張啟福，徐世成，王 章，王春雷，常 凱，李 昊

（甘肅酒泉十四支局，甘肅 酒泉 735018）

0 引言

衛(wèi)星導航定位技術以空間衛(wèi)星為基準點，通過無線電信號測距實現(xiàn)地面、海上或空中目標的高精度實時導航、定位和授時，極大地拓展了人類生產(chǎn)、活動空間，為社會發(fā)展帶來了巨大效益。為此，各國都十分重視全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展和應用，目前成熟運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的“北斗”和歐洲的GALILEO。衛(wèi)星導航定位在建設之初就具備軍事屬性，直到現(xiàn)在，其軍事應用一以貫之且不斷加強，發(fā)揮了精確制導、協(xié)同指揮、精準打擊等重要作用?？v觀高技術下的諸多局部戰(zhàn)爭，加裝衛(wèi)星導航定位接收機的武器平臺無不閃亮登場，可謂左右著戰(zhàn)爭的走向。但是近年來，隨著一些人為干擾技術的出現(xiàn)，武器平臺被干擾與欺騙的事件時有發(fā)生，衛(wèi)星導航定位安全與對抗問題備受關注。干擾來自不同強度、不同頻段、不同空間分布上的外部電磁輻射，主要包括自然電磁、裝備電磁、人為干擾等，尤以人為干擾最為嚴重。當前的人為干擾樣式主要有壓制式干擾和欺騙式干擾2種。壓制式是通過發(fā)射大功率的電磁輻射信號，將原本低功率的衛(wèi)星信號進行淹沒，破壞接收機搜索、跟蹤環(huán)節(jié)，致使無法定位［1］。這種方式簡單有效，但是容易暴露，易被反輻射武器定點清除。相比而言，欺騙式干擾是無縫“接管”，主要利用衛(wèi)星信號頻率、結(jié)構(gòu)、參數(shù)等特征，“仿真”真實信號，憑借功率優(yōu)勢誘導接收機跟蹤、鎖定欺騙信號進行定位，以此控制接收機載體到達指定位置，完成誘捕或摧毀。欺騙式干擾充分利用了衛(wèi)星導航定位的脆弱性進行攻擊，對民用、軍用接收機都有效，其危害性和欺騙性更強，軍事傷害大，當前已成為作戰(zhàn)中的主要樣式。一些學者進行了對抗研究，抑制技術主要有陣列天線調(diào)零、慣導輔助定位、導航電文加密認證、接收機自主完好性檢測等［2-3］。但是多天線調(diào)零的抗干擾自由度受限于陣元數(shù)，且不適合實時動態(tài)情況；慣導輔助定位由于受制于高精度慣性測量單元的價格，應用上難以普及［3］；電文加密認證對生成式有一定抑制作用，但對轉(zhuǎn)發(fā)式效果不好，且需要改變信號體制；自主完好性檢測是比較理想的欺騙消除技術，但是當欺騙信號個數(shù)比較多時，該技術也束手無策。為此，結(jié)合欺騙式干擾的特點，開展針對性對抗研究十分必要。

1 欺騙式干擾技術及案例分析

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號頻率、帶寬、格式、參數(shù)、調(diào)制方式等關鍵信息基本都是公開透明的，目的是讓研制廠家、用戶能夠根據(jù)信號特性進行接收機設計、生產(chǎn)，獲得優(yōu)良的衛(wèi)星導航定位服務，但是這也給攻擊者創(chuàng)造了入侵“窗口”和條件，攻擊者將利用信號傳輸、解調(diào)、定位等環(huán)節(jié)漏洞進行欺騙式干擾。

