萬有達(dá),陳飛強(qiáng),聶俊偉,孫廣富,王飛雪

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410073)

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“美國測試超大范圍GPS干擾技術(shù)”可行性分析

萬有達(dá),陳飛強(qiáng),聶俊偉,孫廣富,王飛雪

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410073)

針對近日媒體廣泛報(bào)道的“美國測試超大范圍GPS干擾技術(shù)”事件,論文根據(jù)禁航通告中公布的受影響范圍,通過對壓制干擾的干擾容限、干擾發(fā)射功率與作用距離的深入分析,認(rèn)為美軍在此次實(shí)驗(yàn)使用千瓦量級(jí)的干擾發(fā)射功率即可完成對半徑幾百公里范圍內(nèi)的GPS接收機(jī)完成干擾,其根本原因在于GPS信號(hào)太過微弱,這也進(jìn)一步說明了GPS系統(tǒng)的脆弱性。同時(shí),本文認(rèn)為當(dāng)接收機(jī)采取抗干擾措施后,大范圍干擾GPS接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)代價(jià)將非常巨大。

GPS；壓制干擾；超大范圍；可行性分析

0　引　言

2016年6月4日美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)發(fā)出了編號(hào)為CHLK GPS 16-08的禁航通告[1]。通告指出,美軍將分別在6月9日、21日、23日、28日和30日進(jìn)行GPS干擾測試,在測試進(jìn)行時(shí)期,以“中國湖”(China Lake, California)基地為中心,在468 km范圍內(nèi),海拔15 m高度的GPS信號(hào)將不可靠;在630 km范圍內(nèi),海拔1 219 m高度的GPS信號(hào)將不可靠;而在694 km范圍內(nèi),海拔3048 m高度的GPS信號(hào)將不可靠,這一通告其影響的商業(yè)航空空域分別為如圖1所示。

圖1　干擾測試影響的航空空域范圍示意圖

英國媒體于6月7日發(fā)文報(bào)道了此事件[2],當(dāng)日,在面對美國媒體的采訪時(shí),美國安全運(yùn)行系統(tǒng)(SOS)咨詢公司總裁約翰考克斯的稱:測試以位于加利福尼亞州中國湖的海軍空戰(zhàn)中心武器部為中心,會(huì)影響距離基地?cái)?shù)百米范圍內(nèi)離地高度至少15 m至近885 km遠(yuǎn)海拔高度約12 km的飛機(jī)。受影響的區(qū)域是一個(gè)倒置的夾心蛋糕形狀(垂直剖面圖如圖2所示),包括測試范圍內(nèi)的多個(gè)州都將受到影響[3]。從該咨詢公司的網(wǎng)站首頁上,可以發(fā)現(xiàn)該單位是位于華盛頓特區(qū)的一家致力于為航空公司提供更安全、更低成本和更高質(zhì)量服務(wù)的企業(yè),應(yīng)該屬于干擾測試實(shí)驗(yàn)之外的獨(dú)立第三方。

圖2　干擾測試影響的航空空域垂直剖面圖

6月8日,美國媒體報(bào)道軍方相關(guān)部門又宣布該測試取消,取消原因或因干擾范圍過大嚴(yán)重影響商用秩序[4]。然而,美軍自身對取消測試的原因并未發(fā)表任何官方聲明。美國一位接近軍方消息的人士在其博客中指出,干擾測試實(shí)驗(yàn)取消是因?yàn)閮?nèi)部原因。

6月13日,國內(nèi)媒體首次以《美國秘密測試超大范圍干擾GPS技術(shù),可覆蓋半個(gè)南?！窞轭}撰文對此事件進(jìn)行報(bào)道[5-6]。

1　超大范圍GPS干擾技術(shù)的可行性分析

媒體認(rèn)為這次測試不同尋常,因?yàn)槠溆绊懛秶艽?半徑超過700 km,在報(bào)道中也使用了“超大范圍”來吸引眼球。從技術(shù)層面對“超大范圍”GPS干擾技術(shù)的可行性進(jìn)行分析。

