慣性輔助GNSS接收機的干擾識別

尹偉偉，高端陽，傅 軍

(1.海軍902工廠，上海 200083；2.海軍工程大學 導航工程系，武漢 430033)

0 引言

隨著衛星導航技術的日漸成熟，全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)可以在全球范圍內提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時(positioning，navigation and timing，PNT)服務，無論是在經濟、軍事領域還是在社會生活中都發揮著越來越重要的作用。正是由于GNSS在眾多專業領域得到了廣泛的應用，尤其是在軍事領域，使得GNSS干擾與反干擾技術成為了國內外研究的熱點。文獻[1]闡述了當前抗欺騙干擾方法存在的問題和未來欺騙防護技術的發展趨勢。文獻[2]指出了現有抗欺騙方法的缺陷及將來可能采取的抗欺騙干擾手段。文獻[3-4]按照信號層加密處理階段、射頻前端處理階段、基帶中頻信號處理階段、導航信息輸出階段等4個階段對當前的抗欺騙干擾技術體系進行了歸納分析，并指出當前抗欺騙干擾技術存在的局限性，提出了一種欺騙功率控制策略，通過實時調整欺騙干擾的總功率及各支路信號功率，使得噪聲基底的抬高幅度和最大欺騙信號信噪比限制在一定范圍內，可實現持續有效欺騙。文獻[5]從信號體制設計和接收機信號處理2個不同層面提出了一系列通用的抗欺騙措施，可直接用于GNSS接收機的抗欺騙設計。文獻[6]提出了一種根據探測到的飛行器軌跡，通過對衛星上施加傳播時延和多普勒控制量來實現位置和速度同時欺騙的方法。文獻[7]提出了一種基于信號能量的自動增益控制(automatic gain control，AGC)欺騙檢測算法，當欺騙干擾引入時，接收信號總能量會增加，AGC減小，進而實現對欺騙干擾的檢測。文獻[8]提出了一種基于加速度計的欺騙檢測算法，通過對比加速度計信息與GNSS信息的差異來實現欺騙干擾的檢測。

當存在干擾信號時，GNSS接收機自身如何準確判斷干擾信號是否存在，是實施反干擾的關鍵。鑒于此，本文針對慣性導航系統(inertial navigation system，INS)與GNSS組合導航系統，從定位的角度仿真分析了當衛星信號遭到干擾時，GNSS定位結果與INS輸出結果之間的差異變化特性。

1 干擾方式

衛星導航干擾技術分壓制式干擾和欺騙性干擾2種。

1.1 壓制式干擾

壓制式干擾目的是使GNSS接收機失去定位能力。根據干擾頻譜寬度與被干擾GNSS接收機通頻帶的比值，壓制式干擾可分為瞄準式干擾、阻塞式干擾和掃頻式干擾等。

瞄準式干擾是指用于干擾的載頻與GNSS接收機通信信號頻率重合，頻譜寬度基本相同，而功率明顯強于對方通信信號。由于其干擾頻率集中，干擾能量全部用來壓制對方的通信信號，因而干擾信號的利用率高、干擾效果好；但同時要求干擾的頻率重合度要好，對干擾機性能要求高，需要有專門的引導干擾頻率的偵察單元。

阻塞式干擾是在很寬的頻帶(一般在數十兆赫以上)上發射噪聲干擾信號，在此頻帶內的所有通信設備都將受到干擾。由于干擾功率分散在很寬的頻帶上，要想實現有效壓制，就必須采用大功率干擾發射機。

掃頻干擾結合了瞄準式干擾和阻塞式干擾的特點，在任一時刻，干擾機產生的雜波信號帶寬與瞄準式干擾一樣，與GNSS接收機的帶寬相當；但雜波信號頻率又在一個更寬的頻率范圍內周期變化，相當于以雜波的帶寬在大頻率范圍內掃描：這樣，即使GNSS接收機的工作頻率不確定，但只要落入掃頻的范圍，就存在干擾進入GNSS接收機內的可能性。

1.2 欺騙式干擾

欺騙干擾并不是通過噪聲壓制GNSS接收機，使其不能接收真實信號，而是制造虛假衛星信號，經過一定的技術處理，使得該虛假信號具備GNSS接收機期望信號的特征，使GNSS接收機錯誤的理解和使用該虛假信號。衛星導航欺騙干擾技術按照欺騙方式的不同，可分為2類：一類是簡單欺騙干擾；另一類是隱蔽欺騙干擾。

簡單欺騙干擾，即欺騙干擾只是通過各種欺騙的手段，使得GNSS接收機解算出錯誤的位置信息，從而輸出錯誤結果。此類干擾在干擾前跟干擾后GNSS接收機的輸出位置信息存在較大的差異。正是這種差異性的存在使得簡單欺騙干擾易被發現。

隱蔽欺騙干擾，通過使用一些精準的欺騙干擾方式，使得GNSS接收機的輸出結果與真實位置逐漸拉偏，從而GNSS接收機輸出的位置信息與真實位置誤差越來越大。由于整個欺騙的過程是一個漸變的過程，此類干擾信號不易被GNSS接收機察覺。

