侯林源，黃新明，張鵬程，肖 偉，李井源，李崢嶸

低軌點(diǎn)波束增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位阻斷分析

侯林源，黃新明，張鵬程，肖 偉，李井源，李崢嶸

（國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）

針對(duì)導(dǎo)航出站信號(hào)易被惡意用戶利用來(lái)獲取定位信息的問(wèn)題，在保證區(qū)域外導(dǎo)航服務(wù)正常使用的前提下，分析衛(wèi)星功率增強(qiáng)信號(hào)在壓制模式下的阻斷效果及實(shí)施條件：分析通過(guò)低軌衛(wèi)星（LEO）增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位阻斷的模型，并研究區(qū)域定位阻斷的評(píng)估方法；然后將用戶接收等效載噪比做為評(píng)估定位阻斷性能的核心指標(biāo)；最后給出相應(yīng)的載噪比門限的計(jì)算方法，用最小星上天線增益評(píng)價(jià)阻斷實(shí)施條件。分別對(duì)二進(jìn)制偏置載波（BOC）（1,1）、四相移相鍵控（QPSK）（10）和二相移相鍵控（BPSK）（5）調(diào)制信號(hào)進(jìn)行阻斷仿真。結(jié)果表明，對(duì)于低軌衛(wèi)星實(shí)施的增強(qiáng)信號(hào)，至少需要15.69 dB的最小星上天線增益；星上增益大小與信號(hào)體制、播發(fā)干擾類型有關(guān)，也取決于信號(hào)的抗干擾能力；對(duì)于QPSK（10）調(diào)制信號(hào)，帶限白噪聲干擾需要27.93 dB的最小星上天線增益。

低軌衛(wèi)星；功率增強(qiáng)：定位阻斷；壓制干擾；等效載噪比；星上天線增益

0 引言

在未來(lái)導(dǎo)航戰(zhàn)背景下，如何有效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航戰(zhàn)保護(hù)、阻止、保持的目標(biāo)，是導(dǎo)航戰(zhàn)研究的重要內(nèi)容之一[1]。由于出站信號(hào)處于開(kāi)放的電磁環(huán)境中，出站信號(hào)上的定位信息完全有可能被惡意獲取，因此需要對(duì)區(qū)域內(nèi)非法使用民用導(dǎo)航服務(wù)者采取阻斷的措施，同時(shí)還要保證區(qū)域外的民用導(dǎo)航服務(wù)正常使用，這就需要對(duì)民用信號(hào)的管理控制方式進(jìn)行研究。為達(dá)到以上目的，可采用2種方式：一是將覆蓋特定區(qū)域內(nèi)的民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的部分導(dǎo)航信號(hào)關(guān)閉，使依賴于該衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的惡意用戶無(wú)法使用其定位服務(wù)或授時(shí)服務(wù)；二是在區(qū)域內(nèi)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)實(shí)施干擾[1]。文獻(xiàn)[1]論述了方式一的實(shí)施效果。由于民用信號(hào)的可容忍干擾功率較小，且未來(lái)軍民信號(hào)頻譜分離后，針對(duì)民用的干擾不會(huì)對(duì)軍用信號(hào)產(chǎn)生影響，本文將選取第二種方法對(duì)阻斷效果進(jìn)行分析。

當(dāng)前對(duì)導(dǎo)航信號(hào)實(shí)施干擾的常見(jiàn)方式有壓制干擾與欺騙干擾2種。壓制干擾包括單頻、窄帶、脈沖、掃頻、寬帶等干擾類型，主要通過(guò)影響信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的載噪比來(lái)干擾信號(hào)[2-3]。欺騙干擾是以有用信號(hào)碼形、速率、帶寬等相同或相似的偽信號(hào)，使系統(tǒng)或通信鏈路被欺騙造成不正確判斷而做出錯(cuò)誤反應(yīng)的干擾[4-5]。這些常規(guī)的干擾方式有覆蓋區(qū)域小、覆蓋區(qū)域固定、易被抗干擾處理的缺點(diǎn)，無(wú)法滿足未來(lái)導(dǎo)航對(duì)抗的需求。

