遠(yuǎn)距離導(dǎo)航生成式欺騙干擾技術(shù)介紹

一、引言

在20世紀(jì)70年代初，為了對(duì)各種裝備進(jìn)行高精度定位，美國(guó)開發(fā)了一套導(dǎo)航系統(tǒng)。在1995年啟用初期由24顆人造衛(wèi)星組成，在6條軌道上平均分布，每條軌道4顆衛(wèi)星，確保在地球上任何位置、任何時(shí)間都可以至少觀測(cè)到5顆衛(wèi)星。基于此工作原理，導(dǎo)航定位系統(tǒng)能夠全天候地為各類用戶，包括各種設(shè)備持續(xù)提供高精度的三維速度、三維位置和時(shí)間信息[2]。

導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射到地面的信號(hào)強(qiáng)度微弱，且信息結(jié)構(gòu)公開，很容易受到外界干擾[3，在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)航欺騙干擾是干擾導(dǎo)航系統(tǒng)的主要方式。導(dǎo)航欺騙干擾分為轉(zhuǎn)發(fā)式和生成式：轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾為轉(zhuǎn)發(fā)干擾機(jī)通過接收到正確的導(dǎo)航信號(hào)，再通過計(jì)算時(shí)延和功率調(diào)整，給信號(hào)附加上時(shí)延重新轉(zhuǎn)發(fā)出去[4，當(dāng)目標(biāo)接收到錯(cuò)誤的導(dǎo)航信息，即為欺騙成功；生成式欺騙干擾為欺騙設(shè)備通過收集實(shí)時(shí)星歷信息，生成一個(gè)虛假的導(dǎo)航信息并發(fā)出，其中包含虛假經(jīng)緯度信息等，同樣達(dá)到擾亂目標(biāo)導(dǎo)航的目的。

本文僅研究導(dǎo)航生成式欺騙干擾技術(shù)，通過介紹導(dǎo)航系統(tǒng)的定位基本原理和生成式干擾技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)和對(duì)該技術(shù)在實(shí)例中的應(yīng)用和分析，從而更全面、通俗地理解此項(xiàng)技術(shù)。

二、導(dǎo)航定位原理簡(jiǎn)介

導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分等三部分組成。其中，導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)地面監(jiān)控部分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)接收各顆導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道信息，并將此信息發(fā)回衛(wèi)星，衛(wèi)星再將信息發(fā)出，最后由用戶設(shè)備接收，通過算法可獲知設(shè)備空間位置信息[5]。

目前，已有31顆導(dǎo)航衛(wèi)星在太空工作，通常8～12顆衛(wèi)星是可以被同時(shí)觀測(cè)到的，此時(shí)用戶設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲得更為準(zhǔn)確的位置信息。其中，每顆衛(wèi)星繞行地球一圈的時(shí)間約為11小時(shí)58分，所有衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面和地球赤道面成 夾角，如圖1所示。

ρ=√（x-x）2+（y-y）2+（z-z）2

P=√（x-x）2+（y-y）2+（z-z）2

（x-x）2+（y-y）2+（z-z）2

關(guān)于導(dǎo)航的定位原理，想要獲得用戶設(shè)備的位置信息，有以下兩個(gè)基本條件：一是獲取可見星的星歷信息（位置坐標(biāo)、時(shí)間誤差等）；二是計(jì)算用戶設(shè)備與可見星之間的偽距。一般情況，通過3顆可見星的星歷信息，即可確定設(shè)備的位置坐標(biāo)，假設(shè)3顆可見星位置坐標(biāo)分別為（ ， ， ）、 ， ）和 ，用戶設(shè)備的位置坐標(biāo)為 （ x， y， z） ，偽距為 ρ ，聯(lián)立求解，即可獲得設(shè)備的位置坐標(biāo)。

三、關(guān)鍵技術(shù)介紹

導(dǎo)航生成式欺騙干擾技術(shù)其實(shí)就是實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)虛假的導(dǎo)航信號(hào)，包含碼相位延遲、載波多普勒、導(dǎo)航電文等必要參數(shù)，通過發(fā)射天線使得被欺騙自標(biāo)收到錯(cuò)誤的導(dǎo)航信息，達(dá)到干擾目標(biāo)導(dǎo)航的目的。

導(dǎo)航生成式欺騙干擾的關(guān)鍵技術(shù)包括偽造衛(wèi)星信號(hào)、偽造偽距和捕獲、跟蹤環(huán)路入侵，其中，捕獲階段又包含對(duì)虛假信號(hào)功率、碼相位和載波多普勒這三方面

