GPS抗干扰技术解析

GPS干扰现状及抗干扰技术研究◆GPS干扰技术◆GPS抗干扰技术GPS干扰技术◆现役GPS的脆弱性◆对GPS潜在的干扰◆对GPS的人为干扰◆干扰类型与干扰源◆干扰对GPS信号接收的影响机理◆干扰功率的计算◆干扰距离的计算◆干扰效果的分析◆压制干扰对GPS定位误差的影响现役GPS的脆弱性◆卫星信号发射功率不大◆抗干扰裕度不大◆卫星信号码元和载波丢失卫星信号发射功率不大◆卫星的体积小，重量轻；◆卫星离地球表面远；例如L1信号到达地面的最小信号电平为-166dBW，其信号强度仅相当于16000Km外一个25W的灯泡发出的光，或者说，它比电视机天线所接收到的功率要低10亿倍抗干扰裕度不大虽然C/A码的处理增益为43dB，但C/A的码速率为1.023Mb/s，码长为1023位，而周期仅1ms，通过解扩只能获得30dB的处理增益，另外13dB增益是通过20个相关峰的积累形成的，所以整个环的处理增益不会有43dB。同时，接收通道信噪比一般要求大于10dB，才能正常工作，还有接收机的相关损耗大于1dB。实验证明：使用干扰功率为1W的干扰机，在GPS1.6GHz频带上实施调频噪声干扰，就使GPS接收机在22Km范围内不能工作，干扰功率每增加6dB，有效干扰距离就增加一倍。C/A码接收机的抗干扰裕度应在30dB以下，一般认为是25dB。P码的处理增益为53dB，抗干扰裕度应在43dB左右。卫星信号码元和载波丢失飞行实验证明，飞机上的GPS在干扰信号为-125dBW～-130dBW时就会失去卫星信号的码元和载波，从而失去定位能力。而在干扰信号大于-130dBW时，在卫星信号完全丢失前，导航能力就明显减弱，最终导致接收机失效。对GPS潜在的干扰◆GPS接收机受到潜在干扰◆移动卫星服务（MSS）对GPS接收机的干扰GPS接收机受到潜在干扰GPS接收机收到的潜在干扰包括带内射频干扰（1565MHz～1586MHz）、带外射频干扰和环境干扰。带内射频干扰包括谐波、寄生振荡和交叉调至分量等；带外射频干扰是靠近GPS额定频段的强信号干扰，它可以通过接收机的射频滤波器对接收机造成影响；环境干扰包括多径、遮蔽、地形遮拦和其它由自然环境造成的干扰。移动卫星服务（MSS）对GPS接收机的干扰移动卫星服务（MSS）是新发展起来的通信链。手持式设备在1610MHz～1626.5MHZ频段发射大约0.5W的信号来实现地面与低轨卫星网的上行通信，然后由卫星转发信号到其它手持式设备上，或借助地面站送到标准电话网。手持设备的发射泄露会进入邻近的GPS频段，有可能对GPS接收机造成一定程度的干扰。对GPS的人为干扰◆干扰技术体制◆干扰途径◆对GPS接收机的干扰装备◆GPS干扰装备的作战应用干扰技术体制GPS认为干扰的目的是使对方无法或错误地使用GPS系统提供的信息。对GPS用户接收机的干扰技术体制主要有两种：◆压制式干扰◆欺骗式干扰压制式干扰就是通过发射干扰信号以压制在GPS接收机前端的GPS卫星信号，使GPS接收机接收不到GPS卫星信号，从而达到干扰的目的。多GPS接收机的压制干扰可采用相关干扰、调频噪声或锯齿波扫频等欺骗式干扰使指发射与GPS信号具有相同参数（只有信息码不同）的假信号，干扰GPS接收机，使其产生错误的定位信息。干扰途径◆升空干扰◆星载干扰◆地面干扰升空干扰为获得较好的干扰效果，减少干扰损耗，可采用升空干扰技术对GPS实施更有效的干扰。其中升空干扰高度应不低于一定值，以保证干扰信号能够进入GPS接收机天线。◆机载（无人）干扰机◆平流层飞艇载干扰机◆气球载干扰机星载干扰如果要干扰远距离地方空中目标的GPS接收机，普通的机载升空方式干扰机就无能为力了，这是因为干扰机的升空高度难以达到有效干扰所需要的理想高度，此时可采用星载干扰机进行有效地干扰。考虑到减少干扰信号传播路径损耗的因素，运载卫星的运行轨道最好采用低轨道，离地面不能太高，以减少实施有效干扰所需要的功率。