從干擾類別來看,干擾可以分為欺騙干擾和壓制干擾兩類,對目標(biāo)成功實(shí)施欺騙一般需要已知目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此欺騙干擾主要針對特定的點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施。從禁航通告來看,受干擾影響的空域覆蓋半徑超過700 km,因此基本可以排除欺騙干擾的可能性。壓制干擾的影響是把接收機(jī)無干擾時(shí)的載噪比降低到一個(gè)更低值,若將干擾的效果等效成白噪聲,此時(shí)的載噪比也即為等效載噪比。隨著載噪比的降低,信號(hào)捕獲、載波和偽碼跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)將惡化,直至接收機(jī)喪失定位功能。對接收機(jī)的干擾容限和干擾發(fā)射功率與作用距離的關(guān)系對超大范圍GPS干擾技術(shù)的可行性進(jìn)行分析。

1) 干擾容限

首先分析接收機(jī)的干擾容限,即接收機(jī)可容忍的干擾功率。接收機(jī)的捕獲靈敏度與跟蹤靈敏度存在差異,因此兩個(gè)環(huán)節(jié)的干擾容限也有所不同,接收機(jī)跟蹤環(huán)節(jié)的干擾容限通常高于捕獲環(huán)節(jié)的干擾容限。這里以跟蹤環(huán)節(jié)的干擾容限來分析,給定接收機(jī)的跟蹤門限(Cs/N0)eff,dB,可算出對應(yīng)的干擾功率,以干信比的形式可表示為

(1)

式中: Q為干擾的品質(zhì)因數(shù),與干擾的類型有關(guān); Rc為偽碼速率; (Cs/N0)dB為接收機(jī)在無干擾時(shí)的載噪比。

表1示出了接收機(jī)跟蹤門限為28 dBHz時(shí),使接收機(jī)失鎖需要的干擾強(qiáng)度,其中對于三種干擾,均假設(shè)接收天線在干擾方向的增益為-3 dB(考慮干擾從低仰角入射),接收機(jī)處理損耗為2 dB,噪聲系數(shù)為4.3 dB.從表中可以看到,當(dāng)干擾為寬帶高斯白噪聲時(shí),使C/A碼接收機(jī)失鎖需要的干信比約為40 dB,而使P碼接收機(jī)失鎖需要的干信比約為50 dB.

表1　跟蹤門限為28 dBHz時(shí)使接收機(jī)失鎖需要的干擾強(qiáng)度

2) 干擾發(fā)射功率與作用距離

通常,計(jì)算干擾源的作用范圍要求給出干擾源的等效各向同性輻射功率(EIRP),干擾的EIRP等于干擾源發(fā)送至其天線的功率與發(fā)射天線的增益之和,為便于計(jì)算,這里假設(shè)發(fā)射天線為增益為零的全向天線,則干擾發(fā)射功率等于EIRP。若將干擾源與接收機(jī)之間的傳播損耗建模為自由空間傳播損耗,則干擾源離接收機(jī)之間的距離與接收機(jī)處的干信比的關(guān)系可表示為

(J/S)dB=(Jt)dB-(Lp)dB-(Cs)dB

(2)

式中: (Jt)dB為干擾發(fā)射功率; (Lp)dB為自由空間傳播損耗; d為干擾源與接收機(jī)之間的距離; λ為干擾的波長; Cs為接收機(jī)處的信號(hào)功率;一般可按-160dBW計(jì)算。

圖3示出了干擾強(qiáng)度與干擾作用距離的關(guān)系,其中干擾類型為寬帶高斯白噪聲干擾,從圖中可以看到,發(fā)射功率為1 W的干擾源可以干擾5 km范圍內(nèi)的軍用接收機(jī)和15 km范圍內(nèi)的民碼接收機(jī)。

