“北斗”用戶機欺騙干擾試驗評估方法研究

余 輝，張德欣,方 遠，王少軒

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

0 引言

衛星導航信號的脆弱性使其深受各種干擾的影響。在對衛星導航的各種惡意干擾中，欺騙干擾因其不易被發現、隱蔽性好的特點而受到各國專家及軍事部門的重視，逐漸成為衛星導航干擾的重要手段。2011年，伊朗聲稱利用GPS欺騙技術俘獲美軍RQ -170無人機[1]。2012年美國國防部在欺騙實驗中，成功控制GPS無人直升機下降和爬升[2]。衛星導航欺騙干擾研究已成為研究熱點。“北斗”全球衛星導航系統將于2020年底前建成并正式提供服務，但在對“北斗”全球衛星導航定位用戶終端的性能指標進行測試，尤其是對“北斗”接收機欺騙干擾試驗評估還處于探索階段。本文基于衛星導航欺騙干擾原理分析，構建了“北斗”用戶終端模擬試驗和實裝對抗試驗環境，給出了欺騙干擾試驗評估方法，并對欺騙干擾效果進行了分析。

1 欺騙干擾

1.1 對“北斗”接收機欺騙干擾的可能性分析

“北斗”接收機接收到的信號為：

Sc(t)=Ac(t)exp(j(ωct+φc(t)))

(1)

式中，Sc(t)為復數導航信號；Ac(t)為導航信號的復數幅度；ωc為導航信號的載頻值；φc(t)為導航信號的相位調制。

欺騙干擾信號的一般表達式為：

Ss(t)=As(t)exp(j(ωst+φs(t)))

(2)

式中，Ss(t)為復數欺騙干擾信號；As(t)為欺騙干擾信號的復數幅度；ωs為欺騙干擾信號的載頻值；φs(t)為欺騙干擾信號的相位調制。

則“北斗”接收機接收到的信號為：

S(t)=Sc(t)+Ss(t)

S(t)=A(t)exp(jφ(t))=

Ac(t)exp(j(ωct+φc(t)))+

As(t)exp(j(ωst+φs(t)))

(3)

式中，A(t)為相加信號的復數幅度；φ(t)為相加信號的相位調制。

“北斗”接收機本地信號為：

SL(t)=Kexp(j(ωLt+ΦL(t)))

(4)

式中，K為北斗接收機的增益；ωL為“北斗”接收機的本振頻率；ΦL(t)為“北斗”接收機本地相位。

則“北斗”接收機中的相關過程，可得到：

(5)

Ac(t)、As(t)可認為是常數，則：

exp(j(ωL(t-τ)+ΦL(t-τ))))dt+

exp(j(ωL(t-τ)+ΦL(t-τ)))dt=

ΦL(t-τ)))dt+

ΦL(t-τ)))dt

(6)

由式(1)～(6)可看出，欺騙干擾信號與“北斗”信號只存在幅度和相位的差異，因此相關后的相關值大小僅取決于由于幅度差異和相位差異而引起的相關值的變化。

由于欺騙干擾信號是對“北斗”信號的轉發，因而欺騙干擾信號與接收機本地信號的相關特性其實就等于“北斗”信號與接收機本地信號的相關特性。如果欺騙干擾信號的碼相位與“北斗”信號的碼相位相差很小，則在接收機進行“北斗”信號捕獲過程中，極有可能在未捕獲到“北斗”信號時，捕獲到欺騙干擾信號，從而跟蹤在欺騙干擾信號上。

在接收機已經捕獲“北斗”信號并進行跟蹤時，由于欺騙干擾信號的存在，也可能會影響到“北斗”的跟蹤質量。尤其是欺騙干擾信號較強時，其相關值會隨干擾信號強度而增大，從而導致跟蹤環路的信噪比減小，當該信噪比減小至環路跟蹤門限時，跟蹤環路將退出對“北斗”信號的跟蹤。

1.2 欺騙干擾分類

按信號生成方式，可將欺騙技術分為產生式欺騙和轉發式欺騙兩種。

1.2.1 產生式欺騙技術

產生式欺騙干擾就是利用自身設備(如模擬源)而不依賴于北斗系統，產生偽造的“北斗”衛星導航信號，通過發射機輻射到目標接收機，掩蓋真實信息，通過某種方式使其捕獲、跟蹤到干擾信號，從而得到錯誤的偽距測量值，解算得到錯誤的位置信息，達到欺騙目的。

產生式欺騙技術的優勢在于，信號是自身產生的，欺騙者可以自行設置信號中的導航電文、篡改信號的發射時間，這就使得信號的發射不僅可以滯后于真實信號，還可以超前于真實信號到達接收機，即可通過改變到達時延和篡改衛星位置兩條途徑對目標接收機實現欺騙。

