馬海寧，潘顏楠，孫 志

（中國人民解放軍31638部隊(duì)，云南 昆明 650000）

20世紀(jì)90年代，美軍首次提出了“導(dǎo)航戰(zhàn)”的概念之后，各國軍方相繼展開對導(dǎo)航戰(zhàn)的應(yīng)用研究。在近期的亞阿戰(zhàn)爭中，阿塞拜疆使用了TB-2無人機(jī)對亞美尼亞的裝甲部隊(duì)進(jìn)行了針對性打擊，這再次提高了各方對導(dǎo)航戰(zhàn)的關(guān)注程度，尤其是無人機(jī)的欺騙干擾技術(shù)正逐漸成為導(dǎo)航戰(zhàn)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對象之一［1］。

1 前言

欺騙干擾技術(shù)包括轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)和生成式欺騙干擾技術(shù)兩種。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)是將干擾對象所接收的導(dǎo)航信號進(jìn)行延遲后轉(zhuǎn)發(fā)。生成式干擾技術(shù)是指干擾源自身生成虛假的導(dǎo)航信號對目標(biāo)進(jìn)行干擾。根據(jù)所生成欺騙信號是否與真實(shí)信號同步，生成干擾技術(shù)可以分為同步式生成欺騙干擾技術(shù)和異步式生成欺騙干擾技術(shù)［2-4］。目前在軍事方面，應(yīng)用較多的是異步生成式欺騙干擾技術(shù)，該技術(shù)主要通過以下兩步實(shí)現(xiàn)。

Step1：利用壓制阻斷干擾裝置對敵方導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行攻擊，迫使該導(dǎo)航設(shè)備上的接收機(jī)重新進(jìn)入搜索狀態(tài)；

Step2：在敵方導(dǎo)航設(shè)備接收機(jī)進(jìn)入重新搜索階段時(shí)，干擾源釋放欺騙導(dǎo)航信號，達(dá)到欺騙干擾目的。

采用該技術(shù)對導(dǎo)航設(shè)備實(shí)施欺騙干擾時(shí)，需要對真實(shí)的導(dǎo)航信號進(jìn)行壓制，所以，易被敵方接收機(jī)察覺［5-7］。同步式欺騙干擾技術(shù)無需進(jìn)行壓制干擾，通過釋放欺騙信號，誘導(dǎo)目標(biāo)逐步偏離真實(shí)信號，從而達(dá)到誘騙的目的。

在國內(nèi)外公開的文獻(xiàn)中，對轉(zhuǎn)發(fā)式和異步生成式欺騙干擾技術(shù)的研究較多。楊景署等人通過對不同支路的衛(wèi)星信號進(jìn)行時(shí)延處理，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的欺騙干擾，但沒有對時(shí)延取值的相關(guān)約束條件進(jìn)行研究；劉天慶等人給出了轉(zhuǎn)發(fā)式時(shí)延控制算法模型和縮小鐘差變化的方法；張會鎖等人通過改變不同衛(wèi)星信號的多普勒頻移和信號延遲對目標(biāo)的定位和行動軌跡進(jìn)行干擾［8］；何亮等人對異步生成式欺騙干擾的方法策略進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)［9］。但迄今為止，學(xué)術(shù)界對同步生成式欺騙干擾技術(shù)的研究還僅僅停留在理論分析階段［10-12］，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐和相關(guān)測試驗(yàn)證［13］。

本文的主要思路是：通過干擾源模擬真實(shí)的導(dǎo)航信號，在接收機(jī)不被察覺的前提下接收欺騙信號，而后干擾源逐步改變所模擬導(dǎo)航信號的相關(guān)參數(shù)，引導(dǎo)干擾對象逐步脫離真實(shí)導(dǎo)航信號。整個(gè)干擾過程都不會被敵方接收機(jī)察覺，但技術(shù)難度較大，目前僅僅停留在理論研究階段，沒有成熟的技術(shù)可以借鑒遵循。本文建立了欺騙信號模型，給出了相應(yīng)欺騙方法，利用DSP（Digital Signal Process）芯 片 和 FPGA （Field Programmable Gate Array）構(gòu)建小型欺騙干擾源，對民用接收機(jī)和無人機(jī)進(jìn)行干擾，效果較好。

2 信號同步

干擾源根據(jù)自身所接收的真實(shí)衛(wèi)星信號，推算出干擾對象所接收到的真實(shí)信號的強(qiáng)度、碼相位和載波頻率，然后生成欺騙信號，使得欺騙信號與真實(shí)信號到達(dá)干擾對象時(shí)保持同步。