的控制。

（一）偽造衛(wèi)星信號(hào)

假設(shè)導(dǎo)航信號(hào)的表達(dá)式為：

A 為 C / A 碼信號(hào)幅度， C （ t - τ ） 表示 C / A 碼的初始相位，而 D （ t ） 為導(dǎo)航數(shù)據(jù)。導(dǎo)航數(shù)據(jù) D （ t ） 可以輕易地被接收機(jī)捕獲，且具有一定穩(wěn)定性，因此，干擾設(shè)備可以通過偽造基于真實(shí)星座信息的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘修正項(xiàng)、衛(wèi)星狀態(tài)等，完成欺騙。此外，還可通過改變 C / A 碼的調(diào)制方式，提前或延遲處理導(dǎo)航信號(hào)，使之產(chǎn)生錯(cuò)誤的偽距，同樣達(dá)到欺騙干擾的效果[。

（二）偽造偽距

假設(shè)干擾機(jī)的物理位置為 D i ，欺騙信號(hào)發(fā)送時(shí)刻相對(duì)于導(dǎo)航電文時(shí)間偏移量為 δ i ，偽造衛(wèi)星位置為 s i ，目標(biāo)接收機(jī)經(jīng)解算所得位置為 S j ，此時(shí)接收機(jī)解算出的偽時(shí)鐘時(shí)間偏移量為 δ j ，如圖2所示。

干擾機(jī)發(fā)出的欺騙信號(hào)被位于 的接收機(jī)捕獲，則接收機(jī)計(jì)算出的偽造物理偽距為（ ∣ c ∣ 為光速）：

為了偽造位置信息，接收機(jī)會(huì)解算出偽計(jì)算偽距：

為求得期望的 S j 和 δ j ，兩個(gè)偽距要求相等，此時(shí)Dj為已知量，干擾機(jī)可以自由選擇 D i 、δi和 s i ，此時(shí)干擾機(jī)可以根據(jù)實(shí)際需要改變兩個(gè)變量以求得第三個(gè)變量，從而使得接收機(jī)解算出任意結(jié)果[。

（三）功率、碼相位和載波多普勒控制

1.功率

在已知被干擾目標(biāo)處的導(dǎo)航信號(hào)強(qiáng)度的前提下，由干擾機(jī)發(fā)射一定功率的欺騙信號(hào)，經(jīng)過自由空間衰減之后，到達(dá)被干擾目標(biāo)的欺騙信號(hào)強(qiáng)度在大于真實(shí)的導(dǎo)航信號(hào)強(qiáng)度的條件下，因?yàn)楸桓蓴_目標(biāo)無法獲取真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)的先驗(yàn)信息，因此會(huì)誤捕獲欺騙信號(hào)，此為欺騙成功的必要條件之一。

2.碼相位

為保證欺騙信號(hào)可以被持續(xù)捕獲，需確保欺騙信號(hào)的碼相位和真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)的碼相位精準(zhǔn)同步，因?qū)Ш叫盘?hào)良好的相關(guān)性，只有當(dāng)被干擾目標(biāo)接收到的欺騙信號(hào)的碼相位與本地偽碼的碼相位差小于1個(gè)碼片時(shí)，此時(shí)二者相關(guān)性較高，可以對(duì)目標(biāo)持續(xù)干擾[8]。

3.載波多普勒

最后，干擾機(jī)還要考慮到多普勒效應(yīng)帶來的頻偏誤差，干擾機(jī)會(huì)根據(jù)衛(wèi)星位置、被干擾目標(biāo)真實(shí)位置和欺騙位置計(jì)算之間距離的變化率，從而通過內(nèi)部算法和基本同步欺騙的策略算出欺騙信號(hào)相對(duì)于真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)的多普勒頻移增量，將此增量進(jìn)行疊加，使得欺騙效果更為有效、準(zhǔn)確。

四、實(shí)例場(chǎng)景分析

遠(yuǎn)距離的生成式導(dǎo)航欺騙干擾已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，下面將以地面固定式干擾站對(duì)遠(yuǎn)距離無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航欺騙干擾為實(shí)例，來分析其中所必備的環(huán)境條件。

如圖3所示，此為地面固定式干擾站對(duì)遠(yuǎn)距離的無人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航欺騙的場(chǎng)景圖，無人機(jī)在至少三顆導(dǎo)航衛(wèi)星下獲取定位信息，此時(shí)，干擾站通過功率放大器和天線發(fā)射一定功率的欺騙信號(hào)，使得無人機(jī)無法正常導(dǎo)航，隨即返航或者飛向其他錯(cuò)誤的方向。