然而，產生式欺騙要求必須完全掌握“北斗”導航信號結構，如偽碼結構、導航電文等，對于軍碼來說，除軍方外的個人和組織難以得到相關的技術資料，難以實現軍用信號的產生式欺騙干擾，因此對“北斗”衛星導航的產生式欺騙干擾僅限于民用信號。

1.2.2 轉發式欺騙技術

對“北斗”導航系統的轉發式欺騙干擾就是利用自身設備接收真實“北斗”衛星信號，通過自身的精密時延控制，對信號不做任何處理，直接通過發射機轉發信號到目標接收機，使其捕獲、跟蹤到干擾信號，從而得到錯誤的偽距測量值，解算得到錯誤的位置信息，達到欺騙目的。

轉發式欺騙干擾的優勢在于，轉發式干擾不需要知道信號偽碼，不需要完全掌握信號結構，所以不受到軍碼加密的限制，從而對軍民信號均適用，是當前衛星導航系統軍事應用面臨的首要欺騙攻擊方式。

但相比于產生式欺騙干擾，轉發式欺騙信號到達目標接收機的時延一定大于真實信號到達目標接收機的時延。同時轉發式欺騙干擾只能通過改變偽距測量值來實現欺騙目的，控制的靈活性相對較差。

1.3 欺騙策略

無論對于轉發式欺騙還是產生式欺騙，為了使目標接收機接收到欺騙信號，都必須考慮采用什么樣的策略將欺騙信號注入到目標接收機中。目前主要有2種策略：捕獲階段壓制式欺騙和跟蹤階段牽引式欺騙。

1.3.1 捕獲階段壓制式欺騙

捕獲階段壓制式欺騙是指，對于正常工作在跟蹤狀態的接收機，欺騙方先發射較大功率的壓制干擾，迫使接收機失鎖，重新進入搜索狀態。這時，只要干擾信號位于接收機信號捕獲范圍內，且功率大于真實信號功率，就能實現接收機的錯誤捕獲和跟蹤。

捕獲階段壓制式欺騙的優勢在于，對于捕獲階段的接收機，將在碼相位和多普勒頻偏的二維空間內搜索信號，只要信號位于信號捕獲范圍內，且功率大于真實信號功率，就能實現接收機的錯誤捕獲。因此，捕獲階段壓制式干擾對欺騙信號的要求較低，這種干擾方式的欺騙信號可來自于轉發式干擾和產生式干擾，針對的目標既可是民用信號也可是軍用信號，并且對于轉發式干擾和軍用信號來說，也只能采取這種方式。然而，捕獲階段壓制式干擾首先必須造成接收機失鎖或重捕，這樣就會很容易讓目標發現異常，使其產生警覺。

1.3.2 跟蹤階段牽引式欺騙

跟蹤階段牽引式欺騙是指，對于正常工作在跟蹤狀態的接收機來說，不需要接收機失鎖重捕，欺騙信號通過與真實信號碼相位的對齊和拖離，實現跟蹤真實信號到欺騙信號的平穩過渡。

由于接收機跟蹤在原始的相關峰上，此時，如果欺騙信號的相關峰和原始信號的相關峰距離較遠，即使欺騙信號的功率比接收信號的功率高，也無法欺騙目標接收機。因此要在接收機跟蹤狀態下欺騙成功，必須使欺騙信號的相關峰和原始信號的相關峰對齊。換句話說，就是首先偽造信號必須產生一個相關峰值，使其載波多普勒值和偽碼相位和原始信號的保持一致，然后試著引導接收機跟蹤點偏離原始信號相關峰。為了成功拉偏信號相關峰，偽造信號的相關峰應該比真實信號的相關峰要高。

跟蹤階段牽引式欺騙的優勢在于未使接收機失鎖重捕，一般不易被接收機發現，隱蔽性好。然而，要實現跟蹤真實信號到欺騙信號的平穩過渡，欺騙信號必須具有和真實信號相同或相近的載頻、載波相位等，功率應大于真實信號，且其碼相位需實現與真實信號碼相位的對齊和拖離，這就要求已知目標接收機精確的三維坐標和速度，實現難度較大。同時，由于生成虛假軍用信號時所需的偽碼信息未知且無法預測，只能采用轉發的方法得到軍碼信號，這就會導致欺騙信號始終落后于真實信號，不能實現相關峰的重疊牽引。因此，跟蹤階段牽引式欺騙只能應用于針對民碼的產生式干擾。

2 試驗環境構建

鑒于作戰要求，構建的試驗環境符合實際戰場的欺騙干擾環境。為減小風險，將先開展模擬試驗，再開展實星試驗，在模擬試驗充分驗證技術原理可行性的基礎上，再進行實星測試試驗。

