基于載波相位差測量的欺騙干擾檢測器設計

范廣偉，劉孟江，晁 磊，解 劍

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)已廣泛應用于人們的日常生活。但是，由于衛星信號功率較低，易受到各種干擾的影響，特別是欺騙干擾信號，與真實信號的特征參數非常相似，隱蔽性好，不易被發現，對衛星導航系統的危害更大[1-2]。

近年來，隨著欺騙干擾信號對衛星導航系統的影響日益嚴重，國內外學者對欺騙干擾的檢測和抑制方法展開了大量的研究，如Schipper B W提出了一種基于載波相位測量的欺騙干擾檢測方法[3]；Bao L N等提出了一種基于對角抵消的欺騙干擾抑制算法[4]；Daneshmand S提出了一種基于多天線的欺騙干擾檢測方法[5]；國防科技大學的黃龍對捕獲跟蹤階段的欺騙干擾檢測方法進行了全面的總結[6]，并提出了一種雙天線的欺騙干擾檢測方法[7]；中國電子科技集團公司第五十四研究所的李雅寧對衛星導航終端的反欺騙技術進行了詳細的總結[8]；海軍工程大學的邊少鋒對國內外的衛星導航反欺騙技術未來發展進行了展望[9]；中國民航大學的包莉娜提出了一種兩級結構的陣列反欺騙方法[10]，對捕獲階段、跟蹤階段及多天線處理提出了多種欺騙干擾的檢測與抑制方法[11-15]。

本文結合接收機能夠計算接收信號載波相位的特點，通過將雙天線觀測載波相位差變化率的方法擴展到多天線的形式，實現接收信號波達方向的估計，通過與星歷解算出的結果進行對比實現欺騙干擾的檢測。給出了算法原理及實現過程，通過仿真驗證了算法的有效性。

1 欺騙干擾檢測模型

衛星導航欺騙干擾檢測模型主要包括：五陣元接收天線、五選二射頻開關矩陣、雙通道射頻下變頻器、基帶信號處理接收機等幾部分，如圖1所示。

圖1 系統組成

導航信號和欺騙干擾信號經過五陣元天線的接收，經過五選二射頻開關矩陣的選擇，選擇2路信號進行下變頻處理變為基帶信號，經過雙通道捕獲跟蹤后計算2個通道同一時刻接收信號的載波相位差，通過射頻通道切換可以得到多個不同基線的相位差，采用相關干涉儀濾波器可以得到接收信號的波達方向，通過與星歷解算的數據進行對比可以識別欺騙干擾[16]，并可為欺騙干擾的消除和有效打擊提供技術支持。

2 載波相位的計算

衛星信號受衛星與地球相對運動、空間傳播和大氣折射等因素影響，到達地表的衛星信號都有一定的多普勒頻移和時延，則接收端的衛星信號可表示為：

(1)

式中，fD，i為到達接收機的多普勒頻移；L為接收到的衛星信號個數；τi為傳播過程中電離層和對流層等對電磁波的折射造成的傳輸延時；si(t)表示來自第i顆衛星的信號，si(t)=di(t)*Ci(t)，包括數據碼di(t)和擴頻偽碼Ci(t)。

欺騙干擾信號與真實導航信號具有相同的擴頻碼和載波頻率，只是時延或者數據碼不同從而影響接收機的正常定位，則接收機中的欺騙干擾可表示為：

(2)

當存在欺騙干擾信號時，接收到的信號可表式為：

(3)

式中，n(t)為系統噪聲。

接收信號進行相干積分后I路與Q路的信號可分別表達成：

YI(n)=ad(n)R(τ)sinc(feTcoh)cosφe+nI，

(4)

YQ(n)=ad(n)R(τ)sinc(feTcoh)sinφe+nQ，

(5)

式中，a為信號的幅值；τ為接收的衛星信號偽碼與本地碼之間的相位差；fe為接收載波頻率與搜索頻率之間的頻率差；φe為兩載波之間的相位差；nI，nQ為I支路和Q支路互不相關的零均值高斯噪聲。

同向信號YI(n)和正交信號YQ(n)合在一起，可寫為復數形式：

rp(n)=YI(n)+jYQ(n)=aD(n)cos(ωn+θe)=

AP(n)ejφ(n)，

(6)

