基于“導航戰”的北斗衛星定位抗干擾策略

張啟福，徐世成，王 章，劉志全，李健睿，劉興宇，常 凱

基于“導航戰”的北斗衛星定位抗干擾策略

張啟福，徐世成，王 章，劉志全，李健睿，劉興宇，常 凱

（95972部隊，甘肅 酒泉 735018）

為了進一步加強北斗衛星定位系統的抗干擾應用，立足“導航戰”理念，提出電磁干擾環境下北斗衛星定位抗干擾策略：在總結北斗衛星信號結構和特性的基礎上，查找北斗接收機面臨人為干擾的薄弱環節，并重點對壓制式、欺騙式和組合式干擾的機理、特點等進行分析；結合“導航戰”3種屬性進行逆向思維，從可用信號增強、干擾信號抵消、其他定位輔助等3個角度設計抗干擾總體策略；最后針對接收機抗干擾，提出一種“圓形陣列天線/空時域濾波”的壓制式干擾對抗策略，以及慣導輔助定位、基于寬窄巷組合的載波相位差分等2種欺騙式干擾對抗策略。研究結果可為“導航戰”理念實戰轉化和接收機抗干擾相關研究提供參考。

導航戰；北斗衛星定位系統（BDS）；抗干擾策略；陣列天線；空時域；慣導輔助；差分

0 引言

衛星導航定位技術作為一項革命性技術，已廣泛應用于交通運輸、海上航行、測量勘探、農業生產等方面，尤其是在航空航天、武器制導等軍事領域的應用不斷成熟和拓展；不僅能有效提升武器系統的打擊精度，而且可實現體系化對抗、空地指揮等全天候、實時性協同作戰，備受各國重視。作為目前成熟運行的四大全球衛星導航系統之一，我國的北斗系統經歷了三步走發展戰略，于2020年7月初步建成北斗三號[1]，突破了導航“壟斷”，正在逐漸深化軍事應用。但是隨著“導航戰”理念的提出、推廣和實踐，安全與對抗必將是北斗衛星定位面臨的緊迫問題。“導航戰”是指在戰場復雜電磁環境下，一方面優先保證己方充分利用衛星導航定位，另一方面干擾、阻止敵方利用衛星導航定位，并同時保證在敵對區以外的民用不受影響而采取的措施和行動。

在第一次海灣戰爭中，美軍還依靠全球定位系統（global positioning system，GPS）制導武器的優勢，取得了很大的軍事效益；但到了第二次海灣戰爭，以及后續的幾次局部戰爭中，干擾系統的出現，讓制導武器、無人機等攻擊效能大打折扣，美國RQ-170無人機、MQ-9無人機等先后被干擾捕獲或摧毀[2]，讓人們深刻認識到衛星導航系統既有可靠性，又有抗干擾能力不足的缺點。

作為導航系統中的新興力量，北斗衛星定位無論從信號結構、二次調制，還是星間鏈路等方面都做了抗干擾的相關工作；但是在信息化的今天，面對日益惡劣的復雜電磁環境和層出不窮的干擾手段，以及“導航戰”的實戰轉化，北斗衛星定位接收機的處境更加艱難，且面臨著嚴峻挑戰。為此，加強其抗干擾應用十分必要。

1 北斗衛星定位信號結構及特性

1.1 北斗衛星定位信號組成

北斗衛星信號通過空間星座上的靜止軌道衛星、中圓地球軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星等三類衛星播發。北斗二號提供3路公開、 3路授權信號，即B1、B2和B3三個中心頻率上正交調制的I、Q 2個支路信號；北斗三號擴展形成5路公開、3路授權信號，根據北斗系統最新空間接口信號控制文件（signal in space interface control document，ICD）[1]顯示，公開信號包括B1I、B1C、B2a、B2b、B3I，授權信號包括B1A、B3Q、B3A。這些信號在頻率、帶寬、碼率、調制方式上各有不同，但是許多信息都是公開的，這就極易被針對性干擾。

