一種GPS轉(zhuǎn)發(fā)干擾方式的設(shè)計?

張敬慧

（海軍駐齊齊哈爾地區(qū)某部 齊齊哈爾 161041）

1 引言

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是美國的第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它不僅具有全球性、全天候和連續(xù)的精密三維定位能力，而且能實時地對運動載體的速度、姿態(tài)進行測定以及精確授時。GPS技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了全方位的應用，它從根本上解決了空中、陸地和海上各種運行平臺的定位和導航問題［1］。

世界上已經(jīng)投入運行的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)除了GPS之外，另一個比較典型的就是俄羅斯的GLONASS。GLONASS打破了美國對衛(wèi)星導航獨家經(jīng)營的局面［2］。

歐洲在經(jīng)過幾年的醞釀研究之后，1999年初正式推出伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)計劃，并將于2008年投入運行。伽利略系統(tǒng)獨立于GPS，頻段分開，但將與GPS兼容和相互操作，包括時間基準和測地坐標系統(tǒng)、信號結(jié)構(gòu)以及兩者的聯(lián)合使用［3］。

我國的“北斗”雙星導航定位系統(tǒng)是我國自行開發(fā)研制，具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)、自主控制的區(qū)域性衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。能夠全天候、全天時提供衛(wèi)星導航和通信服務，它的通信信號覆蓋我國全境及周邊地區(qū)，具有其他導航系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。

此外，世界上其他一些國家也在發(fā)展自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，如亞洲的日本和印度。

GPS系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭不可或缺的、綜合有導航/定位/制導諸功能于一體的、能夠覆蓋所有作戰(zhàn)領(lǐng)域的一個中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

由于衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的重要性，對衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的干擾與抗干擾問題越來越引起人們的廣泛關(guān)注。

火工系統(tǒng)在摧毀GPS系統(tǒng)的硬件設(shè)施上將起到至關(guān)重要的作用。GPS系統(tǒng)雖然采用中高度衛(wèi)星、多星配置、衛(wèi)星機動、航天飛機補充等措施來增強其生存能力，但該系統(tǒng)本質(zhì)上是一個信息集中系統(tǒng)，系統(tǒng)的主控站、注入站、監(jiān)測站均是整個系統(tǒng)的一個節(jié)點，節(jié)點一旦被摧毀，整個系統(tǒng)便會失效。可以通過動能武器、激光武器等反衛(wèi)星武器直接摧毀GPS衛(wèi)星，致使GPS系統(tǒng)失效。美、俄等大國都相繼發(fā)展了不同的反GPS定位衛(wèi)星武器，攔截彈、攔截器是其中一種。在攔截彈、攔截器中，火工系統(tǒng)起到了獨特作用［4～5］。

鑒于用硬摧毀GPS衛(wèi)星和地面設(shè)備的方法會引起較大的國際爭議，而且設(shè)備復雜、成本較高，可以通過干擾機系統(tǒng)對GPS接收機進行干擾，從而達到使GPS精確制導武器偏離目標。

本文以干擾GPS信號接收設(shè)備為目標，進行系統(tǒng)分析和設(shè)計，本系統(tǒng)設(shè)計方案也可對干擾其他的導航定位系統(tǒng)提供參考。

2 干擾技術(shù)概述

GPS干擾的主要任務是干擾敵方GPS接收設(shè)備。從戰(zhàn)術(shù)上考慮可以采用兩種完全不同的體制：一種通常稱為欺騙式干擾，另一種是壓制式干擾［3］。

1）欺騙式干擾

欺騙式干擾是針對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作機理、GPS接收機工作特性以及存在的薄弱環(huán)節(jié)，采用較隱蔽的方式進行的干擾，由于干擾信號與GPS信號有極強的相關(guān)性，很容易被GPS接收機的跟蹤環(huán)撲捉，因此可以用較小的功率獲得更佳的效果。

欺騙式干擾有“產(chǎn)生式”和“轉(zhuǎn)發(fā)式”兩種體制。

所謂“產(chǎn)生式”干擾是指由干擾機產(chǎn)生能被GPS接收機接收的欺騙信號、GPS碼型以及當時的衛(wèi)星電文數(shù)據(jù)。C/A碼（粗碼）是公開的，P碼（精碼）也已處于半公開狀態(tài)，對它們的干擾可以實現(xiàn)，但對P碼加密后形成的軍用Y碼的干擾有較大的困難［7］。

