对GPS接收机实施压制干扰的效能评估研究_焦逊[1].pdf

国家自然科学基金资助项目(69931040)收稿日期:2002-08-26,09-24 修回。作者简介:焦逊(1978-),男,军事运筹学专业在读硕士研究生,研究方向军事卫星对抗,计算机作战模拟等;陈永光(1962-),男,教授,博士生导师,1995 年获国防科技大学通信与电子系统专业博士学位。2000-08 2002-02 赴美进修,发表论文85 篇,研究方向:电子战作战模拟,作战效能评估和 ATM 交换机等。沈阳(1978-),在读硕士研究生,研究方向为组网雷达,计算机作战模拟等。对 GPS 接收机实施压制干扰的效能评估研究焦 逊,陈永光,沈 阳(解放军电子工程学院,合肥 230037)摘要:介绍了一种对 GPS 接收机进行压制干扰的效能评估方法。压制干扰时,GPS 接收机性能的基本度量标准是位置协方差,而干扰对接收机的根本影响是降低信号/噪声功率密度比(C/N0)。以 C/N0为基础,分析和计算了位置误差的方差,从而对压制式干扰的效能进行了评估。仿真试验结果初步验证了评估方法的合理性。关键词:压制式干扰;误差协方差;效能评估;模拟仿真中图分类号:P22814 文献标识码:A1 引言GPS 在现代战争中的应用范围相当广泛,而且还在不断拓宽。为此,我们除了要研究如何更有效地使 GPS 服务于各种军事用途外,还要研究如何破坏或干扰对方的 GPS 系统,使其无法正常使用。就目前的国内外情况来看,GPS 干扰技术主要有压制式和欺骗式两种干扰样式。压制干扰是用电子噪声来阻止 GPS 接收机接收卫星导航信息。电子欺骗较为复杂且难于探测,其机理是模拟或转发由卫星发送至 GPS 接收机的信号,但对该信号做了小的改变,这些微小的改变将使 GPS 接收机计算出错误的估值。通常情况下,我们都是通过信噪比(S/N)来描述接收机接收到的信号质量。但是,噪声功率N 与带宽成正比,而且 GPS 接收机的延迟锁定环(DLL)、载波跟踪环(PLL)和数据鉴别器的带宽各不相同,这些带宽可用软件调校到预期的动态视线上。所以,这里我们将信噪比归一化到 1Hz的带宽上,用信号/噪声功率密度比(C/N0)来描述信号质量。压制干扰对接收机的根本影响也正是降低了 C/N0。干扰机的配置和运行、射频(RF)传播环境等因素均以独特的方式影响 C/N0。所以,C/N0对于伪距和载波相位测量精度来说是很重要的。同时,也是对噪声压制干扰GPS 接收机的效果进行评估的重要依据。GPS 接收机性能的基本度量标准是位置协方差。在卫星性能和信号路径特性给定的情况下,协方差直接取决于测量时的接收机通道跟踪精度和位置精度因子(PDOP)。由于干扰环境直接影响 C/N0和测出伪距的噪声特性,所以前者显得更重要。2 压制干扰条件下GPS定位误差的协方差本文限于篇幅,仅讨论压制干扰对 GPS 接收机的干扰效能,并以机载 GPS 导航系统受干扰后产生的导航误差分析为例,以仿真试验手段初步验证评估方法之合理性。为了计算因干扰而出现的测量误差的方差,可以采取以下步骤:11航天电子对抗,2003(3)GPS 接收机输入端上来自所有干扰源的总干扰 功率,可根据干扰源等效 全向辐射功率(EIRP)、GPS 接收机与干扰源的距离、视线方向上的干扰源和接收机天线增益的函数来计算;GPS 接收机天线输入端接收到的卫星信号功率,可作为卫星仰角和接收机到卫星视线方向上的接收机天线增益的函数计算出来;接收机跟踪环输入端的信号噪声密度则作为接收机有效系统噪声、温度、干扰源功率和信号处理增益的函数来计算;而伪距和载波相位测量噪声方差可作为信号噪声密度和接收机跟踪环参数的函数进行计算。接收到的干扰机功率由下式确定:J=EIRP GrjR2Lc4Pf2(1)式中,c 为光速(2.99792458 108m/s);f 为 GPS的 L1频率(1575.42MHz)或 L2频 率(1227.6MHz);Grj为 GPS 接收机天线在干扰方向上的增益;EIRP 是干扰源等效全向辐射功率;L 为实现损失;R 为干扰机到接收机的距离。