如今北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）已經(jīng)全部完成星座部署，并開(kāi)始提供全球服務(wù)[6]，面對(duì)上述問(wèn)題，必須要考慮其系統(tǒng)的安全防護(hù)。本文將在BDS短報(bào)文服務(wù)（short message service，SMS）信號(hào)體制下，針對(duì)出站信號(hào)進(jìn)行阻斷干擾分析，采用衛(wèi)星星上點(diǎn)波束增強(qiáng)信號(hào)的方式進(jìn)行干擾。這種干擾方式通過(guò)低軌（low Earth orbiting，LEO）衛(wèi)星進(jìn)行干擾播發(fā)，與普通地面干擾源相比具有不同的特點(diǎn)：首先，星上播發(fā)干擾區(qū)域廣，可以靈活調(diào)整干擾區(qū)域；其次，對(duì)于同一顆衛(wèi)星上的干擾信號(hào)與有用信號(hào)，用戶接收的來(lái)波方向基本相同，致使空域抗干擾難度加大。本文干擾模式考慮壓制干擾，分析在點(diǎn)波束天線功率增強(qiáng)的實(shí)施方式下的可行性，以期為我國(guó)未來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)安全管理策略提供參考。

1 區(qū)域功率增強(qiáng)信號(hào)系統(tǒng)模型

本文研究的干擾實(shí)施方式為L(zhǎng)EO星上點(diǎn)波束天線實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域播發(fā)功率增強(qiáng)信號(hào)，從而使得目標(biāo)區(qū)域的民用信號(hào)服務(wù)能力失效。低軌功率增強(qiáng)信號(hào)播發(fā)模型如圖1所示。

圖1 LEO功率增強(qiáng)信號(hào)播發(fā)模型

通常情況下，載噪比是評(píng)估導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，其表示為載波功率與噪聲功率譜密度的比。這里同樣可以用此指標(biāo)評(píng)價(jià)干擾信號(hào)的接收質(zhì)量。

1 鏈路計(jì)算

在工程計(jì)算中，式（3）通常等價(jià)表示成以分貝為單位，表示的鏈路功率預(yù)算方程[7]為

1.2 接收載噪比

根據(jù)上面的鏈路分析可知，功率增強(qiáng)的干擾信號(hào)的接收載噪比與衛(wèi)星星上功放功率及目標(biāo)區(qū)域等效面積有關(guān)，其表達(dá)式為[8]

為了顯示表征接收載噪比與星上功率及天線增益的關(guān)系，給出如下示例：

設(shè)大氣損耗為2 dB，信號(hào)波長(zhǎng)為0.19 m，用戶接收天線的增益為0，衛(wèi)星信號(hào)星上發(fā)射功率為26.8 W，天線增益為自變量。給出用戶接收的干擾信號(hào)載噪比與衛(wèi)星星上天線增益及衛(wèi)星離地面垂直距離的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 載噪比與星上天線增益及衛(wèi)星離地面垂直距離的三維關(guān)系

從圖2可以看出，用戶接收的干擾信號(hào)干噪比與星上天線增益及衛(wèi)星離地面垂直距離呈線性關(guān)系。在衛(wèi)星高度300 km條件下的天線增益大約為12 dB，此時(shí)的接收干噪比為84 dB·Hz，波動(dòng)2 dB。

2 區(qū)域定位阻斷評(píng)估方法

本節(jié)首先分析采用功率增強(qiáng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)區(qū)域阻斷時(shí)相關(guān)各變量間的約束關(guān)系，得出用戶接收的等效載噪比為評(píng)估區(qū)域定位阻斷性能的核心指標(biāo)；然后給出相應(yīng)的載噪比門限的計(jì)算方法，最后定義2種評(píng)估通過(guò)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)方式實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位阻斷的性能指標(biāo)。

