針對BOC調制的GPS信號欺騙式干擾技術研究*

2016-03-15 04:46:21魏永峰

艦船電子工程 2016年2期

魏永峰

(91404部隊92分隊　秦皇島　066000)

魏永峰

(91404部隊92分隊秦皇島066000)

摘要為了實現對GPS信號的有效干擾,針對采用BOC調制技術的GPS衛星導航系統,開展干擾技術研究。論文論述了BOC調制技術的基本原理,重點討論了基于BOC調制編碼通信GPS系統的有效的欺騙式干擾,分析了轉發式干擾、播放式干擾、間斷干擾、分布式轉發干擾等欺騙干擾技術的產生機理,為未來研究欺騙式干擾如何戰術應用提供基礎。

關鍵詞全球定位系統; 二進制偏置載波調制; 欺騙干擾

Deceiving Jamming Technology for GPS Signals with BOC Modulation

WEI Yongfeng

(Unit 92, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractIn order to implement the effective jamming to GPS signals, for the global positioning system(GPS) with based on BOC Modulation, the GPS jamming technology is studied. Basic principles of BOC modulation are introduced, deceiving jamming technology for GPS signals with BOC modulation is discussed. Creation mechanism of retransmitted jamming, broadcast jamming, discontinuous jamming and distributing repeated jamming are discussed. It can provide basis for tactical application of deceiving jamming.

Key WordsGPS, binary offset carrier modulation, deceiving jamming

Class NumberTN972.3

1引言

定位系統性能與其射頻信號的調試方式關聯較大,M碼采用二進制偏移載波(BOC)等先進技術調制方式的GPS信號,具有較強的抗多路徑效應能力和良好的跟蹤性能。BOC調制是衛星導航系統的一種創造性服務,BOC調制技術對于衛星導航系統信號結構的改進具有良好的應用前景。我國目前在這一全新領域尚處于初期預研階段,對導航戰這一新的戰爭領域的技術、戰術進行研究具有很強的緊迫性和必要性。

2BOC調制技術原理

二進制偏置載波(Binary Offset Carrier,BOC)調制以方波作為副載波,對衛星產生的碼信號輔助調制,之后再調制到主載波上。BOC調制主要由兩個參數來描述:副載波頻率和傳播的碼率,表示為BOC(fs,fc),其中fs是副載波頻率,fc是碼率,單位為MHz,BOC(fs,fc)與實際頻率間的換算關系為:實際子載波頻率為1.023fs,實際碼率為1.023fc。導航數據調制到擴頻碼后,再調制一矩形副載波,生成BOC信號,最后調制到導航信號頻段的主載波上發射出去,與GPS C/A碼信號的區別是引入了一矩形副載波[1～2]。BOC信號原理如圖1所示。

圖1　BOC信號原理

BOC信號的復數形式公式為

s(t)=e-jθ∑akunTs(t-knTs-t0)CTs(t-t0)

(1)

式中,{ak}為數據調制后的擴頻碼單元大小;CTs(t)是副載波;周期為2Ts;unTs為擴頻符號;θ為相位,t0為初始時間。

BOC調制是衛星導航系統的一種創造性服務,其信號結構的主要特點是信號功率并不是調制到載波頻率的主瓣,而是調制到了載波頻率兩側的旁瓣上,這兩個旁瓣之間的間隔為兩倍的副載頻寬度,如圖2所示。

圖2　BOC(fs=10,fc=5)調制信號的功率譜密度

經BOC(fs,fc)調制的基帶信號的歸一化功率譜密度定義為

(2)

一般地,BOC調制的自相關函數不容易顯式表達。當信號理想地以復帶寬βr為帶限,其自相關函數可以定義為

(3)

BOC功率譜上兩側主瓣之間的主瓣和旁瓣的個數由調制參數fs,fc決定,具體的對應關系式可以表示為

n1=2fs/fc

(4)

式(4)中,n1表示兩側主瓣之間的主瓣和旁瓣的個數,也稱為BOC調制階數。

同時,BOC的調制參數fs、fc決定了自相關函數正峰和負峰的個數,其具體對應關系式為

n2=4fs/fc-1

(5)