所謂“轉(zhuǎn)發(fā)式”干擾是利用信號的自然延遲，沒有專門針對措施的GPS接收機很容易被這種類型的欺騙信號欺騙，特別是對戰(zhàn)時發(fā)布很難復制的Y碼更有效。采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)形式，能夠向被干擾目標提供多樣的假位置。難點在于如何解決可靠的提取信號的同時而不被轉(zhuǎn)發(fā)的信號干擾，如何解決在接收轉(zhuǎn)發(fā)過程中出現(xiàn)的隔離問題。

2）壓制式干擾

壓制式干擾目前主要有阻塞式干擾以及相關(guān)干擾兩種。阻塞式干擾就是發(fā)射一個寬帶的或是窄帶的噪聲，使處于干擾范圍內(nèi)的接收機大大降低接收信號的信噪比，從而使得接收機失鎖。但這種干擾形式所需要的能量較大。相關(guān)干擾則是較好地利用了信號的相關(guān)性，它采用與GPS體系完全相同的偽碼和調(diào)制方式，其最大的優(yōu)點就是能利用信號之間的相關(guān)性，使較多的干擾能量進入接收機，從而有效地降低接收機的性能，與阻塞式干擾相比可以節(jié)省較大的干擾功率。由于C/A碼的公開性，使對其干擾變得容易實現(xiàn)且多樣化，通過對C/A碼的干擾既可阻止敵方獲得SPS（精確定位服務），又可使敵方無法通過接收C/A碼來獲得有關(guān)信息以引導對P碼的捕獲和跟蹤，相當于干擾了P碼，所以對C/A碼的干擾也有軍用價值。但在特殊情況下，敵方無需C/A碼的引導，可直接捕獲P碼，當然其定位時間會大大延長。所以，有必要考慮對P碼的干擾。P碼序列長，且可加密成Y碼，要從接收中破譯P碼從而產(chǎn)生能被GPS接收機接收的高逼真欺騙信號，其技術(shù)難度非常大。這種情況下，可以采用轉(zhuǎn)發(fā)體制對GPS進行欺騙干擾［8～9］。

本文設(shè)計一種對GPS進行轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的系統(tǒng)，解決了對GPS信號收發(fā)隔離問題，可以實現(xiàn)對GPS接收機的干擾。

3 系統(tǒng)設(shè)計和干擾效果分析

3.1 總體設(shè)計

干擾信號的產(chǎn)生是建立在信號接收的基礎(chǔ)之上的，比較難解決GPS信號收發(fā)隔離問題。為了能夠?qū)h距離目標進行干擾，發(fā)射信號的功率會比較大，這就很容易造成二次轉(zhuǎn)發(fā)，致使功放過激，干擾信號形成失敗。本文所設(shè)計的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對接收和發(fā)送GPS信號的隔離。系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 GPS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理圖

該系統(tǒng)由兩部分組成，一是收信機系統(tǒng)，負責接收GPS信號和干擾機傳來的導頻信號（頻率暫定為1GHz），并把這兩個信號相加形成復合信號（GPS信號+導頻信號=復合信號）傳向空中系統(tǒng)干擾機。二是空中干擾機部分，有兩個功能，一是向地面系統(tǒng)發(fā)送導頻信號，二是接收來自收信機的復合信號，并分離出延時后的GPS信號（復合信號-導頻信號=GPS信號），轉(zhuǎn)發(fā)出去，對干擾范圍內(nèi)的GPS接收機進行干擾［10］。

GPS衛(wèi)星信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的調(diào)制波，目前采用L波段的兩種載頻：L1載波和 L2載波［11］。

考慮到美國增加了第三個民用頻率L5，1176.45MHz，波長 λ5=25.48cm，本文所設(shè)計的干擾系統(tǒng)將考慮對以上三個波段的GPS衛(wèi)星信號進行轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

3.2 收信機系統(tǒng)設(shè)計

收信機系統(tǒng)可以固定在某一處或放置在移動載體上（飛艇、飛機上）。如圖2所示，收信機系統(tǒng)有兩副天線，一副天線用來接收GPS衛(wèi)星信號，另一副天線用來接收空中系統(tǒng)的導頻信號，并向空中系統(tǒng)發(fā)送GPS信號與導頻信號復合后形成的復合導頻信號。