此時(shí)設(shè)圖3中的地面海拔為 0 m ，遠(yuǎn)處有一無人機(jī)，需要對(duì)其進(jìn)行欺騙干擾，無人機(jī)的高度為 ，地面固定式干擾站（簡(jiǎn)稱干擾站）的干擾天線高度為 此時(shí)需要計(jì)算最大通視條件（LOS）：

首先，無線電視距公式如下：

通過上式計(jì)算，可以得出無線電視距約為3 0 5 . 6 k m ，即當(dāng)無人機(jī)在距干擾站 3 0 5 . 6 k m 以內(nèi)時(shí)，對(duì)干擾站而言，即可達(dá)到通視條件，但如果要采用電磁波自由空間傳播模型，仍需滿足兩個(gè)條件：其一是在無線電視距公式中，符合距離 的區(qū)域?yàn)榱羺^(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，地球曲率幾乎不影響電磁波的傳播，此時(shí)算得當(dāng) d lt; 2 1 3 . 9 k m 時(shí)，可采用自由空間傳播計(jì)算公式；其二是距離 第一菲涅爾區(qū)半徑），計(jì)算公式為：

式中 f 為導(dǎo)航信號(hào)的中心頻率，為 1 5 7 5 . 4 2 M H z ，算得 d lt; 3 9 3 8 . 5 5 k m 。兩個(gè)條件綜合可得在 2 1 3 . 9 k m 的亮區(qū)內(nèi)，可采用自由空間傳播計(jì)算公式。

到達(dá)地面的導(dǎo)航信號(hào)電平通常取值為-155dBW（C/A碼），其中C/A碼為民用碼，對(duì)C/A碼，其擴(kuò)頻增益為 ，由于干擾站為地面設(shè)備，遠(yuǎn)距離目標(biāo)的導(dǎo)航接收天線一般指向空中，存在遮蔽系數(shù) S=1 2 dB ，自由空間的信號(hào)衰減值為 因此可反推空中無人機(jī)目標(biāo)的導(dǎo)航電平為 ，記為 ，此為通信功率，其中：

因無人機(jī)控制端在地面，則通信距離 f=1 5 7 5 . 4 2 M H z ，此時(shí)不考慮發(fā)射和接收天線的增益、極化損耗及其他損耗，代入計(jì)算可得 P t 約為 0 . 3 8 d B w 。此時(shí)我們需要求得最大干擾距離，假設(shè)干擾站內(nèi)導(dǎo)航欺騙的功率輸出功率 ，艙內(nèi)電纜及艙外電纜損耗為2dB，發(fā)射天線采用圓極化天線，增益為13dBi，此時(shí)記干擾天線增益 G j=1 1 d B ，假定干擾信號(hào)在接收天線方向上的增益G，通信信號(hào)在發(fā)射天線方向上的增益 G t 以及通信信號(hào)在接收天線方向上的增益 G r t 均為 0 d B i ，根據(jù)自由空間通信干擾方程計(jì)算，公式如下：

式中：

：干擾有效距離單位： ：抗有從咀罔牛位：Ⅲ，\"：過舊距罔，牛位； k m ： ：通信距離，單位：k m ： ：干擾功率，單位：W（ ）；

：干擾信號(hào)在發(fā)射天線方向上的增益（ ）； ：干擾信號(hào)在接收天線方向上的增益（ ）； ：通信信號(hào)帶寬，取 ： ：通信功率，單位：W（ ）； ：通信信號(hào)在發(fā)射天線方向上的增益（ ）；Grt：通信信號(hào)在接收天線方向上的增益（ 1 0 G r t / 1 0 ）； B j ：干擾信號(hào)帶寬，取 2 5 k H z 。

代人各個(gè)數(shù)值計(jì)算可得 d j = 1 2 k m ，又因自由空間傳播在亮區(qū)內(nèi)，因此在 1 2 k m 的距離內(nèi)，無人機(jī)飛行高度為 5 k m ，能被地面固定式干擾站成功進(jìn)行導(dǎo)航生成式欺騙干擾。

五、結(jié)束語

在通信導(dǎo)航領(lǐng)域，導(dǎo)航生成式欺騙干擾已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，通過本文實(shí)例場(chǎng)景分析可以得知：地面固定式的干擾站與被干擾目標(biāo)處于通視條件下，那么干擾站僅需通過干擾天線發(fā)射出小功率的導(dǎo)航欺騙信號(hào)，即可對(duì) 1 2 k m 內(nèi)，飛行高度 5 k m 的無人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航欺騙，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離干擾。

作者單位：晏子豪 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所

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