“北斗”用戶機(jī)欺騙干擾試驗評估方法研究

余 輝，張德欣,方 遠(yuǎn)，王少軒

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

0 引言

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

1 欺騙干擾

1.1 對“北斗”接收機(jī)欺騙干擾的可能性分析

“北斗”接收機(jī)接收到的信號為：

Sc(t)=Ac(t)exp(j(ωct+φc(t)))

(1)

式中，Sc(t)為復(fù)數(shù)導(dǎo)航信號；Ac(t)為導(dǎo)航信號的復(fù)數(shù)幅度；ωc為導(dǎo)航信號的載頻值；φc(t)為導(dǎo)航信號的相位調(diào)制。

欺騙干擾信號的一般表達(dá)式為：

Ss(t)=As(t)exp(j(ωst+φs(t)))

(2)

式中，Ss(t)為復(fù)數(shù)欺騙干擾信號；As(t)為欺騙干擾信號的復(fù)數(shù)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(diào)制。

則“北斗”接收機(jī)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(fù)數(shù)幅度；φ(t)為相加信號的相位調(diào)制。

“北斗”接收機(jī)本地信號為：

SL(t)=Kexp(j(ωLt+ΦL(t)))

(4)

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

則“北斗”接收機(jī)中的相關(guān)過程，可得到：

(5)

Ac(t)、As(t)可認(rèn)為是常數(shù)，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(guān)后的相關(guān)值大小僅取決于由于幅度差異和相位差異而引起的相關(guān)值的變化。

由于欺騙干擾信號是對“北斗”信號的轉(zhuǎn)發(fā)，因而欺騙干擾信號與接收機(jī)本地信號的相關(guān)特性其實(shí)就等于“北斗”信號與接收機(jī)本地信號的相關(guān)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(jī)進(jìn)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(jī)已經(jīng)捕獲“北斗”信號并進(jìn)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(zhì)量。尤其是欺騙干擾信號較強(qiáng)時，其相關(guān)值會隨干擾信號強(qiáng)度而增大，從而導(dǎo)致跟蹤環(huán)路的信噪比減小，當(dāng)該信噪比減小至環(huán)路跟蹤門限時，跟蹤環(huán)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(shù)分為產(chǎn)生式欺騙和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙兩種。

1.2.1 產(chǎn)生式欺騙技術(shù)

產(chǎn)生式欺騙干擾就是利用自身設(shè)備(如模擬源)而不依賴于北斗系統(tǒng)，產(chǎn)生偽造的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號，通過發(fā)射機(jī)輻射到目標(biāo)接收機(jī)，掩蓋真實(shí)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(dá)到欺騙目的。

產(chǎn)生式欺騙技術(shù)的優(yōu)勢在于，信號是自身產(chǎn)生的，欺騙者可以自行設(shè)置信號中的導(dǎo)航電文、篡改信號的發(fā)射時間，這就使得信號的發(fā)射不僅可以滯后于真實(shí)信號，還可以超前于真實(shí)信號到達(dá)接收機(jī)，即可通過改變到達(dá)時延和篡改衛(wèi)星位置兩條途徑對目標(biāo)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)欺騙。

然而，產(chǎn)生式欺騙要求必須完全掌握“北斗”導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)，如偽碼結(jié)構(gòu)、導(dǎo)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(guān)的技術(shù)資料，難以實(shí)現(xiàn)軍用信號的產(chǎn)生式欺騙干擾，因此對“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航的產(chǎn)生式欺騙干擾僅限于民用信號。

1.2.2 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙技術(shù)

對“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾就是利用自身設(shè)備接收真實(shí)“北斗”衛(wèi)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(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)信號到目標(biāo)接收機(jī)，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(dá)到欺騙目的。

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的優(yōu)勢在于，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾不需要知道信號偽碼，不需要完全掌握信號結(jié)構(gòu)，所以不受到軍碼加密的限制，從而對軍民信號均適用，是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)軍事應(yīng)用面臨的首要欺騙攻擊方式。

