衛星導航欺騙干擾裝備效能評估方法

王月，郝金明，劉偉平

(戰略支援部隊信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，“導航戰”日益受到各國的重視，欺騙干擾相關技術已經從早期的理論研究與仿真階段，邁向了具體試驗階段，相關單位陸續開展以欺騙式干擾為主的衛星導航干擾與抗干擾技術，并研制了欺騙式干擾裝備、抗干擾接收機或原理樣機[1]；而作為“導航戰”重要工具之一的全球衛星導航系統(GNSS)欺騙干擾裝備，其干擾效能直接關系到被保護目標的生存概率及裝備實施欺騙的成功概率，可為裝備設計、干擾方案優化等工作提供重要參考，具有實用價值和深入研究價值。

國內相關學者針對“電子戰”設備等效能評估開展過研究，如文獻[2-3]對合成孔徑雷達(SAR)和逆合成孔徑雷達(ISAR)的欺騙干擾效果進行了評估，文獻[4-5]對激光類裝備進行干擾效能評估，文獻[6-7]對雷達的干擾及抗干擾效果進行評估，文獻[8]對導彈類武器的抗干擾性能進行評估。而國外學者對效能評估方法的研究主要集中于欺騙攻擊下的生物識別系統[9]、網絡安全系統[10-11]、智能電網[12-13]、民用無人機[13]和用戶接收機抗欺騙的防御能力[14-15]等領域。

圖1 GNSS欺騙干擾裝備效能評估試驗平臺

不難發現，國內外鮮有學者對GNSS欺騙干擾裝備的干擾效能評估方法進行理論及仿真分析，但仍有小部分學者對其展開了研究。梁高波等[16]提出了定位誤差、壓制系數、干擾有效概率和干擾覆蓋范圍4個典型的導航欺騙式干擾評估指標，重點確定各指標權重并建立灰色模型評估整體效果，而沒有明確指標類型及檢測方法；王婭等[17]主要提出了全球定位系統(GPS)/慣性導航系統(INS)組合導航接收機壓制式干擾效果評估的指標和檢測方法，但對GNSS欺騙式干擾效能評估的研究不夠全面；張順健等[18]給出干擾有效距離的計算方法，但僅僅就干擾有效距離指標具體研究；張鑫[19]通過仿真及實測提出新的寬帶導航信號延時控制方法等，總結當前欺騙干擾信號評估檢測技術中存在的問題，但未提及任何評估指標。

通過上述分析發現，前人對GNSS欺騙干擾裝備效能評估的研究存在指標構建不全面、指標檢測方法不完整和實踐性差、未考慮裝備的綜合作戰能力等問題。基于此，本文結合前人研究的欺騙干擾關鍵技術，在構建完整且合理的評估指標體系和評估試驗平臺的基礎上，通過建立實踐性強的指標檢測方法及其計算模型，得到理論評估方法；采用模糊綜合評價思路、半定性半定量的等級量化定權方法及加權積的算法，得到綜合作戰效能評估閾值；以全數字、半實物仿真和全實物外場試驗，分析效能指標對裝備干擾效果的具體影響并得出結論，為裝備后期性能改進及實際應用效能提供置信度較高的意見及評估。

1 欺騙干擾裝備效能評估指標檢測方法

作為衡量干擾模式有效性及裝備優劣性的綜合指標，干擾效能評估扮演著十分重要的角色。由于各種不可控的因素，對裝備進行評估檢測可用全數字仿真法及半實物仿真法和全實物試驗法3種方法，而通過大量的仿真測試可確定外場試驗的最佳條件[20]。評估試驗平臺及工作流程如圖1所示，其中RTK是指實時動態載波相位差分技術；效能評估指標體系如圖2所示；測試方法特點如表1所示。

圖2 裝備欺騙效能評估指標體系

表1 3種干擾效能測試方法特點比較表

1.1 導航信號指標檢測方法

1.1.1 信號捕獲

1.1.1.1 平均重捕時間

半實物測試時，利用專用試驗室的導航信號模擬器輸出14路功率一致的欺騙干擾信號，功率待定，輸入到導航接收機中，進行功率檢測。當接收機鎖定信號時(接收機測得載噪比時)關閉模擬器電源；待接收機不能正常捕獲導航信號，即檢測不到載噪比(簡稱為失鎖)時，再次打開電源，并在接收機重新鎖定信號時，記錄該段時間。按上述步驟，重復試驗20次并對結果取平均，得到平均重新鎖定信號的時間，即平均重捕時間為

(1)