2.1 相關(guān)變量約束關(guān)系分析

在本文中，區(qū)域定位阻斷定義為在目標(biāo)區(qū)域的定位精度無(wú)法達(dá)到給定指標(biāo)，或者無(wú)法定位。本文研究的干擾類型為壓制式干擾，壓制式干擾主要是從信號(hào)接收層面影響用戶的接收，因此，可以采用用戶在干擾條件下的等效載噪比作為評(píng)估指標(biāo)。

與用戶接收載噪比相關(guān)的變量包括星上功放發(fā)射功率、星上天線增益、目標(biāo)地區(qū)坐標(biāo)，這3個(gè)因素會(huì)影響干擾信號(hào)的功率大小，從而影響用戶接收到的等效載噪比。另外，評(píng)估是否成功實(shí)現(xiàn)區(qū)域阻斷需要定義對(duì)應(yīng)的接收載噪比門限。相應(yīng)變量之間的約束關(guān)系如圖3所示.

圖3 區(qū)域定位阻斷指標(biāo)關(guān)系

探討干擾信號(hào)功率增強(qiáng)能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域定位阻斷，實(shí)際上是探討在各初始變量不同取值條件下能否干擾接收機(jī)正常定位，也就是分析在何種星上功率及天線增益下用戶接收的等效載噪比低于門限載噪比，從而達(dá)到成功干擾的目的。

2.2 區(qū)域定位阻斷載噪比門限分析

載噪比門限由捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度與定位精度門限中的最小值決定。由于跟蹤靈敏度一般都小于捕獲靈敏度，這里主要分析捕獲靈敏度以及定位精度門限要求所需要的載噪比門限，取較大值為區(qū)域定位阻斷載噪比門限。

2.2.1 捕獲靈敏度的載噪比門限

設(shè)等效的信號(hào)相干時(shí)間為100 ms，則捕獲靈敏度約為-148 dBm，這基本上是現(xiàn)代大部分接收機(jī)的捕獲靈敏度，對(duì)應(yīng)的信號(hào)接收載噪比為24 dB·Hz，即如果接收到的等效載噪比仍能高于24 dB·Hz，則接收仍能正常接收。

（1）依托互聯(lián)網(wǎng)工具：企業(yè)必須依托互聯(lián)網(wǎng)來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)品牌，因此網(wǎng)絡(luò)品牌也具有互聯(lián)網(wǎng)的全球性、服務(wù)的連續(xù)性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)。

2.2.2 定位精度的載噪比門限

定位精度的載噪比門限定義為在低于該載噪比門限時(shí)，無(wú)法滿足給定的定位精度指標(biāo)。

在高斯白噪聲環(huán)境下，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行同步跟蹤所能達(dá)到的精度表達(dá)式[11]為

給定接收機(jī)前端帶寬取為2.27 MHz，環(huán)路帶寬為1 Hz，可以看出，在等效載噪比為24 dB·Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的測(cè)距精度大概為20 ns，測(cè)距精度為10 m左右。一般情況下，跟蹤靈敏度要遠(yuǎn)低于捕獲靈敏度，因此認(rèn)為定位精度載噪比門限要低于捕獲載噪比門限。本文以捕獲靈敏度要求的載噪比門限值作為相應(yīng)區(qū)域定位阻斷時(shí)的載噪比門限。

2.3 區(qū)域定位阻斷的評(píng)估指標(biāo)

一般為了評(píng)估是否可行而采用的方法是：計(jì)算出在給定星上功率及天線增益條件下用戶接收的等效載噪比，然后計(jì)算出區(qū)域定位阻斷時(shí)的載噪比門限，再將二者進(jìn)行比對(duì)；如果低于門限值，則認(rèn)為能夠成功實(shí)施定位阻斷，否則無(wú)法成功實(shí)施阻斷。

步驟1：根據(jù)目標(biāo)地區(qū)坐標(biāo)、星上功放發(fā)射功率以及初始星上天線增益，計(jì)算出用戶接收的等效載噪比。

步驟2：與定位阻斷時(shí)用戶接收的載噪比門限比較，如果大于該門限，則增大星上天線增益，并跳轉(zhuǎn)至步驟1；否則，輸出最小星上天線增益。

圖4 最小星上天線增益求解流程

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本節(jié)對(duì)壓制干擾模式下區(qū)域點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)對(duì)信號(hào)接收性能的影響進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析。

