王曉宇，吳舜曉,2，王亞鋒，鄭 晨

一種基于陣列天線的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾檢測與抑制方法

王曉宇1，吳舜曉1,2，王亞鋒1，鄭 晨1

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 空軍研究院通信導(dǎo)航所，北京 100085）

提出了一種基于陣列天線的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾檢測與抑制方法。利用真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號從上半球空間多個方向入射到陣列天線而欺騙干擾信號則是從同一方向入射到陣列天線的差異性進(jìn)行干擾檢測判決。首先，對陣列天線每個陣元單元通道接收信號進(jìn)行多顆衛(wèi)星并行解擴(kuò)從處理；其次，利用解擴(kuò)后的陣列數(shù)據(jù)對每顆衛(wèi)星進(jìn)行方位估計；再次，根據(jù)估計衛(wèi)星來向數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行干擾檢測判決；最后，在判決存在欺騙干擾時利用欺騙干擾的方向信息重構(gòu)協(xié)方差矩陣，采用自適應(yīng)調(diào)零算法對欺騙干擾進(jìn)行抑制。通過計算機(jī)仿真試驗對所提方法的正確性和有效性進(jìn)行了驗證。

陣列天線；GNSS；欺騙干擾；檢測

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）可以為用戶提供全天時、全天候、連續(xù)實時的三維定位、測速和授時（Position，Velocity and Time，PVT）服務(wù)，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從開始的軍事領(lǐng)域全面推廣到民用領(lǐng)域[1]。然而由于GNSS信號到達(dá)地球表面的功率極其微弱，平均功率約為-160 dBW[2]，極易受到干擾的影響。欺騙干擾的原理是通過欺騙干擾器發(fā)射與真實GNSS導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)完全相同的虛假信號，誘使目標(biāo)接收機(jī)解算出錯誤的PVT結(jié)果。相對于壓制式干擾，欺騙干擾的破壞性更強(qiáng)，因為其可以在目標(biāo)GNSS接收機(jī)毫無警覺的情況下為用戶提供錯誤的導(dǎo)航解決方案。軍用方面，欺騙干擾可以降低制導(dǎo)武器的打擊精度，影響部隊機(jī)動；民用方面，欺騙干擾可以擾亂電網(wǎng)、基礎(chǔ)通信和金融等設(shè)施的時間同步，造成系統(tǒng)癱瘓，影響社會穩(wěn)定。另外，欺騙干擾技術(shù)若被恐怖分子掌握，則為其針對航空器等實施恐怖襲擊提供了一種可能。因此，對于GNSS欺騙干擾的檢測告警以及抑制技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外導(dǎo)航對抗領(lǐng)域的研究熱點和難點之一。

欺騙干擾按信號的產(chǎn)生方式可以分為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙和生成式欺騙兩類[1-4]。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾由轉(zhuǎn)發(fā)模擬器直接接收真實GNSS導(dǎo)航信號，經(jīng)過時延處理和功率調(diào)整后經(jīng)過發(fā)射天線轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)接收機(jī)。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾適用于干擾偽碼和電文不公開的軍碼導(dǎo)航接收機(jī)。若產(chǎn)生對應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)模擬器接收天線處坐標(biāo)的欺騙干擾信號，則轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾器的結(jié)構(gòu)較為簡單。但是若要產(chǎn)生對應(yīng)于運動軌跡的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號，則需要采用數(shù)字波束提純[5]和高精度時延、多普勒控制技術(shù)，此時轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾器的結(jié)構(gòu)和成本將大幅增加。生成式欺騙干擾按其實現(xiàn)復(fù)雜度和和被檢測難度可以分為初級、中級和高級三類[3]。初級欺騙干擾器既不接收真實GNSS信號也不考慮時間同步問題，極易被目前的干擾檢測算法[6-9]識別并隔離抑制。中級欺騙干擾器不僅需要接收真實GNSS信號而且需要盡量與真實GNSS信號保持時間同步。中級欺騙干擾可以實現(xiàn)在目標(biāo)接收機(jī)毫無察覺的情況下使其解算出錯誤的PVT結(jié)果，對其檢測難度非常大。高級欺騙干擾等效于多套中級欺騙干擾的分布式協(xié)同工作狀態(tài)，不僅需要考慮每個節(jié)點與真實GNSS信號的同步，還需要考慮衛(wèi)星星座分布情況，高級欺騙干擾可以有效欺騙基于天線陣列處理反欺騙系統(tǒng)。但是，由于高級欺騙干擾的工程實現(xiàn)難度以及造價成本極高，因此目前只存在于理論階段。