式中：ti為第i次試驗重新鎖定信號的時間。

1.1.1.2 干噪比與捕獲概率關系

半實物測試時，內場試驗是導航信號模擬器輸出多路功率不變的欺騙干擾信號，輸入到導航接收機中；待接收機正常工作后接收到載噪比視為信號捕獲成功，假設在10次捕獲中共成功k次，統計捕獲概率Pd；而對于干噪比與捕獲概率關系，在平均捕獲時間內，調整一次干噪比(按1 dB步進，調整20次)，就根據捕獲概率的測試方法統計一次，得到捕獲概率Pd1～Pd20，繪制關系曲線，直觀進行捕獲欺騙干擾信號概率大小的評估。

全數字測試時，令虛警概率Pfa=0.15[21]，則干噪比J/N與捕獲概率Pd的函數關系為

Pd=1-exp(ln(Pfa)-J/N)·

(2)

式中：J為欺騙干擾信號功率；N為噪聲信號功率。

1.1.2 信號跟蹤

1.1.2.1 載噪比穩定度

半實物測試時，構建內場試驗環境，切斷目標接收機與衛星的上行鏈路，使其短暫失鎖，在僅有生成式導航信號模擬器的情況下，輸出一定功率的干擾信號和包含模擬定位的信息到目標接收機中，觀察和記錄接收機載噪比的變化，其值在每顆衛星每20個歷元更新一次，并以率先滿足5顆衛星的載噪比穩定度δCN評估生成式欺騙干擾的效果：

(3)

式中：C為接收機輸入端的載波功率；Nij為第i顆衛星在第j個歷元下的噪聲信號功率。

1.1.2.2 干信比臨界值

干信比臨界值是當滿足指定的欺騙成功率和欺騙效果，且接收機未失鎖時，所能達到的干信比極值，當達到同等干擾效果時，干信比臨界值越小，裝備性能越好。

半實物測試時，在已知最大干擾距離的前提下，將接收機放置在最大干擾距離的位置，每5 s按1 dB步進調整(調小)待測干擾裝備的干信比，直至接收機失鎖，記錄下接收機此刻的干噪比；再關閉干擾裝備，重啟接收機，在完全沒有干擾的情況下，記錄下接收機接收到正常信號的信噪比；將記錄的干噪比與信噪比相除，即可得到與最大干擾距離對應的干信比臨界值。

全數字測試時，接收機在受到欺騙干擾時降到的電平為等效載噪比(C/N0)eq，N0為未受干擾時的噪聲功率信號。當(C/N0)eq低于接收機跟蹤門限時接收機將失鎖，故令(C/N0)eq等于接收機跟蹤門限值，即可得到干信比臨界值，為

(4)

式中：接收機未受干擾時的載噪比C/N0為自變量；(J/S)min為因變量，J/S為干信比，S為真實信號功率；Q為擴頻處理增益調節因數，設置為1.5；RC為GPS偽隨機噪聲(PRN)碼的碼速率，這里為C/A碼的碼元速率。最后，用接收機的載波跟蹤環門限值替代(C/N0)eq，其典型值為28 dB·Hz.

1.1.3 信號解調

信號解調對應的指標為干信比與誤碼率關系。半實物測試時：首先測試誤碼率，設置轉臺運動和射頻信號源，設置系統為誤碼率測試狀態等待生效；然后發送誤碼率測試指令，處理并存儲裝備上報數據；最后停止信號源，也可將標準碼相位與接收機實際接收到的碼相位做差，將差值除以標準碼的總長度，但事后處理時要將0183協議的對應信息轉換成二進制形式處理；隨后，不斷改變欺騙干擾信號功率，可以得到干信比與誤碼率曲線，用于直觀評估不同信號功率的欺騙干擾效果。干信比從比正常信噪比低3 dB開始，按1 dB步進改變，直到誤碼率大于1.00×10-7.

全數字測試時，解調采取二進制頻移鍵控(2FSK)方法，可得到相對簡易的仿真模型。根據文獻[22]推導可得單/雙通道干擾的誤碼率Pe為

Pe=0.5exp{-[2/(S/N)+0.05(J/S)]-1}，

(5)

式中：S/N為信噪比，取值為10 dB、20 dB及40 dB.