但是，低轨卫星相对于地球上的某一点是运动的而并非静止，不能进行定点干扰，只有当它通过目标的上空时，才能实施干扰，因此其时效性受到限制。低轨星载干扰可采用欺骗式与压制式相结合，组成干扰辐射网。地面干扰对GPS接收机进行地面干扰通常都是采用多部路基或舰载GPS干扰机采用空间功率合成技术汇聚足够的干扰功率，组成强干扰压制，以确保重点攻防方向干扰任务的完成，使敌前沿作战飞机和超低空飞行的导弹不能进行精确GPS定位。对GPS接收机的干扰装备在1999年巴黎航展上展出由俄罗斯莫斯科Aviaconversiya公司生产的一套设备，能有效干扰美国的GPS以及俄罗斯的导航定位系统GLONASS。这种干扰机体积小（120mm×190mm×70mm）、质量小（3Kg），能在两个GPS频段和两个GLONASS频段（1.250MHZ和1.607MHz）提供8W的干扰功率，价格为4万美元。俄罗斯组织的航空展览上出售一种4W干扰机，其重量为8kg～10kg，可用于对付GPS和GLONASS。这种设备据称能有效覆盖150Km～200Km的范围，价格低于4000美元/台。值得注意的是，上述GPS干扰机仅限于干扰C/A码接收机。GPS干扰装备的作战应用GPS干扰装备在作战编成上可作为一个独立的电子对抗群，加强、配置于重点作战方向，有上级指挥所指挥，也可根据作战任务不同和作战目标的不同，将GPS干扰装备作为一个独立的作战单元使用。以对抗巡航导弹为例，来说明GPS干扰机的作战应用。◆作战准备阶段GPS干扰装备在指定的区域展开，并迅速进行系统内部与上级指挥所之间的通讯联络，GPS信号侦查装备不断地实施对作战区域的GPS卫星信号进行侦查、分析，为GPS干扰装备参数调整提供依据。◆作战实施阶段指挥员根据GPS干扰装备对导弹发射平台载GPS接收机实施干扰，增大巡航导弹的初始化误差。当巡航导弹进入飞行阶段时，其中段主要制导方式包括惯性制导和GPS制导。GPS干扰装备在巡航导弹来袭路径周围对巡航导弹载GPS接收机实施干扰，使巡航导弹的惯导漂移随时间积累，从而增大巡航导弹的导航误差。当巡航导弹进入飞行末段时，其制导方式包括光电制导、惯性制导和GPS制导，GPS干扰装备配合精确武器电子防护系统，对GPS制导导弹的弹载GPS接收机实施干扰，降低命中精度，从而将对对我方重要目标的毁伤概率。◆作战结束阶段根据上级指示，指挥员指挥GPS干扰装备关机待命或转移阵地。干扰类型与干扰源干扰类型：宽带-高斯典型干扰源：人为的噪声干扰机干扰类型：宽带相位/频率调制典型干扰源：电视发射机的谐波或频段接近的微波链路发射机，它会使GPS接收机前端滤波器过载。干扰类型：宽带-扩频典型干扰源：人为的扩频干扰机或在伪卫星附近干扰类型：宽带-脉冲典型干扰源：雷达发射机干扰类型：窄带相位/频率调制典型干扰源：调幅电台发射机的谐波或商业广播发射机的谐波干扰类型：窄带-扫频连续波典型干扰源：人为的CW干扰或调频电台发射机谐波干扰类型：窄带-连续波典型干扰源：人为的连续波（CW）干扰机或频段附近的非调制发射机的载波干扰对GPS信号接收的影响机理假设人为干扰信号是强功率的不加任何调制的连续正弦波干扰，即干扰信号是正弦波信号，被干扰信号为GPS载波信号。由于GPS信号采取脉冲调制在载波上，因此，已调波信号已经成为按一定规律变化的连续脉冲波。当脉冲波受到连续干扰后，合成信号是一个振幅和相位都变化了的信号，即干扰信号对有用信号产生了干扰作用。当干扰信号和有用信号的频率相同时，在连续波的干扰下，脉冲信号和连续波干扰信号的相位是从0～360o的任意值，因此，接收机所接收到的卫星信号的幅值是变化的。强干扰信号频率与GPS信号中心频率相同时，会引起脉冲信号的跳动，造成接收机无法识别卫星信号，出现接收机不能捕获、跟踪、锁定卫星信号等现象，当干扰信号的频率与GPS信号频率不相同时，由于接收机前端电路的频率选择性，只有靠近GPS信号中心频率的干扰信号才能进入接收机，产生带内和带外的干扰。