B1I、B3I信號在北斗二號、三號中延續使用，在全部衛星上播發，并提供公開服務，具有一定代表性，下面均以B1I信號為例進行分析。B1I信號從結構上可分為載波、偽碼和數據碼等3個層次。其中：載波是信號的最底層，是以1561.098 MHz中心頻率傳播的正弦波；偽碼是位于載波之上的第二層，是由2個11級線性移位寄存器產生的一串隨機的、有良好自相關和互相關性的二進制數；數據碼是第三層，是調制在偽碼上的一列載有導航電文的二進制碼。通過這3層信息的相互配合，即可實現衛星信號的傳輸和接收機定位。

1.2 北斗衛星定位信號特性

北斗衛星信號特性主要體現在接收解調過程，包括衛星信號發射、空間傳輸、接收解算等3個部分。

在衛星發射端，北斗衛星首先將數據碼與偽碼進行相關運算，實現低碼率數據碼（D1導航電文，碼寬20 ms）對高碼率偽碼（周期1 ms）的擴頻調制，并形成組合碼。在空間傳輸中，組合碼對載波B1進行二進制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）調制，然后將已調信號在B1中心頻率上空間傳輸，最終到達接收機通道。在接收機端，首先對衛星信號進行載波解調，實現組合碼分離；然后將組合碼與接收機內部復制的偽碼進行自相關運算，依靠偽碼的強自相關性，一方面剝離偽碼，提取數據碼，完成解擴，另一方面獲取偽碼的自相關峰值，測量碼相位，解算偽距。自此實現衛星信號三層結構的先組合、后分離，有效獲取衛星位置、接收機鐘差、偽距、大氣延時等信息，完成接收機定位。

通過上述分析可知，面對信號傳輸的開放環境和諸多核心信息公開，北斗衛星導航定位受干擾的威脅十分明顯，主要體現在信號傳輸、信號鎖定、組合碼解擴、定位解算等方面，尤其是面對敵意的人為干擾，這些薄弱環節都會成為干擾入侵的可乘之機，需要重點研究。

2 人為干擾的機理分析

2.1 人為干擾的分類

人為干擾是一種典型的敵意電磁干擾，是在一定的空、時、頻及功率域內，專門針對北斗衛星信號的薄弱環節，人為制造指向性干擾、大能量輻射等電磁攻擊，擾亂、破壞、誘導北斗衛星定位接收機工作過程。

從接收機應用角度而言，人為干擾可分為三級：在一級上，根據干擾體制分為壓制式干擾和欺騙式干擾2大類[3-4]。在二級上，壓制式干擾根據干擾信號的頻譜特性分為窄帶干擾和寬帶干擾；欺騙式干擾根據干擾形成方式分為生成式干擾和轉發式干擾。在三級上，窄帶干擾根據干擾頻帶特征分為單頻連續波干擾、窄帶噪聲干擾、窄脈沖干擾等；寬帶干擾根據頻譜性能分為噪聲調幅干擾、噪聲調頻干擾、寬帶脈沖干擾、寬帶梳狀譜干擾、線性掃頻干擾等；生成式干擾按照干擾發射方式可分為單天線生成、多天線生成；轉發式干擾按照干擾源數量可分為單源轉發、多源轉發[5]。如圖1所示。

圖1 人為干擾組成

這些干擾的作用機理、特點各有不同，早期以某種單一干擾為主，后來逐漸演變為2個以上干擾相互組合、疊加的復合式干擾，具有很強的危害性、欺騙性。

2.2 干擾機理分析

2.2.1 壓制式干擾機理

采用大功率的發射機，在接收機接收頻帶內，發射與衛星導航信號同頻段的強功率干擾信號，使接收機解擴后干擾信號功率高于導航信號功率，大大降低了導航信號信噪比，致使接收機無法捕獲、鎖定衛星信號，從而喪失定位能力[4]。