式中，復數向量rp(n)的幅值AP(n)包含著數據碼信息，而其相位角φ(n)反映輸入信號與復制信號之間包含頻率差異的相位差異。

可以通過鑒像器得到導航信號與參考信號的相位差，相位差的計算公式為：

(7)

當實際相位差在-90°～+90°時，該鑒相器保持線性工作，并且輸出的鑒相結果與幅值無關。

通過采用相同本地碼的多個接收機可測量同一信號到達不同接收天線的載波相位，通過計算道道不同天線的相互載波相位差，可得到接收信號的波達方向。

3 雙通道多天線相位差的計算

借鑒無線電測向中的相關干涉儀原理[17]，在雙通道接收機提取出接收信號的載波相位后，采用五陣元圓陣雙通道輪詢切換的形式獲得不同基線下的相位差。

多陣元圓陣的陣列流型可表示為：

(8)

由相位差可得到信號的來波方向，假設接收天線1，2接收同一個信號得到的相位差為φ，

(9)

式中，λ為信號波長；l為兩天線間距。

單基線就能夠實現信號方向的估計，但是受制于測向精度和無模糊度范圍較小的限制，通常采用多個基線聯合工作的形式實現欺騙干擾的測向。

4 多基線雙通道欺騙干擾檢測器設計

多基線雙通道接收機采用相同的本地碼與2個接收機接收到的信號進行相關處理，就可以計算出2個接收通道接收信號與本地碼之間的相位差，通過2個接收通道與本地碼之間的相位差可以推導出2個接收通道對同一個信號接收的相位差，從而把相關干涉儀的測向方法應用到欺騙干擾測向中，通過一個天線通道選通單元控制雙通道接收機連接不同的接收天線，實現對接收導航信號或欺騙干擾波達方向的估計，與解算出的星歷進行對比實現欺騙干擾的檢測與識別。欺騙干擾檢測原理如圖2所示。

圖2 欺騙干擾檢測原理

假設2個通道同一時刻接收到的相位分別為θi和θj，2個通道的相位差為φij=θi-θj，選定天線的N中組合方式，確定N個相位差組合，重新定義相位差為φn，其中n=1，2，…，N，將相位差樣本寫成矢量形式，則φ={φ1，φ2，…，φN}。將之前測得各個方向的相位差值存為數據表，定義為φ0，可定義相關函數為：

(10)

式中，m=1，2，…，M為搜索角度范圍；φ0m為第m個搜索方向上對應的相位差數組。

通過雙通道接收機計算不同接收通道的接收同一顆星的實時相位，進而得到相互之間相位差，根據相關干涉儀的原理計算接收信號的波達方向。因為接收機跟蹤定位的過程很快，在不到1 s的時間內就可以提供雙通道接收機的相位差，因此雙通道對應多天線的切換過程可以很快，可假定接收機在切換通道測向過程中衛星或欺騙干擾源相對接收機靜止。采用一個圓型多陣元天線實現接收信號方位俯仰的估計，與接收機定位解算出的衛星位置信息進行對比，實現欺騙式干擾的檢測與識別。

2017年，全市傳統商業網點超百萬個，重點商業設施總面積超億方，限額以上商貿流通企業約6000家。全市當前以城市核心商圈的提質擴容為抓手，打造消費集聚平臺，已建成30個城市核心商圈，其中零售額過百億元的核心商圈8個，納入統計的20個核心商圈零售額已超過全市社會零售總額的50%。以核心商圈為主體，夜市街區為補充，多種消費形態并舉，各具特色、錯位發展的商貿流通格局正在重慶加速成型。

因此可以對接收機捕獲跟蹤的流程進行簡化處理，假定接收信號的頻率和偽碼起始相位已知，在這種情況下，多陣元接收中實現欺騙式干擾檢測與識別的算法流程可描述為：

① 確定測向的基線選擇順序；

② 接收機利用同源本地碼對接收到的導航信號或欺騙干擾信號進行捕獲跟蹤，并采用式(7)計算各個衛星跟蹤通道的載波相位；

③ 計算第一個基線2個通道屬于同一信號的載波相位差；

④ 輪詢不同的基線得到同一顆星的多組不同基線接收的載波相位差；

⑤ 根據式(10)計算載波相位差與不同方向原始數據的相關值；

⑥ 搜索相關值的最大值，根據最大值對應的下標確定信號的波達方向；

⑦ 將每個入射信號的俯仰角和方位角同接收機星歷解算出來的衛星位置進行對比，若對比結果與星歷解算出的衛星位置一致，則該入射信號為導航信號；否則，認為該信號是欺騙干擾信號。