1.1 欺騙式干擾分類

欺騙式干擾根據(jù)干擾形成方式可分為生成式干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾和混合式干擾等［2］，如圖1所示。生成式干擾按照干擾發(fā)射方式分為單天線生成、多天線生成，可模擬生成單個或多個相互獨立或交聯(lián)的“偽”衛(wèi)星信號；轉(zhuǎn)發(fā)式干擾按照干擾源數(shù)量分為單源轉(zhuǎn)發(fā)、多源轉(zhuǎn)發(fā)，單源轉(zhuǎn)發(fā)是將單個或多個經(jīng)過時間延遲的衛(wèi)星信號通過一個天線發(fā)射出去，多源轉(zhuǎn)發(fā)是將多個經(jīng)過時間延遲的衛(wèi)星信號通過多個天線發(fā)射出去；混合式是生成式與轉(zhuǎn)發(fā)式的組合、疊加，兼具兩者的優(yōu)勢、特點，在技術上更加復雜，一般是先生成后轉(zhuǎn)發(fā)，可組合出不同的樣式，將更加難以檢測和對抗。

圖1 欺騙式干擾分類

1.2 欺騙式干擾典型案例

21世紀10年代后，欺騙式干擾在軍事領域的應用十分明顯。2011年伊朗利用“汽車場”干擾系統(tǒng)修改GPS信號參數(shù)，誘獲一架美軍RQ?170“哨兵”無人機降落至指定地點，2012年又采用同樣手段捕獲一架美軍“掃描鷹”無人偵察機［3］；2017年美國在黑海作業(yè)的20多艘船受到大規(guī)模誘騙攻擊，船載設備顯示定位精度和DOP值均正常，但是定位位置在25海里外的某機場，事后證明是船載GPS接收機被“接管”并錯誤定位；2017年美國某研究團隊對一艘高價值游艇進行欺騙干擾，通過只有一個公文包大小的干擾器轉(zhuǎn)發(fā)欺騙信號，不斷改變游艇航向，致使游艇嚴重偏離航道，但航跡顯示還是一條直線。最近的俄烏沖突中，俄軍電子戰(zhàn)系統(tǒng)不僅壓制了烏軍GPS信號，而且通過欺騙接管無人機，“指揮”精確制導武器偏差投放。

分析歸納這些典型案例可知，有2種干擾途徑：一種是首先利用大功率信號進行屏蔽，切斷載體接收機與衛(wèi)星的聯(lián)系，迫使其失鎖重捕，然后用欺騙信號誘導接收機跟蹤，將其導航至指定地點；另一種是直接利用大功率欺騙信號搶占接收機接收通道，“頂替”真實信號參與定位。

1.3 欺騙式干擾技術實現(xiàn)

通過案例分析可見，欺騙式干擾主要依靠功率控制、同頻入侵、修改信號參數(shù)等實施攻擊，即通過信號“仿真”、直接制造“偽衛(wèi)星”或者中繼真實信號等方式，修改時鐘參數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)虛假導航電文、增加信號傳播時延等，以此產(chǎn)生功率略高，且與真實信號同頻、同格式的欺騙信號，使得接收機被欺騙“接管”。欺騙式干擾的過程并非一次性成行，而是漸進式的，可分為2種：一種是直接高功率控制，然后信號同步；另一種是首先進行同步滲透，然后進行動態(tài)控制［4］。如圖2所示。

圖2 欺騙式干擾接管過程

生成式干擾預先接收衛(wèi)星信號，解調(diào)偽碼、導航電文、時鐘參數(shù)等關鍵信息，然后生成相關性強的“仿真”偽碼信號，并對星歷、時鐘等參數(shù)進行篡改，以此產(chǎn)生與真實信號同頻、功率高且格式一致的欺騙信號，誘惑接收機捕獲、跟蹤。此種干擾對公開信號十分有效，但是對于軍碼無法應用。轉(zhuǎn)發(fā)式是將接收到的衛(wèi)星信號中繼延遲，經(jīng)功率放大后轉(zhuǎn)播，或者直接轉(zhuǎn)發(fā)某一時間、地點記錄的衛(wèi)星信號，接收機捕獲、解調(diào)欺騙信號中的延時偽距、虛假參數(shù)進行定位，造成結(jié)果偏離［3，6］。該干擾無需知道信號結(jié)構(gòu)，因此對于軍碼、民碼信號都適用?；旌鲜绞侵苯永眯盘柲M源人為制造同頻虛假信號，并存儲在干擾源內(nèi)，然后通過功率放大、時延后播發(fā)虛假信號，引誘接收機捕獲、跟蹤。

