劉 揚，杜春梅

（空軍航空大學(xué)，長春130022）

1 傳統(tǒng)GPS 信號干擾存在的問題

無論何種干擾樣式，只要有足夠大的干擾功率，即使在時頻空域重合度稍差一些，也終將導(dǎo)致接收機無法正常工作。由于GPS 接收機本身固有的非線性和有限動態(tài)范圍以及GPS 信號的脆弱性（信號功率小，抗干擾裕度不大），隨著干擾功率的增加，必然導(dǎo)致GPS 接收機接收誤碼率的增加。又因?qū)δ繕?biāo)信號先驗知識要求較低，大功率攔阻式干擾對非合作擴頻信號的干擾具有一定優(yōu)勢。但是大功率干擾也存在一定的缺點：

（1）輻射功率越大，遭反輻射攻擊的可能性越大，干擾平臺生存概率越低。傳統(tǒng)大功率攔阻式干擾強調(diào)信號能量的決定性作用，使得干擾功率不斷加大，這不僅會造成干擾資源浪費，更使得干擾平臺極易遭敵方反輻射武器攻擊，生存概率大為降低。

（2）輻射功率越大，技術(shù)要求越先進，硬件實現(xiàn)越困難。為取得大的發(fā)射功率，采用普通技術(shù)體制（單元功放加線形天線）已很難滿足要求。若采用高增益拋物面天線實現(xiàn)大功率干擾，必須增大天線口徑，而天線過大不利于干擾平臺機動，同時干擾效果還受干擾波束寬度的影響。

（3）GPS 抗干擾技術(shù)使大功率攔阻式干擾效能大為降低。由于功率倒置陣和自適應(yīng)天線調(diào)零技術(shù)的使用，GPS 接收機可在大功率干擾信號來波方向上產(chǎn)生天線方向圖零點，干擾信號越強，零陷越深。

2 GPS 干擾與抗干擾方式

2.1 GPS 干擾方式

從技術(shù)角度出發(fā)，GPS 干擾方式可分為壓制式干擾和欺騙式干擾。

壓制式干擾是指發(fā)射一定帶寬、頻率和功率的干擾信號，造成GPS 接收機的相關(guān)接收通道不能正常接收GPS 衛(wèi)星信號，使接收機無法正確導(dǎo)航定位。

欺騙式干擾是利用虛假的GPS 信號來干擾和欺騙對方GPS 接收機，接收機無法分辨接收信號是否正確，從而使其利用錯誤參數(shù)進行解算，導(dǎo)致導(dǎo)航定位錯誤。其主要分為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾和產(chǎn)生式欺騙干擾2 種。本文主要接收3 種干擾方式：

（1）點頻干擾：無需掌握目標(biāo)信號太多技術(shù)參數(shù)，若已知目標(biāo)信號的通信頻點且頻點較為固定時，可使用點頻干擾。當(dāng)大功率的點頻干擾信號落入GPS 導(dǎo)航定位信號的瞬時頻帶內(nèi)時，可以實現(xiàn)有效干擾。

（2）同速率偽碼干擾：干擾信號和目標(biāo)信號之間任何顯著互相關(guān)都會大大降低GPS 接收機性能，當(dāng)干擾信號與目標(biāo)擴頻序列同載頻、同碼速率時，干擾效果最好。

（3）相關(guān)偽碼干擾：若已知目標(biāo)信號的擴頻碼類型、偽碼周期、碼速率以及信號結(jié)構(gòu)等技術(shù)參數(shù)，就能夠找到一種與目標(biāo)信號相關(guān)性較大的偽隨機序列，適合實施相關(guān)偽碼干擾。干擾序列與目標(biāo)信號的相關(guān)性越大，干擾頻譜被展寬得越少，通過GPS接收機窄帶濾波器的干擾能量越多，干擾效果也就越好。