1.2 定位結果指標檢測方法

1.2.1 靜態定位

1.2.1.1 功率與偽距測量精度

半實物測試時，利用中國電子科技集團公司第54研究所北斗測試評估軟硬件結合微波暗室模擬出14顆衛星信號，不斷改變信號功率，記錄偽距測量精度，可以得到一條干擾信號功率與偽距測量精度關系曲線。功率從-160 dBW開始增加，直至接收機失鎖。

1.2.1.2 欺騙成功率

欺騙成功率是體現裝備效能的關鍵指標之一，也是一個純檢測的指標。

(6)

式中：(xsj0,ysj0,hsj0)為預設欺騙位置，(x,y,h)分別對應高斯直角坐標系的縱坐標、橫坐標和正常高；(xsj,ysj,hsj)為接收機測得動態點被欺騙后的實測坐標。

1.2.2 動態定位

1.2.2.1 試驗基本原理

全站儀具備自動跟蹤功能，可進行動態測量，其主要組成包括光電測距儀、電子經緯儀和數據處理系統，測量方式分為測距和測角：測距是光電測距儀發出紅外光束到目標點位調平后經棱鏡反射回來，儀器計算從發出光束時間到返回時間，從而計算光束運行軌跡長度；測角與經緯儀的原理一樣，用電掃描和電子元件生成電子數據，為儀器內部計算提供數據。其定位原理可采用交會法和極坐標法，和交會法相比，極坐標法測度更快。全站儀的測量精度可達毫米級。

(hi-hri0)2],

(7)

得到動態測試環境下欺騙定位精度及欺騙目的性測試的指標后，進一步根據欺騙定位精度、欺騙成功率等檢測步驟，得相應指標閾值及評估曲線，基本思路如圖3所示。

圖3 動態定位試驗的基本思路

1.2.2.2 試驗結果分析

動態試驗時，先完成利用全站儀的欺騙目的性測試，即預設軌跡點位與全站儀實測點位作差運算(見(7)式)。坐標間的差值越小，即曲線越接近水平0值，欺騙目的性越明顯，動態測試結果越好。故取2018年10月25日進行的動態測試中欺騙效果較好的4次試驗結果，如圖4所示。

圖4 欺騙目的性測試結果圖

1.3 軟硬件性能指標檢測方法

1.3.1 硬件性能

代表硬件性能指標之一的硬件冗余度，是指在系統的關鍵部位設置冗余硬件作為靜態或動態備份[23]。

全數字測試時，當裝備為并聯系統時，共有U個裝置并聯，只要有一個裝置處于正常狀態，裝備就能正常工作。令每個裝置的可靠度為Ri(i=1,2,…,U)，則裝備硬件冗余度為

(8)

當裝備為串聯系統時，共有U個裝置串聯，只有所有裝置處于正常狀態，裝備才能正常工作。令每個裝置的失效率為λi(i=1,2,…,U)，則裝備硬件冗余度為

(9)

任何裝備都是串聯和并聯系統的復雜組合，在冗余分析時，先按功能將其分解，再按零件分解。以串聯為主的硬件冗余稱為部件級冗余；以并聯為主的稱為系統級冗余[24]。

1.3.2 軟件性能

代表軟件性能指標之一的軟件冗余度，是設計兩套或多套功能相同但程序結構、數據區等不同的程序，供關鍵程序備用。實際檢測時，查看裝備中包含功能不同的程序種類數為ns，同時查看欺騙干擾裝備中的程序結構、數據區或功能等不同的程序總數ntot，根據(10)式計算軟件冗余度：

Rsr=(ntot-ns)/ntot.

(10)

1.4 綜合作戰效能評估

由于各指標為串行關系，使用加權積方法計算綜合干擾效能[25]，即總欺騙性能Pad和軟硬件總性能Phs分別為

(11)

式中：wta為平均重捕時間ta的權值；wδCN為載噪比穩定度δCN的權值；w(J/S)min為干信比臨界值(J/S)min的權值；wpe為誤碼率Pe的權值；wσ為欺騙定位精度σ的權值；wth為熱啟動時間th的權值；wω為欺騙成功率ω的權值；wtf為平均無故障時間tf的權值；wB為存儲容量B的權值；wW為功耗值W的權值；wRhr為硬件冗余度Rhr的權值；wRsr為軟件冗余度Rsr的權值；wγ為軟件化程度γ的權值。Pad值越小，欺騙效果越好；Phs值越大，裝備性能越好。

2 干擾效能指標評估流程及試驗分析

2.1 干擾效能指標評估流程

干擾效能評估流程如圖5所示。首先獲取效能評估計算所需的參數，并完成參數的預處理；然后分別計算干擾效能評估的各項指標閾值，設定指標權重；最后綜合計算總欺騙性能Pad和軟硬件總性能Phs指標，評價裝備的欺騙干擾效果。

圖5 衛星導航欺騙干擾裝備效能評估基本流程

2.2 干擾效能指標評估試驗分析

2.2.1 干擾效能經驗閾值設定

這里采用模糊綜合評價思路(由因素集、權重集和評價集3部分組成[26])、半定性半定量的等級量化定權方法及加權積的算法進行理論閾值設定，作為試驗結果分析的有力參考依據，如圖5所示。理想條件下欺騙干擾效能評估指標的輸入參數，如表2所示；根據評估指標對裝備干擾效果的影響程度，結合專家經驗設定權值，即權重集，如表3所示；根據北斗測試評估軟件、導航信號模擬器和指標的檢測方法，可得評估指標閾值，即因素集，如表4和表5所示；總欺騙性能和軟硬件總性能組成評價集。