2.1 欺騙信號模型的建立

某時(shí)刻t，干擾源所發(fā)出的信號可以表示為［14-15］

2.2 信號強(qiáng)度計(jì)算

如圖1所示，rjs表示衛(wèi)星j到干擾源的距離，rju表示衛(wèi)星到干擾對象的距離，rsu表示干擾源到干擾對象的距離。其中，rjs、rju數(shù)值相近，且遠(yuǎn)大于rsu，因此，干擾源所接收到的衛(wèi)星信號強(qiáng)度與干擾對象所接收的衛(wèi)星信號強(qiáng)度相似。

圖1 信號強(qiáng)度計(jì)算示意圖

在t時(shí)刻干擾源模擬衛(wèi)星j發(fā)出的導(dǎo)航信號強(qiáng)度可用如下公式表示：

2.3 碼相位延遲計(jì)算

在t時(shí)刻干擾源模擬衛(wèi)星j導(dǎo)航信號的碼相位延遲可用如下公式表示：

在初始狀態(tài)，干擾對象接收的欺騙信號與真實(shí)導(dǎo)航信號的相位應(yīng)當(dāng)一致，這樣才不容易被敵方接收機(jī)發(fā)覺，因此，必須對欺騙信號的初始狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格控制，也就是必須精確控制欺騙信號的發(fā)出時(shí)刻，使其到達(dá)干擾對象時(shí)的相位與真實(shí)導(dǎo)航信息相位一致。

2.4 載波多普勒計(jì)算

在t時(shí)刻干擾源模擬衛(wèi)星j所產(chǎn)生欺騙信號的載頻多普勒可用下列公式進(jìn)行表示：

2.5 信號同步方法

本文采取一種本地授時(shí)型接收機(jī)，該接收機(jī)可以提供滿足要求基準(zhǔn)時(shí)鐘和1PPS信號（1PPS表示秒脈沖）。具體步驟如下：

Step1：干擾源可以通過本地授時(shí)型接收機(jī)讀取衛(wèi)星時(shí)刻；

Step2：干擾源將1PPS信號、10 MHz時(shí)鐘作為FPGA的數(shù)字信號合成和射頻Agent信號輸出的時(shí)基和時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的同步；

Step3：根據(jù)2.1—2.4的相關(guān)知識，計(jì)算欺騙信號的相關(guān)參數(shù)；

Step4：通過DDS技術(shù)控制欺騙信號的狀態(tài)；

Step5：通過DDS中的FPGA進(jìn)行多級調(diào)整，以此來模擬衛(wèi)星與干擾對象之間的多普勒變化。

通過上述方法來保證欺騙信號與真實(shí)信號同步。

3 誘騙方法

為避免干擾源發(fā)出的欺騙信號被干擾對象的接收機(jī)識別，本文將整個(gè)誘騙過程分成兩步來實(shí)施［16］。

Step1：同步適應(yīng)

如圖2所示，在同步適應(yīng)階段，欺騙信號的強(qiáng)度低于真實(shí)信號的強(qiáng)度，也就是說ΔPj（t）＜0；初始相位誤差與多普勒頻移誤差要保證在一定范圍內(nèi)，欺騙位置與干擾對象的真實(shí)位置要一致，即Δτj（t）＝0、Δfj d（t）＝0。隨后，逐步擴(kuò)大ΔPj（t），使得欺騙信號的強(qiáng)度大于真實(shí)信號的強(qiáng)度，并逐步取代真實(shí)信號，取得對干擾對象的控制權(quán)。

圖2 欺騙信號誘騙方法示意圖

欺騙對象在取代真實(shí)信號的過程中，極易被接收機(jī)察覺，因此，必須準(zhǔn)確控制欺騙信號增大速率，確保整個(gè)過程平穩(wěn)而緩慢。

Step2：動態(tài)調(diào)整

當(dāng)前，市場上的GPS接收機(jī)多采用3階及以下的PLL，此時(shí)若以某一恒定的速度發(fā)生突變會導(dǎo)致欺騙信號發(fā)生多普勒效應(yīng)［15］，極易被接收機(jī)察覺。本文采用初速度為0的勻加速調(diào)整策略，當(dāng)速度達(dá)到某一固定值后不再變化，即

式中，vmax為所設(shè)定的最大值，a為加速度，a取決于接收機(jī)PLL的噪聲帶寬和更新頻率。在動態(tài)調(diào)整階段，若vmax和a增大，則必須相應(yīng)地增大欺騙信號的強(qiáng)度，因此vmax和a不宜設(shè)置得過大。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 干擾源總體設(shè)計(jì)

參考現(xiàn)有的異步生成式欺騙干擾源，按照我們所建立的信號模型搭建欺騙干擾源，該干擾源包括四個(gè)模塊：接收Agent、信號處理Agent、上變頻及射頻調(diào)理Agent、主控Agent。設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

