GPS干擾系統的軟件設計與硬件實現分析

莊 彤

(渤海大學信息科學與技術學院 遼寧 錦州 121000)

GPS干擾系統的軟件設計與硬件實現分析

莊 彤

(渤海大學信息科學與技術學院 遼寧 錦州 121000)

隨著科技的不斷發展，GPS技術也有了相應的進步，技術的應用范圍也進一步擴大。GPS系統的作用原理是通過無線電信號實現定位，在這個過程中，若定位系統受到一定的干擾，在定位的精確度上就會產生極大的偏差，因此近年來對GPS技術研究開始將重心放在了抗干擾技術的研究上。本文根據GPS干擾系統的作用原理、功能、特點等，對GPS干擾系統的軟件和硬件設計進行了相應的分析。

GPS干擾系統；軟件設計；硬件設計

本文著錄格式：莊彤. GPS干擾系統的軟件設計與硬件實現分析[J]. 軟件，2016，37（11）：97-100

0 引言

GPS技術最初是應用于軍事上一種技術，在上個世紀的70年代，美國研發出GPS技術來提高對軍事目標的打擊精確性。在研制的過程中，美國投入了大量的人力和物力，當時的海陸空三軍都參與到了技術的研發和完善中，最終研制出了GPS系統，全稱是全球衛星定位系統。GPS系統能夠實現全球目標的實時監控，并且提供目標的精確三維坐標。GPS系統主要能夠為用戶提供兩個方面的服務，一種是專門政府部門服務的精密定位服務，這種服務所提供的信息都需要經過加密處理；第二種是為普通的用戶提供的標準定位服務。

1 GPS系統的組成

GPS系統主要可以分為三個部分。首先是空間部分。GPS的空間部分主要是由衛星組成的，通常在一個GPS系統中包含24個衛星，它們均勻的分布在獨立的軌道上，每四個衛星分布在一個軌道平面上，并且所有的軌道之間的距離是一樣的。每顆衛星運行軌跡的平均高度大致為200000千米，平均的運行周期為12小時。所有的衛星對地球進行全方位的觀測，全球任何一個區域在每個時刻都會有至少4顆衛星對其進行實時的監測。衛星在運行時的頻率是不變的，通常分為兩個信號，其頻率分別是1575HZ和1227HZ。信號都是經過調制處理和編碼處理。要確定地球上某一目標物的精確精度、維度和高度只需要測量4顆衛星。

第二部分是地面監控系統。地面監控系統主要由主控站、監測站、注入站等幾個部分組成，全球的主控站只有一個，位于美國。所有GPS系統的運行時間都以主控站的精妙時鐘所顯示的時間為準，而監測站和衛星的時間都要以主控站的時間為依據。全球的注入站總共有3個，分別位于太平洋、

大西洋和印度洋，都有美國管理。注入站的功能是輔助主控站進行相關數據的收集和計算，并將信息傳輸到衛星系統中，此外還需要對數據注入的整個過程進行監控，以提高數據的精確性。注入站的設備包括計算機、天線、發射機等、全球的監測站共有5個，監測站都采取自動化監控，不需要人工進行操作。監測站的作用是收集信息并將其傳輸給主控站。

最后是用戶接收機。它主要在用戶接收數據的過程中發揮作用。它的結構組成較為簡單，是由主機、數據處理軟件、天線、電源等幾個部分組成。用戶通過接收機接收到GPS發出的信號，并通過一定的處理和計算后得出目標物的精確三維信息。用戶接收機有很多不同的類型，在具體的使用過程中需要根據用戶自身的需求進行選擇，例如在作戰飛機上就需要使用多通道的接收機，在汽車上要使用單道或雙道的接收機。

