GNSS中基于調零天線的欺騙干擾抑制方法

唐洪軍 黃治磊 曾浩

摘要欺騙式干擾由于實現成本低、干擾能力強，成為GNSS中主流干擾來源，但現有GNSS抗干擾天線僅僅針對壓制式干擾．根據欺騙式干擾檢測獲得的干擾到達方向信息，采用人為在該角度增加壓制式干擾的方法，現有GNSS調零天線就可以在欺騙干擾角度形成方向圖零陷，實現欺騙干擾抑制．通過對天線方向圖和接收機擴頻碼同步仿真，驗證了新方法的有效性．

關鍵詞欺騙干擾;干擾抑制;調零天線;全球導航衛星系統

中圖分類號

TN967.1

文獻標志碼

A

收稿日期

2022-06-14

資助項目

“十四五”國防預研基金（629010204）

作者簡介唐洪軍，男，高級工程師，主要從事高速信號采集、數字陣列信號處理平臺等相關研究.a_thj@163.com

曾浩（通信作者），男，博士，教授，主要從事自適應陣列天線技術、軟件無線電和寬帶移動通信技術研究.haoz@cqu.edu.cn

0 引言

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）因其可為各類軍民載體提供全天候高精度的定位、測速和授時（Position Velocity Time，PVT）服務而得到廣泛應用．由于衛星導航信號的脆弱性，GNSS接收機極易受到惡意人為干擾，使得平臺導航系統失效［1］．一般GNSS調零天線針對壓制式干擾，但從近幾年針對無人武器平臺的GNSS干擾熱門事件來看，欺騙式干擾的威脅越來越大，這是因為欺騙式干擾信號不易被GNSS接收機察覺，并且隨著軟件無線電技術的發展，欺騙干擾設備所需成本也越來越低．轉發式欺騙干擾技術上容易實現，成本低，是目前最主要的欺騙干擾方式．抗欺騙式干擾技術可分為欺騙干擾檢測和欺騙干擾抑制：欺騙干擾檢測主要實現對接收信號中是否存在欺騙干擾信號進行檢測［2］;欺騙干擾抑制主要實現消除欺騙干擾信號對GNSS系統的影響［3］．對欺騙干擾抑制方法的研究相對其檢測方法要少很多，特別是不改變GNSS編碼結構下的接收機自主抑制方法尤其困難．目前研究較多的欺騙抑制方法有殘留信號檢測算法，其根據欺騙干擾源無法將真實衛星信號完全抵消，從GNSS接收機接收信號的緩沖樣本中將系統重構建的欺騙信號減去，即可實現對欺騙干擾的消除［4］，該方法對欺騙干擾抑制的效果屬于中等水平，需要額外的存儲空間和專門用于重構欺騙信號的通道，并且在欺騙信號功率明顯大于真實衛星信號時，因檢測不到真實信號而失效．接收機自主完整性監測（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM）是另一種欺騙干擾抑制方法，其把欺騙干擾信號當成故障信號，通過比較偽距測量值而剔除因存在欺騙信號而導致的異常值，從而實現對欺騙干擾的抑制［5］，該方法成本低，實現簡單，但欺騙信號只能是一個．最可靠的是空域零陷控制算法，由于欺騙干擾大多采用單天線發射，因此信號到達方向（Direction of Arrival，DOA）是區分真實信號和欺騙信號的可靠因素，在判斷出欺騙信號來向的基礎上［6］，可通過零陷形成技術降低欺騙信號方向上的增益，實現對欺騙干擾的抑制［7］．該方法雖然能達到良好的抑制效果，但是由于需要進行矩陣求逆運算，算法復雜度較高．針對上述問題，本文提出一種基于調零天線的欺騙干擾抑制算法，能彌補殘留信號檢測算法和RAIM算法的不足，相對于空域零陷控制算法，運算復雜度更低．

本文首先分析欺騙干擾信號模型，然后提出基于調零天線的欺騙干擾抑制算法，最后通過MATLAB仿真驗證該算法的可行性．

1 欺騙式干擾信號模型

GNSS接收機的基本結構如圖1所示，整體分為天線、射頻前端、信號處理、定位4個部分．通常，GNSS接收機射頻前端輸出為中頻信號，中頻信號轉換為數字信號后，通過各種信號處理算法實現不同功能，包括了干擾信號檢測和抑制等［8］．而干擾抑制后的信號，則進入接收機，實現載體定位和授時功能［9］．