其中，窄帶干擾是針對特定的衛星信號進行同頻干擾，干擾頻譜寬度和衛星信號帶寬相近或者占據帶寬內幾個相對集中的頻寬。對B1I信號，窄帶干擾帶寬通常為0.4MHz左右，干擾瞄準中心頻點，能量聚焦，利用率高，會造成衛星信號載波和碼元丟失，致使接收機無法利用偽碼定位。寬帶干擾是在特定頻帶上，針對一定區域內所有衛星信號實施干擾，覆蓋整個衛星信號的頻譜寬度。對B1I信號，寬帶干擾不僅覆蓋4.092MHz帶寬，而且可能覆蓋B1C、B2a、B2b、B3I等信號中幾個或全部帶寬，真實信號完全被淹沒，導致接收機失鎖。

2.2.2 欺騙式干擾機理

針對公開的北斗衛星信號結構、接口協議等，利用專業手段和設備進行信號“仿真”、直接制造“偽衛星”或者中繼真實信號，通過修改時鐘參數、轉發虛假導航電文、增加信號時延等措施，產生與真實信號特征極其相似且功率略高、約5 dB左右的欺騙信號，使接收機被功率“接管”，導致真假難辨，定位結果與實際偏離[6]。

其中，生成式干擾預先接收衛星信號，檢測得到衛星偽碼、導航電文、時鐘參數等關鍵信息，然后生成與其相關性最大的偽碼信號，并對衛星星歷、時鐘參數進行篡改[7-8]，以此產生與真實信號特征十分相似的欺騙信號，誘惑接收機捕獲、跟蹤，導致定位出現偏差。轉發式干擾是將接收到的衛星信號經過延時處理、功率放大等操作后轉發出去，使轉發信號與衛星信號完全一樣，致使接收機在無預判的情況下捕獲欺騙信號。該方式對民用、軍用接收機均有效。

2.2.3 組合式干擾機理

這是壓制式和欺騙式相互結合的干擾方式，不僅可體現壓制式的功率優勢，奪取制信息權，而且可實現欺騙式的無縫切入，接管接收機。基本思路為：首先，通過大功率壓制進行信息飽和攻擊，致使衛星信號被屏蔽或淹沒，以此切斷接收機與衛星的無線鏈路，使其無法接收有效信號，迫使失鎖重捕、自主運行；在此階段，發射欺騙信號，構建虛假衛星系統，接收機捕獲虛假信號進行錯誤定位，至此完成接收機的“無縫接管”。在伊朗對美軍RQ-170無人機、MQ-9無人機的誘捕[9]上展現了獨特優勢，逐步成為干擾的主樣式。

綜合可見，人為干擾已融入了“導航戰”的重要內容，尤其在復雜電磁環境下，極易隱蔽和潛伏，難以檢測和識別，破壞性極大。

3 北斗衛星定位抗干擾總體策略

“導航戰”中突出了為“己”所用、阻“敵”使用、保證民用的3種屬性，重在彰顯干擾行為，而反過來也可分析出抗干擾的策略。面對北斗接收機工作環境的電磁常態化，及人為干擾演變的明顯趨勢，抗干擾的總體策略可從3個角度著手，即可用信號增強、干擾信號抵消、其他定位輔助。具體而言：一是立足接收信號，要大大增強特定方向信號，實現有用信號的空域放大、同相疊加；二是立足抑制干擾，要對干擾信號進行濾波處理，形成干擾信號的空域零陷或反相消減；三是立足降維處理，要降低干擾信號參與定位的權重，利用不受干擾影響的其他定位技術、算法輔助定位，以此對抗干擾影響。

抗干擾策略應用主要體現在2個層面：從設計層而言就是系統抗干擾，包括空間星座優化、提高衛星信號發射功率、增加衛星信號頻點、民碼加密等，可以從根源上解決干擾問題，一般基于國家層面實施；從應用層而言就是接收機抗干擾，這個是“干擾-抗干擾”博弈最活躍的部分，抗干擾針對性強，主要是基于信號鏈路、接收前端和數據處理算法等方面。本文針對壓制式干擾，提出軟硬件結合的“圓形陣列天線/空時域濾波”的對抗手段；對于欺騙式干擾，提出慣導輔助定位、基于寬窄巷組合的載波相位差分等 2種手段。