2 INS/GNSS抗干擾技術

INS具有故障率低、連續性好、數據更新率高、短期高精度等優點；但是由于導航信息經過積分得到，導致誤差隨時間積累，長期定位精度較差。INS/GNSS組合系統實現了INS和GNSS之間的優缺點互補，結合了2種系統技術的優勢，以提供連續、高帶寬、長時和短時精度均較高的、完整的導航參數[9-10]。

圖1表示INS/GNSS組合一般組合方式。在組合系統中，GNSS測量抑制了慣性導航的誤差積累，而INS對GNSS導航結果進行了平滑且抑制了信號的跳變；當GNSS信號受到干擾時，可以利用INS信息對干擾進行判斷，剔除GNSS數據異常值。

圖1 INS/GNSS組合一般組合方式

圖2為INS/GNSS松耦合組合結構，GNSS輸出的位置和速度作為測量輸入提供給卡爾曼濾波器，組合卡爾曼濾波器進而估算出INS誤差，再對INS導航參數進行校正，校正后的INS導航參數為組合導航參數輸出[11]。松耦合組合導航的優勢在于除了組合導航信息輸出，還有獨立的GNSS導航信息輸出以及獨立的INS導航信息輸出。

圖2 INS/GNSS松耦合組合結構

圖3為INS/GNSS組合導航數據融合流程，GNSS系統有自己獨立的導航信息輸出，INS也有自己獨立導航信息輸出，當二者之間的差值大于一定的閾值ΔP時，則認為GNSS導航信息異常，GNSS接收機可能受到干擾[12]。ΔP的選擇與慣性導航系統和GNSS性能有關。

圖3 INS/GNSS數據融合流程

3 干擾環境下INS/GNSS仿真分析

針對高、低精度INS與GNSS組合導航系統，分別采用簡單欺騙干擾和隱蔽欺騙干擾對GNSS接收機特性進行仿真分析。

3.1 壓制干擾下GNSS接收機特性分析

此類干擾目的在于阻塞GNSS接收機正常工作。根據干擾功率的大小GNSS接收機主要有2種現象：

1)干擾功率中等時，會導致GNSS接收機的信號質量下降，因此信號的載噪比較低，如果大部分信號的載噪比低于30 dB Hz，則可放棄使用接收機定位結果；

2)干擾功率很強時，GNSS接收機將不能正常工作，沒有定位結果輸出。

3.2 欺騙干擾下GNSS接收機特性分析

欺騙干擾在GNSS接收機端的現象主要有2種：簡單欺騙干擾和隱蔽欺騙干擾。

簡單欺騙干擾：即欺騙干擾只是簡單使接收機輸出錯誤的結果，此時接收機輸出的結果與INS輸出的結果之間會有很大的誤差；因此可以依據這一現象發現欺騙干擾，并舍棄GNSS接收機的使用。

隱蔽欺騙干擾：這類干擾逐漸拉偏GNSS接收機的位置信息，此時在只有當INS的精度很高，一般位置誤差小于0.5 n mile/h 時，操作人員才能發現GNSS接收機故障；若INS精度較差，操作人員無法判斷GNSS接收機輸出的位置信息是否錯誤。

分別對高、低精度INS仿真分析如圖4～圖9所示。

圖4 高精度INS，無干擾

圖5 高精度INS，簡單欺騙干擾

圖6 高精度INS，隱蔽欺騙干擾

圖7 低精度INS，無干擾

圖8 低精度INS，簡單欺騙干擾

圖9 低精度INS，隱蔽欺騙干擾

由圖5～圖6和圖8～圖9可知，在欺騙初期無法依據INS輸出的定位結果PI和GNSS輸出的定位結果PS單個歷元之間的差異來判斷GNSS輸出的定位結果PS是否正確。隨著GNSS受到干擾，載體被逐漸拉偏，單個歷元的INS輸出的定位結果PI和GNSS輸出的定位結果PS之間的差異越來越大，此時可以根據該差異來判斷GNSS是否可用。

圖10為無欺騙干擾、簡單欺騙干擾、隱蔽欺騙干擾時GNSS和INS輸出的定位結果差異累加值的變化情況。GNSS和INS結果差異累加值的計算公式為

(1)

式中：PS(i)為i時刻GNSS輸出的定位結果；PI(i)為i時刻INS輸出的定位結果。

綜合上述圖形可見，簡單欺騙干擾下的‖PS-PI‖累加值y(k)大于無欺騙干擾的情形，而隱蔽欺騙干擾下的y(k)小于無欺騙干擾的情形，這說明使用y(k)有時不能準確檢測出欺騙干擾；因此在INS精度較差時，依據PS和PI之間的差異來判斷PS是否正確的方法不夠穩健。

圖10 低精度INS下‖PS-PI‖累加值變化情況

4 結束語

本文基于高、低精度INS條件下INS/GNSS組合導航系統，針對GNSS接收機被干擾的情形，仿真分析了載體的真實位置、INS輸出的定位結果與GNSS輸出的定位結果3者之間的關系。當GNSS接收機被干擾時，INS輸出的位置信息與GNSS輸出的位置信息之間的差異越來越大；但是在低精度INS條件下，單純使用INS定位信息與GNSS定位信息之間的差異來判斷GNSS接收機是否受干擾的方法不夠穩健，需結合其他手段共同判斷。

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