生成式欺騙干擾按被目標(biāo)接收機(jī)跟蹤環(huán)路鎖定是否失鎖分為軟欺騙和硬欺騙兩類[10]。軟欺騙干擾器在初始切入目標(biāo)接收機(jī)的跟蹤環(huán)路時與真實衛(wèi)星信號對齊，然后以一定速度向一個方向逐漸剝離真實衛(wèi)星信號參數(shù)，從而實現(xiàn)誘騙目標(biāo)接收機(jī)的目的，此時欺騙信號功率只需比真實衛(wèi)星信號功率高5 dB以上即可。然而，要實現(xiàn)軟欺騙需要對目標(biāo)接收機(jī)的位置進(jìn)行實時精確測量，實現(xiàn)難度和造價成本較大。相比軟欺騙，硬欺騙信號功率稍大，利用擴(kuò)頻碼的同址干擾特性先使目標(biāo)接收機(jī)跟蹤環(huán)路失鎖迫使其重新進(jìn)入捕獲階段，目標(biāo)接收機(jī)會大概率捕獲并跟蹤到功率較大的欺騙信號。

對于GNSS欺騙干擾檢測和抑制，國內(nèi)外學(xué)者從接收機(jī)信號層[8,10-12]、信息層[9,13]及陣列天線[14-16]等方面做了大量的研究工作。信號層方面主要有相關(guān)峰個數(shù)檢測法、相關(guān)峰質(zhì)量檢測法、載噪比檢測法、偽距變化率檢測法和碼相位一致性檢測法等；信息層檢測方面主要有可見星檢測法、導(dǎo)航電文檢測法、定位測速結(jié)果檢測法和接收機(jī)自主完整性監(jiān)測（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM）法等；陣列天線方面主要有信號強(qiáng)度檢測法和波達(dá)方向（Direction of Arrival，DOA）檢測法等。信號層、信息層方面的檢測算法在欺騙干擾信號功率不足以淹沒真實GNSS信號的情況下具有較好的檢測性能，但面對功率靈活可控的中級欺騙干擾其檢測性能將急劇下降。

本文提出了一種基于陣列天線的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾檢測與抑制方法，利用真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號從上半球空間多個方向入射到陣列天線而欺騙干擾信號則是從同一方向入射到陣列天線的差異性進(jìn)行干擾檢測和抑制，重點解決基于陣列天線的GNSS接收機(jī)對中級欺騙干擾機(jī)產(chǎn)生的欺騙干擾的檢測及抑制問題。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙原理

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如北斗、GPS等播發(fā)的導(dǎo)航信號均采用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的信號體制，從衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號由導(dǎo)航電文、擴(kuò)頻碼和載波三部分構(gòu)成。對于單天線衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端而言，其接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號如式（1）所示：

由于欺騙干擾信號和真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號的結(jié)構(gòu)完全相同，當(dāng)欺騙干擾存在時，單天線衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端接收到的信號如式（3）所示：

軟欺騙時欺騙通常比真實信號大5 dB～10 dB，硬欺騙時則大25 dB以上，軟欺騙時可監(jiān)測到2個相關(guān)峰，硬欺騙時只有1個相關(guān)峰，真實信號相關(guān)峰被淹沒。