这时，对GPS信号干扰的效果不仅与干扰信号的频率和脉冲宽度有关，而且和初相角有关。干扰功率的计算干扰功率/（dB·W）距离/KmC/A码P(Y)码-26.2-19.20.5-20.2-13.21C/A码P(Y)码距离/Km-0.26.81013.820.85019.826.810025.832.820027.834.825029.336.3300干扰距离的计算◆欺骗式干扰机有效干扰距离◆压制式干扰机有效干扰距离欺骗式干扰机有效干扰距离32.45/2010jPGJRfR——有效干扰距（Km）jP——干扰机发射功率G——干扰机发射天线增益J——干扰信号电平f——GPS信号频率（MHz）压制式干扰机有效干扰距离压制干扰信号到达GPS接收机的信号强度应大于GPS信号42dB左右（军用GPS接收机的干扰增益为42dB）。考虑干扰信号进入GPS接收天线角度很低（10度以下），取天线旁瓣损耗为-5bB。则在最不利的情况下完成对军用GPS接收机压制干扰所需要的电平为：-130+42+5=-83dBm。然后用上面的式子就可计算压制式干扰机的有效干扰距离。干扰效果的分析◆GPS接收机接收到的信号功率◆GPS接收机接收到的干扰功率◆干信比的计算GPS接收机接收到的信号功率GPS信号从发射机向GPS接收机直视远程发射。它到达GPS接收机的信号输入功率为：3220lg20lgTTSrSPGFDG其中S为GPS接收机接收到的信号功率（dB）发射天线的功率（dB）TPTG发射天线的增益（dB）F发射频率（MHz）sD发射机到GPS接收机的距离（Km）rG接收天线的增益（dB）GPS接收机接收到的干扰功率根据信号传输特性，干扰信号的传输是单程的。一般情况下，干扰目标无论是通信接收机还是GPS接收机，其干扰信号的特征都是相同的。除非GPS接收机有一个全向天线，否则天线增益将随天线接收机信号的方位和仰角而变化。其次，通常干扰信号的频带宽度要比GPS信号的频带宽得多，使接收机不能精确地测量和测定需要的信号频率。在测定干信比时，重要的计算进入GPS接收机工作频带内的干扰信号功率。在上述条件下，到达GPS接收机输入端的干扰信号功率为3220lg20lgJJJrJJPGFDG其中J为GPS接收机接收到的干扰功率（dB）发射天线的功率（dB）JPJG发射天线的增益（dB）F发射频率（MHz）JD发射机到GPS接收机的距离（Km）rJG接收天线的增益（dB）干信比的计算在GPS接收机带宽内，干信比是干扰信号强度与GPS信号迁都之比。对于单程的GPS信号传输情况来说，干信比公式为3220lg20lgJJJrJJSPGFDG3220lg20lgTTSrPGFDG压制干扰对GPS定位误差的影响因为有较强的干扰信号才可能会使GPS接收机信号失锁无法定位，通常情况下干扰的存在只是在一定程度上降低了GPS接收机的定位精度。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了信号/噪声功率密度比。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压制干扰对GPS定位误差的影响由于压制干扰对接收机的根本影响是降低了信噪比，而GPS定位误差的方差也随之增大。当对GPS接收机实施压制干扰后，活动目标越是接近目的地，其偏离理想航迹就越大（军职随时间增大而增加），即目标越接近目的地，干扰效果越明显。GPS抗干扰技术几种主要的GPS抗干扰技术◆频谱滤波◆时间滤波◆空间调零◆空间波束转换◆幅/相抵消◆轴向调零◆极化抗干扰◆GPS与惯性导航（INS）组合频谱滤波频谱滤波包括带通和带阻滤波，此技术主要用于限定的窄带和CW干扰源，以及强的带外干扰源。但这种技术不适用于宽带噪声干扰或多个扫频瞄准式噪声干扰。时间滤波时间滤波在时间域内对信号特征进行处理，用数字信号处理（DSP）方法来实现可编程HR/FIR滤波器和相关器。这种技术是单一孔径技术，用于多个窄带噪声干扰和C