導航戰中GNSS信號干擾技術特征研究

吳忠望，胡彥逢，徐龍威

(航天工程大學 航天信息學院，北京 101416)

0 引言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)由于具有全天候、大范圍、高精度的特點，在各領域，尤其是軍用領域具有廣泛應用。因為極大受益于GPS在現代戰爭中發揮的重要作用，并認識到衛星導航系統在信號抗干擾方面的先天脆弱性以及一旦受攻擊后將對作戰行動造成重大影響，美國于1997年正式提出了導航戰的概念。該概念包含阻止與保護2個重要的方面，即“防止敵人在作戰中利用GNSS，保護己方和友軍正常使用GNSS，同時避免作戰區域以外的非敵方導航服務受到影響”。而導航戰中的一個主要問題，即對導航系統的攻擊或干擾，還沒有得到很好的解決。衛星導航干擾的體制機制、干擾程序的特點不一樣，導致干擾的效果可能差別較大。GNSS作為重大信息基礎設施，即便在沖突地區進行導航信號干擾行動，也需要有相應原則來維護民用和軍用基礎設施的安全[1-4]。

早在1991年的海灣戰爭中，導航戰已經初見端倪。在1999年的科索沃戰爭中，南聯盟軍隊利用俄制肩扛式GPS干擾機對北約軍隊的巡航導彈實施了干擾，在戰爭實踐中導航戰有了進一步發展。到了2003年的伊拉克戰爭，針對GPS的干擾與抗干擾作戰行動在伊拉克與美英聯軍之間激烈展開，導航對抗的技術手段和戰法進一步深化。2018年4月美軍空襲敘利亞軍事行動、2018年11月挪威海軍“南森”級宙斯盾護衛艦沉沒事件、2019年6月伊朗擊落美軍RQ-4“全球鷹”無人機事件等一系列局部戰爭和軍事行動中，可以非常清晰地看到導航戰的身影。本文針對未來戰爭的導航戰下對導航信號干擾機理及特征進行研究，在此基礎上，提出應對策略；重點研究了壓制干擾和欺騙干擾的關鍵特征，提出了壓制干擾和欺騙干擾的處理措施。

1 導航信號脆弱性分析

GPS大大提升了美軍戰斗力，但同時在歷次戰爭中，也暴露出誤炸盟軍、飛彈跑偏等問題。如在伊拉克戰爭中，美軍至少有10枚以上的巡航導彈遭到了伊拉克GPS干擾機的干擾，并且伊拉克擁有400多部GPS干擾機按照一定的地圖分布，來達到最佳干擾GPS的效果[5-6]。

衛星導航系統目前已成為現代化戰爭信息戰、導航戰的重要組成部分和關鍵的基礎設施。在衛星導航系統的3個部分中，對空間星座和地面監控系統實施電子攻擊難度較大，且政治風險高，對用戶設備實施攻擊卻容易得多。與移動通信的信號接收功率相比，衛星導航信號的接收機功率低100～1 000萬倍，這使其很容易受到干擾，嚴重影響了衛星導航尤其是復雜戰場環境下軍事衛星導航裝備的應用[7-9]。

以GPS為例，GPS衛星位于距地球表面約20 000 km的高空軌道上，信號發射功率為30 W，信號經空間路徑傳播、大氣吸收等，傳播到地球表面已經十分微弱，信號功率在-130 dBm左右。假設噪聲在2 MHz帶寬內的功率為-115 dBm，則GPS信號頻譜如圖1所示[10]。

圖1 GPS信號頻譜Fig.1 GPS signal spectrum diagram

由圖1可知，GPS信號功率主要集中在(-1～1 MHz)2 MHz帶寬內(由C/A碼速率決定)，淹沒在噪聲功率水平以下。

針對衛星導航接收機的人為干擾一般可以分為壓制干擾和欺騙干擾。壓制干擾通過產生大功率的電磁波覆蓋導航接收機的頻帶，造成信號接收質量的下降，使其不能正常地定位，就可以干擾到接收機。民用GPS干擾設備在成本和小型化方面已經得到了較好的發展，目前市面上100美元左右便可以獲取手機大小的GPS干擾器。而軍用GPS干擾設備更加注重干擾的性能，如俄制車載GPS干擾機，據稱可以干擾十幾萬平方千米GPS信號[11-12]。

