一种新的抗大功率欺骗干扰GPS 接收机研究

杨晓波

（石家庄职业技术学院电子工程系 河北 石家庄 050081）

0 引言

GPS（Global Positioning System）自诞生以来就在军事领域得到了全方位的应用。但是GPS 用户接收的导航信号十分微弱，其最低信号电平在－160dBW 左右，因此GPS 信号非常容易受到干扰[1]。 并且GPS 信号载波频率固定、信号格式已知，因而很容易通过产生与GPS 信号具有相同参数的欺骗干扰来欺骗卫星导航接收机。 使GPS 接收机产生错误的定位信息。欺骗式干扰不易被发现，具有很好的隐蔽性。尤其是转发式欺骗干扰技术上容易实现， 是目前最主要的欺骗干扰方式[2]，趋于智能化的转发式欺骗干扰将是对卫星导航定位接收机干扰的发展方向[3]。 如何对欺骗干扰进行判断、抑制越来越受到关注。 国外抗欺骗式干扰技术的研究起步比较早。1995 年Key[4]提出可以通过识别接收信号的信号功率、信号到达时、信号到达角和信号极化方式等特点，识别和剔出欺骗式干扰，但他的文献中没有针对这些抗欺骗式干扰技术做深入的研究。 文献[5, 6]分别采用了多模型自适应估计算法和卡尔曼滤波估计算法抗欺骗式干扰，对欺骗干扰信号引入的伪距误差进行检测、估计和校正。 但这属于治标不治本的抗欺骗式干扰方法，因为从捕获跟踪的角度来说，接收机可能已经受欺骗式干扰的影响而错误地锁定在欺骗式干扰信号上。 2001 年John A.Volp，提出了基于信号特征判别技术的抗欺骗式干扰方法。 目前美军所装备的新型接收机，采用了基于该思想设计的选择可用性反欺骗模块[7,8]，这类接收机由于可直接捕获P 码而不需要C/A 码辅助，因此可有效对付基于C/A 码的产生式欺骗干扰。但对于转发式干扰，尤其是短延迟转发式干扰，该方法则无能为力。

国内对抗欺骗式干扰的研究还起步阶段，相关研究还不多。 文献[11]研究了建立在定位解算基础上的欺骗干扰判断方法，文献[12]研究了基于模糊聚类的民用GPS 接收机欺骗干扰的判断方法。 但是这些算法只能判断欺骗干扰是否发生，并不能对欺骗干扰有效地抑制。 文献[13]研究了应用卡尔曼滤波器抑制欺骗式干扰，与文献[5, 6]算法相同，不能根本上抑制欺骗干扰。 文献[14]采用多级广义旁瓣对消空时处理器抑制欺骗干扰，计算量相对比较大，同时在干噪比较低的情况下，抗干扰性能不理想。

卫星导航信号比接收机热噪声还要低约30dB[9]。 欺骗式干扰为了达到欺骗效果，其功率至少与卫星信号相当，这将直接影响卫星导航信号的捕获概率。 为此文献[10]进行了相关研究，但其所提出的策略只能作为判断当前峰值是否是互相关峰的方法，并不能有效抑制欺骗干扰。 本文根据转发干扰的特点，结合基带信号处理的核心——捕获跟踪算法进行抗干扰处理，提出抗转发式干扰捕获策略及判断准则，提出了基于信号重构对消的转发干扰抑制新方法，并给出了相应的接收机结构。

1 转发式干扰对伪码相关的影响及其判断准则

GPS 信号模型：

式（1）中，A 为接收信号的幅度，d（t）为导航信息，ωc为载频，c（t）为伪随机序列，φ 为载波相位。

以下研究以转发干扰为第i 颗卫星信号为例， 某通道在k 时刻接收到的信号为：

式中ri（k）为在k 时刻接收到第i 颗GPS 卫星的信号，m为接收到的卫星数，r′i（k）为转发的第i 颗卫星信号，即转发干扰。 n（k）为加性高斯白噪声，在接收机带宽内均匀分布，双边功率谱密度为N0／2，均值为0，方差为。