2 GPS系統的定位原理

GPS定位系統雖然屬于一種高新技術，但其定位原理實際上是十分簡單的。在定位時首先通過衛星獲取某一時刻的坐標，根據衛星和用戶接收機之間的距離就可以計算得出用戶接收機所處的位置。GPS具體的定位方式有很多種，可以根據用戶接收機的運行狀態對其進行分類，也可以根據參考點的類型對其進行分類。最常使用的兩種定位方式是靜態定位和動態定位。靜態定位就是指在定位的過程中，用戶接收機的位置是不變的，這時只需要根據衛星得到的坐標數據就可以計算出用戶的精確地理位置。這種定位方式具有精確度高的優勢，并且還可以進行多次重復的測量來確保位置的精確性。這種測量方式主要用于工程的測量中，并且主要用于普通領域的測量。動態定位的方式是指在定位的過程中，用戶的接收機是處于運動的狀態的，這種檢測方式的缺陷是檢測精度較低，但需要測量的次數較少，可以減少工作量。

3 GPS干擾產生的原理

產生GPS干擾現象的原因有很多，不同干擾信號產生的原因也有所不同。下面將對幾種常見的干擾信號進行介紹和分析。

3.1 GPS干擾信號的特征

首先，GPS干擾信號有一定的頻率特性。在一般領域中進行應用的GPS無線電信號是沒有經過加密處理的，因此在環境中存在很多會對信號產生干擾的因素；其次是能量特性。GPS系統的衛星都位于距離地面20000千米的高空上，衛星發射信號的功率又小，當信號傳輸到地面上的接收器上時已經非常微弱了，根據檢測數據得知，衛星發射到地面上信號的強度只相當于一個25瓦的燈泡在16000千米以外發出的光的強度。GPS傳輸的無線電信號如此微弱是因為在衛星上發射信號的設備是采用太陽能供電的方式運行的，能夠提供的電能是十分有限的。由于GPS在傳輸信號上的這一特性，干擾信號主要是通過能量干擾的形式實現的。第三是時域特性。衛星是處于24小時運行的狀態的，因此會向接收器持續發送信號，但在實際接收的過程中，很多用戶端的接收器都是安裝在一些高速運轉的設備上的，也就是說接收機的時間域是隨機的，這也會影響信號的穩定性。

3.2 GPS干擾信號對象

GPS系統中的不同組成部分受到的干擾類型是不同的，GPS系統的組成主要 可以分為空間部分、地面部分和用戶接收器部分。當系統處于正常的運行狀態時是由地面的控制系統進行監控的，地面控制中心將任務發送到相應的衛星，衛星受到指令后就會開始執行相關的任務。但這個過程中信號受到干擾時，就會導致整個信息傳輸的過程無法有效的完成，系統會陷入癱瘓的狀態。一些惡意破壞GPS定位系統功能的組織和人員會通過對衛星和星座的干擾來阻礙電子偵察的過程。干擾衛星和星座的方式主要包括兩種類型，一種是干擾衛星的傳感器，例如采用高頻發射機向衛星發射一些虛假的信息，從而阻礙衛星接收正確的信息；另一種方式是對衛星接收的信號進行干擾，破壞信號的完整性或真實性，例如通過無線控制來干擾用戶接收機的正常運行。這主要是利用了GPS信號較為微弱的這一缺陷，正如上文中所提到的那樣，由于衛星與用戶接收器之間的距離大，且發送信號的設備電量有限，因此發射的信號十分微弱，十分容易受到干擾。也正是由于這一原因，干擾用戶接收機這一方式是最容易實現的干擾模式。

3.3 GPS干擾信號的不同類型干擾

本文主要研究的是針對用戶接收機的干擾。用戶接收機受到的干擾主要分為兩種類型，分別是無意干擾和人為干擾。無意干擾是指一些無法避免的客觀環境因素、帶內射頻干擾等；人為干擾是指人

為有意的阻礙信號的正常傳輸，這通常是為了竊取一定的用戶信息。人為干擾的形式主要有三種，首先是壓制式干擾，即發射比原先信號更強的干擾信號來阻礙用戶接收機接收正常的信號；第二種是欺騙式的干擾，就是發射與衛星信號頻率相同的虛假信號，使得用戶接收機受到錯誤的信息；最后是分布式立體干擾，即通過多臺干擾機的使用對用戶接收機實現全方位的干擾，這種干擾模式的功效是最好的，也是最難防范的。

