对GPS/INS接收机干扰效果评估方法分析

王 娅,宋福晓,李荣美,孙 旭

(北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)

0 引语

GPS/INS组合导航技术是目前最先进的全天候、自主式制导技术,2个系统经过不同方式的结合,既可提高系统的导航定位精度,又可增强GPS接收机的抗干扰能力。因此,GPS/INS组合系统有广泛的军事应用前景,是国外中/远程精确制导武器普遍采用的一项关键技术。如何针对GPS/INS组合导航接收机进行有效干扰,并对干扰效果进行准确评估是一项值得研究的工作。

1 GPS/INS组合导航机理[1]

GPS/INS组合导航是将GPS和INS两种导航方式结合起来进行组合导航。自主式的INS是独立的,在初始对准后完全处于自主状态,可消除外界环境的影响,但存在陀螺仪和加速度计误差及重力场模型误差,而使得给出位置中的误差随时间增长;GPS具有很高的测量精度,但GPS动态适应能力较差,输出数据率比较低,不能满足高动态系统工作的要求,且易受干扰影响。将二者的信息进行融合,利用GPS的高精度数据间断性对INS的数据进行校正,反过来用INS的数据辅助GPS的捕获跟踪,既可提高系统的导航定位精度,又增强了GPS接收机的抗干扰能力,可以起到优势互补的作用。

按照组合方式的不同,GPS/INS可分为3种:松散耦合、紧密耦合和深度耦合,其结构分别如图1、图2和图3所示。

图1 松散耦合示意图

图2 紧密耦合示意图

图3 深度耦合示意图

松散耦合结构中,GPS接收机独立于惯导系统工作,是在定位位置上融合2个系统。当GPS可用时,主要进行位置估算和校准INS。当GPS不可用时,用INS来进行导航。

紧密耦合结构中,GPS和INS共用一个导航滤波器。GPS为组合导航滤波器提供伪距估算而不是位置估算。当GPS可用时,主要进行位置估算和校准INS。当一些GPS信号不可用时,剩下可用的GPS伪距测量仍然能用于位置估算并辅助校准INS。这样即使当较弱的信号消失时,较强的卫星信号仍然有用。

深度耦合与紧密耦合结构相同点是GPS和INS共用一个导航滤波器,当GPS可用时,主要进行位置估算和INS校准。如果GPS出现问题,那么组合定位估计就用来辅助GPS环的信号跟踪。组合系统得到的位置和速度估算被用来预测沿着卫星视线方向的速度。预测出的速度用于辅助延迟环(DLL)和锁相环(PLL)。即通过采用更窄的跟踪环带宽,INS可帮助GPS抵御射频干扰。

由上述分析可知,紧密耦合的抗干扰能力强于松散耦合,深度耦合的抗干扰能力是最强的。

2 干扰方法分析

由于INS是独立系统,不受电磁干扰影响,因此对GPS/INS的干扰主要是针对GPS进行干扰,并希望将干扰引入GPS/INS系统。下面分析2种典型干扰样式对GPS/INS的干扰及效果。

2.1 压制式干扰

压制式干扰就是通过发射干扰信号压制在GPS接收机端的GPS卫星信号,使GPS接收机部分失去或完全失去GPS卫星信号而无法定位,从而达到干扰目的。由对GPS/INS组合导航原理可知,压制式干扰对松散耦合方式最有效,当干扰使GPS接收机跟踪星座少于4颗卫星时,GPS接收机已不能定位,并且无法对INS进行修正,导致INS的误差随时间迅速增加,从而达到干扰目的。对于紧致耦合接收机,如果压制干扰仅使得某个卫星信号无法检测时,仍可以利用其他卫星信号的伪距测量进行定位并辅助校准INS。对于深度耦合接收机,由于组合定位结果还可辅助延迟环甚至锁相环,使得跟踪环带宽更窄,干扰更难进入,压制式干扰效果更有限。但对于松散耦合方式的GPS/INS接收机,即使压制式干扰使GPS信号完全不可用,GPS/INS仍可利用INS进行导航,只是导航精度会随时间降低,但在较短时间内干扰效果不明显。

2.2 欺骗式干扰

欺骗式干扰是指发射与GPS信号具有相同参数(只有信息码不同)的假信号,干扰GPS接收机,并使其产生错误的定位信息。欺骗式干扰有“产生式”和“转发式”2种方式。产生式干扰是指由干扰机产生能被GPS接收的高逼真欺骗信号。产生式干扰需要知道GPS的码型以及卫星的电文数据。目前只有C/A码是完全公开的,由于P码序列长,且可加密成Y码,要从侦收中破译P码从而产生能被GPS接收的高逼真的欺骗信号,技术难度非常大。因此产生式干扰多用于C/A码接收机的干扰。