表2 效能評估指標理想條件下閾值參數匯總表

表3 半定性半定量的等級量化表

表4 軟硬件性能指標匯總

表5 欺騙效能評估指標匯總

此處的閾值為理想條件下指標的最大值，低于閾值認為裝備該指標達標。故裝備總欺騙效能指標值小于0.009 7時，認為該裝備的欺騙效能達標；而當裝備的軟硬件總性能小于2 246 000.367 8時，認為裝備的軟硬件性能達標。

2.2.2 干擾效能指標評估試驗

圖6 全數字仿真結果圖

選取信號捕獲、跟蹤等3個層面的主要指標隨干擾信號功率變化的仿真測試及實測試驗，分析參數變化時干擾效果的變化規律及其對裝備干擾效果的影響。

2.2.2.1 全數字仿真測試

全數字仿真測試的參數設定參考2.2.1節各指標檢測方法的數值設定(見表2)，仿真結果如圖6所示。

信號跟蹤層面效能評估：觀察圖6(d)可以發現，干信比臨界值與接收機未受干擾時的載噪比成對應關系，當C/N0確定時即可得到接收機處于失鎖邊緣的干信比；觀察圖6(e)發現，最大干擾距離Rjmax隨干信比臨界值增大而減小，因此裝備想要造成多大的干擾效果，離不開干擾作用距離的調控，故裝備的干擾信號功率不宜過大。

信號解調層面效能評估：觀察圖6(f)可知，S/N越大，Pe越小，且一定條件下干信比與誤碼率成正比，當干信比超過一定值時，誤碼率不變。

2.2.2.2 半實物仿真試驗

圖7 半實物仿真試驗圖

由于B3頻點的碼速率約是B1頻點的5倍，故用B3測到的定位精度更好[27]，借助中國電子科技集團公司第54研究所研制的北斗測試軟硬件和微波暗室，如圖7(a)和圖7(b)所示。采用半實物測試方式進行20次試驗，獲取20組功率參數及坐標值再結合標準差公式，得到圖7(c)的20組結果曲線及其趨勢線。在J小于-120 dBW時干擾效果隨功率增大而增加，之后隨著功率增大，欺騙定位精度存在一定程度的波動。故在實施干擾時，適宜增大欺騙干擾信號功率對提高干擾效果有較大影響。

2.2.2.3 全實物測試試驗

借助動態實測平臺，在開展欺騙目的試驗的同時進行欺騙成功率的測試。試驗時間為2018年11月5日，試驗平臺由全站儀、基準站、2臺美國天寶公司生產的IDO-GGB-R42M授時接收機天線與授時型接收機、測量小車(見圖8(a))及導航信號模擬器等構成；欺騙軌跡設為學校某一田徑場內環，實際運行軌跡(見圖8(b))設為學校另一田徑場內環。

圖8 全實物仿真試驗圖

在欺騙情況下，沿著設計的實際運行軌跡，采用接收機進行測量，走完一圈，將接收機的定位結果與預設的欺騙軌跡作標準差，用欺騙成功率指標判斷欺騙是否成功；隨后改變欺騙干擾信號功率，開始下一次試驗。欺騙過程中由于導航信號模擬器離目標接收機很近，故欺騙成功率普遍偏高。試驗共進行17次測試，取其中11次有效測試結果(見圖8(c))。從11次結果曲線及其趨勢線可知，在干擾作用距離不變的情況下，欺騙成功率與干信比沒有明顯的函數關系，但隨著干擾信號功率適宜地增大，欺騙成功率趨于穩定；隨后,當信號功率過大時，欺騙成功率反而會下降。

3 結論

本文建立了各項指標的檢測方法及計算模型，得到裝備效能理論評估方法；再以3種效能測試方法，分析指標對裝備干擾效果的實際影響。試驗結果及未來工作如下：

1)縮短信號捕獲時間、熱啟動時間及干信比臨界值，提高裝備誤碼率，適宜增加欺騙干擾信號功率以及提高軟硬件冗余度或使用完好性監測方式都可全面提高裝備干擾效果。

2)本文重點在于構建欺騙干擾裝備效能評估方法理論體系，這里需要說明的是裝備作戰能力指標還未實現，僅在構想階段。

3)下階段首先會對作戰能力指標進行評估；其次對動態定位的相關指標建立更加準確的計算模型；同時推進多組指標外場試驗的進程，提高裝備效能評估指標的精確度；最后建立評估軟件測試平臺，為裝備高效、可靠地應用于實際打基礎。