但相比于產(chǎn)生式欺騙干擾，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的時延一定大于真實(shí)信號到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的時延。同時轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾只能通過改變偽距測量值來實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)式欺騙還是產(chǎn)生式欺騙，為了使目標(biāo)接收機(jī)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(biāo)接收機(jī)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(tài)的接收機(jī)，欺騙方先發(fā)射較大功率的壓制干擾，迫使接收機(jī)失鎖，重新進(jìn)入搜索狀態(tài)。這時，只要干擾信號位于接收機(jī)信號捕獲范圍內(nèi)，且功率大于真實(shí)信號功率，就能實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的錯誤捕獲和跟蹤。

捕獲階段壓制式欺騙的優(yōu)勢在于，對于捕獲階段的接收機(jī)，將在碼相位和多普勒頻偏的二維空間內(nèi)搜索信號，只要信號位于信號捕獲范圍內(nèi)，且功率大于真實(shí)信號功率，就能實(shí)現(xiàn)接收機(jī)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(zhuǎn)發(fā)式干擾和產(chǎn)生式干擾，針對的目標(biāo)既可是民用信號也可是軍用信號，并且對于轉(zhuǎn)發(fā)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(jī)失鎖或重捕，這樣就會很容易讓目標(biāo)發(fā)現(xiàn)異常，使其產(chǎn)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(tài)的接收機(jī)來說，不需要接收機(jī)失鎖重捕，欺騙信號通過與真實(shí)信號碼相位的對齊和拖離，實(shí)現(xiàn)跟蹤真實(shí)信號到欺騙信號的平穩(wěn)過渡。

由于接收機(jī)跟蹤在原始的相關(guān)峰上，此時，如果欺騙信號的相關(guān)峰和原始信號的相關(guān)峰距離較遠(yuǎn)，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(biāo)接收機(jī)。因此要在接收機(jī)跟蹤狀態(tài)下欺騙成功，必須使欺騙信號的相關(guān)峰和原始信號的相關(guān)峰對齊。換句話說，就是首先偽造信號必須產(chǎn)生一個相關(guān)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(dǎo)接收機(jī)跟蹤點(diǎn)偏離原始信號相關(guān)峰。為了成功拉偏信號相關(guān)峰，偽造信號的相關(guān)峰應(yīng)該比真實(shí)信號的相關(guān)峰要高。

跟蹤階段牽引式欺騙的優(yōu)勢在于未使接收機(jī)失鎖重捕，一般不易被接收機(jī)發(fā)現(xiàn)，隱蔽性好。然而，要實(shí)現(xiàn)跟蹤真實(shí)信號到欺騙信號的平穩(wěn)過渡，欺騙信號必須具有和真實(shí)信號相同或相近的載頻、載波相位等，功率應(yīng)大于真實(shí)信號，且其碼相位需實(shí)現(xiàn)與真實(shí)信號碼相位的對齊和拖離，這就要求已知目標(biāo)接收機(jī)精確的三維坐標(biāo)和速度，實(shí)現(xiàn)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(yù)測，只能采用轉(zhuǎn)發(fā)的方法得到軍碼信號，這就會導(dǎo)致欺騙信號始終落后于真實(shí)信號，不能實(shí)現(xiàn)相關(guān)峰的重疊牽引。因此，跟蹤階段牽引式欺騙只能應(yīng)用于針對民碼的產(chǎn)生式干擾。

2 試驗環(huán)境構(gòu)建

鑒于作戰(zhàn)要求，構(gòu)建的試驗環(huán)境符合實(shí)際戰(zhàn)場的欺騙干擾環(huán)境。為減小風(fēng)險，將先開展模擬試驗，再開展實(shí)星試驗，在模擬試驗充分驗證技術(shù)原理可行性的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行實(shí)星測試試驗。

2.1 模擬試驗

模擬試驗環(huán)境的構(gòu)建在欺騙干擾技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，利用信道模擬器模擬導(dǎo)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(shí)物仿真試驗方法，解決星地鏈路傳播模型構(gòu)建、信道一致性及高精度時延控制等關(guān)鍵問題，將導(dǎo)航信號和干擾信號混合后傳輸至各型“北斗”接收機(jī)，對“北斗”接收機(jī)的對抗效能開展試驗，獲取試驗數(shù)據(jù)；為了對“北斗”的用戶機(jī)反欺騙性能進(jìn)行完整的評估，設(shè)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(shù)機(jī)理，研究如何通過欺騙干擾參數(shù)、信道模擬參數(shù)的合理設(shè)置，測試“北斗”接收機(jī)機(jī)對不同干擾類型的抑制程度，摸清接收機(jī)反欺騙技術(shù)的邊界條件。