綜合可見，欺騙式干擾的第一關就是信號同頻，只有實現(xiàn)頻率相同，才能讓虛假信號“混入”接收機通道，才能實施虛假解調(diào)和定位。這針對衛(wèi)星信號是十分容易的，也是抗干擾要解決的根源問題。

2 寬窄巷組合技術分析

寬窄巷組合是將多個單頻信號按照一定的規(guī)則進行線性組合，人為創(chuàng)造出具有不同頻率的虛擬信號［5］。這就可實現(xiàn)衛(wèi)星信號的定頻向變頻的轉(zhuǎn)換，破壞欺騙式干擾需要同頻的首要條件。在此過程中，不僅可借助先驗信息檢測、識別欺騙式干擾信號，而且可利用虛擬頻率產(chǎn)生虛擬測量值，在程序和人為參與下進行定位解算，進而對抗干擾。

2.1 線性組合分析

線性組合是將不同頻率的載波相位測量值進行線性運算，獲取新的載波相位測量值。這個組合體現(xiàn)在2個方面，一是不同信號頻率之間的合成，二是不同頻率波形之間的疊加。以2個信號為例，假設2個信號的載波相位觀測值分別為?1、?2，則對應的載波相位觀測方程為：

式中，λ1、λ2表示 2個信號的載波波長，f1、f2表示信號頻率，R表示接收機至“北斗”衛(wèi)星之間的幾何距離，δtu、δts、I、T、N、ε分別表示接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、整周模糊度和測量噪聲。

對2個信號進行線性組合，可得新載波相位測量值為：

式中，k1、k2為組合系數(shù)。

將式（1）、（2）代入式（3），可得：

可令：λ(k1，k2)=(k1/λ1+k2/λ2)-1，表示新載波相位?(k1，k2)的組合波長。

可見，經(jīng)過組合，信號波長發(fā)生了變化，頻率也發(fā)生了變化，通過調(diào)整不同的系數(shù)k1、k2，就可獲取不同的合成頻率，以此規(guī)避欺騙式干擾的同頻攻擊，避免干擾信號影響解調(diào)解擴、定位解算等環(huán)節(jié)。

2.2 寬窄巷組合技術

式（4）中新載波相位的組合波長具有諸多選擇，隨系數(shù)變化。為了達到優(yōu)佳組合模式，避免頻率間的互擾，可通過2種方式對頻率進行組合，即寬巷組合和窄巷組合［5］。寬巷組合是長波長、小頻率的組合，2個信號合成頻率越小，其組合波長越長，寬巷特性越明顯。窄巷組合是短波長、大頻率的組合，2個信號合成頻率越大，其組合波長越短，窄巷特性越明顯。

對2個信號而言，令k1=1，k2=-1，則有：

則寬巷組合波長和合成頻率分別為：

由此，可得以米為單位的寬巷組合表達式為：

令k1=1，k2=1，則有：

同理，可得窄巷組合波長和合成頻率分別為：

則以米為單位的窄巷組合表達式為：

通過上述推導可知，寬巷信號的合成頻率更小，窄巷信號的合成頻率更大，完全避開了原有單信號頻率，極大地增強了抗干擾裕度和效能。

3 寬窄巷組合的載波相位差分技術思路

通過上述分析可知，寬窄巷組合能對抗同頻干擾的問題，但是欺騙式干擾還有另一個攻擊點，即修改衛(wèi)星信號參數(shù)，包括時鐘參數(shù)、衛(wèi)星星歷等［7］。為此，本節(jié)在寬窄巷組合基礎上，提出一種耦合差分思想的思路，進一步對抗欺騙式干擾。