圖2 收信機系統(tǒng)組成原理圖

收信機系統(tǒng)首先要接收真實的GPS信號，所采用的 GPS 天線應可以同時接收 L1、L2、L5信號，并要求有較高的增益。接收到的真實的GPS信號先通過中心頻率為 1575.42MHz、1227.60MHz和1176.45MHz的帶通濾波器，然后與接收到的空中傳來的1GHz導頻混頻，再通過三個中心頻率為2575.42MHz、2227.60MHz和2176.45MHz的帶通濾波器，最后三個信號累加，由發(fā)送天線發(fā)送給空中系統(tǒng)干擾機。

3.3 干擾機系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，干擾機系統(tǒng)有兩副天線，一副天線用來發(fā)射導頻信號和接收地面系統(tǒng)發(fā)來的復合導頻信號；另一副天線將下變頻后分離出的GPS信號轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖3 空中轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)組成原理圖

干擾機系統(tǒng)放在空中載體上，可以采用直升機、專用電子對抗機、無人駕駛飛機、系留氣球等，升空高度不低于一定值，以確保要求的干擾半徑或干擾范圍。本文采用一種無人駕駛航模作為載體，該航模性能指標如下：

起飛重量：60kg

翼展：3.5m

有效載荷：15kg

飛行高度：≤5000m

飛行半徑：450km

續(xù)航時間：≥8h

起飛方式：滑跑

降落方式：傘降或滑跑

用途：可根據(jù)用戶的不同需求，搭載不同的有效載荷，實現(xiàn)不同的功能，可廣泛用于偵察、校飛、線路巡航、干擾等。

干擾機系統(tǒng)不斷地向收信機系統(tǒng)發(fā)送導頻信號，確定與地面系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)系以后，接收收信機系統(tǒng)發(fā)來的信號，通過三個中心頻率為2575.42MHz、2227.60MHz和2176.45MHz的帶通濾波器后，進行下變頻，去掉導頻信號，通過中心頻率為1575.42MHz、1227.60MHz和1176.45MHz的帶通濾波器，分離出延時后的SL1、SL2、SL5信號，最后三個信號累加，由發(fā)射天線發(fā)射出去，對處在干擾范圍內(nèi)的GPS接收機進行干擾。

3.4 收發(fā)隔離問題

3.4.1 收信機系統(tǒng)收發(fā)隔離

如圖2所示，收信機系統(tǒng)的天線1接收GPS系統(tǒng)信號，中心頻率分別為1575.42MHz、1227.6MHz和1176.45MHz，天線2分時的接收空中系統(tǒng)發(fā)來的1GHz導頻和向空中系統(tǒng)發(fā)送GPS系統(tǒng)信號復合導頻信號的復合信號，兩副天線同作為接收天線時，之間可以達到互不干擾；在天線2向空中發(fā)送復合導頻信號時，其中心頻率比GPS系統(tǒng)信號的中心頻率分別高出1GHz，兩天線之間的工作頻率都不相同，相差在1GHz左右，而且收信機系統(tǒng)在安放在地面的情況下會有足夠空間分隔兩天線，讓收發(fā)天線彼此之間互不干擾，實現(xiàn)收發(fā)隔離。

3.4.2 干擾機系統(tǒng)收發(fā)隔離

如圖3所示，干擾機系統(tǒng)天線1分時的向地面發(fā)送1GHz導頻和接收收信機系統(tǒng)發(fā)送的復合信號，復合導頻信號的中心頻率分別為2575.42MHz、2227.6MHz和2176.45MHz。天線2發(fā)送的是分離出延時后的SL1、SL2、SL5信號，其中心頻率為1575.42MHz、1227.6MHz和 1176.45MHz。兩天線同時作為發(fā)送天線時，之間可以達到互不干擾；在天線1接收、天線2發(fā)送時，兩天線之間的工作頻率都不相同，相差在1GHz左右，而且干擾機系統(tǒng)用航空模型作為載體，其翼展為3.5m，也可以在空間上分離兩天線，實現(xiàn)收發(fā)隔離。