4 仿真分析

下面對本文提出的欺騙干擾抑制方法進行仿真分析，假設接收機陣列為8陣元均勻線陣，陣元間距為0.5倍波長，仿真假設接收機接收信號包括了一個衛星信號，信號來向分別為30°，兩個轉發式欺騙干擾信號，信號來向為-40°和60°，以及噪聲信號．為了簡單，GNSS接收機僅僅研究L1頻段的GPS信號，PRN碼為長度是1 023的GOLD碼，碼速率為1.023 MHz，接收信號通過射頻前端轉換為中頻信號，中頻頻率4.092 MHz，采樣頻率為37.851 MHz，信號信噪比SNR=-20 dB，干噪比INR=-19 dB．噪聲為功率為1的高斯白噪聲．

用大功率帶通信號s（k）=a（k）·ejω ckT s模擬兩個壓制式干擾，其中a（k）為均值為0，功率為INR=10 dB的高斯分布隨機序列．兩個人為干擾的區別是基帶信號a（k）獨立生成，彼此不相關．其時域波形和頻譜圖分別如圖4、5所示，兩個人為干擾時域波形不同，但頻譜是相同的．

然后，根據式（7）和式（14）對GNSS接收機接收信號進行調零天線抗干擾處理．采用LMS算法計算最優權矢量，圖6為根據式（15）計算的調零天線方向圖．當不增加人為干擾時，由于欺騙信號功率太弱，無法形成零陷，方向圖是水平實線．當采用本文方法后，在-40°和60°兩個干擾信號方向，都能夠形成零陷．

欺騙干擾通常和真實衛星信號功率相當，都較弱．調零天線主要目的是減小欺騙干擾功率，保持真實信號功率不變，這些都可以從干擾和真實信號DOA對應的方向圖上看出．為此，在相同假設條件下改變陣元數量和人為干擾功率，對真實信號、兩個干擾信號天線增益進行仿真，如圖7、圖8所示．仿真結果說明，真實信號功率和天線數量、人為干擾功率大小沒有顯著關系．圖7顯示，欺騙式干擾抑制度在天線數量滿足自由度要求后，維持在-55 dB左右，不隨天線數量增加而增加．圖8顯示，干擾功率對干擾抑制度影響顯著，干擾功率越大，抑制越多．

抗干擾模塊在抑制干擾時，不能對真實信號產生較大影響，至少要保證真實信號能夠被GNSS接收機中PN碼檢測器正常檢測到相關峰．根據擴頻通信接收中相關峰檢測方法，對抗干擾前后信號進行分析．圖9為未進行欺騙干擾抑制接收機捕獲的相關峰，仿真中可以看到接收機捕獲到3個相關峰，說明接收信號中存在2個欺騙干擾信號．干擾抑制后，同樣進行相關峰檢測，如圖10所示，則只有一個相關峰，說明干擾信號被有效抑制，并且真實衛星信號得到了有效保護．

5 結論

通過陣列天線接收信號在空域的處理，可以確定干擾信號角度，然后人為把欺騙式干擾轉換為壓制式干擾，再采用傳統調零天線算法在欺騙干擾方向形成天線方向圖零陷，從而實現對欺騙干擾抑制．通過MATLAB仿真實驗驗證了算法的可行性，對于GNSS抗干擾天線工程設計具有參考價值．

參考文獻

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Anti-spoofing via nulling antenna in GNSS

TANG Hongjun1 HUANG Zhilei2 ZENG Hao2

1Southwest Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036

2School of Microelectronics and Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044

Abstract Nowadays spoofing is the dominant threats for GNSS receiver due to its low cost and high efficiency.However，the nulling antenna，which is widely used in GNSS receiver，can only mitigate the interference via high power.According to the DOA information of spoofing，some pseudo interferences are added to the received signal and imping on the antenna array from the same DOAs as the spoofing.Then the following traditional nulling antenna can suppress the spoofing since the beam pattern generate nulls at the DOAs of spoofing.Finally，the simulations of beam pattern and PN code synchronization illustrate the performance of the proposed method.

Key words spoofing;jamming mitigation;nulling antenna;global navigation satellite system（GNSS）