2 欺騙干擾檢測算法

2.1 解擴(kuò)后陣列信號測向算法

欺騙干擾多顆衛(wèi)星來自同一方向，且與真實衛(wèi)星信號不一致，因此可以采用陣列天線進(jìn)行信號來向檢測實現(xiàn)欺騙干擾檢測識別，如圖1所示。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號功率遠(yuǎn)低于噪聲，欺騙干擾信號強(qiáng)度也相對較低，需要對信號進(jìn)行解擴(kuò)后進(jìn)行來向檢測。

圖1 真實衛(wèi)星信號和欺騙干擾入射方向示意圖

假設(shè)真實衛(wèi)星與欺騙信號共有＋個，式（6）可簡化如式（7）所示：

對于第路衛(wèi)星或欺騙信號，與本地碼相關(guān)后可表示為：

經(jīng)相關(guān)解擴(kuò)后路信號強(qiáng)度大于噪聲，其他信號弱于或接近噪聲，信源數(shù)量小于陣列陣天線陣元個數(shù)，可用MUSIC算法實現(xiàn)路信號來向檢測。

式（9）寫成矩陣形式為（）=（）+，其協(xié)方差矩陣如式（10）所示：

接收信號的協(xié)方差矩陣為：

即：

定義MUSIC空間譜如式（18）～式（19）所示：

理想條件下，MUSIC算法可以達(dá)到任意精度分辨。但在實際應(yīng)用中有其局限性，在低信噪比的情況下不能分辨出較近的DOA，因此對于衛(wèi)星、欺騙信號，需要解相干、非相干累積后進(jìn)行衛(wèi)星信號來向檢測。

2.2 基于來波方向一致性的欺騙干擾檢測

由式（6）可以看出，欺騙干擾不同衛(wèi)星信號來源于同一方向，且與真實衛(wèi)星信號不一致。利用該特征及2.1節(jié)測向算法可進(jìn)行欺騙干擾檢測。

欺騙干擾檢測的流程如圖2所示。陣列天線接收真實衛(wèi)星信號和欺騙干擾，通過射頻通道將信號放大下變頻，再通過ADC將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后對多個通道分別做捕獲跟蹤處理，同時復(fù)制不同通道的載波和偽碼進(jìn)行載波剝離和信號解擴(kuò)，綜合多通道相關(guān)后的數(shù)據(jù)，采用MUSIC算法進(jìn)行信號來向檢測，測向得到的角度信息通過一致性判斷檢測欺騙干擾。

圖2 欺騙式干擾檢測流程圖

若已知概略位置，真實衛(wèi)星信號解度信號可由星歷計算得到，欺騙干擾與真實信號來波方向不一致；若位置未知，需要進(jìn)行多信號來波方向一致性比對，同一方向入射的多個信號為欺騙干擾信號。

3 欺騙干擾抑制方法

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，考慮到衛(wèi)星信號強(qiáng)度遠(yuǎn)低于噪聲，可采用功率倒置（Power Inversion，PI）算法，以陣列輸出功率最小為最優(yōu)準(zhǔn)則，通過調(diào)節(jié)各個陣元的加權(quán)系數(shù)，使最后抗干擾系統(tǒng)輸出信號功率最小，實現(xiàn)干擾抑制，信干噪比的提高。具體可表示為：

求解式（20）可得最優(yōu)解為：

對于欺騙干擾，干擾強(qiáng)度略強(qiáng)于衛(wèi)星信號，但遠(yuǎn)低于壓制干擾，直接處理難以達(dá)到抑制效果。在2.2節(jié)信號來向檢測的基礎(chǔ)上，提出一種數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣加載重構(gòu)的優(yōu)化波束設(shè)計方法，通過干擾來向信息和陣列布局構(gòu)造“虛擬”干擾信號協(xié)方差矩陣，并加載到陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣上，增大干擾方向入射信號的特征值與熱噪聲特征值的比值，加深陣列天線波束在干擾方向上的零陷深度。