4 GPS干擾系統

GPS干擾系統主要分為兩種類別，分別是衛星上行鏈路上的干擾系統和衛星下行鏈路上的干擾系統。這兩種干擾系統從理論上來看都是具有可操作性的，但是由于衛星上行鏈路上的通信都是在美國領域內實現的，要對其進行干擾是很困難的，因此在實際操作過程中通常都是采用后者。衛星下行鏈路干擾系統的設計包括發射系統設計、接受系統設計、通信系統設計等。本文將著重介紹GPS軟件和硬件接收機系統的設計與實現。

在硬件方面，GPD接收機的硬件系統主要分為射頻前端、中頻數據采集兩個部分。硬件系統的具體設計方式見圖1其中，射頻前端是整個系統中最為重要的部分，其作用主要有兩個方面，首先是接收衛星發出的信號，并將處理之后的信號傳輸回衛星上；第二個功能是輸出中頻數據。在這個過程中，射頻前端的運行效率對系統整體的運行效果會產生極大的影響，后續步驟的完成、定位的精度、跟蹤環路性能等都會受到射頻前端的影響。射頻前端主要是由濾波器、天線、射頻處理芯片等幾個部分組成。天線設置成半球的形狀，這主要是為了更好的控制噪音對系統運行效果的影響。天線的材料通常選用有源天線。濾波器一般選擇聲表面濾波器，主要是由于這一濾波器的抗干擾能力較強。在中頻采樣前，需要對信號進行一定的處理，使其成為能夠被中頻接收的格式。在中頻的數據采集過程中，為了提高數據處理的便捷性，通常采用PC作為用戶接收機的軟件平臺。在實際的采集過程中，需要使用一定的硬件將中頻數據收集起來，并對數據進行一定的驗證，并將處理完成后的數據儲存在PC的硬件系統中。當需要使用這些數據時，再將其從硬件設備中讀取出來，并用軟件進行一定的處理。數據的采集一般通過數據采集控制器。數據采集控制器也分為很多類型，最常用的是FPGA。這種控制器對平臺的要求較低，并能夠對采集到的數據進行實時的處理和調整，但數據采集控制器不能對返回GPS的數據進行控制。

圖1 GPS系統硬件實現方案

GPS接收機系統的軟件實現基本都是在PC上完成的，軟件的作用就是對GPS信號進行一定的處理，如信號的獲取、監測、分析等，其中最為關鍵的環節是對信號的獲取和監測。在使用軟件處理GPS信號前，要先對信號進行初始化處理，這個過程中需要使用到各種與信號相關的參數，其中幾個關鍵的數據包括通道數量、信號頻率、采樣頻率等。此外，還要對信號進行預處理，也就是對原始數據進行簡單的加工。信號的獲取是GPS信號處理過程中的第一步也是決定信號處理效果的關鍵環節，在獲取信號的過程中，有幾個參數較為重要，如數據長度、搜索數量等。信號的跟蹤方式主要有兩個，分別是偽碼跟蹤和載波跟蹤，必要時兩種方式可以結合使用。

5 結語

本文對GPS系統的定位原理，干擾信號類型、特點，干擾系統的軟件與硬件的設計與實現等進行了介紹，希望能夠為GPS系統功能的完善提供一定的參考。在信息化時代的今天，GPS定位系統的應用范圍將進一步擴大，GPS干擾系統軟硬件的設計與實現研究具有深刻的現實意義。

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GPS Jamming System Software Design and Hardware Implementation is Analyzed

ZHUANG Tong
(Bohai university college of information science and technology Jinzhou city, liaoning province 121000)

With the continuous development of science and technology, GPS technology also has the corresponding improvement, Also to further expand the application scope of technology. The role of the GPS system principle is through the radio signal positioning, In the process, if positioning system by certain interference, on the accuracy of positioning can produce great deviation, So in recent years, research on GPS technology began to focus on the anti-jamming technology research. This paper, based on the principle of GPS jamming system, function, characteristics, hardware and software design of GPS jamming system has carried on the corresponding analysis

GPS jamming system; The software design; The hardware des

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.021