2.2 GPS 抗干擾方式

從GPS 抗干擾角度看，為提高GPS 導(dǎo)航定位信號的抗干擾性能，美軍針對傳統(tǒng)干擾樣式研發(fā)了多種抗干擾技術(shù)，主要分為濾波技術(shù)、調(diào)零技術(shù)、組合導(dǎo)航技術(shù)幾大類。

（1）頻譜濾波：頻譜濾波包括帶通和帶阻濾波，該濾波技術(shù)對點頻干擾的抑制可以達(dá)到35dB 以上，因此可用于限定的點頻干擾源、連續(xù)波干擾源以及強的帶外干擾，但不適用于寬帶干擾或掃頻式干擾。

（2）時間濾波：時間濾波在時間域內(nèi)對信號特征進行處理，用數(shù)字信號處理（DSP）方法來實現(xiàn)可編程無限／有限沖激響應(yīng)濾波器和相關(guān)器。該技術(shù)對點頻干擾的抑制大于30dB，可用于多個點頻干擾和連續(xù)波干擾，也可用于多徑效應(yīng)或回波抵消。

（3）空間調(diào)零：空間調(diào)零技術(shù)指用一個環(huán)形微波傳輸帶陣列對有方向性的干擾源進行自適應(yīng)調(diào)零。該技術(shù)能夠有效處理寬帶噪聲和點頻干擾，對每種干擾源的抑制可達(dá)15 ～25dB。但該技術(shù)需要龐大的天線陣列和復(fù)雜的電子設(shè)備，造價較高。

（4）空間波束轉(zhuǎn)換：空間波束轉(zhuǎn)換指利用自適應(yīng)平面陣列，根據(jù)GPS 衛(wèi)星選擇性和干擾抑制程度的不同來提供波束控制。為了產(chǎn)生窄波束，平面陣列結(jié)構(gòu)較大，還需要具有對衛(wèi)星短暫有效的跟蹤能力，設(shè)備體積大，價格昂貴，適用于地面固定或艦載GPS 接收機。

（5）幅／相抵消：一般用裝置在飛機頂端和底端的2 個不同天線來接收干擾信號和GPS＋干擾信號，二者組合，抵消干擾信號。該技術(shù)可用于寬帶和點頻干擾源。

（6）軸向調(diào)零：指在小圓柱體內(nèi)（如導(dǎo)彈）通過使用干涉儀和地面效應(yīng)在沿圓柱體軸線方向形成可編程零點。此技術(shù)能在軸線方向上產(chǎn)生10 ～15dB的干擾抑制，造價低，體積小，但不能對抗軸線以外的干擾源。

（7）極化抗干擾：極化調(diào)零的實質(zhì)是通過電場向量抵消來去除干擾，利用偵察和跟蹤／控制通道識別和跟蹤干擾信號的相位和幅度，再用混合電路抵消接收到的干擾信號。理論上該技術(shù)能抑制所有類型的干擾，造價低，體積小。

（8）GPS／慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）組合導(dǎo)航：GPS和INS 組合導(dǎo)航應(yīng)用于高速運動目標(biāo)，如精確制導(dǎo)武器或飛機等。基于卡爾曼濾波技術(shù)組合的GPS／INS 系統(tǒng)可提高抗干擾能力10%～15%，GPS 用于周期性校正INS，消除誤差積累；當(dāng)GPS 受到射頻干擾時，INS 系統(tǒng)可繼續(xù)完成導(dǎo)航任務(wù)，GPS／INS可在短時間內(nèi)對抗GPS 干擾。

其中較為成熟，也是美軍目前主要采用的抗干擾技術(shù)是GPS／INS 組合導(dǎo)航技術(shù)和自適應(yīng)天線調(diào)零技術(shù)。美軍還針對不同干擾措施下抗干擾技術(shù)的性能進行實驗評估，實驗結(jié)果見表1 。