转发式干扰就是将干扰机接收到的GPS导航信号,经过一定的延时,再放大后发送出去。转发式干扰利用信号的自然延时,因此干扰信号与导航信号完全相同,只是延时不同,GPS接收机容易被欺骗。另外,转发式干扰信号经过放大,信号的幅度大于导航信号的幅度,GPS接收机完全有可能将转发的干扰信号捕获到,从而获得错误的伪距,使GPS接收机达不到精确的定位。转发式干扰利用信号的自然延时,不需要产生高逼真信号,技术上相对容易实现。

欺骗式干扰对松散耦合接收机的干扰效果较好,因为干扰不但使得GPS定位位置产生误差,也使受GPS修正的INS信号出现误差。有资料研究表明[2],对于紧致耦合GPS/INS接收机,如果用多颗卫星信号进行转发式欺骗,则多个伪距加上偏差会增大接收机时钟偏差,有可能将迅速地被滤波器所补偿。相反,仅在1颗卫星的通道加上偏差,将会取得一定欺骗干扰效果。

欺骗式干扰对于深度耦合GPS/INS接收机的干扰效果更复杂一些[3]。由于深度耦合GPS/INS中取消了编码和载波跟踪操作,使用估算的导航参数生成用于跟踪卫星的本地副本信号,直接将相关的输出数据(如本地信号和卫星信号比较)用于计算导航速率误差。对于已经锁定、产生了正确的本地副本信号的导航系统来说,由于Kalman预滤波器为每个卫星产生一个量测协方差矩阵M(由后验协方差矩阵计算得到),如果本地信号与接收的干扰信号之间的互协方差过大,就可以通过相应的预滤波量测互协方差矩阵进行去权重;如果这个值很小,其对导航的影响就会在Kalman滤波过程中被减到最低。

3 评估方法分析

由于INS的特点,对于GPS/INS组合导航接收机的干扰不同于对GPS接收机的干扰,因此需研究与其相适应的检验干扰效能的评估方法。因为GPS/INS组合导航接收机多用于弹载和机载模式,其中,弹载比机载复杂度更高,因此这里主要对弹载GPS/INS组合导航接收机的干扰效果评估方法进行探讨。

3.1 评估指标

评估指标体系是进行干扰效果评估的依据。由典型干扰样式对松散耦合、紧致耦合、深度耦合3种GPS/INS组合导航接收机的干扰效果分析可知,不同干扰样式对GPS/INS不同耦合方式的干扰效果应选取不同的指标进行评估。与单纯对GPS接收机进行干扰不同的是,还需要把对INS的影响包括在内。并且GPS/INS多用于弹载,因此还应结合导弹打靶的最终效果进行最终评价。一些典型指标分析如下:

①C/N0[4]:通常可通过信噪比S/N来描述接收机接收到的信号质量。但是,噪声功率N与带宽成正比,并且GPS接收机的延迟锁定环(DLL)、载波跟踪环(PLL)和数据鉴别器的带宽各不相同。这里将信噪比归一化到1 Hz的带宽上,可以用信号/噪声功率密度比C/N0来描述到达接收机内部的信号质量。压制干扰对接收机的根本影响也正是降低了C/N0。C/N0越小表明干扰效果越好;

②失星个数:当对GPS/INS进行压制式干扰时,最直接的效果就是导致接收机对卫星信号跟踪能力的减弱。干扰使丢掉的卫星个数越多表明干扰效果越好;

③压制系数:压制系数是指在规定的定位误差下,接收机接入端的干信比。在相同定位误差条件下,压制系数越小,表明干扰机的干扰能力越强;

④欺骗信号捕获概率[5]:只有当接收机对欺骗信号进行有效捕获,才能起到很好的干扰效果。捕获概率指的是接收机对转发的欺骗信号进行捕获的成功率,捕获概率越大,表明干扰效果越好;

⑤位置误差:无论是对GPS/INS进行压制干扰或欺骗干扰,干扰效果都会体现在定位的位置与真实位置信息的偏差,误差越大表明干扰效果越好;

⑥误差漂移[6]:误差漂移是指导弹到达的实际位置与设定目标的距离。当GPS信号完全被干扰时,INS的性能是确定其精度的决定性参数。INS误差漂移是衡量INS性能的主要指标,它与干扰距离、导弹飞行速度及INS漂移误差有关。误差漂移越大,表明干扰效果越好;