2.1 模擬試驗

模擬試驗環境的構建在欺騙干擾技術研究成果的基礎上，利用信道模擬器模擬導航信號和干擾信號在空間傳播的衰減、衰落、時延等特性，研究半實物仿真試驗方法，解決星地鏈路傳播模型構建、信道一致性及高精度時延控制等關鍵問題，將導航信號和干擾信號混合后傳輸至各型“北斗”接收機，對“北斗”接收機的對抗效能開展試驗，獲取試驗數據；為了對“北斗”的用戶機反欺騙性能進行完整的評估，設計中考慮信號相位檢測、短碼多峰檢測、功率檢測等不同反欺騙技術機理，研究如何通過欺騙干擾參數、信道模擬參數的合理設置，測試“北斗”接收機機對不同干擾類型的抑制程度，摸清接收機反欺騙技術的邊界條件。

2.2 實星試驗

實星試驗環境構建以在軌“北斗”衛星信號為導航信號環境，干擾設備通過輻射干擾信號為干擾環境，開展試驗。試驗中，利用高塔構建空地對抗態勢(如圖1所示)，獲得實星試驗數據。更改所采用的干擾參數，通過比對受干擾前后“北斗”接收終端輸出的位置、速度、時間等信息，評估反欺騙技術效果。

圖1 實星試驗環境構建示意圖

3 效果評估

對于轉發欺騙的干擾效果的分析，不同于壓制干擾，這是由于轉發欺騙信號與“北斗”信號是完全相同的，只是在時間上比“北斗”信號有所延遲，信號強度也會較衛星信號更強。“北斗”接收機在接收衛星信號時，在捕獲跟蹤時會受轉發欺騙干擾信號的影響，而將轉發欺騙干擾信號誤判為實際的衛星信號，最終得到虛假的導航定位信息。

對處于穩定跟蹤狀態的“北斗”接收機，由于其在跟蹤狀態下的跟蹤環路帶寬很窄，因而欺騙干擾信號很難進入環路內。則只有首先打破其穩定跟蹤狀態，迫使接收機進入搜索捕獲信號狀態，而后欺騙干擾信號才有機會通過與本地信號相關，使本地信號鎖定在干擾信號上，達到欺騙干擾的目的。

因而，對轉發欺騙干擾效果的分析，應考慮以下幾個指標。

1)干擾壓制系數

壓制系數的定義為：在規定的定位誤差下，輸入端所需的干擾-信號功率比。對于所分析的各種欺騙式干擾，使同一“北斗”接收機達到同等的欺騙效果，所需干信比越小，則說明該類型的欺騙式干擾所產生的干擾信號品質越好。

2)定位誤差

欺騙式干擾對“北斗”接收機發生作用后，其最直接的影響就是使接收機的定位誤差迅速增大，或者定位在擬欺騙的位置坐標上。因此，受干擾接收機的定位誤差越大，表明欺騙干擾效果越好。

3)干擾有效概率

對于欺騙式干擾，其作用于被干擾“北斗”接收機的直接結果只有兩種狀態：受欺騙和不受欺騙，即干擾有效和干擾無效。在某種欺騙式干擾作用下，被干擾“北斗”接收機受欺騙的概率，稱為干擾有效概率；被干擾“北斗”接收機不受欺騙的概率，稱為干擾無效概率。

干擾有效概率應考慮“北斗”接收機的受欺騙概率，即通過分析典型“北斗”接收機的接收流程及其可能采取的抗干擾措施，確定該“北斗”接收機的最小受欺騙概率，進而求得某欺騙式干擾對典型“北斗”接收機的有效干擾概率。

4)干擾反應時間

欺騙干擾對“北斗”接收機的干擾作用，尤其是對高動態運動目標的干擾，要求欺騙干擾的反應時間盡可能的短，以使受干擾目標在極短的時間內丟失真實的衛星信號，而喪失正確導航定位的作戰能力。因此，干擾反應時間也應是考核欺騙干擾效果的重要指標之一。

5)干擾覆蓋范圍

干擾覆蓋范圍包括干擾作用距離和空間覆蓋范圍。在保證對某一典型的“北斗”接收機進行有效欺騙式干擾情況下，如果欺騙式干擾機的干擾作用距離越遠，干擾的空間覆蓋范圍越大，則干擾機的干擾能力就越強。

4 結束語

本文針對“北斗”接收機的抗欺騙干擾性能檢驗這一現實問題，通過分析“北斗”接收機的技術特點、欺騙干擾原理等，給出了進行北斗接收機欺騙干擾試驗的一般思路和方法，可為進一步開展“北斗”接收機抗欺騙干擾試驗研究提供參考。