由表1 可以看出，各種抗干擾技術(shù)對于采用點頻干擾或?qū)拵Ц蓴_的單一干擾源均有很好的抑制作用，當(dāng)對抗多干擾源時，則顯得無能為力（GPS／INS組合導(dǎo)航除外）。若干擾樣式采用較為新穎的同速率偽碼干擾、相關(guān)干擾或欺騙式干擾，配置多干擾源時，上述抗干擾技術(shù)將失去作用。迫于GPS 信號面對的復(fù)雜嚴(yán)峻電磁環(huán)境，美軍下一步主要研發(fā)的抗干擾技術(shù)有：

（1）抗干擾濾波器技術(shù)；

（2）陸基／機載偽衛(wèi)星技術(shù)；

（3）干擾源探測與定位技術(shù)；

（4）數(shù)字波束控制天線技術(shù)；

（5）提高軍用信號功率；

（6）專用軍碼（M碼）技術(shù)。

其中后三項實際上可歸結(jié)為新增軍用碼——M碼所具有的性能特點，這也說明M碼在抗干擾技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。

表1 對不同干擾措施的抗干擾技術(shù)性能評估

3 GPS 干擾技術(shù)研究

3.1 點頻干擾信號

點頻干擾即在GPS 的工作頻率內(nèi)某載頻上發(fā)射一定頻信號進行干擾。設(shè)點頻干擾的頻率為fj；干擾幅值為AP；φP為點頻干擾初相位；則點頻干擾數(shù)學(xué)模型為：

將接收到的點頻干擾信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相乘后變?yōu)椋?/p>

仿真實驗得到點頻干擾對信號功率譜的影響如圖1 所示，當(dāng)點頻干擾頻率對準(zhǔn)M碼載頻時，由于副載波調(diào)制，處理后的干擾功率在零頻（基帶數(shù)據(jù)）附近分布較少，干擾效果較差，如圖1 （a），縱坐標(biāo)為功率譜密度（PSD）。為消除副載波影響，可將干擾頻率偏差M碼載頻±10.23MHz ，使得功率譜主瓣重新搬移回M碼載頻，可取得較好的干擾效果，如圖1（b）。

因此，使用點頻干擾的前提條件應(yīng)是M碼信號主載波頻率的精確測量。

頻率偏移10.23MHz 時點頻干擾誤碼率曲線如圖2 所示，隨著干信比的增加，誤碼率呈上升趨勢，當(dāng)干信比增長達(dá)到一定程度時，誤碼率曲線變化基本不大，大約維持在10－1數(shù)量級上，對接收機捕獲M碼信號影響明顯，干擾性能較好（前提頻率偏移10.23MHz ）；當(dāng)干信比大于5dB 時，誤碼率達(dá)到50%以上，此時可認(rèn)為已經(jīng)無法實現(xiàn)捕獲。

圖1 點頻干擾

圖2 點頻干擾誤碼率曲線（頻率偏差）

3.2 同速率偽碼干擾信號

同速率偽碼干擾信號采用擴頻二進制相移鍵控（BPSK）調(diào)制信號，這種干擾實際上是一種優(yōu)化后的擴頻干擾信號。二進制數(shù)據(jù)經(jīng)過PN序列擴頻后再進行BPSK調(diào)制，這樣發(fā)射信號就是直接序列擴頻二進制相移鍵控（DS－BPSK）信號。同速率偽碼干擾的數(shù)學(xué)模型：式中：AS為干擾幅值；d（t ）為二進制數(shù)據(jù)；mS（t ）為干擾擴頻碼；擴頻碼碼速率與M碼偽碼速率一致，采 用 5 .115Mbps ；fj為 干 擾 頻 率；φS為 干 擾 初相位。