3.1 總體技術思路

將寬窄巷組合與載波相位差分進行耦合，通過寬巷、窄巷組合下的單差、雙差等模式進行干擾檢測、消除和定位解算，逐級增強抗干擾效能。利用寬窄巷組合生成新的虛擬觀測量，大大降低單頻測量中干擾信號參與定位解算的影響，通過冗余觀測降低干擾信號權(quán)重。差分的目的在于消除測量自身和干擾引入的衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、衛(wèi)星星歷誤差、大氣延遲誤差等系統(tǒng)性和欺騙性信息，而這恰好是破壞欺騙式干擾實施的另一個必要條件。

基于寬窄巷組合的差分技術，立足設計層可分為四種架構(gòu)和實施策略。第一種是基于衛(wèi)星接收機自身：對同一衛(wèi)星的多頻信號進行寬窄巷組合，得到變頻后的單差載波相位測量值，然后在2個歷元上再進行一次差分，獲取雙差測量值，借助雙差測量值隨時間的變化率判別干擾、放棄跟蹤，并利用剩余雙差測量值進行定位。第二種是基于地面基準站的輔助：基準站與移動站同步觀測同一衛(wèi)星多頻信號，利用寬窄巷組合，獲取單站上信號間的單差載波相位測量值，同時通過空間數(shù)據(jù)鏈路，將移動站數(shù)據(jù)回傳至基準站進行單差對比，獲得雙站間雙差測量值，通過雙差判別，剔除被干擾的寬窄巷組合；然后基準站將此干擾預警信息上傳至移動站，并附帶上傳已嵌入正確衛(wèi)星鐘差、星歷參數(shù)及時延等信息的虛擬衛(wèi)星信號，使得移動站鑒別干擾，并利用虛擬衛(wèi)星信號定位。第三種是基于雙天線的測量［9］：這是第一種架構(gòu)的擴展演變，將單天線變成2個天線，且同屬一個處理單元，天線間距離、方位精確標定，雙天線同時接收同一衛(wèi)星的多頻信號，將雙天線接收的多個不同頻信號按照交叉頻點進行寬窄巷組合，以此獲取不同天線上交叉頻點間的單差載波相位測量值，此種方法可以在單差中直接消除衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、衛(wèi)星星歷誤差等；同時，借助天線間的固定距離、方位，獲得信號載波相位差，以此判別、剔除干擾信號。第四種是基于不同衛(wèi)星間多頻信號：接收機同時接收2個以上衛(wèi)星的多頻信號，首先對每個衛(wèi)星的多頻信號進行寬窄巷組合，求得單差載波相位測量值，然后將不同衛(wèi)星在同一時刻的單差進行組合，獲得雙差測量值，通過單差測量值對比判斷有無干擾，借助雙差判別放棄被干擾測量值，并利用剩余雙差測量值進行定位。如圖3所示。

圖3 四種架構(gòu)示意圖

3.2 實施策略分析

結(jié)合寬巷、窄巷組合特點，鑒于干擾抑制重點在于排除干擾、實現(xiàn)定位，可容忍一定容量的誤差存在，但不能出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象。為此，寬巷組合更適合于第一、四架構(gòu)，窄巷組合更適合于第二、三架構(gòu)。

3.2.1 基于衛(wèi)星接收機自身的寬巷雙差

設接收機測量同一衛(wèi)星的雙頻信號，單差寬巷載波相位測量值為Φ(1，-1)，對應的合成頻率為f(1，-1)。設2個測量時刻為t1、t2，則雙差寬巷載波相位測量值為：

式中，R12為2個時刻的雙差幾何距離，包含著接收機位置信息；T12為雙差對流層延遲；I112為第一個信號雙差電離層延遲；N12為雙差整周模糊度；ε12(1，-1)(1，-1)為雙差測量噪聲。由于同屬一個接收機，則雙差消除了衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差，以及大部分的衛(wèi)星星歷誤差；同時，T12、I112也接近于零，代價是ε(1，-1)12增加到單信號的數(shù)倍，致使定位精度不高。

