電子對抗手段干擾無人機GPS/INS導航系統效能分析?

（海軍航空大學 煙臺 264000）

1 引言

無人機具有隱蔽性強，探測困難和造價低廉，效費比高的優勢，向當前的防空作戰力量提出了巨大挑戰。無人機集群作戰是數量較多的無人機組成集群集體行動，具有智能化、網絡化、分散化的特點。針對無人機集群，傳統的防空武器抗擊效果并不理想。一方面是因為無人機集群具有“低小慢”目標特性，探測困難，而且對傳統防空導彈武器系統制導跟蹤也提出了很大挑戰，傳統防空系統當前處于“看不到”、“辨不清”、“打不了”的困難局面。而針對無人機集群這樣一個集成信息化作戰平臺，嚴重依賴于導航系統、通信系統、網絡系統，軟殺傷具有明顯優勢。現有無人機多采用GPS/INS復合導航系統，通過壓制干擾GPS導航系統，可以增大導航誤差，降低無人機作戰效能，成功起到抗擊效果。本文針對電子干擾壓制GPS導航系統對無人機導航系統的影響進行定量分析，為提高電子干擾無人機效能提出一些建議。

2 GPS系統組成及原理

GPS導航系統采用碼分多址的通信體制實現導航信號的廣播。GPS衛星星座由24顆導航衛星構成，在地球任何位置任何時間至少有4顆衛星同時位于地平線以上，最多則可以達到11顆。GPS導航系統主要通過兩種方法得到距離觀測量:一是測量偽距，即測量導航信號從GPS導航衛星發射到接收機的時間；二是測量載波相位，即測量GPS衛星導航信號傳播過程中產生的相位差。GPS衛星導航系統就是通過對不同衛星進行偽距或相位測量，利用距離交會原理，聯立方程組，解算出接收機的空間位置［1～3］。

3 GPS天線方向圖

GPS接收機天線方向圖是向上的，具有抑制低空雜波信號和干擾信號的能力。GPS接收天線的方向圖如圖1所示。

圖1 典型的GPS接收天線方向圖

4 GPS干擾方程

對GPS導航系統實施壓制式干擾就是通過發射干擾信號使得進入接收機的干擾信號強度高于GPS信號解擴的強度，使接收機無法截獲跟蹤GPS信號。

式中So為GPS接收機接收到的導航信號強度，Jo為GPS接收機接收到的干擾信號強度，Gk為GPS系統的擴頻處理增益，Kj為接收機的干擾容限。Ls為GPS信號在整個傳播過程中的系統損耗。

假設GPS干擾為全向天線，則GPS干擾方程為

式中Pj為干擾機發射的干擾信號功率Gj為干擾機發射干擾信號的天線增益，Grj為GPS接收機天線在干擾信號到來方向上的增益，Rt為GPS衛星與GPS接收機之間的距離，Pt為GPS衛星發射導航信號的功率，Gt為GPS衛星天線在接收機方向上的增益，Grs為GPS接收機在GPS衛星方向上的增益，Rj為GPS接收機與干擾機之間的距離［4］。

4.1 GPS/INS導航誤差分析

GPS系統定位精讀高，而且不會隨著時間造成導航誤差的積累，但是從衛星發射的導航信號傳播到達接收機非常微弱，雖然采用了擴頻技術，但是抗干擾性還是很弱。INS系統短時間內精讀較高，而且抗干擾性較強，但是存在積累誤差。即INS陀螺存在漂移誤差，而且系統導航誤差會隨飛行時間的增加而不斷增大。因此，人們通常將兩種導航方式結合起來進而提高導航系統的精度和抗干擾能力。GPS/INS導航是無人機常用的一種導航方式［4～5］。

對采用GPS/INS組合導航系統導航的無人機而言，通過對其GPS導航系統實施壓制式干擾，那么GPS導航系統將無法提供正常導航，無人機只能通過INS獨立進行導航。整個導航系統只有INS發揮作用，其漂移誤差無法得到修正，會隨著時間不斷積累［7～9］。由于INS系統的漂移誤差是隨機的，隨著時間積累，無人機的實際飛行航線會相對于計劃航線產生偏移，最終實際到達點相對于計劃到達點會有一個圓概率偏差，即實際攻擊位置不一定是計劃攻擊位置，不一定能夠命中目標［10～12］。無人機的速度為v，GPS導航系統受干擾的飛行航線長度為Rd，INS系統的角誤差漂移速度為σ°/s，則無人機實際飛行航線的角度的偏差為

無人機的圓概率誤差CEP為

4.2 干擾條件下的實際航路

假設自無人機進入干擾范圍開始實施干擾，實施干擾的起始時刻為tS，終止時刻為tT。突防階段無人機保持勻速v飛行，若無人機飛至預定攻擊目標位置Ri過程中，累計受干擾時長為ti，則最終到達攻擊目標位置Ri的圓概率誤差可表示為

假設αi服從 [0,2π]上的均勻分布，r在[0,σCEPi]，[σCEPi，2σCEPi]，[2σCEPi，3σCEPi]區間內均服從均勻分布，則αi可表示為

ri可表示為

式中rand是在［0，1］上均勻分布的隨機數，即rand的概率密度函數可以表示為

向量B滿足表1所示分布律。

表1 向量B的分布律

現在以無人機集群預定的攻擊目標位置作為坐標原點，建立直角坐標系，那么xi=0,yi=0，實際攻擊位置坐標為

5 算例及分析

某型要地防空武器系統具備電子干擾功能，可壓制來襲目標GPS導航系統，要地重要防護目標范圍直徑1km；來襲無人機集群為二類無人機，無人機飛行速度為300km/h，采用GPS/INS復合制導，INS系統角誤差偏移速度為1°/h。

通過Matlab進行仿真計算，用蒙特卡洛法模擬無人機攻擊情況，模擬次數為2000次。

將無人機實際到達位置為以原點為中心的直徑為1km的圓內則算作攻擊成功，那么通過統計，無人機最終攻擊成功概率P=0.4005；則電子干擾抗擊無人機成功概率Pr=1-P=0.5995。

無人機實際到達位置散布如圖2所示。

圖2 壓制距離為90km時無人機實際到達位置散布

當壓制距離降低到60km時，無人機最終攻擊成功概率P=0.4150。則電子干擾抗擊無人機成功概率Pr=1-P=0.5850。

無人機實際到達位置散布如圖3所示。

圖3 壓制距離為60km時無人機實際到達位置散布

當壓制距離降低到30km時，無人機最終攻擊成功概率P=0.4165。則電子干擾抗擊無人機成功概率Pr=1-P=0.5835。

無人機實際到達位置散布如圖4。

圖4 壓制距離為30km時無人機實際到達位置散布

最終在對GPS干擾距離分別為90km，60km，30km時，經過蒙特卡洛仿真結果進行統計，干擾成功的概率見表2。

表2 GPS干擾設備不同壓制距離下的干擾成功概率

通過仿真結果可知，當GPS壓制干擾作用距離增大時，會增大GPS/INS導航系統導航誤差，使得到達預定位置的偏差增大，壓制作用距離越大，干擾成功概率越大。

6 結語

根據仿真情況，為提高電子干擾武器干擾無人機集群GPS/INS導航系統效能，應該合理配置，充分提高干擾作用距離。一方面可以通過合理配置，充分發揮電子干擾武器效能，盡可能擴大壓制干擾作用范圍；另一方面盡量通過前期偵察觀測，確定來襲無人機集群方向，實施定向干擾，提高干擾作用距離。