4 計算機(jī)仿真

為了驗證相關(guān)后測向干擾來向檢測性能和欺騙干擾抑制性能，假設(shè)衛(wèi)星、欺騙信號已完成捕獲跟蹤，即信號頻率、碼相位已知，在這種情況下進(jìn)行仿真分析。

假設(shè)視野內(nèi)存在 10 顆導(dǎo)航衛(wèi)星，衛(wèi)星偽隨機(jī)噪聲碼（Pseudo Random Noise Code，PRN）編號為 1～10，導(dǎo)航信號載波頻率為 1 268.52 MHz，帶寬為 20.46 MHz，衛(wèi)星信號到達(dá)接收陣列天線口面的功率電平為-130 dBm，系統(tǒng)熱噪聲功率電平為-100 dBm；欺騙干擾包括衛(wèi)星1～10，信號強(qiáng)度為-110 dBm。衛(wèi)星、欺騙信號相對于接收陣列天線坐標(biāo)系 0°方向的方位角以及相對于水平面的仰角如表1所示。

表1 導(dǎo)航衛(wèi)星方位角和仰角（單位：°）

采用2.1節(jié)算法對衛(wèi)星、欺騙干擾信號進(jìn)行來向檢測，天頂俯視圖如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星、欺騙干擾來向檢測結(jié)果天頂俯視圖

采用第3節(jié)算法對欺騙干擾進(jìn)行抑制，抑制天線方向圖如圖4所示。

圖4 欺騙干擾抑制方向圖

由仿真結(jié)果可以看出，干擾來向檢測結(jié)果與仿真設(shè)置一致，可以有效進(jìn)行欺騙干擾檢測識別；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行欺騙干擾抑制，對于干信比為20 dB干擾抑制效果大于20 dB，可以有效抑制欺騙干擾。

5 結(jié)論

本文利用真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號從上半球空間多個方向入射到陣列天線而欺騙干擾信號則是從同一方向入射到陣列天線的差異性提出了一種欺騙干擾檢測與抑制方法。首先通過對每個陣元通道接收信號進(jìn)行并行解擴(kuò)從處理獲取視野內(nèi)每顆衛(wèi)星信號的載波信號；接下來采用子空間類MUSIC算法對每顆衛(wèi)星信號的入射方向進(jìn)行估計，通過對應(yīng)多顆衛(wèi)星信號入射方向的一致性檢測是否存在欺騙干擾信號；最后，判決存在欺騙干擾信號，則通過入射方位信息重構(gòu)陣列接收信號的協(xié)方差矩陣，采用自適應(yīng)調(diào)零算法在干擾入射方向形成零陷，實現(xiàn)欺騙干擾抑制。通過計算機(jī)仿真試驗驗證了本文所提方法的正確性和有效性。

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Spoofing Interference Detection and Suppression Method Based on Array Antenna for Satellite Navigation

WANG Xiaoyu, WU Shunxiao, WANG Yafeng, ZHENG Chen

An array antenna based spoofing interference detection and suppression method for satellite navigation is proposed. Authentic satellite navigation signals incident to array antenna from multiple directions in upper hemisphere space while spoofing signals incident to array antenna from the same direction are used for interference detection and judgment. Firstly, the signals received by each array element channel are dispreading in parallel. Secondly, the azimuth estimation of each satellite is carried out by using the array data after dispreading. Next, interference detection decisions are made according to the consistency of the estimated satellite data. Finally, the covariance matrix is reconstructed with the direction information of the spoofing interference, and the adaptive nulling algorithm is used to suppress the spoofing interference. The correctness and effectiveness of the proposed method are verified by computer simulation.

Antenna Array; GNSS; Spoofing Interference; Detection

TN967

A

1674-7976-(2022)-03-163-07

2022-04-18。

王曉宇（1983.05—），內(nèi)蒙古興和人，博士，高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾處理。