2.2 實(shí)星試驗

實(shí)星試驗環(huán)境構(gòu)建以在軌“北斗”衛(wèi)星信號為導(dǎo)航信號環(huán)境，干擾設(shè)備通過輻射干擾信號為干擾環(huán)境，開展試驗。試驗中，利用高塔構(gòu)建空地對抗態(tài)勢(如圖1所示)，獲得實(shí)星試驗數(shù)據(jù)。更改所采用的干擾參數(shù)，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(shù)效果。

圖1 實(shí)星試驗環(huán)境構(gòu)建示意圖

3 效果評估

對于轉(zhuǎn)發(fā)欺騙的干擾效果的分析，不同于壓制干擾，這是由于轉(zhuǎn)發(fā)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(qiáng)度也會較衛(wèi)星信號更強(qiáng)。“北斗”接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號時，在捕獲跟蹤時會受轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾信號的影響，而將轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾信號誤判為實(shí)際的衛(wèi)星信號，最終得到虛假的導(dǎo)航定位信息。

對處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)的“北斗”接收機(jī)，由于其在跟蹤狀態(tài)下的跟蹤環(huán)路帶寬很窄，因而欺騙干擾信號很難進(jìn)入環(huán)路內(nèi)。則只有首先打破其穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，迫使接收機(jī)進(jìn)入搜索捕獲信號狀態(tài)，而后欺騙干擾信號才有機(jī)會通過與本地信號相關(guān)，使本地信號鎖定在干擾信號上，達(dá)到欺騙干擾的目的。

因而，對轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾效果的分析，應(yīng)考慮以下幾個指標(biāo)。

1)干擾壓制系數(shù)

壓制系數(shù)的定義為：在規(guī)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(jī)達(dá)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(chǎn)生的干擾信號品質(zhì)越好。

2)定位誤差

欺騙式干擾對“北斗”接收機(jī)發(fā)生作用后，其最直接的影響就是使接收機(jī)的定位誤差迅速增大，或者定位在擬欺騙的位置坐標(biāo)上。因此，受干擾接收機(jī)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(jī)的直接結(jié)果只有兩種狀態(tài)：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(jī)受欺騙的概率，稱為干擾有效概率；被干擾“北斗”接收機(jī)不受欺騙的概率，稱為干擾無效概率。

干擾有效概率應(yīng)考慮“北斗”接收機(jī)的受欺騙概率，即通過分析典型“北斗”接收機(jī)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(jī)的最小受欺騙概率，進(jìn)而求得某欺騙式干擾對典型“北斗”接收機(jī)的有效干擾概率。

4)干擾反應(yīng)時間

欺騙干擾對“北斗”接收機(jī)的干擾作用，尤其是對高動態(tài)運(yùn)動目標(biāo)的干擾，要求欺騙干擾的反應(yīng)時間盡可能的短，以使受干擾目標(biāo)在極短的時間內(nèi)丟失真實(shí)的衛(wèi)星信號，而喪失正確導(dǎo)航定位的作戰(zhàn)能力。因此，干擾反應(yīng)時間也應(yīng)是考核欺騙干擾效果的重要指標(biāo)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(jī)進(jìn)行有效欺騙式干擾情況下，如果欺騙式干擾機(jī)的干擾作用距離越遠(yuǎn)，干擾的空間覆蓋范圍越大，則干擾機(jī)的干擾能力就越強(qiáng)。

4 結(jié)束語

本文針對“北斗”接收機(jī)的抗欺騙干擾性能檢驗這一現(xiàn)實(shí)問題，通過分析“北斗”接收機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)、欺騙干擾原理等，給出了進(jìn)行北斗接收機(jī)欺騙干擾試驗的一般思路和方法，可為進(jìn)一步開展“北斗”接收機(jī)抗欺騙干擾試驗研究提供參考。