多模GNSS偽碼相關干擾機設計

張月霞 楊瑞琪 張玉宣

(北京信息科技大學 北京 100101)

0 引言

在信息化戰爭中，衛星導航系統貫穿戰場上的每一個環節，無論是單兵作戰，還是集團的綜合推進，都需要衛星導航系統來進行指導規劃，所以遏制敵方衛星導航系統的正常工作，對戰爭的勝利起著很重要的作用[1]。目前，四大全球衛星導航系統(GNSS)有美國的GPS系統[2]、俄羅斯的GLONASS系統[3]、歐盟的GALILEO系統[4]和中國的北斗衛星導航系統(BDS)[5]，他們形成了并存與發展的局面，并且多模融合成為未來的重要發展方向。GNSS系統主要依靠衛星發送的射頻信號，當射頻信號發送到地面時，信號功率極小，非常容易受到其他信號的干擾，使衛星導航接收機的導航定位精度下降，甚至不能正常工作。所以研究多模衛星導航干擾機對現在戰爭具有非常重要的意義。

目前，世界上很多國家都進行GNSS衛星導航系統的干擾研究。英國使用干擾功率為1W的干擾機可以使GPS接收機在3km范圍內不能工作。俄羅斯2000年成功研制了一種壓制式干擾機，干擾功率8W，能對GPS的兩個頻段(1227MHz和1575MHz)實施干擾，干擾距離可達數百公里。美國正在開發一個名為“狼群”的項目，這是一種智能型干擾機，輸出功率只有幾瓦，可以使3英里范圍內的接收機無法正常工作[6]。伊拉克戰爭中，伊拉克至少使用了6臺大功率的干擾機，大大降低了聯軍GPS制導武器的命中率。由此可見，掌握GNSS干擾技術對戰爭起著關鍵的作用，但是目前的干擾技術都集中在單模的研究中，多模GNSS衛星導航干擾機的研究是亟待解決的重要課題。

本文設計了一種多模GNSS偽碼相關干擾機(以下簡稱M-GNSS干擾機)，其利用與多模GNSS衛星導航信號中C/A碼相似的偽碼作為干擾信號，使GNSS接收機不能正確解調衛星信號，以使其失效。文中通過分析多模GNSS衛星導航系統的信號特點，設計偽碼相關干擾信號，理論分析表明其所需功率較小。本文利用DDS芯片和單片機實現了M-GNSS干擾機，性能穩定，實現簡單，成本低廉。通過試驗驗證，該M-GNSS干擾機操作簡單、人機界面友好、干擾頻率準確穩定、所需功率較小，干擾效果良好。

1 M-GNSS信號干擾分析

1.1 壓制式干擾原理

衛星導航系統的干擾方式有兩種，分別是欺騙式干擾和壓制式干擾。

欺騙式干擾分為產生式和轉發式欺騙干擾，產生式干擾需要了解多模GNSS信號的詳細信息，如衛星信號碼型和衛星電文數據，由于GNSS軍碼信息處于保密狀態，所以針對GNSS軍用接收機實現產生式干擾比較困難；轉發式干擾需要先使接收機處于失鎖狀態，然后在GNSS衛星信號中增加延遲信息轉發給接收機，以使GNSS接收機失效，轉發式干擾操作復雜，且不易實現。

壓制式干擾是通過干擾機發射同頻率大功率的噪聲信號以阻塞衛星導航信號頻帶，使GNSS接收機降低或完全失去正常工作能力。壓制式干擾從干擾信號帶寬可分為寬帶干擾和窄帶干擾；從干擾信號樣式又可分為瞄準式干擾(連續波干擾)、噪聲帶限干擾、相關干擾等多種方式，在干擾作用時間上有連續干擾和脈沖干擾，干擾方式不同干擾效果也不盡相同。壓制式干擾的優點是技術難度較小，操作簡單，干擾效果良好[7]。因此，本文設計的M-GNSS干擾機采用壓制式干擾方式來對GNSS衛星信號進行干擾。