3.1 圓形陣列天線/空時域濾波

這是綜合利用圓形陣列天線的陣元數可控、空間分辨力強、避免陣元互擾等優勢[4]，以及空時域濾波抗干擾自由度大、時域空域二維聯合等特點[4]，使二者有效融合，在獲取多個陣列天線合成方向圖的基礎上，按照最優準則和濾波算法，給各陣元自動賦予最優權值，來調整陣列信號的幅度、相位，控制合成方向圖指向：一方面使得主瓣指向衛星信號，進行實時增強；另一方面空域濾除窄帶干擾，時域濾除寬帶干擾，實現干擾零陷[9]。軟硬件系統主要包括圓形陣列天線、波束形成器以及空時域濾波3個部分，核心是陣列天線模型構建和空時域濾波算法。如圖2所示。

圖2 陣列濾波結構

3.1.1 圓形陣列天線模型構建

參考陣元接收信號

式中：j為虛數單位；e為指數的底數；為載波角頻率。

由坐標系位置關系可知，第個陣元的坐標矢量

則陣列接收信號

3.1.2 空時域濾波分析

空時域濾波是對空域濾波的拓展，在純空域結構的每個陣元后增加多級橫向時延抽頭。其關鍵作用在于通過信號加權，改變陣列方向圖指向[4]。從縱向看，個陣元構成空域濾波結構，能夠在空域濾除窄帶干擾；橫向看，每個陣元后個時延抽頭構成有限長單位沖激響應濾波結構，能夠在時域濾除寬帶干擾。

可得空時結構MN×1維的信號矢量為：

式中Kron表示線性代數中矩陣的Kronecker運算，即張量積。

由此，擴展抗干擾自由度為-1個。然后給陣列信號賦予最優權矢量，可得空時域加權濾波輸出

3.2 慣導輔助定位

慣導系統（inertial navigation system，INS）是一種內部自主式導航的傳感器，短期精度高且不受外部因素和欺騙影響，也不接收或發射電磁能量，隱蔽性和抗干擾性強。INS與北斗定位接收機組合實現了2種傳感器的優勢互補，可彌補衛星定位受干擾輻射影響大的不足。二者之間只須實時交互位置、速度或偽距、偽距率等結果，無須改變彼此狀態，也不會增加解算復雜度，可明顯提高整個制導平臺的可靠性。

INS對北斗定位接收機的輔助模式主要有3種，即基于位置速度的松組合、基于原始觀測值的緊組合和基于INS速度信息的深組合[5,10]。INS輔助定位后，當遭遇干擾時：INS一方面可繼續、獨立提供短時間高精度導航服務，確保制導平臺持續定位；另一方面可結合自身定位信息協助接收機甄別、剔除干擾信號；同時，在有可用衛星信號的情況下，輔助接收機縮小跟蹤環路帶寬，在動態下快速捕獲信號，可提高10～15 dB的抗干擾能力。如圖4所示。

圖4 慣導輔助定位

雖然INS在使用中仍面臨定位誤差隨時間累積、初始對準時間長、需要衛星定位初次響應等問題，但是通過組合輔助，或在其他抗干擾技術的支持下，只要能實現斷續的北斗定位，獲取高精確的定位信息，就可及時對INS誤差進行修正，在一定程度上減小誤差累積、降低誤差增長速率，可獲得準確、穩定的慣導信息。此外，通過實驗測試和仿真計算可知，慣導精度對抗干擾性能的影響很小，這在一定程度上增加了INS輔助定位的可信性。

3.3 基于寬巷組合的載波相位差分

寬窄巷組合是一種多頻測量值的線性組合，其思想也可創新應用于抗欺騙式干擾。本文提出一種新穎的思路，將寬窄巷組合與載波相位差分進行耦合，通過雙差解算，實現抗干擾效能。差分的目的在于消除衛星鐘差、衛星星歷誤差等，而這恰好是破壞欺騙式干擾實現的2個必要條件。寬窄巷組合是通過生成新的虛擬測量值，大大減小單頻測量中干擾信號參與定位解算的影響，利用冗余觀測降低干擾信號權重。

