其有良好的自相關特性c(τ)，如圖2所示。在有干擾信號時，存在Pj偽碼干擾序列，會使的c(τ)的自相關特性發生改變。如圖3所示，存在多個相關系數，導致在GPS信號解擴過程中，碼跟蹤環[12]無法鎖定，無法捕獲導航電文。

圖2 無干擾時GPS信號的相關系數Fig.2 Correlation coefficient of GPS signal without interference

圖3 偽碼干擾時GPS信號的相關系數Fig.3 Correlation coefficient of GPS signal in PN code jamming

1.3 瞄準式干擾性能評估

文獻[13]給出了GPS干擾效能的評估標準，本文在此基礎上，對偽碼瞄準式干擾的性能進行了研究。干擾對GPS接收機的影響是降低信號/噪聲功率密度比C/N0。

(6)

式中：S為接收到的GPS功率；N0為熱噪聲功率密度W/Hz；I0為干擾噪聲功率密度。本文通過C/N0來衡量干擾信號對GPS信號的影響。C/N0越低，信號質量越差，受到的干擾越強。后續實驗說明了干擾信號會降低C/N0。

2 偽碼瞄準式干擾硬件電路實現

如圖4所示，干擾機本質上采用發射機結構[14]，包括基帶和射頻兩大部分。偽碼瞄準式干擾的難點在于實現上述2個關鍵技術，因此，分別對偽碼干擾源、載波發生模塊進行了研究。

2.1 偽碼干擾源設計

如圖4所示，偽碼干擾源采用C/A碼，由可編程邏輯器件 XILINX FPGA(field programmable gate array)產生。由于C/A碼是以一定規律和周期重復產生的，具有類似噪聲的序列，具有接近白噪聲的相關函數[15]，同時C/A碼也是GPS信號的擴頻碼。因此，采用C/A碼能夠實現干擾信號帶寬與GPS信號帶寬一致。

如圖5所示，C/A Code主要由G1 Code與G2 Code異或產生。C/A模擬產生速率1.023 MHz的第i顆衛星的C/A碼序列，C/A碼有1 023個碼片，持續周期是1 ms。如圖6所示，為C/A碼的半邊頻譜，C/A碼帶寬為2 MHz≈1.023 MHz×2，說明與GPS信號帶寬一致，采用該方法可行。

2.2 載波發生模塊設計

如圖4所示，載波發生模塊包括數字頻率綜合器(direct digital synthesizer，DDS)，鎖相環倍頻器PLL(phase locked loop)，濾波電路。載波發生模塊的功能是產生載波信號。該載波信號瞄準GPS信號中心頻率1 575.42 MHz。

文獻[16]給出了DDS+PLL合成頻率的方案，本文將其應用于載波頻率的合成。

圖4 干擾機硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of jamming machine

圖5 C/A碼發生器原理Fig.5 Principle of C/A code generator

圖6 C/A碼頻譜Fig.6 C/A code spectrum

如圖7所示，恒溫晶振提供基準時鐘源fREF，通過頻率控制字FTW對DDS進行控制，經過低通濾波，輸出分頻信號fDDS。該信號作為PLL的輸入信號。PLL包括PFD鑒相器，低通濾波器，壓控振蕩器VCO，N DIVIER分頻器。輸出信號為fOUT。

圖7 載波發生硬件設計Fig.7 Hardware design of carrier

該電路經過調試，說明這一方案是成功的。如圖8給出了載波信號的頻譜圖，中心頻率為1 575.42 MHz。

圖8 載波輸出信號Fig.8 Carrier output signal

3 測試結果

3.1 干擾機輸出信號測試

如圖9所示，Tektronix頻譜儀測試輸出波形。信號主瓣中心頻率為1 575.42 MHz，帶寬為2 MHz，與GPS信號的特征一致，說明該干擾信號瞄準了GPS信號。