1.2 多模GNSS衛星導航系統原理

多模GNSS衛星導航系統的信號原理如圖1所示。四大衛星導航系統分別具有多個頻點，每一個頻點表示一種模式，用i來表示多模GNSS衛星導航系統中的不同模式，最多有N種模式。在圖1中，ai(t)(i=1…N)表示不同模式的衛星導航系統的電文數據碼，pi(t)(i=1…N)表示其對應的擴頻碼；cos(wcit+φi)(i=1…N)表示其對應的載波信號，si(t)(i=1…N)表示每種模式的發送信號，s(t)表示多模GNSS衛星導航系統總的發送信號，其可以表示為[8]：

(1)

圖1 GNSS信號原理圖

從圖1中可以看出，多模GNSS衛星導航接收機接收到的信號y(t)可用下式表達：

y(t)=s(t)h(t)+n(t)

(2)

式中，n(t)為空間噪聲，h(t)=kδ(t-t0)為理想恒參信道，k為恒參信道的衰減，t0為恒參信道的時延。接收機接收到的信號與擴頻碼相匹配，進行解調后可以得出：

(3)

其中，擴頻碼自相關函數為：

(4)

(5)

當GNSS接收機接收到的信號功率小于接收機靈敏度時，不能正確識別衛星導航信號。GNSS接收機靈敏度是由熱噪聲電平、接收系統噪聲損耗和獲取有效信息所需的載噪比組成[9]，如下式：

PR=N0+Lf+CS/N0

(6)

式中：PR為接收機靈敏度，約為-160dBW；N0=10lgkT，k=1.38×10-23J/K，T一般取290K；Lf一般取為6dB。

以GPS系統為例，通過式(6)可以得出，在GPS接收機不受干擾的情況下，獲取有效信息所需的載噪比約為37.9dB。因此，當壓制式噪聲干擾信號使載噪比小于此值則會使GPS接收機失鎖而不能正常工作。

1.3 M-GNSS偽碼相關干擾機原理

在衛星導航信號發送過程中對多模GNSS接收機施加偽碼相關干擾信號，如圖 2所示。

圖2 偽碼相關干擾信號

偽碼相關干擾信號是一種與GNSS衛星信號相似的信號，偽碼相關干擾信號可以通過兩個10級數的線性反饋移位寄存器所產生的m序列經過異或相加得到。偽碼干擾信號可表達為：

G(t)=J1(t)J2[t+K(10q)]

(7)

式中：J1與J2是線性反饋移位寄存器產生的m序列；K是兩個m序列之間的相位偏差系數，q是碼元寬度。

如圖2所示，干擾信號可以表示為：

(8)

式中，gi(t)表示干擾第i種模式的干擾數據，Gi(t)表示干擾第i種模式的偽碼信號，sgi(t)是干擾第i種模式的干擾信號。

多模GNSS接收機接收到的信號yg(t)可用下式表示：

yg(t)=s(t)h(t)+sg(t)h(t)+n(t)

(9)

(10)

由此可見，施加偽碼相關干擾信號后，產生的偽碼相關干擾噪聲為：

(11)

由于G(t)與p(t)不同步，所以τ≠0，RGp(τ)≠0，對某些τ值RGp(τ)很大已經接近衛星信號的擴頻碼的自相關函數值[10]。由于壓制式噪聲與GPS擴頻碼互相關函數值很小，只能通過增加信號功率來對GPS接收機施加干擾，所以偽碼相關干擾對比壓制式噪聲干擾，所需功率更小，干擾效果更加良好。

2 設計與實現

M-GNSS干擾機硬件主要由主控芯片、信號產生電路、載波調制、上變頻電路、可變增益放大器、發射天線等組成。系統組成如圖3所示。

圖3 系統組成框圖

主控芯片控制信號產生電路產生基帶信號，經過載波調制后傳輸至上變頻器，上變頻器將信號上變頻為指定頻點的射頻信號，并經過可變增益放大器對射頻信號功率進行調節，最后輸出至發射天線[11]。