在這個過程中，通過雙頻信號之間的寬巷組合，獲得虛擬波長和頻率的拍頻信號，以此得到新的單差測量值，可通過單差測量值隨時間的平滑性分析，發(fā)現(xiàn)、查找干擾信號參與的寬巷組合，然后借助雙差測量值時間變化率微小、穩(wěn)定的特點，進行二次判別，以此識別并放棄干擾信號，利用剩余雙差測量值進行定位。

3.2.2 地面基準站輔助的窄巷雙差

利用基準站數(shù)據(jù)對移動站數(shù)據(jù)的正確性進行判別，并輔助移動站定位?；鶞收究山馑愠稣苣：?，而將移動站的整周模糊度與位置坐標作為未知參數(shù)共同解算。這樣就可以利用窄巷組合噪聲小、精密定位的優(yōu)勢。

設基準站J與移動站U同步觀測同一衛(wèi)星雙頻信號，可得單差窄巷載波相位測量值為Φ(1，1)J、Φ(1，1)U，對應合成頻率為f(1，1)，單差不僅實現(xiàn)了變頻，而且徹底消除了衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差。在2個測站之間，可得雙差窄巷載波相位測量值為：

式中，RJU為2個測站間的雙差幾何距離，包含接收機位置參數(shù)；TJU為雙差對流層延遲，其大小取決于2個測站間的高差，在低空情況下可忽略不計；I1JU為第一個信號雙差電離層延遲，接近于零；N(1，1)JU為雙差整周模糊度；ε(1，1)JU為雙差測量噪聲，其值降低至單信號的一半左右。

由此可見，通過雙差，進一步消除了星歷誤差、大氣延遲等，可將接收機位置坐標、整周模糊度作為未知參數(shù)進行解算。在此過程中，由于干擾具有指向性，而基準站數(shù)據(jù)無干擾，則以此為準，借助雙差判別，剔除干擾，可提高抗干擾效能。

3.2.3 雙天線測量的窄巷雙差

設天線w1、w2同時測量同一衛(wèi)星的s1、s2信號，可得不同天線上不同信號的載波相位測量值分別為、Φs2w1、Φs1w2、Φs2w2，將2個天線間不同信號通過交叉進行窄巷組合，可得2組窄巷載波相位測量值：

則可得雙差窄巷載波相位測量值為：

將式（1）、（2）代入式（19），可得：

在式（20）中，N(1，1)w1w2與N(1，1)w2w1均屬于雙差窄巷整周模糊度，兩者數(shù)值相等、符號相反，在公式中可直接抵消；由于2個天線相距不遠，則運算過程中同信號的衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、星歷誤差、大氣延遲、測量噪聲等相互抵消。由此，式（20）只成為天線位置的函數(shù)。如果存在某個雙差窄巷載波相位測量值突變，則預示著有干擾存在，可直接剔除此測量值。

3.2.4 不同衛(wèi)星間多頻信號的寬巷雙差

設接收機同一時刻測量衛(wèi)星M1、M2的雙頻信號s1、s2，可得單差寬巷載波相位測量值為Φ(1，-1)M1、，對應合成頻率為f(1，-1)，則對衛(wèi)星M1、M2 的單差進行組合，可得雙差寬巷載波相位測量值為：

在單差中消除了衛(wèi)星鐘差、星歷誤差，在雙差中消除了接收機鐘差、對流層延遲。但是這個過程中整周模糊度、電離層延遲、測量噪聲沒有消除，整周模糊度需要參與解算，電離層延遲需要進行改正，測量噪聲有明顯的增強。在實際應用中，可能存在運算量較大、誤差影響大的情況。

