面向抗干擾接收機(jī)的多干擾優(yōu)化部署方法

倪少杰，韋世鵬，肖 偉，葉小舟，劉文祥

面向抗干擾接收機(jī)的多干擾優(yōu)化部署方法

倪少杰，韋世鵬，肖 偉，葉小舟，劉文祥

（國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，長沙 410073）

針對抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)可抗多個不同來向干擾且抗單干擾能力強(qiáng)，單干擾源對抗干擾接收機(jī)的作用距離短，導(dǎo)致干擾效能低下的問題，提出一種面向抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的多源干擾優(yōu)化部署方法：根據(jù)接收機(jī)的抗多源干擾的不同抗干擾容限，使多個干擾源在不同方向協(xié)同部署，形成多源協(xié)同干擾區(qū)域，從而更好發(fā)揮干擾源的干擾效能。仿真結(jié)果表明，所提優(yōu)化部署方法最小干擾距離大于傳統(tǒng)方法，有效干擾面積在文中不同參數(shù)下分別為均傳統(tǒng)方法的9.08、112.64、1214.42倍，且相同參數(shù)下二者的干擾面積差隨干擾功率線性增加，較傳統(tǒng)的干擾源部署方法性能更優(yōu)。

抗干擾接收機(jī)；空域干擾源；多源干擾；優(yōu)化部署

0 引言

精確制導(dǎo)設(shè)備在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而制導(dǎo)設(shè)備嚴(yán)重依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航信號，若對其進(jìn)行有效的導(dǎo)航壓制干擾，就能使其無法正常接收導(dǎo)航信號從而產(chǎn)生定位誤差，降低制導(dǎo)精度[1]；因此有必要增強(qiáng)對制導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行抗干擾測試的干擾能力，以發(fā)現(xiàn)存在的技術(shù)或組合導(dǎo)航策略缺陷。

隨著抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的發(fā)展，其可對多個不同來向的干擾信號形成有效的抑制，接收機(jī)的抗干擾能力呈數(shù)十上百倍的增加，單干擾的有效干擾距離在相同功率下被急劇縮短[2-5]。且衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)[6]的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星到達(dá)導(dǎo)航接收機(jī)的信號增強(qiáng)，在功率不變的情況下，單干擾的有效干擾距離變短[7]。慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展也使得慣導(dǎo)自主導(dǎo)航模式下的精度越來越高[8]。導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾能力也隨著衛(wèi)導(dǎo)和慣導(dǎo)組合導(dǎo)航超緊耦合方式的逐漸成熟顯著提升[9]。要使組合導(dǎo)航的接收機(jī)產(chǎn)生預(yù)期的導(dǎo)航位置偏差，壓制干擾需要作用足夠遠(yuǎn)的距離，單干擾能力顯然不足。為對裝載抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的制導(dǎo)目標(biāo)進(jìn)行有效干擾，須多個干擾源協(xié)同干擾，對多干擾源的空間部署研究成為要點(diǎn)。

對干擾源的部署，文獻(xiàn)[10]以任務(wù)區(qū)域覆蓋率和平均危險指數(shù)作為干擾源部署方案的優(yōu)化目標(biāo)，通過遺傳算法得到了以單干擾源干擾能力為約束下的部署模型優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[11]提出了一種在保護(hù)目標(biāo)前方、來襲目標(biāo)方向區(qū)域內(nèi)尋找干擾效益指數(shù)最小的位置，并使該位置干擾效益指數(shù)值最大化的干擾源部署優(yōu)化方法，該方法考慮干擾源功率在某一點(diǎn)的疊加，沒有反映該點(diǎn)處受多源干擾的情況。文獻(xiàn)[12]研究敵武器平臺運(yùn)動區(qū)域內(nèi)最小干擾功率處功率最大化為目標(biāo)的干擾源優(yōu)化部署方法，將多個干擾源功率疊加，強(qiáng)調(diào)干擾區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)的干擾功率均應(yīng)大于干擾門限。以上干擾源部署方法均為以單干擾源的干擾能力為約束下的干擾源部署方法，無法反映多源協(xié)同干擾時被干擾目標(biāo)遭受多干擾威脅的情況，在應(yīng)對抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)時無法充分發(fā)揮干擾源的效能。