⑦命中概率比:命中概率比定义为干扰后命中概率与干扰前命中概率之比。对弹载GPS/INS接收机进行有效干扰必然会使导弹对目标的命中概率降低,命中概率比越小,说明干扰前后命中概率相差越大,表明干扰效果越好;

⑧干扰成功率:干扰成功率是一个典型的概率指标,定义为干扰设备在规定条件下能够达到有效干扰的次数与实施干扰总次数之比。对于弹载GPS/INS接收机进行干扰,可用导弹脱靶量作为衡量干扰是否有效的标准。干扰成功率越高,表明干扰效果越好。

3.2 检测方法

对弹载GPS/INS组合导航接收机干扰效果进行检测可用内场仿真试验和外场飞行试验及实弹干扰试验3种方法。内场仿真试验是将试验系统中的部分环节(如导航信号、信道等)用仿真模型代替,部分环节用实体设备,一起组成仿真干扰试验系统,在仿真试验室内进行静态或动态干扰仿真试验。内场仿真试验的优点是可控性、安全性和保密性好,试验经费低,组织难度不高。主要存在的问题是目前仿真模型的置信度有限。

外场飞行试验是在外场环境条件下,用机载GPS/INS接收机代替弹载GPS/INS接收机检测模拟动态条件下对弹载GPS/INS接收机的干扰效果。外场飞行试验的优点是避免消耗昂贵的实弹,试验费用和危险性大大降低。主要存在的问题是以飞机模拟导弹的飞行特征,置信度有所下降。

实弹干扰试验是在外场环境条件下,通过实际发射搭载GPS/INS接收机的制导武器或模拟弹检测对飞行中的制导武器的干扰效果。由于参试设备均为实物,并处于真实的外场环境(包括大气环境、复杂电磁环境等),可以认为是在全真条件下进行的试验。因此实弹干扰试验的最大优点是可信度高。主要存在的问题是可控性、安全性和保密性低,试验费用高,组织难度大。

实际上,由于各种不可控制的随机因素的作用,导致各次干扰试验的结果并不相同,因此干扰设备对弹载GPS/INS接收机的干扰效果是具有一定概率分布的随机事件,必须建立在统计意义上才是准确和完整的。因此,只有通过大量重复干扰试验来研究干扰结果的概率分布特点,然后用统计方法作定量分析才能对干扰设备的干扰效果作出可靠评估。因此,可通过大量的仿真试验,获得足够多的试验数据以满足试验结果统计分析的需要,全面检验干扰设备在各种试验条件下的干扰效果,并通过摸底,确定进行外场试验的最佳试验条件。少量的外场试验及实弹试验,可用于对干扰效果进行综合演示验证,以及对仿真试验结果、仿真模型准确性进行验证和修正。对于弹载GPS/INS组合导航接收机的干扰试验可以采用综合试验的方法,即以仿真试验为主,同时应结合少量外场飞行试验和外场实弹干扰试验,最终可对干扰设备的干扰效果作出置信度较高的评估。

4 结束语

随着GPS/INS在军事上的广泛应用,对GPS/INS组合导航接收机的干扰将是未来导航对抗的发展重点。如何运用正确可信的方法对GPS/INS组合导航接收机的干扰效果进行检测与评估是非常复杂的问题。针对弹载GPS/INS组合导航接收机的特点所选取的指标具有一定的代表性和参考价值,下一步还需要对其中的具体问题,特别是评估指标的测量及检测方法的实施等关键问题等进行深入的研究和分析。

[1]MISRA P,ENGE P.全球定位系统——信号、测量与性能(第2版)[M].罗 鸣,曹 冲,译.北京:电子工业出版社,2008:420-421.

[2]周坤芳,周湘蓉,李德武.对GPS/INS制导巡航导弹GPS干扰方法的探讨[J].航天电子技术,2005,36(3):1-5.

[3]狄 珉,张尔扬.超紧致GPS/惯性耦合技术及干扰措施[J].航天电子对抗,2006:22(1):33-35.

[4]焦 逊,陈永光.对GPS接收机实施压制干扰的效能评估研究[J].航天电子对抗,2003(3):11-13.

[5]刘延斌,苏五星.转发式欺骗信号干扰GPS接收机的效能分析[J].空军雷达学院学报,2004:18(4):4-6.

[6]路 远,陈鹏举.对GPS/INS制导巡航导弹的干扰研究[J].航天电子对抗,2003(1):6-9.