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號(hào)（BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3）在B1、B2、B3各頻段上可能均會(huì)存在民用的導(dǎo)航信號(hào)，并根據(jù)下行導(dǎo)航信號(hào)體制的初步論證方案執(zhí)行。本節(jié)論證采用的信號(hào)體制為二進(jìn)制偏置載波（binary offset carrier，BOC）（1,1）、四相相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）（10）和二相移相鍵控（binary phase shift keying，BPSK）（5），假設(shè)接收機(jī)的接收帶寬與發(fā)射帶寬相等，3個(gè)頻點(diǎn)民用信號(hào)的前端帶寬分別為6.138、30.69、15.345 MHz，正常信號(hào)接收載噪比為45 dB·Hz。圖5給出干擾信號(hào)條件下等效載噪比與干信比間的關(guān)系。

從圖5可以看出：若需要成功干擾信號(hào)，對(duì)于BOC（1,1）信號(hào)，3種干擾形式下需要的干信比分別為41.02、45.21及48.22 dB；對(duì)于BPSK（5）信號(hào)，3種干擾形式下需要的干信比分別為43、47、49.98 dB；對(duì)于QPSK（10）信號(hào)，3種干擾形式下需要的干信比分別為46.44、50.25、53.26 dB。3種信號(hào)體制收到阻斷的最小干信比如表1所示?？梢缘贸?，QPSK（10）信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)，達(dá)到門限需要較低高的干擾強(qiáng)度；3種干擾形式中，窄帶干擾的效果較好，可以以較低的干信比達(dá)到阻斷門限。

圖5 窄帶/匹配譜/帶限白噪聲干擾條件下等效載噪比衰減

表1 不同干擾對(duì)不同信號(hào)體制阻斷的最小干信比 dB

假設(shè)低軌衛(wèi)星高度為300 km，通過(guò)鏈路計(jì)算可以得出達(dá)到阻斷的最小星上天線增益（如表2所示）。

表2 不同干擾對(duì)不同信號(hào)體制阻斷的最小星上天線增益 dB

從表2可知，天線增益要比正常導(dǎo)航信號(hào)的天線增益增強(qiáng)15.69 dB以上才能達(dá)到阻斷定位的目的。雖然通過(guò)縮短衛(wèi)星與用戶機(jī)的距離可以達(dá)到減小天線增益的作用，但是較低的衛(wèi)星軌道會(huì)使單一衛(wèi)星干擾覆蓋時(shí)長(zhǎng)縮短，需要更多的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)區(qū)域干擾阻斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就通過(guò)播發(fā)點(diǎn)波束天線增強(qiáng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位阻斷的可行性進(jìn)行了仿真分析，采用載噪比損耗、最小星上天線增益等指標(biāo)對(duì)能否實(shí)現(xiàn)定位阻斷進(jìn)行判定，驗(yàn)證了通過(guò)低軌衛(wèi)星播發(fā)增強(qiáng)信號(hào)可阻斷正常民用信號(hào)的接收。低軌衛(wèi)星高度為300 km、采用壓制干擾時(shí)，若想達(dá)到阻斷效果，需要天線增益比正常導(dǎo)航信號(hào)天線增益強(qiáng)至少15.69 dB。對(duì)于抗干擾性能較好的QPSK（10）信號(hào)，在帶限高斯白噪聲壓制干擾下，最小星上增益需要27.93 dB。適當(dāng)降低衛(wèi)星的軌道高度可以減小星上增益。本文的結(jié)果可以為我國(guó)未來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)安全管理策略提供參考。

后續(xù)將會(huì)對(duì)低軌衛(wèi)星干擾覆蓋與最小星上增益進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)較小星上增益的條件下采用合適的低軌衛(wèi)星高度。

[1] 彭競(jìng), 聶俊偉, 王飛雪. 關(guān)閉部分導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位阻斷對(duì)全球定位性能的影響分析[J]. 中國(guó)科學(xué): 物理學(xué)力學(xué)天文學(xué), 2011, 41(5): 547-555.