3.3 應用場景及效能分析

本節(jié)提出的四種架構(gòu)立足四個角度、場景進行策略應用?；谛l(wèi)星接收機自身的寬巷雙差，具有良好的戰(zhàn)場自適應性和應用靈活性，適合獨立編隊、深入敵方區(qū)域、需要自主導航的武器平臺。從自我檢測、識別，到抑制，可形成一套內(nèi)循環(huán)，實現(xiàn)武器平臺獨立抗干擾［8］；寬巷組合后的長波、窄頻在數(shù)據(jù)處理和定位解算上具有一定優(yōu)勢，雙差對各類測量誤差的消除徹底，在工程化實現(xiàn)上相對便捷，但是其無法獲得外界信息的輔助判別，可能出現(xiàn)一定的漏警率。

基于地面基準站輔助的窄巷雙差，這個過程相對復雜，一是基準站要具備一定的分析、研判、信號重組、預警指令發(fā)射功能，二是移動站和基準站之間信息傳輸要求時間同步；這個策略更適合于具備一定地面技術力量支撐的武器平臺，且要保證武器平臺與基準站的互聯(lián)互通，適用范圍一般在110 km之內(nèi)，由于基準信息的輔助決策，在一定程度上降低了虛警率，提高了可靠性和安全性，軍事價值比較明顯，尤其是在戰(zhàn)場環(huán)境下，可借助衛(wèi)星中繼，將極大提升作戰(zhàn)效能。

雙天線測量的窄巷雙差，借鑒了天線陣技術，兼顧了第一、二架構(gòu)，既有基于接收機自身的對抗，又增加了一定的約束條件，以雙天線互為參考，提高了干擾識別的預警率，使得對抗可靠性、穩(wěn)定性更好，適合于異地遠程或編隊協(xié)同執(zhí)行任務的武器平臺。

不同衛(wèi)星間多頻信號的寬巷雙差，在單一衛(wèi)星系統(tǒng)的應用上存在解算參數(shù)多、復雜度高的情況，但是其可兼容不同衛(wèi)星系統(tǒng)，以此獲取不同衛(wèi)星信號的組合，增加抗干擾的魯棒性，如果單一衛(wèi)星系統(tǒng)受到干擾，則可利用多系統(tǒng)兼容的特點在時域、空域上擴大抗干擾自由度［9］。

上述四種架構(gòu)可在信號、時間、衛(wèi)星數(shù)上自由擴展，對于三個及以上不同衛(wèi)星信號的線性組合同樣適用，獲取的寬窄巷組合將會更加穩(wěn)健，但會存在計算量大、核心處理功耗大、對接收機性能要求高、多源數(shù)據(jù)歸一化難等問題［10］。因此，需要兼顧平衡，突出重點，結(jié)合具體實際優(yōu)選。

4 結(jié)束語

抗欺騙式干擾受到了廣泛關注，其在戰(zhàn)場上的應用研究更是一個熱點問題。本文結(jié)合欺騙式干擾演真扮像、同頻干擾、誘騙接管等特點，提出了借助變頻抑制干擾的寬窄巷組合載波相位差分思路。首先，結(jié)合欺騙式干擾案例分析，論證欺騙式干擾實現(xiàn)的技術途徑，指出同頻入侵、修改信號參數(shù)是其實施攻擊的2個必然要素；然后，針對同頻入侵，創(chuàng)新引入寬窄巷組合技術，為定頻向變頻的轉(zhuǎn)換提供條件，創(chuàng)造出具有不同頻率的拍頻信號，以此規(guī)避干擾影響；同時，針對修改信號參數(shù)的攻擊點，提出在寬窄巷組合基礎上耦合差分思想的思路，設計了基于衛(wèi)星接收機自身、地面基準站輔助、雙天線測量、不同衛(wèi)星間多頻信號等四種架構(gòu)的總體技術路線，并對四種實施策略進行了理論推導，對應用場景和效能進行了分析評估。本文的研究可為欺騙式干擾對抗提供一種新穎的思路，但相關策略只是基于理論推導，對一些技術細節(jié)、工程化途徑等還需深入研究，以便理論結(jié)合實踐，進一步優(yōu)化、完善架構(gòu)和策略，提高工程化應用成效。