EIRP=JTGT(2)式中,JT为干扰机输出功率;GT为干扰机天线在接收机方向上的增益。由于热噪声和人为噪声的电压是非相关的,因此将它们的功率密度相加可以得到总噪声功率密度。于是信号/噪声功率密度比计算公式为:C/N0=S/(N0+I0)(3)式中,S 为接收到的信号功率(W),取决于被接收卫星的仰角;N0为热噪声功率密度(W/Hz);I0为人为噪声功率密度(W/Hz)。由于 GPS 卫星 是发 射经 伪随 机噪 声码(PRN)调制的信号,而在接收机中,卫星信号要乘以自生的仿型伪噪声码,在这里干扰信号也乘以相同的 伪噪声码。干 扰信号的带 宽很窄(n1MHz),它将有一个近似于 SINC 形的功率密度谱(该谱具有与正常 GPS 信号频谱几乎一样的性质),在跟踪环和数据鉴别器的带宽(1 100Hz)内,该频谱与频率几乎无关,此谱相当于最大的SINC 形谱,其值为 J/fc。故(3)式中 I0可用下式计算:I0=a(fJ)J/fc(4)式中,a(fJ)为归一化的总频率响应;fJ为干扰信号的频率;J 为接收到的干扰机功率(W);fc为码时钟频率(1.023MHz 用于 GPS 的 C/A 码;10.23MHz 用于 GPS 的 P(Y)码)。因数 a(fJ)是天线和 DLL(延迟锁定环)之间信号路径增益相对于信号频率 fs的最大值的频率响应。它包括了天线、低噪声放大器(LNA)、天线电缆和接收机本身的归一化频率响应。根据参考文献 1 中提及到的在德国境内做的一次试验,下面给出了三种不同接收机的总归一化频率响应 a(fJ)的比较,如图 1 所示,这三种接收机分别是 P/Y 码接收机、有窄相关器的 C/A 码接收机和标准 C/A 码接收机。图 1 几种 GPS 接收机总归一化频率响应的比较以 C/N0为基础,伪距测量的方差由下式计算 1:R2pr=$2BDLL2d2C/N02(1-d)+BID4dC/N0=$2BDLL4d2(1-d)C/N0+BDLLBID8d3(C/N0)2(2)式中,$为码片长度(C/A 码$=393.05m,P(Y)码$=29.305m);BDLL是 DLL 噪声带宽(Hz);d是前相关器和即时相关器之间的距离,或者后相关器和即时相关器之间的距离(1/16 1/2 码片,单码片E-L 相关器的 d=1/2);BID是检波前滤波器的噪声带宽(Hz)(累积和转储滤波器)。在实际噪声干扰过程中,由于 C/N0的取值较 BDLLBID大得多,所以 BDLLBID8d3/(C/N0)2项近似为 0,故(5)式可以简化为:12航天电子对抗,2003(3)R2prU$2 BDL L4d2(1-d)/C/N0 m2y$2BDLL/(2C/N0)此处 d=1/2(6)若用载波相位测量,则相位测量方差由下式确定:R2dr=BPLLC/N0+BPLLBID2(C/N0)2K2P2UBPLLC/N0K2P2 m2(7)式中,BPLL是 PLL 噪声带宽(Hz);BID是累积和转储滤波器的噪声带宽(Hz);K是载波波长(L1时为 0.19m 或 L2时为 0.245m)。3 仿真试验为了对 GPS 伪距测量在干扰条件下产生的误差有直观的认识,并检验上述理论分析的合理性,我们拟以无人机 GPS 导航为例进行仿真试验。假定伪距测量误差服从正态分布,即伪距误差$Q N(u,R2pr),而标准正态分布 X N(0,1),容易看出,$Q和X 之间存在着简单的线性函数关系:$Q=R X+u(8)所以只要给出产生标准正态分布随机变量X 抽样的方法,就可以确定$Q值。这里我们依据中心极限定理,用统计近似产生服从 N(0,1)分布随机变量的方法2产生随机数,由此就可以实时地给出因干扰而引起的伪距测量误差$Q。在此我们作一简单的假设:干扰机对 GPS 接收机接收的用于解算位置的所有卫星都产生$Q伪距误差,这样,解算出来的位置就在以目标的实际位置为球心,以|$Q|为半径的球表面上。