基于儀表的多樣式導航干擾信號的實現*

張 坤，姜秋喜，歐陽曉鳳，趙 元

（國防科技大學電子對抗學院，合肥 230037）

0 引言

GPS是目前部署最完善、定位精度最高、普及最廣的衛星導航系統，現代戰爭對衛星導航系統的依賴程度越來越高。本文主要以GPS為研究對象，對導航干擾信號的樣式展開分析和實現。海灣戰爭中，GPS首次披掛上陣，廣泛應用于部隊行軍、空降行動、指示攻擊、武器導航、傷兵救援等方方面面，被多國部隊譽為無價之寶［1］。在導航戰中，GPS也已經成為精確指揮控制、精確打擊和精確兵力投送的關鍵［2］。

在現代戰爭中導航對抗日趨激烈的背景下，現有關于導航干擾與抗干擾的文獻研究成果大多是通過軟件接收機在模擬環境下進行對抗分析。文獻［3］通過軟件仿真干擾信號的誤碼率來比較不同干擾樣式的干擾效果；文獻［4］也是通過軟件仿真不同壓制干擾誤碼率和碼跟蹤誤差隨干信比的變化來評估干擾效果；文獻［5］提出應用矢量信號發生器和ADS等儀器和軟件組成半實物仿真系統，用于雷達系統的測試和評估。實際上干擾激勵器也可產生GPS干擾信號，但此方法造價高、精度較低且使用不夠靈活。針對導航干擾信號產生及干擾效果評估多、仿真少，實測和激勵器產生干擾信號造價高、不靈活等問題。本文提出利用Agilent矢量信號發生器、衛星導航接收模塊和軟件組成注入式導航半實物仿真系統，研究的出發點就在于如何將干擾分析應用到真實作戰場景中。首先介紹了半實物仿真系統的組成和仿真流程，其次利用MATLAB對各式干擾信號進行仿真并實現與矢量信號發生器的交互，即仿真論證和儀器實測的結合對各式干擾信號的時頻域特征進行分析。本文提出的方法可以通過矢量信號發生器實現對各種可編碼、仿真干擾樣式的信號進行交互和下載，對現有L波段GNSS干擾的性能驗證和評估提供了一定的借鑒意義。

1 半實物仿真系統的組成和干擾信號仿真流程

1.1 SCPI指令的簡介

在本文搭建的半實物仿真系統中，計算機利用SCPI指令把程序語言通過網線接口與矢量信號發生器實現交互。SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）是一種建立在現有標準IEEE 488.1和IEEE488.2基礎上，并遵循了IEEE754標準中浮點運算規則、ISO646信息轉換7位編碼符號等多種標準的標準化儀器編程語言。SCPI適用于各種可程控儀器系統，它有非常靈活的準則，方便了用戶對軟件的開發，提高了開發效率，而且測試程序簡單易懂，大大提高了儀器的互換性。

1.2 系統的組成及工作原理

本系統由Agilent矢量信號發生器、CNS100-BG衛星導航接收模塊、MATLAB仿真軟件、信號模擬器和計算機控制系統等組成，系統框圖見圖1。系統主要通過信號模擬器產生GPS的模擬信號、MATLAB仿真軟件完成導航干擾信號的數學建模，再利用SCPI指令通過網線接口實現與矢量信號發生器的交互，CNS100-BG衛星導航接收模塊利用天線同時接收矢量信號發生器的干擾信號和模擬器或真實衛星發射的GPS信號，根據接收板對衛星個數、偽距、偽距率、載波相位［6］和信噪比等定位信息的采集來實現干擾效果的評估和性能驗證。

圖1 半實物仿真系統控制原理框圖

該系統是基于數據的仿真，不同于數學模型的仿真軟件，對于前者只需要將產生的干擾信號數據下載到矢量信號發生器，就可以實現物理即射頻信號的回放，可以方便靈活地實現對一些新型干擾信號的實現。后者則必須要將復雜的數學模型經過簡化和特性抽取，變成實際的物理信號，然后提供給射頻設備，進行半實物仿真，這將為導航干擾在研和預研項目的性能評估和功能驗證提供一種易行的辦法。

1.3 仿真環境及干擾信號仿真流程圖

在模擬干擾信號仿真中，首先設定仿真參數為：中心頻率為L1=1 575.42 MHz，幅度為-30 dBm。其中比較特殊的，梳狀譜形成的多音干擾頻率中心分別是 1547MHz、1555MHz、1563MHz、1571MHz、1 579 MHz、1 587 MHz 和 1 595 MHz，頻率間隔為8 MHz；窄脈沖干擾的脈沖寬度=0.5 ms，脈沖重復周期Tr=5 ms；噪聲調頻干擾的調頻指數mfe=4×107，方差δ=1。本文給定的這些參數的設置值可以調整，用來產生不同的仿真輸出信號。