而在實際中還有一類干擾更加隱蔽，這類干擾與真實的衛星信號功率相當，而且信號格式完全一致。這樣一種虛假的衛星信號，通過欺騙導航接收機，使之產生錯誤的定位結果，也就是近些年廣受關注的欺騙干擾。2011年伊朗采用欺騙干擾的方式劫持了美國RQ-170無人機。該次無人機被捕獲事件很可能是壓制式干擾和欺騙式干擾的互相使用，使接收機產生錯誤的定位結果，而進入到伊朗境內，被伊朗捕獲[13-14]。

2 GNSS干擾策略及應對措施

2.1 GNSS干擾策略

在導航戰中，壓制干擾的關鍵特征如下：

① 壓制干擾的目的是抑制衛星信號的捕獲和跟蹤。

② 干擾的有效性主要取決于干擾功率、干擾帶寬、干擾類型、天線增益、遮擋損耗和接收機設計等。

③ 干擾源分布方式可以是聚合式(單干擾源)或分布式(多干擾源)。

欺騙干擾的關鍵特征如下：

① 欺騙干擾信號與GNSS信號類似，接收機可以像真實信號一樣跟蹤欺騙信號，使導航接收機定位錯誤。

② 生成式欺騙干擾需要了解偽隨機碼(PRN)、歷書信息、調制解調和導航解算等信息，以產生欺騙信號。

③ 轉發式欺騙干擾包括定點轉發、多通道分離轉發等。

④ 與壓制干擾類似，欺騙干擾分布方式也包括聚合式和分布式，且每個干擾源可偽造單顆或多顆衛星信號。

2.2 干擾處理措施及評估

根據上述干擾特征分析，未來導航戰可能面臨的干擾類型如表1所示。

表1 未來導航戰可能面臨的干擾類型Tab.1 Possible jamming types of future navigation warfare

陣列天線抗干擾技術是衛星導航抗干擾方向最重要的技術之一，可以在復雜干擾環境中發揮重要作用，因此本文對其進行重點分析。基于陣列信號處理的抗干擾技術利用導航信號與干擾信號的來波方向差異，通過空域自適應處理能夠抑制干擾增強信號，從而改善輸出信干噪比[15-16]。為了提高抗干擾能力，可進一步聯合時域或頻域，改善自適應陣列的抗干擾能力。設寬帶壓制干擾干信比大于100 dB，陣列天線抗干擾處理效果如圖2所示，經抗干擾處理，天線方向圖零陷大于100 dB，可有效抑制壓制干擾。

(a) 抗干擾前后頻譜圖

(b) 陣列天線零陷圖2 壓制干擾仿真結果Fig.2 Suppression jamming simulation results

對于欺騙干擾，陣列天線處理技術也有一定抑制效果。經仿真分析及實測結果可知，對正常跟蹤狀態的接收機，欺騙干擾信號干信比大于25 dB才可破壞接收機環路，導致定位錯誤。設欺騙干擾強度與噪聲相近時(干信比30 dB)，陣列天線在抗干擾模式下，天線方向圖仿真結果如圖3所示，干擾抑制零陷約-12 dB。此時，經過抗干擾處理后，欺騙干擾殘留干信比為18 dB，欺騙干擾難以破壞接收機跟蹤狀態。當欺騙信號強度更大時，零陷會進一步加深，可抑制干擾效果。

圖3 欺騙干擾下陣列天線零陷仿真結果Fig.3 Simulation results of array antenna null under deception jamming

實際應用過程中，陣列天線可有效抑制壓制干擾，對于欺騙干擾，可利用欺騙干擾檢測手段，如時間一致性檢測、慣性位置一致性檢測、多普勒檢測和多系統多頻點檢測等進欺騙干擾識別，再通過DOA估計技術進行欺騙干擾來向檢測，最后結合波束賦形的陣列天線抗干擾處理方法[15-16]進行干擾抑制。

3 GNSS接收機欺騙干擾的基本原理

3.1信號傳輸損耗模型

根據信號在自由空間的傳播理論，信號傳輸功率與傳播距離的平方成反比[17]，假設信號源發射天線發射到距離接收天線Ro(單位m)時的功率為Po(單位dBw)，則傳播到距離信號源發射天線RL時功率衰減到P1，表達式為：