[2] KRAUS T, BAUERNFEIND R, EISSFELLER B. Survey of in-car jammers—analysis and modeling of the RF signals and IF samples (suitable for active signal cancelation)[C]// The Institute of Navigation. Proceedings of the 24th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2011). Portland, Oregon: The Institute of Navigation, 2011: 430-435[2022-06-23].

[3] BORIO D, DOVIS F, KUUSNIEMI H, et al. Impact and detection of GNSS jammers on consumer grade satellite navigation receivers [EB/OL]. (2016-05-02)[2022-06-23]. https://ieeexplore.ieee.org/document/7463455.

[4] 何亮. GNSS欺騙式干擾仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2015.

[5] 劉清秀, 程玉, 王國(guó)棟, 等. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙與抗欺騙技術(shù)現(xiàn)狀探討[J]. 導(dǎo)航與控制, 2021, 20(4): 24-32, 23.

[6] LU Jun, GUO Xia, SU Chengen. Global capabilities of BeiDou navigation satellite system[J/OL]. Satellite Navigation. (2020-8-31)[2022-6-23]. https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020- 020-00025-9.

[7] 甘忠良, 白如順. 衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)工程應(yīng)用研究[J]. 通信技術(shù), 2020, 53(7): 1684-1688.

[8] 劉冠邑, 張海勇, 任重. 干擾條件下衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算模型研究[J]. 通信技術(shù), 2018, 51(10): 2279-2286.

[9] 郭海玉, 魯祖坤, 陳飛強(qiáng), 等. 窄帶與脈沖干擾對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)載噪比的影響[J]. 全球定位系統(tǒng), 2021, 46(1): 50-56.

[10] 黃仰博. 高性能導(dǎo)航接收機(jī)基帶處理算法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科技大學(xué), 2011.

[11] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2017: 292-295.

Analysis on realization of regional positioning and blocking by low-orbit spot beam enhancement

HOU Linyuan, HUANG Xinming, ZHANG Pengcheng, XIAO Wei, LI Jingyuan, LI Zhengrong

(College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Aiming at the problem that it is easy to be used by malicious users to obtain location information for navigation outbound signals, under the premise of ensuring the normal use of navigation services outside the area, the paper analyzed the blocking effect and implementation conditions of satellite power enhancement signals in the suppression jamming mode: the model of realizing regional positioning blocking through low Earth orbit (LEO) satellite enhancement was analyzed, and the evaluation method of regional positioning blocking was studied; then the user-received equivalent carrier-to-noise ratio was used as the core index for evaluating positioning blocking performance; finally the calculation method of the corresponding carrier-to-noise ratio threshold was given, and the minimum on-board antenna gain was used to evaluate the blocking implementation conditions.Blocking simulations were performed for binary offset carrier (BOC) (1,1), quadrature phase shift keying (QPSK) (10) and binary phase shift keying (BPSK) (5) modulated signals, respectively. Results showed that for the enhanced signals implemented by LEO satellites,a minimum on-board antenna gain of 15.69 dB would be required; and the on-board gain would be related to the signal system and broadcast interference type, and also depend on the anti-jamming capability of the signal; moreover, for QPSK(10) modulated signals, band-limited white noise interference would require a minimum on-board antenna gain of 27.93 dB.

low Earth orbit satellite (LEO);power enhancement;positioning interference;suppress interference;equivalent carrier-to-noise ratio;onboard antenna gain

侯林源, 黃新明, 張鵬程, 等. 低軌點(diǎn)波束增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位阻斷分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(3): 132-137.（HOU Linyuan, HUANG Xinming, ZHANG Pengcheng, et al. Analysis on realization of regional positioning and blocking by low-orbit spot beam enhancement[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 132-137.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230318.

P228

A

2095-4999(2023)03-0132-06

2022-06-23

侯林源（1998—），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與時(shí)空技術(shù)。

黃新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，講師，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與時(shí)空技術(shù)。