針對現(xiàn)有研究的不足，本文根據(jù)抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的不同抗干擾容限，提出一種面向抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的多源干擾優(yōu)化部署方法。該方法旨在根據(jù)抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的參數(shù)給出均勻部署優(yōu)化模型，以為制導(dǎo)設(shè)備抗干擾能力檢測時多源干擾的協(xié)同部署提供參考。

1 多源干擾有效作用區(qū)域分析

僅考慮衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源信號在自由空間中傳播，則傳播模型[13]為

由此，干擾源的有效作用區(qū)域因自由空間損耗以及接收機(jī)對多源干擾的不同抗干擾容限而分層。有效作用區(qū)域過干擾源點(diǎn)的剖面效果圖如圖1所示。

圖1 干擾源干擾范圍剖面效果圖

顯然，隨著抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾容限從單源干擾到多源干擾逐漸減小，在未超過接收機(jī)天線自由度前提下，多源協(xié)同干擾作用距離邊界值隨著干擾源個數(shù)增加而增加。

2 模型建立

2.1 多源協(xié)同干擾部署模型

設(shè)定固定目標(biāo)保護(hù)場景，對多源協(xié)同干擾部署進(jìn)行分析。因制導(dǎo)目標(biāo)的來向未知，為應(yīng)對可能的全方位來向，多源協(xié)同干擾作用區(qū)域應(yīng)做到在固定目標(biāo)周圍全向覆蓋。全向干擾源的有效作用區(qū)域表現(xiàn)為一個球體，在二維平面上表現(xiàn)為圓形。如圖2所示為不同水平高度布置的2個干擾源剖面圖，豎軸為高度線，橫軸為同一高度的水平線。由幾何關(guān)系可知，當(dāng)2個圓的圓心處在同一高度時，2個圓的相交面積最大。

圖2 不同水平高度布置的2個干擾源剖面圖

圖3 雙干擾源布局模型

以雙干擾為例，考慮模型約束條件：

圖4 四源干擾部署模型

圖5 部署區(qū)域平面化示意圖

2.2 多源協(xié)同干擾有效作用區(qū)域計算

若滿足式（18）

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 模型算法驗(yàn)證分析

圖6 雙源干擾r-S曲線

圖7 雙源干擾有效干擾區(qū)域

圖8 三源干擾r-S曲線

圖9 三源干擾部署優(yōu)化模型及有效干擾區(qū)域

圖10 四源干擾r-S曲線

圖11 四源干擾部署優(yōu)化模型及有效干擾區(qū)域

表1 優(yōu)化后的r與統(tǒng)計對比結(jié)果 km

3.2 傳統(tǒng)布局對抗干擾接收機(jī)的干擾效果分析

傳統(tǒng)方法以單干擾的干擾能力為約束去部署，若滿足多個干擾源之中的一個干擾源的干擾范圍覆蓋空間某點(diǎn)，就視該點(diǎn)被此部署方式有效干擾[11-13]。則其有效干擾范圍計算方法與本文中的多源部署模式下的單個干擾源作用范圍取并集計算方法一致，如式（13）所示。

按傳統(tǒng)干擾源部署方法要使任務(wù)區(qū)域干擾覆蓋率更高，平均危險指數(shù)更小即干擾失效點(diǎn)離保護(hù)目標(biāo)更遠(yuǎn)。以4個同參數(shù)干擾源部署為例，傳統(tǒng)部署方式為四干擾源均勻部署且不相鄰的2個干擾源的單干擾范圍形成的圓兩兩相切，4個單干擾源覆蓋區(qū)域即為該算法模型下的有效干擾面積。

圖12 傳統(tǒng)部署模型對陣列接收機(jī)干擾面積

實(shí)際上，傳統(tǒng)四源干擾部署方法除了4個單干擾源覆蓋區(qū)域（如圖13所示的中心4個小圓）可對抗干擾接收機(jī)進(jìn)行有效干擾外，如本文算法所述，該四源干擾模型中對抗干擾接收機(jī)形成的雙、三以及四源協(xié)同干擾區(qū)域也可對抗干擾接收機(jī)形成有效干擾，如圖13中心的4個小圓區(qū)域以外的陰影區(qū)就是傳統(tǒng)方法未考慮在內(nèi)的其對接收機(jī)形成的多干擾有效作用區(qū)域。