圖9 干擾信號頻譜Fig.9 Spectrum of interference signal

3.2 偽碼瞄準式干擾性能評估測試

如圖10所示，在戶外條件下對該系統進了測試。測試平臺包括：維科V.KEL衛星接收模塊以及上位機軟件顯示的衛星狀態圖，說明收到了衛星信號。

測試的主要參數為載噪比C/N0，單位dB- Hz。如表1所示，分別測試了偽碼瞄準式干擾與寬帶阻塞是干擾對GPS載噪比C/N0的影響。

表1 載噪比C/N0的測試結果

通過上述實驗得出結論：①本文設計的偽碼瞄準式干擾系統降低了載噪比，達到了干擾效果。②瞄準式干擾相比寬帶阻塞式干擾載噪比更低，干擾性能得到提升。

4 結束語

針對壓制性干擾性能的不足，擴頻后干擾功率下降的問題，結合GPS信號特征，提出了借助偽碼噪聲序列實現瞄準式干擾的方法。通過對GPS信號的自相關性分析，表明在瞄準式干擾下，GPS信號的自相關性發生改變，碼跟蹤環無法鎖定，接收機收到干擾。在硬件電路上，設計了偽碼干擾源和載波發生模塊，產生了干擾信號。搭建了干擾測試平臺，實驗結果，該方法能夠降低GPS信號的載噪比，相比阻塞式干擾性能更強。

[1] 喻紅婕，潘成勝.GPS阻塞式壓制干擾技術的分析與實現[J].沈陽理工大學學報，2006，25(1)：65-67. YU Hong- jie，PAN Cheng- sheng.The Research and Implementation of the Blocking- Suppressing Jamming Technigue in GPS[J].Transactions of Shenyang Ligong University，2006，25(1)：65-67.

[2] 楊忠，白渭雄，付孝龍.全極化輔助天線對消極化干擾方法分析[J].現代防御技術，2016，44(5)：131-136. YANG Zhong，BAI Wei- xiong，FU Xiao- long.Cancellation Method Analysis of Full Polarized Auxiliary Antenna to Polarized Interference[J].Modern Defence Technology，2016，44(5)：131-136.

[3] 胡澤賓，趙惠昌.偽碼引信瞄準式欺騙干擾及硬件實現[J].電子與信息學報，2006，28(10)：1817-1819. HU Ze- bin，ZHAO Hui- chang.Jamming of Spot and Deception of Pseudo- Random Code Phase- Modulation Fuze and Hardware Implemented Circuit[J].Journal of Electronics & Information Technology，2006，28(10)：1817-1819.

[4] 侯者非，王學東，陳國軍.GPS干擾與抗干擾技術研究[J].現代電子技術，2004，27(23)：99-101. HOU Zhe- fei，WANG Xue- dong，CHEN Guo- jun.Research on Interference and Anti- Interference of GPS[J].Modern Electronics Technique，2004，27(23)：99-101.

[5] 沈陽，李修和，陳永光.一種新的壓制性干擾技戰術研究[J].電子與信息學報，2008，30(5)：1068-1071. SHEN Yang，LI Xiu- he，CHEN Yong- guang.Research on One New Blanket Jamming Technology and Tactics[J].Journal of Electronics & Information Technology，2008，30(5)：1068-1071.

[6] 楊春曉，謝軍偉，張昭建.針對制導雷達的新型干擾仿真及分析[J].現代防御技術，2016，44(5)：194-200. YANG Chun- xiao，XIE Jun- wei，ZHANG Zhao- jian.Simulation and Analysis of New Type Jamming for Guidance Radar[J].Modern Defence Technology，2016，44(5)：194-200.

[7] BEK M K，SHAHEEN E M，ELGAMEL S A.Mathematical Analyses of Matched Spectrum Interference Signal on Post- CorrelationC/N0for the GPS Receivers[C]∥International Conference on Computer Engineering & Systems，2014：119-124.

[8] 毛虎，吳德偉，盧虎，等.GPS M碼信號壓制干擾樣式效能分析[J].電子科技大學學報，2015，44(3)：350-356. MAO Hu，WU De- wei，LU Hu，et al.Effectiveness Analysis of the Blanket Jamming Mode to GPS M Code Signal[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2015，44(3)：350-356.