其中,n2表示自相關函數正峰和負峰的個數,同時相鄰兩個峰的延遲時間為副載波(即方波)周期的一半。

3欺騙式干擾技術

本文主要討論針對GPS的欺騙式干擾,欺騙式干擾信號包括:轉發式干擾、播放式干擾、間斷干擾、分布式轉發干擾[3～10]。

欺騙式干擾是指發射與真實的GPS信號具有相同的參數只是信息碼不同的假信號,干擾GPS接收機的工作并使之產生錯誤的定位信息。針對GPS的工作原理,對GPS進行定位欺騙可以分兩個方面:給出虛假導航信息或者增加信號傳播時延。他們分別對應于“生產式”和“轉發式”兩種干擾體制。生產式干擾需要知道GPS碼型以及當時的衛星電文數據,這對于已經公開的C/A碼以及半公開的P碼來說是可以實現的,但對于Y碼和M碼來說,干擾就有很大的困難,目前仍需要進一步突破關鍵技術。

轉發式干擾。對于M碼的GPS接收信號,在接收信號中已經包含了解擴所需的本地碼P(t)或C(t)。如果能把這樣的信號存儲下來,再轉發給GPS接收機,就干擾信號而言,與GPS接收機能夠很好的匹配。從定位原理可以看到,確定GPS接收機的當前位置必須依賴兩部分設備的協調工作。一部分是天上的四顆GPS衛星,另一部分是載體上的GPS接收機。根據定位方程,GPS接收機顯示其接收天線處的位置信息。如果使用一部較大功率的轉發式GPS干擾機,使干擾區域內的GPS接收機都接收轉發信號(因為干擾信號比GPS衛星信號強),那么,所有這些GPS接收機都將顯示相同的位置信息。這是因為GPS接收機的位置信息由轉發式干擾機上的GPS天線和天空的四顆GPS衛星決定,GPS信號的轉發等價于GPS信號的延時,不影響其定位精度。從破壞GPS接收機的定位能力來看,轉發式干擾可以滿足要求。但轉發式干擾的最大問題還是收發隔離。

播放式干擾。預先將GPS信號采集下來,裝入干擾機,由干擾機按一定的使用要求進行播放。由于采集的數據都是過去的歷史數據,盡管與GPS接收機能夠很好的匹配接收,但從導航電文中取出的數據或者不能滿足數據的一致性要求而廢棄,或者處理出的結果(包括時間、位置)都是虛假的。這種干擾方式因為沒有接收部分,干擾設備比較簡單,成本較低。不足之處在于一旦GPS的信號發生了變化,干擾就不起作用。在將來的戰場環境中,完全有可能也有能力改變軍用GPS信號(包括載頻、調制信號、發射功率等)。

間斷干擾。間斷干擾也是一種有效的干擾方法,可以用時分制方式來實現。GPS的接收和干擾

是分時進行的,在T1期間對GPS衛星信號接收并存儲,在T2期間播放。通過間斷性地重復播放某一時段的相參信號,使GPS接收機受到以下影響:接收機在搜索/跟蹤狀態之間來回切換;接收信號在GPS衛星信號和干擾信號之間來回切換;阻塞相關接收通道(破壞數據的一致性、處理不出有效數據)。這種工作方式解決了兩個難題:收發隔離問題;用時分制在時域上進行隔離。這種隔離方法在雷達對抗中經常被采用,是一種比較成熟的干擾技術。能夠動態跟蹤目標信號的變化:T1和T2是整個工作周期T的二個不同階段,T1期間跟蹤目標信號的變化,這種方式可以在每個周期中更新一次目標信號,只要T選擇適當,就能及時跟上目標信號的變化。

分布式轉發干擾。為解決轉發式干擾的收發隔離問題,采用空間隔離的辦法,將收發在空間上分開,組成多個接收和多個發射:接收站具有很高的接收靈敏度,對當前的GPS衛星信號接收、放大并下變頻到較低的載頻上;干擾機將低頻信號上變頻到GPS的工作頻率上,經過放大、干擾樣式的調制后,從干擾天線上發射出去;接收站和發射機之間通過有線或無線方式傳輸。

轉發式干擾對GPS接收機的干擾是十分有效的,近距離作為壓制式干擾,遠距離可以構成欺騙干擾。針對目前的GPS精確制導武器,即使它們應用諸如自適應調零天線、自適應濾波以及提高功率等反干擾技術措施,如果在戰場的前沿部署轉發式干擾帶,當GPS接收機將近距離的干擾機屏蔽,遠距離的干擾機仍能發揮作用,雷達陣地和重要目標將得到有效的保護,從而使它們避免遭到精確制導武器的打擊。

4結語

采用BOC調制的GPS信號具有較強地抗干擾性,如何有效地實現對GPS信號的干擾,可以有效降低敵方現代化武器的使用效能,同時也是有效的一種進攻性措施。因此,為了在未來的電子戰中,研究針對BOC調制的GPS信號干擾技術,對掌握戰爭的主動權具有重要的軍事意義。

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