值得注意的是,上述結(jié)果是在假設(shè)干擾發(fā)射天線為增益為零的全向天線的前提下得到的,實(shí)際上干擾發(fā)射天線可能采用窄波束定向天線,在波束方向增益大于零。表2示出了干擾發(fā)射天線增益與干擾作用距離的關(guān)系,基本的結(jié)論是干擾發(fā)射天線增益每增加6 dB,干擾作用距離增加一倍。不失一般性,后續(xù)的分析仍將按照發(fā)射天線增益為零來進(jìn)行。

圖3　干擾強(qiáng)度與干擾作用距離的關(guān)系

干擾發(fā)射天線增益/dB干擾作用距離/kmGPS民碼接收機(jī)GPS軍碼接收機(jī)015563010104716126020

圖4進(jìn)一步示出了干擾作用距離與所需的干擾發(fā)射功率,從圖中可以看到,要干擾700 km范圍內(nèi)的民碼接收機(jī),所需的干擾發(fā)射功率為33 dBW,也即約2 kW,而要干擾700 km范圍內(nèi)的軍用接收機(jī),所需的干擾功率為43 dBW,也即約20 kW.而這種功率量級(jí)的干擾在工程實(shí)施上的門檻并不高。千瓦量級(jí)的干擾發(fā)射功率即可干擾幾百公里范圍內(nèi)的GPS接收機(jī),這更多的歸因于GPS信號(hào)太過微弱,也進(jìn)一步說明了GPS系統(tǒng)的脆弱性。

圖4　干擾作用距離與所需的干擾發(fā)射功率

2　壓制干擾的有效的應(yīng)對措施

值得注意的是,上述分析是針對沒有任何抗干擾措施的GPS接收機(jī)而言的。采用天線陣抗干擾技術(shù)是目前接收端最為有效的對抗壓制干擾的手段,目前國內(nèi)抗干擾天線的性能與美軍的水平差距不大,單干擾條件下,干擾抑制能力用干信比衡量為90 dB左右,也就是說相比無干擾措施時(shí)的干擾容限(民碼為40 dB,軍碼為50 dB),抗干擾天線提供了40 dB的額外保護(hù)(對民碼是50 dB的額外保護(hù))。

圖5示出了采取抗干擾措施前后的干擾的影響范圍,其中干擾發(fā)射功率為20 kW,信號(hào)為P碼信號(hào)。從圖中可以看到,在無干擾措施時(shí),發(fā)射功率為20 kW的干擾可使700 km范圍內(nèi)的軍用GPS接收機(jī)失鎖。而采取抗干擾措施后,當(dāng)干擾抑制能力為90 dB時(shí),干擾的影響范圍縮小到了7 km.

圖5　采取抗干擾措施前后干擾的影響范圍

當(dāng)接收機(jī)采取抗干擾措施后,大范圍干擾GPS接收機(jī)還是否可行呢?針對這一問題進(jìn)行簡單的核算。假設(shè)采用天線陣抗干擾處理后,接收機(jī)的抗干擾能力用干信比衡量為90 dB,那么要干擾700 km范圍內(nèi)的軍用接收機(jī),所需的干擾發(fā)射功率為200 MW,這樣大的功率若需持續(xù),恐怕需要一臺(tái)中型水電站單獨(dú)供電。

3　存在的疑點(diǎn)

從目前公開的資料來看,該GPS干擾測試實(shí)驗(yàn)存在的主要疑點(diǎn)是受影響區(qū)域的形狀。根據(jù)禁航通告發(fā)布的GPS信號(hào)影響區(qū)域及報(bào)道[3],受影響的區(qū)域呈倒扣的夾心蛋糕狀。根據(jù)自由空間傳播模型,有效干擾區(qū)域應(yīng)為以干擾源為球心的球體。之所以形成倒置夾心蛋糕的有效干擾區(qū)域形狀,很可能是因?yàn)槎鄠€(gè)以“中國湖”為中心干擾源協(xié)同工作形成。