通过球面坐标系与空间直角坐标系之间的转换 3:$X$Y$Z=|$Q|cosE cosAcosE sinAsinE(9)就可以得到在直角坐标系中由 GPS 确定的/偏移0位置。式中,E为球心至球面位置点S 的连线与XOY 平面之间的夹角;A为过 X 轴的子午面与过球面 S点的子午面之间的夹角。图2 所示为模拟对 GPS 接收机进行压制干扰的示意图,在该模拟软件中,我们可以在一幅地图上任意设置无人机的起点(Start)位置、终点(End)位置、干扰机(Jammer)位置及无人机和干扰机相关性能参数,例如,这里无人机速度为300m/s,干扰机的发射功率为 250W,发射频率1575.42MHz,干扰机与目标的作用距离约为 70 80km,起点至终点的距离约为 200km 进行仿真。整个过程采用时间推进机制,即给定目标的运动速度后,每隔单位时间$t 进行一次 GPS 定位,由 GPS 解算出来的自身位置来校正下一单位时间内的运动方向,以飞往目的地。图 2 对 GPS 接收机进行压制干扰的示意图假设在没有人为干扰的情况下,目标沿 Start-End 直线运动,在 GPS 噪声干扰机作用下,由(6)式可得到图 3 所示的伪距测量误差方差曲线,同时目标的实际运动(图 2 所示过程的一次模拟情况)如图 4 所示。从图中可以看出,在对 GPS接收机进行了压制干扰的情况下,其解算出了错误的位置信息,位置方向误差随时间的推移不断积累,从而导致目标运动偏离了预想的轨迹,达到了我们的预期干扰效果。图 3 伪距测量误差的方差13对 GPS 接收机实施压制干扰的效能评估研究图 4 对 GPS 压制干扰的模拟结果对图 2 所示的过程进行 Monte Carlo 试验,100 次试验后,结果如图 5 示。从图中我们可以看出,当对 GPS 接收机实施了压制干扰后,活动目标越是接近目的地,其偏离理想航迹越厉害(均值随时间增大而增加),说明目标越接近目的地,干扰效果越明显。从另一方面也验证了我们对GPS 接收机进行压制干扰效能评估方法研究的合理性。图 5 Monte Carlo 模拟结果4 结束语本文以 GPS 接收机的信号/噪声功率密度比(C/N0)为基础,分析得出了伪距 Q的误差方差以及相位测量方差,并根据伪距测量方差对位置偏差进行了计算机仿真试验,形象直观地给出了对GPS 接收机压制干扰时的干扰效果。模拟结果也基本上验证了对 GPS 接收机压制干扰效能评估方法的合理性。为了突出研究重点,在仿真过程中做了一些假设,使得模拟结果与实际情况下GPS 接收系统对 24 颗星接收信号时受到干扰有一定的出入。尽管如此,研究方法是正确的,在今后的研究工作中,应根据 24个星座的具体参数以及转发的导航电文内容,客观正确地模拟出因干扰而产生的位置偏移,使模拟结果更贴切实际。u参考文献1 干国强等1GPS 干扰与抗干扰技术(第 1 集)R1 信息产业部电子第二十九研究所,199911112 曹志耀1 计算机作战模拟系统设计原理M1 解放军出版社,19991513 张守信 1GPS 卫星测量定位理论与应用 M1 国防科技大学出版社,1996171F-22 战斗机已更名为 F/A-22 战斗攻击机 2002 年 9 月,美空军宣布,F-22/猛禽0战斗机将更名为 F/A-22/猛禽0战斗攻击机,增加代号A,强调了该机的多功能作战能力,尤其是空对地攻击能力。由于技术上的进步和美空军作战原则的调整,使 F-22 与项目计划设计时的战斗机不大相同;又由于火控雷达和综合航空电子设备技术的发展和小型精确制导弹药的大量使用,未来的战斗机必须具有强大的空对地攻击能力。因此有必要在 F-22 上安装为 F-35 联合攻击战斗机研制的新型空对地模式雷达,这种雷达功能是 F-22 上安装的 AN/APG-77(v)雷达所不具备的。新型雷达的体积更小,质量更轻,并具有一定电子战功能。新型的尚未命名的雷达将于 2007 年或 2008年开始安装在第 6 批次(Block 6)生产的 F/A-22上。(柯边)14航天电子对抗,2003(3)