5 性能仿真

為了驗證本文提出的檢測算法的性能，以北斗不同頻點的信號為例進行仿真驗證，環境噪聲為加性高斯白噪聲，輸入信噪比為-25 dB，通過天線選通控制單元使雙通道接收機連接不同的天線通道。圓陣的半徑為0.25 m，陣元個數為5，選取基線組為1、2，1、3，2、5，3、5，2、3，4，1，2、4。

以北斗B3頻點為例進行衛星導航信號和欺騙干擾信號的檢測與識別的仿真。假設多天線雙接收機的捕獲通道1，2，3有衛星信號進入，信噪比統一設為-45 dB，入射方位角分別為50°，120°，210°。驗證算法對衛星信號的測向性能。對各個信號的測向精度如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 通道1測向結果

圖4 通道2測向結果

圖5 通道3測向結果

圖3、圖4和圖5是3顆衛星對應的測向結果。通過接收機捕獲跟蹤較高的相關增益，可以實現接收信號載波相位的估計，根據2個天線的實時載波相位，可以計算出它們之間的載波相位差，通過切換天線單元可以得到多個相位差，從而實現衛星信號這種低功率信號的測向。

當1，2通道的衛星信號受到的一個80°方向的干擾的功率相對于噪聲功率比為-30 dB的轉發式欺騙干擾信號影響時，若接收機捕獲跟蹤的為功率較強的信號，則1，2號通道的衛星則被欺騙，1，2通道的信號測向結果如圖6和圖7所示。

圖6 通道1測向結果

圖7 通道2測向結果

從圖6和圖7中可以看出，在受到一個較強的欺騙干擾信號影響時，2個通道都無法正常捕獲到衛星信號，而捕獲到80°方向發射的欺騙干擾信號，與星歷解算出的1，2通道衛星位置30°，60°可以很容易識別出欺騙干擾信號。

設θ為每次測得方位角，設φ為每次測得俯仰角，為信源方位角理論值，用測量值和理論值的均方根誤差來衡量測向精度的高低，N次獨立重復實驗的均方誤差的表達式為：

(11)

在信噪比為-23 dB、方位角為0°～360°條件下，每隔1°做一次測量，100次重復試驗，測向精度隨方位角的變化關系如圖8所示。

圖8 不同方位角的測向精度

從圖8中可以看出，在信噪比為-23 dB的條件下，在各個方向的測角精度都維持在0.2°左右，說明算法對各個方向的來波信號均具有較好的測向精度，通過星歷解算對比后能夠的根據各個信號的來波方向是否與星歷解算方向一致識別是正常衛星信號還是欺騙干擾信號。

仿真算法在不同信噪比下的測向性能，選擇入射信號方位角為60°，信噪比從-45 dBm變化到-5 dBm，試驗重復次數為100次，測向精度隨信噪比變化的關系如圖9所示。

圖9 不同信噪比下的測向精度

從圖9中可以看出，算法在較低信噪比下仍具有較好的測角性能，通常欺騙干擾信號比導航信號功率要強5～10 dB，即欺騙干擾信號信噪比在-40 dB以上，在-40以上，算法的測向精度小于0.7°，能夠將欺騙干擾精確識別出來，因此該方法對欺騙干擾具有較好的檢測和識別性能。

6 結束語

本文針對傳統的欺騙干擾檢測與識別方法應用場景受限的特點，提出了一種基于多基線雙通道的衛星導航欺騙干擾檢測器設計方法，通過對欺騙干擾不同來波方向和不同信噪比下的欺騙干擾測向性能仿真可以得到：在欺騙干擾功率大于導航信號的條件下，對于來自不同方向的欺騙干擾該方法的測向精度均優于0.2°；在欺騙干擾信號的功率大于-25 dB的條件下，對欺騙干擾的測向精度均優于0.2°，說明該方法對欺騙干擾具有較好的測向精度，能夠較好地區分出導航信號和欺騙信號。