M-GNSS干擾機硬件電路圖如圖 4所示：

圖4 M-GNSS干擾機電路圖

2.1 主控芯片

主控芯片選用STM32F103RET單片機，該單片機可以通過數模轉換器使數字信號轉變成模擬信號來控制可變增益放大器產生不同功率的干擾信號。

單片機還集成了串口通信模塊，可以通過串口來控制信號產生電路和混頻電路。

單片機接收來自上位機的指令信號，解析后發送給信號產生電路和混頻電路，控制信號產生電路里的DDS產生不同頻率和波形的基帶信號；控制混頻電路產生所需要的載波信號。

2.2 信號產生電路

信號產生頻率可以產生不同頻率(即不同模式)和多種調制方式的干擾信號。運用直接數字頻率合成技術(DDS)可以更加準確地產生高頻率的信號，DDS是由二進制數字來實現頻率的合成，產生狀態穩定，不會隨著時間的變化而變化。本文的DDS芯片選用ADI半導體公司的AD9854[12]，該芯片可以輸出高達300MHz的信號，并能夠輸出BPSK、ASK、FSK等多種調制信號。

如圖5所示，上位機將配置參數傳遞給主控芯片；配置參數包括信號頻率、帶寬、功率、調制方式等。主控芯片控制基帶信號發生器，產生基帶干擾信號；干擾信號經過插值濾波器、上變頻和功率控制后，變為中頻信號進入數模轉換器；數模轉換器輸出的信號進入調制單元，經調制之后，變為微弱的射頻信號，供后續模塊使用。

圖5 信號發生電路組成框圖

2.3 混頻電路

混頻電路是將DDS產生的信號調制到本地載波上，使信號的頻率上變頻至GNSS衛星信號的頻率并保持一致。本文中本地載波產生電路選擇鎖相環電路，GNSS衛星信號的頻率在1.5GHz左右，要產生同樣的載波信號，需要將晶振的頻率放大幾百倍，這樣很容易產生頻率偏移，使用鎖相環芯片可以解決這種頻率偏移，得到頻率穩定的射頻信號[13]。

鎖相環電路選用SI4133芯片，該芯片具有兩路射頻輸出和一路中頻輸出。SI4133具有較高的精度。混頻芯片選用ADL5375芯片，該芯片可提供較寬帶寬的輸出信號。

3 試驗結果

該設備主要用于軍事用途，在某軍事基地進行實地測試時，選取了某種型號的制導武器進行了靜態試驗。在進行試驗時，把M-GNSS干擾機距離被測試物的多模接收機設置為50m，接收機可以通過與監測設備連接實時監測星況信息。試驗方案示意圖如圖6所示。

以GPS系統為例，進行測試。正常情況下，GPS接收機上位機軟件界面如圖7所示，其中圓形點代表GPS衛星，方形點代表BD衛星，三角點代表GLONASS衛星，右下角的柱形圖代表接收到GPS衛星信號的信噪比。當施加干擾后，試驗結果如圖8所示，可以看出所有圓形點消失，且右下角GPS信噪比全部為零，可以說明壓制式偽碼相關干擾GPS衛星信號，使接收機失效，接收機已無法正常接收GPS信號，干擾效果良好。

圖6 試驗方案示意圖

圖7 正常星況圖

圖8 干擾后星況圖

4 結束語

文中設計的M-GNSS干擾機中干擾信號是偽碼相關干擾信號，該信號與多模衛星導航信號中的C/A碼相似。通過理論分析并結合多模衛星導航信號的特點，得出偽碼相關干擾所需功率小。本文利用直接數字頻率合成技術和鎖相環頻率合成技術實現了M-GNSS干擾機，通過實驗驗證，結果表明偽碼相關干擾機操作簡單、頻率準確穩定，可以對多模衛星接收機實施有效干擾。

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