收到的同速率偽碼干擾信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相乘后：

同速率偽碼干擾對信號功率譜的影響如圖3 所示。由同速率偽碼干擾的數(shù)學(xué)模型可知，該干擾信號與M碼的唯一區(qū)別是無副載波調(diào)制。當(dāng)干擾載頻對準(zhǔn)M碼載頻時，將接收信號與本地復(fù)現(xiàn)M碼信號相乘后，由于干擾與M碼采用的PN 碼不相關(guān)，并不能完成解擴，仍為寬帶干擾；與點頻干擾類似，副載波將原對準(zhǔn)M碼載頻的干擾功率主瓣搬移，如圖3（a），干擾效果較差；因此可將干擾頻率偏差M碼載頻±10.23MHz ，消除副載波達(dá)到較佳干擾效果，如圖3（b）。同速率偽碼干擾誤碼率曲線如圖4 所示。

圖3 同速率偽碼干擾

圖4 同速率偽碼干擾誤碼率曲線

3.3 相關(guān)偽碼干擾信號

由于M碼除擴頻碼類型未知外，其載頻、擴頻碼速率、副載波頻率等參數(shù)已知，為使干擾信號與目標(biāo)信號（M碼）有盡可能大的互相關(guān)，抵消GPS 接收機的處理增益，進一步節(jié)省干擾功率，可以考慮采用相關(guān)偽碼干擾信號。相關(guān)偽碼干擾信號的產(chǎn)生仿制M碼信號的調(diào)制方式，擴頻→副載波調(diào)制→BPSK調(diào)制。數(shù)學(xué)模型參考同速率偽碼干擾為：

式中：AX為干擾幅值；d（t ）為隨機二進制數(shù)據(jù)；mX（t ）為干擾擴頻碼，碼速率與M碼偽碼速率一致；ScX（t ）為副載波，頻率與 M碼所用副載波一致，采用10.23MHz ；φX為干擾的初相位。

接收到的相關(guān)偽碼干擾信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相乘后變?yōu)椋?/p>

相關(guān)偽碼干擾對信號功率譜的影響如圖5 所示，當(dāng)干擾頻率對準(zhǔn)M碼載頻時，相關(guān)偽碼干擾的功率譜與M碼類似，如圖5 （a），干擾與本地復(fù)現(xiàn) M碼相乘后，去除副載波調(diào)制，干擾由原來的雙主瓣變?yōu)閱沃靼晷问剑ㄅc普通BPSK 調(diào)制信號相同），同樣由于PN碼采用的不同，干擾也無法完成解擴，仍為寬帶干擾；當(dāng)干擾頻率偏離M碼載頻時，與本地復(fù)現(xiàn)M碼相乘后，干擾功率分布與頻率偏離大小有關(guān)，功率譜變化如圖5 （b）。可以看出，當(dāng)頻率對準(zhǔn)時得到的功率譜與M碼一致，只是幅值較高，干擾效果類似于欺騙式干擾；當(dāng)頻率偏差時得到的功率譜變化較大，說明相關(guān)偽碼干擾對頻率同樣要求較高。

圖5 相關(guān)偽碼干擾

相關(guān)偽碼干擾誤碼率曲線如圖6 所示，干信比為－5dB 時，誤碼率接近50%，干擾效果明顯。隨著干信比的減小，干擾性能急劇惡化，在干信比小于－30dB 時，干擾對信號的影響已基本可忽略不計。

圖6 相關(guān)偽碼干擾誤碼率曲線（頻率對準(zhǔn)）

4 結(jié)束語

GPS M碼作為美軍未來最主要的導(dǎo)航定位信號，具有抗干擾、安全保密和高精度的性能特點，是美軍取得戰(zhàn)爭勝利的重要舉措和實現(xiàn)全球戰(zhàn)略的首要前提。本文針對傳統(tǒng)大功率GPS 干擾的缺點，在詳細(xì)分析GPS 干擾方式的基礎(chǔ)上介紹并對比了GPS 抗干擾方式的優(yōu)缺點，分別對點頻干擾、同速率偽碼干擾和相關(guān)偽碼干擾3 種干擾方式進行了分析，對比了頻率對準(zhǔn)和頻率偏差時的干擾誤碼率曲線，對M碼干擾方法的研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

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