針對這個(gè)疑點(diǎn),進(jìn)一步對美軍以往的GPS干擾測試(每次測試都在不同的地點(diǎn))對應(yīng)的禁航通告給出的受影響區(qū)域進(jìn)行了整理,其結(jié)果如表3所示。

表3　以往禁航通過給出的受影響區(qū)域

從表中可以看到,所有禁航通告給出的受影響區(qū)域均是在幾個(gè)固定的高度給出相應(yīng)的影響范圍,并且每個(gè)禁航通告在同一高度上對應(yīng)的影響范圍均不一樣,這從干擾強(qiáng)度的角度很難解釋。因此,有可能禁航通告給出的受影響范圍并不是嚴(yán)格按照干擾強(qiáng)度進(jìn)行核算得到的。

4　結(jié)束語

通過對禁航通告中公布的受影響范圍進(jìn)行分析,本文認(rèn)為美軍在此次實(shí)驗(yàn)使用千瓦量級(jí)的干擾發(fā)射功率即可完成對半徑幾百公里范圍內(nèi)的GPS接收機(jī)完成干擾,其根本原因在于GPS信號(hào)太過微弱,這也進(jìn)一步說明了GPS系統(tǒng)的脆弱性。同時(shí),本文認(rèn)為當(dāng)接收機(jī)采取抗干擾措施后,大范圍干擾GPS接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)代價(jià)將非常巨大。

[1]FAA. Flight advisory GPS interference testing CHLK GPS[R].2016.

[2]THOMSON L. US military tests massive GPS jamming weapon over California[EB/OL]. 2016-06-07. http://www.theregister.co.uk/2016/06/07/us-military-testing-gps-jamming/.

[3]FAA.Military testing could leave GPS unreliable for pilots across West in June[EB/OL]. 2016-06-04. https://www.faasafety.gov/files/notices/2016/Jun/CHLK-16-08-GPS-Flight-Advisory.pdf.

[4]TENNYSON E A. Navy cancels planned GPS outage in southern California. [EB/OL].2016-07-08.https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/2016/june/08/navy-cancels-planned-gps-outage-in-southern-california/ .

[5]BRAJKOVIC V. Navy cancels GPS outage that could impact flights in California. [EB/OL]. 2016-06-13.http://www.aviationpros.com/blog/12220112/navy-cancels-gps-outage-that-could-impact-flights-in-california/.

[6]堵開源.媒體:美國秘密測試超大范圍干擾GPS技術(shù) 可覆蓋半個(gè)南海[OB/EL].2016-06-13. https://www.guancha.cn/.

Feasibility Analysis on US Military Tests Massive GPS Jamming Weapon over California

WAN Youda,CHEN Feiqiang,NIE Junwei,SUN Guangfu,WANG Feixue

(SchoolofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

According to the incident that US military tests massive GPS jamming weapon over California, this paper makes feasibility analysis from the perspective of jamming tolerance and the relationship between the transmit power and the working distance. Simulation results show that the jamming source with KW power can make the GPS receivers jammed within the radius of several kilo meters. In this paper, we conclude the feasibility of the super-large scale jamming to the vulnerability of GPS signal. Simultaneously, we also consider that the price of implementing super-large scale jamming will be super expensive on the condition of the receivers taking anti-jamming measure accordingly.

GPS; jamming; super-large scale; feasibility analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.008

2016-07-03

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0035-05

萬有達(dá)(1992-),男,江蘇無錫人,碩士生,主要研究方向?yàn)镚NSS干擾與抗干擾。

陳飛強(qiáng)(1988-),男,湖南益陽人,博士生,主要研究方向?yàn)镚NSS抗干擾。

聶俊偉(1983-),男,山西忻州人,博士,講師,主要研究方向?yàn)镚NSS抗干擾。

孫廣富(1970-),男,黑龍江巴彥人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收技術(shù)。

王飛雪(1971-),男,福建長汀人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收、處理和抗干擾技術(shù)。

聯(lián)系人： 萬有達(dá) E-mail: milk_da@qq.com