转发式GPS干扰技术及其仿真

2011-07-05解晶，刘畅

仪器仪表用户 2011年5期

解晶，刘畅

(1.中国人民解放军92941部队95分队，葫芦岛125000;2.中国人民解放军92941部队司令部，葫芦岛125000)

0 引言

全球卫星定位系统GPS已经成为精确打击武器的主要技术手段之一，因而对GPS系统的干扰研究具有重要的军事应用价值。转发式GPS干扰因其简单，灵活，战场生存度高而倍受青睐。

对GPS的转发式干扰是通过对GPS信号的转发来增加GPS信号的传输时延，使接收机得到错误的位置信息。由于转发式干扰在工程中比较容易实现，本文将着重研究转发式干扰的技术原理并研究其干扰实现方法，最后通过仿真建模总结影响干扰效果的关键因素和主要参数［1］。

1 GPS定位原理

GPS系统通过时差测量计算卫星和用户之间的伪距来实现确定位置的目的。伪距组成如图1所示。

测点P与第i颗星Si的伪距PRi可由下式确定：

图1 伪距组成

式中，Ri为第i颗卫星至观测点的真实距离;c为光速;ΔtAi为第i颗卫星传播延迟误差和其他误差;Δtu为用户钟相对于系统时的偏差;Δtsi为第 i颗星的卫星钟相对于GPS 系统时的偏差［2］［3］。

设卫星Si和测点P在地心直角坐标系中的位置分别为(Xsi，Ysi，Zsi) 和(X，Y，Z)，则

在式中，卫星位置(Xsi，Ysi，Zsi)和卫星钟偏差Δtsi由解调卫星电文并通过计算获得;电波传播延迟误差ΔtAi用双频测量法修正，或利用卫星电文提供的校正参数根据电波传播模型估算得到，伪距由接收机测定。

2 对GPS的转发干扰

根据上述分析，当伪距求解公式中有关时间的参数出现偏差，则可导致GPS接收机定位解算产生错误，转发式干扰就是根据这一机理，通过改变到达GPS接收机的卫星信号的时延，来影响GPS接收机的定位解算，出现定位偏差。如何确定延时时间达到诱骗接收机到预定点及转发式干扰对接收机授时精度的影响［4］［5］。

2.1 转发延迟时间的确立

转发式欺骗干扰的原理示意图如图2所示。其基本思想为在A点部署干扰机，高保真处理转发接收到的GPS信号，可以把位于干扰功率有效区域内的任意C点的接收机欺骗到B点，使被欺骗接收机在意识状态下得出错误的定位信息及授时信息。

图2 转发式干扰示意图

设A点坐标为(XA，YA，ZA)，选择所转发四颗星对应的伪距分别为(ρ1，ρ2，ρ3，ρ4)，A 接收机的授时误差为 τA，于是 A 点的定位方程为式(4)：

而欺骗干扰目标地点的坐标为(XB，YB，ZB)，与上述四颗星对应的伪距分别为(ρ'1，ρ'2，ρ'3，ρ'4)，授时误差为τB，于是B点的定位方程为式(5)：

根据转发式欺骗的转发原理，依据式(4)、式(5)可以得到：

由于τA及τB为干扰机和干扰对象的授时误差，不失一般性可设二者相等，由此分别得到四个转发信号的延迟。

从理论上来看，由式(6) 得出 Δti(i=1，2，3，4)，根据这几个延迟即可得到设想的欺骗干扰位置，然而，由于式(6)得出的结果有可能为负值，而负延迟在物理上是不可实现的，因此必须作必要的修正。根据式(4)－式(6)的对称特性，在这些方程两端同时加上一修正时间，方程及等式恒成立。取：

若τ≤0，则修正时间为τ1=－τ0

若τ≥0，则一般不需要修正时间，取τ1=0。

于是有实际对各星信号延迟为

2.2 转发干扰中授时精度的影响

根据系统实现原理，可以得到干扰条件下被干扰接收机的定位方程，如式(10)。其中 ρ'ig(i=1，2，3，4) 为被干扰接收机接收到干扰信号后得到的伪距，τBg为干扰条件下的授时误差：

此时有：

根据式(8)、式(9)及式(5)可得：

由式(11)可以得出，对GPS的转发欺骗干扰往往会带来被干扰接收机授时误差的变化，由式(8)、式(10)、式(11)可以看到该授时误差与转发距离及伪距变化距离有关，因此在转发干扰时可选择相应的卫星，以减小被干扰接收机的授时误差，如可选择与期望干扰位置均异测的GPS星信号以达到物理实现时间修正因子最小化。图3为减小时间修正因子的转发示意图。

图3 减小时间修正因子的转发示意图

3 GPS转发干扰仿真

3.1 仿真结果

选取空间的4颗卫星，并确定试验区域，其分布如图4和图5所示。图4为卫星分布图，图5为试验区域取点分布图。

图4 卫星分布图

图5 为试验区域取点分布图

在试验点1至试验点2之间均匀选择40个点，对自然转发式干扰进行仿真，按照有效转发4颗卫星信号的情况对运动中的目标接收机进行定位轨迹仿真，仿真中使用Bancroft算法求解定位结果，仿真结果如图6所示。图6为转发4颗卫星时定位轨迹及误差计算。其中，“·”代表无干扰时的设计运动轨迹;“*”代表受到干扰时的运动轨迹［6］。