干擾信號產生流程圖如圖2所示：

圖2 仿真流程圖

2 典型壓制干擾信號樣式及仿真論證和儀器實測對比分析

從技術角度出發，對GPS接收機的干擾可以分成兩類：一是壓制式干擾，二是欺騙式干擾［7］。壓制干擾是通過大功率的噪聲和類噪聲干擾信號阻止接收機接收衛星導航信息，欺騙干擾則是模擬或轉發由衛星發送至GPS接收機的真實信號，通過對信號作小的改變使接收機解算錯誤，可分為產生式欺騙干擾和轉發式欺騙干擾。產生式干擾需要完全破獲敵方偽碼結構和電文數據，難度較大；轉發式干擾一般需要配合壓制式干擾才不易被敵方識別。所以，目前衛星導航系統面臨的最大威脅仍是壓制式干擾。

壓制干擾從干擾信號的譜寬考慮，包括了窄帶瞄準干擾、半瞄準干擾、攔阻式干擾等干擾樣式；從干擾信號的產生方法考慮，有噪聲調制干擾、單音和多音干擾、隨機脈沖干擾、數字調制干擾、掃頻干擾、梳狀譜干擾等。下面就列舉幾種典型樣式進行仿真論證和儀器實測對比分析。

2.1 單頻干擾

單頻干擾是干擾信號只發射一個正弦波，單頻干擾也叫點頻干擾。單頻干擾時域表達式為：

式中，Uj是單頻干擾信號的幅度；φ是干擾信號的相位；ωj是干擾角頻率，通常它與GPS的載波角頻率相同。

圖3是利用MATLAB對單頻干擾時域和頻域的仿真及在矢量信號發生器和頻譜儀上的顯示圖。

圖3 單頻干擾仿真及儀表顯示圖

2.2 梳狀譜干擾

梳狀譜干擾是一種離散的攔阻式干擾。在噪聲調頻干擾中，寬帶噪聲調頻干擾的功率譜是在某個頻帶內連續分布的。如果在某個頻帶內有多個離散的窄帶干擾，形成多個窄帶譜峰，則它們被稱為梳狀譜干擾。

梳狀譜干擾信號的表達式為：

式中，Jn（t）是第n個窄帶調幅干擾信號；An（t）是窄帶干擾信號的包絡；φn（t）是干擾信號的相位；wn是干擾角頻率；

圖4是利用MATLAB對梳狀譜干擾時域和頻域的仿真及在矢量信號發生器和頻譜儀上的顯示圖。

圖4 梳狀譜干擾仿真及儀表顯示圖

2.3 窄脈沖干擾

圖5是利用MATLAB對窄脈沖干擾時域和頻域的仿真及在矢量信號發生器和頻譜儀上的顯示圖。

圖5 窄脈沖干擾仿真及儀表顯示圖

2.4 噪聲調頻干擾

噪聲調頻干擾信號可以用如下式所示的廣義平穩過程建模。

其中，調制噪聲為零均值、廣義平穩的隨機過程，隨機變量服從均勻分布，且與相互獨立，

圖6 噪聲調頻干擾仿真及儀表顯示圖

通過仿真論證和儀器實測對各式干擾信號的時頻域特征進行分析，可以得到以下結論：單頻干擾具有易于生成、功率集中的特點，但因其較窄的頻域帶寬易被頻域濾波等抗干擾算法過濾掉［8］；梳狀譜干擾是多個窄帶信號的疊加，形成的是干擾頻率集，其信號樣式靈活，可根據被干擾目標調整干擾的調制方式、幅度、中心頻點和頻率間隔等參數，干擾效率較高；窄脈沖干擾是由周期矩形波生成的，是一種新型干擾樣式，通過合理地選擇脈沖干擾參數，可以實現多音和單音干擾效果；而噪聲調頻方式形成的是寬帶信號，在頻率上是類噪聲隨機變化的，可防止其被頻域濾波算法濾除，而且能夠同時覆蓋C/A碼、P碼和M碼，相比于其他干擾樣式其干擾效果最佳［9-10］。

綜上所述，通過仿真軟件和儀器儀表組成有效的半實物干擾信號仿真平臺，可實現對各種干擾信號的時頻域特性的對比研究，可為干擾效果評估和干擾信號監測提供一種簡潔和高效的測試方法。

3 結論

由于GPS應用領域不斷擴展，已廣泛應用于民用和軍用的導航定位領域，如何采取最佳的干擾樣式和干擾部署，對敵方武器系統實施干擾，從總體上降低其情報偵察、精確打擊、指揮控制等系統的作戰效能，已成為近年來導航對抗研究的熱點［11］。本文主要實現了軟件對幾種典型干擾信號的仿真及其與矢量信號發生器的交互，下一步將利用此半實物仿真系統的導航接收板，同時接收不同的干擾信號和GPS信號，借助superview軟件對其接收到的導航信息進行分析，對干擾效果進行實測評估，從而將評估結果應用到實際的作戰場景中，這對于研究最有效的導航對抗戰法和干擾部署具有重要意義。