圖3 欺騙干擾源組成框圖

各個(gè)Agent的詳細(xì)介紹如下：信號處理Agent是整個(gè)干擾源的核心組成部分，采取的是DSP＋FPGA架構(gòu)，主要任務(wù)是對接收Agent傳遞的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成欺騙信號，通過上變頻及射頻調(diào)理Agent，以及發(fā)射天線發(fā)送欺騙信號；接收Agent是以某授時(shí)型接收機(jī)為基礎(chǔ)，將干擾源系統(tǒng)時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行同步處理，并將時(shí)間信息、導(dǎo)航信息、位置信息等相關(guān)參數(shù)傳輸給信號處理Agent；上變頻及射頻調(diào)理Agent完成信號調(diào)理，并將中頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯项l信號；上位機(jī)主控Agent實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并控制系統(tǒng)中其他組件之間的數(shù)據(jù)交換等，目標(biāo)偵測系統(tǒng)的主要任務(wù)是對干擾對象的位置速度等運(yùn)動信息進(jìn)行分析，并將其傳遞給上位機(jī)主控Agent。

4.2 進(jìn)行干擾試驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文所述方法的合理性，本文分別使用某民用接收機(jī)和某型大疆無人機(jī)進(jìn)行測試。

4.2.1 民用接收機(jī)的干擾實(shí)驗(yàn)

在對民用接收機(jī)進(jìn)行干擾之前，首先設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，然后釋放干擾信號，觀察接收機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析干擾效果。

1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)置

①同步適應(yīng)階段

干擾源所設(shè)定的初始位置與接收機(jī)的真實(shí)位置pu（t＋τsu）一致，接收機(jī)的初始速度與加速度均為0。開始時(shí)，欺騙信號強(qiáng)度小于真實(shí)信號的強(qiáng)度，欺騙信號以2 dB／s的速度增強(qiáng)8 s。

②動態(tài)調(diào)整階段

欺騙信號強(qiáng)度達(dá)到峰值之后不再改變，調(diào)整欺騙信號所仿真的導(dǎo)航信息，在ECEF（Earth-Centered Earth-Fixed）坐標(biāo)系下，x軸向上的加速度為0.2 m／s2，vmax為3.8 m／s，y軸、z軸向速度均為0。

2）時(shí)間同步檢驗(yàn)

在同步適應(yīng)階段，需要對欺騙信號和真實(shí)信號進(jìn)行時(shí)間同步測試，具體方法如下：

Step1：使用兩臺接收機(jī)分別接收欺騙信號和真實(shí)信號，并輸入兩個(gè)信號的秒脈沖；

Step2：使用示波器對兩個(gè)秒脈沖的對齊精度進(jìn)行測試［17］。

本文所使用的接收機(jī)的型號為NovAtel OEM615，示波器的型號為TDS3052B，經(jīng)過多次檢驗(yàn)，真實(shí)信號與欺騙信號的秒脈沖對齊誤差始終小于100 ns，這表明欺騙信號與真實(shí)信號可以保持時(shí)機(jī)同步。

3）欺騙信號強(qiáng)度變化對接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響

當(dāng)熱噪聲背景恒定的情況下，可以使用射頻信號的載噪比來體現(xiàn)所接收信號的強(qiáng)度［18］。因此，在同步適應(yīng)階段，可以通過測試接收機(jī)接收信號載噪比的變化情況來研究欺騙信號強(qiáng)度變化對接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響。具體方法如下：

Step1：接收機(jī)的射頻輸入端同時(shí)連接可接收衛(wèi)星信號的天線與干擾源的輸出端；

Step2：關(guān)閉干擾源，讓接收機(jī)只接收真實(shí)的衛(wèi)星信號，直至接收機(jī)輸出真實(shí)位置信息。

Step3：開啟干擾源，逐步增大欺騙信號的強(qiáng)度，觀察接收機(jī)所記錄的可見星的信噪比變化。

本文所采用的接收機(jī)的型號為W220，開啟干擾源后，從第5 s開始，欺騙信號的強(qiáng)度以2 dB／s的速度持續(xù)增加8 s，接收機(jī)所記錄的可見星為PRN8、PRN21、PRN26。其信噪比變化如圖4所示。

圖4 載噪比測試結(jié)果

以可見星PRN8為例，由圖4可以看出，在1～4 s時(shí)，欺騙信號強(qiáng)度低于真實(shí)信號強(qiáng)度，PRN8的載噪比小于43 dB·Hz；在第5 s時(shí)，欺騙信號的強(qiáng)度開始增加，但仍然小于真實(shí)信號強(qiáng)度，此時(shí)接收機(jī)接收到的PRN8的載噪比沒有明顯變化，在第7 s時(shí)，接收機(jī)接收到的PRN8的載噪比明顯增大，此時(shí)欺騙信號強(qiáng)度大于真實(shí)信號強(qiáng)度，并在接收機(jī)內(nèi)部占據(jù)主導(dǎo)地位，開始控制接收機(jī)內(nèi)部的跟蹤環(huán)路。