系統(tǒng)的成功運行的關(guān)鍵是收信機系統(tǒng)的天線1如何可靠的接收GPS系統(tǒng)的信號而不被干擾機系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的GPS信號干擾。解決的辦法有距離隔離及技術(shù)隔離。

距離隔離是使收信機系統(tǒng)遠離被干擾區(qū)域，系統(tǒng)將接收到的GPS系統(tǒng)的信號變換為復合信號，以能夠使干擾機系統(tǒng)可靠接收的功率發(fā)送給干擾機系統(tǒng)。最簡單的方法是接力式，其原理如圖4。

圖4 接力式距離隔離原理圖

技術(shù)隔離是通過天線陣列的智能天線，將天線增益零點指向干擾機等方法來解決隔離問題。

3.5 干擾效果分析

如圖1所示，收信機B接收空中GPS衛(wèi)星系統(tǒng)A發(fā)布的GPS系統(tǒng)信號，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)發(fā)至干擾機C，經(jīng)干擾機C處理還原出B接收到的GPS信號后，再用遠遠大于空中GPS衛(wèi)星系統(tǒng)A的功率發(fā)射出去，被要干擾的GPS接收機D接收。雖然經(jīng)過了一定的延時，但GPS接收機D接收到的信號仍為收信機B所接收到的信號，故解算出來的位置信息應為地面站B的位置信息，而不是GPS接收機D的位置信息，從而干擾GPS接收機D的正常工作。空中GPS衛(wèi)星系統(tǒng)A發(fā)布的系統(tǒng)信號與干擾機C發(fā)出的信號都到達了GPS接收機D，但由于C的信號電平遠遠高于A的信號電平，所以D只能接收處理C發(fā)來的信號，從而達到了干擾目的［11］。

3.6 干擾距離計算

對于特定的GPS干擾機，當發(fā)射功率已知時，計算其有效干擾距離對于作戰(zhàn)時正確布站具有重要意義。下面對本文設(shè)計的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾系統(tǒng)的有效干擾距離進行計算。

3.6.1 最大可視距離的計算

欺騙干擾機有效干擾距離受到干擾機和GPS接收機之間的最大可視距離的限制。只考慮地球曲率而不考慮電波繞射等現(xiàn)象時，自由空間兩目標通信的最大可視距離為

式中，d為最大可視距離（km）；h1為干擾機天線高度（m）；h2為GPS接收機天線高度（m）。

如果GPS干擾機即空中系統(tǒng)放置在無人駕駛機上，無人駕駛機的最大升空高度（天線高度）h1=5km，不考慮GPS接收機（被干擾對象）的高度，即h2=0，由上式可得，最大可視距離（半徑）為d=252km。

3.6.2 欺騙式干擾機有效干擾距離

軍用GPS接收機接收信號電平一般為-130dB·m。對于不同廠家生產(chǎn)的GPS接收機，欺騙干擾信號到達GPS接收機的信號強度應大于GPS信號15dB～30dB。考慮干擾信號進入GPS接收機天線的角度很低（10°以下），取天線旁瓣損耗為-5dB，則在最不利的情況下完成對軍用GPS接收機欺騙干擾所需干擾信號電平為J=-130+30+5=-95dB·m。考慮到以上因素，欺騙干擾機有效干擾距離計算式：

式中：R為有效干擾距離（km）；Pj為干擾機發(fā)射功率（dB·m）；G為干擾機發(fā)射天線增益（dB）；J為干擾信號電平（-95dB·m）；f為GPS信號頻率（MHz）

設(shè)有效干擾距離R=50km，G=0，分別對L1、L2和L5波段進行干擾，則由上式可算出 Pj分別為3.45W、2.09W和1.92W。

4 結(jié)語

本文對GPS干擾體制做了簡單介紹，設(shè)計了一種對GPS進行轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，提出了一種在對GPS進行轉(zhuǎn)發(fā)干擾過程中出現(xiàn)的收發(fā)隔離問題的解決方法，對干擾距離和干擾功率進行了計算。該方案僅僅停留在系統(tǒng)和理論分析的層面，還沒有進行相關(guān)仿真，真誠希望各位專家能對此文中的錯誤和不足給予指正，也希望此文能對廣大讀者有所啟示。