考慮傳統(tǒng)方法中的另一指標(biāo)“平均危險系數(shù)”，若干擾失效點(diǎn)距離保護(hù)目標(biāo)點(diǎn)越遠(yuǎn)，則部署模型的平均危險系數(shù)越小，制導(dǎo)目標(biāo)對固定目標(biāo)的危險程度越小。在本文中用最小干擾距離等效平均危險指數(shù)來比較傳統(tǒng)法與本文優(yōu)化方法。

以3.1節(jié)中其他參數(shù)不變基礎(chǔ)上，以四源干擾為例改變干擾源輸入功率，分別為10 W、100 W、1 kW、2 kW、3 kW、4 kW、5 kW，分析本文與傳統(tǒng)方法有效干擾面積差值的變化趨勢，如圖14所示。

圖14 干擾面積差值隨功率變化趨勢

由圖14可知，本文與傳統(tǒng)方法對抗干擾接收機(jī)的有效干擾面積差隨干擾功率增加不斷增大。

表2給出了不同干擾功率下本文干擾面積（b_max）與傳統(tǒng)方法干擾面積（c_max）的統(tǒng)計對比。得到四源干擾仿真、3.1節(jié)參數(shù)下，本文方法對抗干擾接收機(jī)的有效干擾面積依然是傳統(tǒng)方法的9.08倍，不隨功率改變的結(jié)論。

表2 在不同干擾功率下四源干擾本文與傳統(tǒng)部署方法干擾面積對比

3.3 不同參數(shù)下算法效果對比

在四源干擾模型下，在3.1節(jié)參數(shù)之外在給出2組參數(shù)，分析本文方法對不同參數(shù)的適用性。

圖15 本文法與傳統(tǒng)法對抗干擾接收機(jī)的有效干擾面積

圖16 本文法與傳統(tǒng)法對抗干擾接收機(jī)的有效干擾面積

4 結(jié)束語

在3.1節(jié)參數(shù)及四源干擾模型下，本文優(yōu)化方法的有效干擾面積是傳統(tǒng)方法的9.08倍，且相同參數(shù)下2種方法的干擾面積差隨干擾功率線性增加；最小干擾距離大于傳統(tǒng)方法，且二者相差超過100倍，制導(dǎo)目標(biāo)對固定目標(biāo)的危險程度更小。3.2節(jié)2組參數(shù)下本文優(yōu)化方法有效干擾面積是傳統(tǒng)方法的112.64倍和1214.42倍。本文所提方法相對于傳統(tǒng)方法能更有效發(fā)揮干擾源的干擾效能，可為對裝載有抗干擾接收機(jī)的制導(dǎo)設(shè)備的抗干擾能力檢測中的干擾源部署提供參考。

本文考慮固定目標(biāo)周圍全干擾覆蓋，分析了全向天線均勻部署模型下的優(yōu)化方法；下一步工作須對非均勻模型、考慮地球曲率下的超視距情況，以及定向天線的部署展開分析。

[1] 張鑫鑫，郭承軍，程亞文. 基于蟻群算法的干擾源優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[J]. 全球定位系統(tǒng), 2017(3): 20-26.

[2] YANG Q, ZHANG Y, TANG C, et al. A combined antijamming and antispoofing algorithm for GPS arrays[J]. International Journal of Antennas & Propagation, 2019: 1-9.

[3] KUMARI R, MUKHOPADHYAY M. Design of GPS antijamming algorithm using adaptive array antenna to mitigate the noise and interference[J]. Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing, 2020, 11(11): 4393-4403.

[4] CUI J H, CHENG N P, HE P F. An anti-jamming algorithm for attitude measurement based on antenna array[J]. International Conference on Mechatronics, Manufacturing and Materials Engineering (MMME 2016), 2016, 63: 4-15.

[5] LI R, ZHENG S Y, WANG E S. Advances in BeiDou navigation satellite system (BDS) and satellite navigation augmentation technologies[J]. Satellite Navigation, 2020, 1(1): 1-23.