4）定位測速干擾實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)置保持不斷，從第30 s開始，調(diào)整所仿真目標(biāo)的速度，x軸向的初速度為0，以0.2 m／s2的加速度持續(xù)19 s，y軸、z軸向速度均為0。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 檢測速度與預(yù)設(shè)速度對比

從圖6可知，仿真目標(biāo)的位置、速度變化與欺騙信號所設(shè)定的位置、速度變化基本一致，說明接收機(jī)所仿真目標(biāo)已經(jīng)成功被誘騙。

圖6 預(yù)設(shè)軌跡與檢測軌跡對比

4.3 民用無人機(jī)的干擾實(shí)驗(yàn)

本節(jié)首先使用干擾源對某型大疆無人機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測試，即無人機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過無人機(jī)自帶的調(diào)參軟件觀測傳感器飛行路徑的變化情況，然后進(jìn)行動態(tài)測試，起飛無人機(jī)，設(shè)定飛行路徑，釋放干擾信號，觀察是否偏離原定的飛行路徑。

1）無人機(jī)靜態(tài)干擾測試

靜態(tài)測試方法與4.2.1節(jié)基本一致。開啟無人機(jī)，使其接收真實(shí)信號，待其輸出穩(wěn)定的位置信息后，釋放干擾信號，通過無人機(jī)自帶的調(diào)參軟件Assistant2來觀察無人機(jī)的定位點(diǎn)偏離原定位點(diǎn)的距離變化情況，如圖7所示。

圖7 無人機(jī)檢測軌跡

從圖7中可以看出，在0～50 s時(shí)，無人機(jī)的定位點(diǎn)與原定位點(diǎn)的距離為0，也就是無人機(jī)的位置未發(fā)生明顯變動，定位一直沒有中斷，從72 s開始，無人機(jī)的定位點(diǎn)發(fā)生明顯變化，說明干擾源開啟之后，無人機(jī)開始鎖定欺騙信號，并輸出相關(guān)定位信息，干擾成功。

2）無人機(jī)動態(tài)干擾測試

為檢驗(yàn)本文所述方法的合理性，我們?nèi)砸阅承痛蠼疅o人機(jī)作為干擾對象，在昆明某實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行干擾試驗(yàn)，所需設(shè)備及相關(guān)場地如圖8a）所示。設(shè)定無人機(jī)從A點(diǎn)沿直線勻速飛行至D點(diǎn)，飛行速度為0.5 m／s。無人機(jī)從A點(diǎn)出發(fā)時(shí)，釋放低強(qiáng)度的欺騙信號，可以觀察無人機(jī)繼續(xù)沿預(yù)定的飛行路徑飛行至B點(diǎn)，如圖8b）所示。當(dāng)無人機(jī)飛出5 s之后，開始增加欺騙信號的強(qiáng)度，每秒增加1 dB，持續(xù)10 s。第15 s時(shí)，無人機(jī)飛行至C點(diǎn)，如圖8c）所示，可以觀察到無人機(jī)仍然沿既定路線飛行，不過此時(shí)欺騙信號已經(jīng)進(jìn)入接收機(jī)內(nèi)部，相對于真實(shí)信號已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。此時(shí)，干擾源改變欺騙信號（誘騙向東北方向偏離預(yù)定飛行路徑），持續(xù)時(shí)間為5 s，可以觀察到干擾對象偏離原飛行路徑飛行至E點(diǎn)，如圖6d）所示，說明干擾成功。

圖8 干擾實(shí)驗(yàn)組圖

5 結(jié)束語

本文建立了衛(wèi)星導(dǎo)航干擾信號模型，給出了相關(guān)信號參數(shù)的計(jì)算方法，以及誘騙過程中的欺騙信號調(diào)整策略。通過民用接收機(jī)和無人機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，在無須壓制干擾的情況下，就可以對干擾對象進(jìn)行誘騙，驗(yàn)證了本文所述方法的可行性。但是，現(xiàn)代高科技尖端武器裝備往往采用多種導(dǎo)航方式，如慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等，即使我們對其衛(wèi)星導(dǎo)航信號干擾之后，仍存在其他導(dǎo)航途徑，這就要求我們必須根據(jù)不同的導(dǎo)航設(shè)備設(shè)計(jì)不同的干擾策略，且多數(shù)軍用固定翼無人機(jī)的接收機(jī)具有抗干擾能力，若要對其進(jìn)行欺騙干擾，還需要我們進(jìn)一步了解其抗干擾原理，然后進(jìn)行針對性制定策略，這些都是下一步的研究重點(diǎn)。