GPS衛星軌道距地面約20 000 km，信號在傳輸過程中受到各種因素的衰減作用，到達接收機接收天線時已經變得很弱，這時接收機位置小范圍的移動相比整個遙遠的傳輸路徑而言，可以認為接收到的真實衛星信號信噪比基本不變。對于通過同一天線發射的欺騙信號，由于與接收機距離一般在幾千米甚至幾百米以內，此時目標用戶的位置變化會引起信噪比變化。已知信號傳輸功率與傳播距離的平方成反比，隨著干擾源與接收機之間距離的變化，載噪比變化曲線如圖4所示。

圖4 信號傳輸損耗曲線Fig.4 Signal transmission loss curve

普通GPS接收機的噪聲功率約為-205 dBW/Hz，接收機接收到的載波L1上的C/A碼信號在-163～-153 dBW，與之相對應的載噪比變化范圍為38～48 dBHz。也就是說，對于一般的情況,接收機接收到的真實信號載噪比是在一定范圍內的，而引入的欺騙信號如果功率過高會使接收機得出的載噪比偏大，偏離真實可能范圍，容易被檢測出異常。

3.2 導航戰下GNSS接收機受干擾仿真

由于衛星信號到達接收機天線口面強度很弱，淹沒在熱噪聲以下，需要通過偽碼相關提取信號[18]。以BDS B3頻點信號為例，碼速率為10.23 MHz。1 ms時長內BDS B3頻點偽碼歸一化自相關功率如圖5所示。從圖中可以看出，歸一化自相關功率譜中主峰比次峰高約30 dB，即如果目標接收機對BDS B3頻點信號累積1 ms時長進行解擴，可以獲得約30 dB增益；依次類推，若累積10 ms時長進行解擴，可以獲得約40 dB增益。隨著累積時間的增加，受多普勒頻移、數據/NH碼翻轉等影響，可提升增益降低，常用目標接收機的解擴增益為43 dB。

圖5 BDS B3偽碼歸一化自相關功率Fig.5 BDS B3 PN code normalized autocorrelation power

在沒有干擾信號的正常情況下，數字處理的輸出產生偽距、多普勒頻移和導航電文以進行定位。信號捕獲、跟蹤和解調都依賴于相關后的信噪比。在壓制干擾情況下，如果J/S超過容許值，可能導致信號跟蹤鎖定失敗，則干擾成功。為了使PVT產生虛假輸出，欺騙干擾信號必須被跟蹤環路鎖定，欺騙干擾才是成功的。根據接收機的一般處理步驟和干擾過程分析接收機受GNSS干擾的基本流程，如圖6所示。分別對存在壓制、欺騙干擾情況下的信號捕獲進行仿真，仿真條件如表2和3所示，對應仿真結果如圖7所示。

圖6 接收機受GNSS干擾的基本流程Fig.6 Basic flow of receiver interfered by GNSS

表2 壓制干擾仿真條件Tab.2 Suppression jamming simulation conditions

表3 欺騙干擾仿真條件Tab.3 Deception jamming simulation conditions

(a) 存在壓制干擾

(b) 存在欺騙干擾圖7 干擾對接收機捕獲影響Fig.7 Influence of jamming on receiver acquisition

從仿真結果可以看出，對于壓制干擾，-90 dBm干擾信號(干信比40 dB)可以壓制衛星信號，隨著干擾強度增加，壓制能力更強；對于欺騙干擾，欺騙干擾信號與真實信號具有強相關性，當欺騙信號強度與真實信號一致時就可能捕獲、跟蹤到欺騙信號；當欺騙干擾增強，捕獲、跟蹤到欺騙干擾的概率增加，直到完全淹沒真實信號，接收機只能收到欺騙信號，如圖8所示，當欺騙干擾信號強度達到-110 dBm(干信比20 dB)時，真實信號相關結果被完全壓制，只有欺騙干擾可以被檢測到。

圖8 欺騙干擾完全淹沒真實信號Fig.8 Deceptive jamming completely drowns the real signal

4 結束語

現階段沒有哪一種干擾手段可以攻破一切防護，也沒有哪一種防護手段可以抵御所有樣式的干擾攻擊。在未來導航戰發展過程中，攻防對抗雙方不會僅限于單獨采用一種干擾或者抗干擾手段。而衛星導航抗干擾接收機勢必會加裝多種抗干擾技術，相應的導航干擾設備也將更加趨于復雜化(多種干擾模式)、協同化(與相關偵察設備協同配合)、智能化(智能決策)，而陣列抗干擾技術、多源信息融合抗干擾技術，以及由此衍生的導航戰戰法將成為今后發展的重要方向。