整體架構可分為2個層面，一個是基于衛星接收機自身，另一個是基于地面基準站的輔助。前者是對同一衛星的多頻信號進行寬窄巷組合，得到單差載波相位測量值，然后在2個歷元上再進行一次差分，獲取雙差測量值，借助雙差測量值隨時間的變化率識別干擾、放棄跟蹤，并利用剩余雙差測量值進行定位。后者是地面基準站與移動站同步觀測同一衛星多頻信號，利用寬窄巷組合，獲取信號間的單差載波相位測量值，同時通過空間數據鏈路，將移動站數據回傳至基準站進行單差對比，獲得站間雙差測量值，通過雙差閾值判別，剔除被干擾的寬窄巷組合；然后基準站將此干擾預警信息上傳至移動站，并附帶上傳已嵌入正確衛星鐘差、星歷參數等信息的虛擬衛星信號，使得移動站一方面放棄對預警信號的跟蹤，另一方面直接使用虛擬衛星信號進行定位，以此保證定位持續且實現抗干擾。

4 結束語

在導航戰中如何提高北斗衛星定位的抗干擾能力是必須面臨的實際問題，也是研究探討的主要方向。本文立足“導航戰”理念，針對復雜電磁環境下北斗衛星定位抗干擾的緊迫問題開展研究。首先簡述、總結了北斗衛星信號結構和特性，查找北斗接收機面臨人為干擾的薄弱環節，然后對壓制式、欺騙式、組合式干擾的機理、特點等進行分析。針對“導航戰”的3種屬性進行逆向思維，從可用信號增強、干擾信號抵消、其他定位輔助等 3個角度制定抗干擾總體策略，最后就“干擾-抗干擾”博弈最活躍的接收機部分，提出軟硬件結合的“圓形陣列天線/空時域濾波”的壓制式干擾對抗策略，提出降維輔助的慣導輔助定位、基于寬窄巷組合的載波相位差分等2種欺騙式干擾對抗策略。本文的研究成果可為“導航戰”理念實戰轉化提供一種應對之策，在接收機抗干擾應用上具有一定的參考意義。

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Anti-jamming strategy of BeiDou satellite positioning based on navigation warfare

ZHANG Qifu, XU ShiCheng, WANG Zhang, LIU Zhiquan, LI Jianrui, LIU Xingyu, CHANG Kai

（Troops 95972, Jiuquan, Gansu 735018, China）

In order to further inhance the anti-jamming application of BeiDou navigation satellite system (BDS), the paper proposed the anti-jamming strategy of BDS under electromagnetic interference environments based on the concept of navigation warfare: on the summarization of BDS signal structure and characteristics, the vulnerability of BDS receivers to man-made interference was found, and the mechanism and characteristics of clamped，spoofing and combined jamming were analyzed; then, with three attributes of navigation warfare for reverse thinking，the overall anti-jamming strategy was designed from three aspects of signal enhancement, signal cancellation and auxiliary positioning; finally, three strategies for receiver anti-jamming, including the suppressive jamming strategy based on circular array antenna and space-time filter, and the deceptive jamming strategies based on inertial navigation assisted localization and carrier phase difference of wide-narrow lane combination, were put forward. Results could provide a reference for the relate research of the practice transformation from concept of navigation warfare and anti-jamming of receivers.

navigation warfare; BeiDou navigation satellite system (BDS); anti-jamming strategy; array antenna; space-time domain; inertial navigation aid; differential

P228

A

2095-4999(2023)01-0024-06

張啟福，徐世成，王章，等. 基于“導航戰”的北斗衛星定位抗干擾策略[J]. 導航定位學報, 2023, 11(1): 24-29.（ZHANG Qifu, XU Shicheng, WANG Zhang, et al. Anti-jamming strategy of BeiDou satellite positioning based on navigation warfare[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(1): 24-29.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230104.

2022-11-15

張啟福（1986—），男，甘肅會寧人，碩士研究生，工程師，研究方向為衛星導航定位與抗干擾技術。