[6] 曹菲，毋凡，胡中澤. 自適應(yīng)天線抗干擾性能研究[J]. 航天電子對抗, 2013, 29(2): 43-46.

[7] NASER E S, AHMED Y. Inertial sensors technologies for navigation applications: state of the art and future trends[J]. Satellite Navigation, 2020, 1(1): 1-21.

[8] XIE F, SUN R, KANG G. A jamming tolerant BeiDou combined B1/B2 vector tracking algorithm for ultra-tightly coupled GNSS/INS systems[J]. Aerospace Science and Technology, 2017, 70: 265-276.

[9] 程力睿，張順健，曾芳玲. 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源優(yōu)化部署方法[J]. 火力與指揮控制, 2015(7): 43-46.

[10] 付鈺，朱克家，韓奇, 等. 一種導(dǎo)航信號干擾源部署方法[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2020, 8(3): 110-114.

[11] 閆占杰，吳德偉，蔣文婷, 等. 網(wǎng)絡(luò)化GPS干擾系統(tǒng)空中干擾源部署方法[J]. 電光與控制, 2013(5): 37-39.

[12] KIM H P, WON J H. Analysis of ground transmitter interference range for GPS L1 signals in the ground test-bed environment of a navigation satellite system[J]. Radar Sonar and Navigation, 2019, 13(3): 402-409.

[13] MITCH R H, DOUGHERTY R C, PSIAKI M L, et al. Signal characteristics of civil GPS jammers[C]// The Institute of Navigation. Proceedings of the 24nd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation(ION GNSS 2011). Manassas, Virginia: The Institute of Navigation, Inc, 2011, 3: 1907-1919[2022-07-30].

[14] TAHOURI M A, ABBASI M, MOSAVI M R. Design of evolutionary adaptive notch filter for GPS anti-jamming system[J]. Journal of Circuits, Systems and Computers, 2021, 30(10): 1-22.

[15] SHAHEEN E M，ELGAMEL S A. Mathematical analyses of the GPS receiver interference tolerance and mean time to loss lock[J]. Defence Technology, 2019, 15(3): 440-449.

[16] 張博，何相勇，趙麗華, 等. 高功率壓制干擾模式下多個GPS干擾站聯(lián)合部署問題[J]. 火力與指揮控制, 2018(4): 32-36.

[17] 王紅霞，馮永新，潘成勝. 固定目標(biāo)區(qū)域的空中干擾機(jī)最優(yōu)干擾覆蓋分布算法[J]. 火力與指揮控制, 2009(5): 68-71.

Multi-jammer optimal deployment method for anti-jamming receivers

NI Shaojie, WEI Shipeng, XIAO Wei, YE Xiaozhou, LIU Wenxiang

(College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Aiming at the problem that the anti-jamming navigation receiver can resist multiple different interference and has strong anti-single interference ability, and the single interference source anti-jamming receiver has short action range, resulting in low interference efficiency, the paper proposed a multi-source interference optimal deployment method for anti-jamming navigation receiver: according to the different anti-jamming tolerance of the receiver, multiple interference sources were deployed in different directions to form a multi-source cooperative interference area, so as to better perform the interference efficiency of the interference sources. Simulational result showed that the minimum interference distance of the proposed optimization deployment method would be larger than the that of the traditional method, and the effective interference area could be 9.08, 112.64 and 1214.42 times of the traditional method under different parameters, respectively, moreover, the difference of interference area between the two methods would increase linearly with the interference power under the same parameters, indicating that the performance could be better than the traditional interference source deployment method.

anti-jamming receiver; spatial interference source; multi-source interference; optimized deployment

倪少杰，韋世鵬，肖偉, 等. 面向抗干擾接收機(jī)的多干擾優(yōu)化部署方法[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2023, 11(3): 147-155.（NI Shaojie, WEI Shipeng, XIAO Wei, et al. Multi-jammer optimal deployment method for anti-jamming receivers[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 147-155.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230320.

P228

A

2095-4999(2023)03-0147-09

2022-07-31

倪少杰（1978—）男，山東萊陽人，研究員，博士，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與時空技術(shù)。

韋世鵬（1998—）男，廣西梧州人，碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與時空技術(shù)。