[9] 祝愛民，石春和，董良東，等.基于FPGA高斯白噪聲發生器的設計與實現[J].火力與指揮控制，2009，34(7)：119-121. ZHU Ai- min，SHI Chun- he，DONG Liang- dong，et al.Design and Realization of Gaussian White Noise Generator Based on FPGA[J].Fire Control & Command Control，2009，34(7)：119-121.

[10] BONFANTI A，AMOROSA F，SAMORI C.A DDS- Based PLL for 2.4- GHz Frequency Synthesis[J].Circuits & Systems II Express Briefs IEEE Transactions on，2003，50(12)：1007-1010.

[11] 薛磊，湯俊杰，張煊滏.基于接收機跟蹤性能的GPS壓制干擾效果分析[J].現代防御技術，2011，39(4)：26-30. XUE Lei，TANG Jun- jie，ZHANG Xuan- fu.Analysis of Blanket Jamming Effect on GPS Receiver Based on Performance of Tracking Loop of Receiver[J].Modern Defence Technology，2011，39(4)：26-30.

[12] 劉雅娟，高偉，張娜.壓制性干擾系統仿真研究[J].科學技術與工程，2012，12(10)：1671-1815. LIU Ya- juan，GAO Wei，ZHANG Na.The Study of Blanketed Jamming System Simulation[J].Science Technology and Engineering，2012，12(10)：1671-1815.

[13] 何江，郭承軍，陳智.全球導航衛星系統中的干擾頻域門限檢測技術研究[J].計算機工程，2016，42(4)：105-111. HE Jiang，GUO Cheng- jun，CHEN Zhi.Research on Threshold Detection Technology of Interference Frequency Domain in Global Navigation Satellite System[J].Computer Engineering，2016，42(4)：105-111.

[14] 趙敏，趙麗屏.全球衛星導航定位系統抗干擾技術[J].指揮信息系統與技術，2016，7(1)：37-40. ZHAO Min，ZHAO Li- ping.Anti- Jamming Technologies for Global Satellite Navigation and Positioning Systems[J].Command Information System and Technology，2016，7(1)：37-40.

[15] 楊朝，徐慨，楊海亮.衛星通信干擾信號的檢測方法指揮[J].控制與仿真，2016，38(6)：125-134. YANG Zhao，XU Kai，YANG Hai- liang.Study on Detection for Interference Signals in Satellite Communication[J].Command Control & Simulation，2016，38(6)：125-134.

[16] 潘高峰，王李軍，華軍.衛星導航接收機抗干擾技術[M].北京：電子工業出版社，2016. PAN Gao- feng，WANG Li- jun，HUA Jun.Anti- Jamming Technology of Satellite Navigation Receiver[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2016.

Pseudo Code Aiming- Jamming Design of GPS

PAN Wei1a，YANG Zu- fang2，ZHENG Jian- sheng1b

(1.Wuhan University，a.GNSS Research Center；b.Electronic Information School，Hubei Wuhan 430072，China； 2.Wuhan Technology and Business University，Information Engineering School，Hubei Wuhan 430065，China)

Global positioning system (GPS) antenna filtering and polarization interference technology makes the performance of broadband blocking interference decreased dramatically. To solve this problem, a pseudo code aiming jamming scheme is proposed which can interfere with the GPS signal, and the performance is improved. The pseudo code aiming jamming principle and evaluation standards are analyzed. GPS code aiming jamming machine is designed, including pseudo code and carrier interference source module design, as well as the realization principle and hardware circuit. The carrier to noise ratio of the GPS receiver is tested. Experimental results show that the pseudo code aiming jamming can effectively interfere with GPS and has the advantage of the interference power concentration. Compared to broadband blocking interference, the performance is enhanced.

blanket jamming； spot jamming； GPS countermeasure； C/A code； correlated interference； satellite interference； electronic countermeasure

2016-12-13；

2017-03-21 基金項目：國家自然科學基金項目(61273053)；武漢工商學院2016年度科研基金項目(A2016008) 作者簡介：潘偉(1991-)，男，安徽六安人。碩士生，研究方向為衛星干擾與抗干擾技術，衛星接收機設計。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.023

TN972;P228.4

A

1009- 086X(2017)- 04- 0143- 06

通信地址：340000 湖北省武漢市武漢大學電子信息學院 E- mail：panwei314@163.com