其中

式（3）中τi为伪码时延，ζi为由多普勒造成的伪码频偏，ωd＝2πfd为载波多普勒，其它符号含义与式（1）相同。

式（4）中Δτ 为转发卫星信号的时延，ω′d为接收的转发干扰径向多普勒，其它符号含义与式（1）相同。

捕获第i 颗卫星，本地对应I、Q 支路信号为

信号通道的捕获相关输出为：

式（7）和式（8）分别表示I、Q 支路的相关输出结果。 其中，ρ 为相对卫星信号的码相位偏差，Δρ 为转发干扰与相应卫星信号的伪码相位延迟，N 为一次相干积累的采样点数， Ts为采样间隔，Δω 为对卫星信号的多普勒估计误差，Δω′为与转发干扰信号的多普勒误差，Tc为一个码片时宽，θk为相位估计误差，φd为转发干扰与相应卫星信号的载波相位偏差。 nI，nQ分别表示I、Q 支路的噪声与本地信号的相关结果， 为白噪声。 式（7）和式（8）中第一项为卫星信号与本地信号的相关输出，第二项为转发干扰与本地信号的相关输出，第三项为其他卫星信号和本地信号的互相关，其值很小，与nI，nQ都可认为是噪声项。

假定di是在一个符号周期内，忽略噪声项的影响，进入检测器的判决统计量z 可表示为

由式（9）可见，在码相位和多普勒频率二维平面上将会出现两个较大的峰值，分别对应卫星信号和转发干扰。 可以通过判断两个峰值的相位关系， 来区分卫星信号和转发干扰。

图1 转发干扰下P 码相关结果输出

由图1 可见，在码相位和多普勒频率构成的二维平面上出现两个较大的相关峰值，分别表示为P1 和P2。由于信号转发时存在转发延时，转发干扰信号的相位会滞后于卫星导航信号，同时因为P 码是长周期码，所以可以根据过门限峰值的码相位信息来区分判别卫星导航信号和转发干扰信号。 P2的码相位滞后于P1 的码相位，所以可得P1 对应于卫星导航信号，P2 对应于转发干扰的相关峰值。

2 抗转发干扰接收机捕获策略

由第2 部分的分析可知，转发干扰首先影响伪码相关输出， 因此捕获策略对捕获性能的改善起着至关重要的作用。另外，可以根据转发干扰下检测统计量的特点判断转发干扰是否发生及粗捕转发干扰码相位。

为了分析转发干扰下捕获策略，假定针对同一颗卫星的转发干扰信号只有一个，同一颗星存在多个转发干扰的情况可以采取类似处理。

step3 将幅度z（k，ρA）、z（k，ρB）、z（k，ρC）和z（k，ρD）排序，选择最大值，记录对应的幅度和码相位为z′（k，ρA）和φ′A；然后在剩余三个峰值当中， 选择与φ′A码相位差超过1 个码片的最大峰值，记录对应的幅度和码相位为z′（k，ρB）和φ′B。令z（k，ρA）=z′（k，ρA），z（k，ρB）=z′（k，ρB），φA=φ′A，φB=φ′B；

step4 在搜索其余频点时， 重复step2 和step3 步骤即可，直至完成频率维的搜索。

之所以在step3 选择另外一个峰值增加相位差超过1 个码片的判断，是因为转发干扰比较强时，其在频率维的旁瓣有可能超过卫星导航信号在频率维主瓣的幅度大小，此时两个峰值表现为仅是频率不同而码相位相同。 这样做是防止选出的两个峰值都是由转发干扰造成的。 如此， 即可完成图1所示的P1 和P2 位置的搜索。

若选出的两个峰值均过门限，则认为码相位靠前的峰值对应的相位为卫星导航信号的相位； 若只有一个过门限，则认为是卫星导航信号。 这样既保证了接收机在转发干扰下的捕获性能，同时又不影响接收机在无转发干扰下的正常工作。

3 基于信号重构的转发干扰抑制

为了减轻转发干扰对卫星信号捕获、跟踪的影响，本文采用基于信号重构对消的抗干扰技术，并和抗转发干扰捕获策略相结合，提出抗转发干扰接收机结构，具体如下。

图2 抗转发干扰接收机原理图

判断转发干扰发生后，转发干扰通道在捕获之后转入跟踪。 由接收机跟踪环路可知，成功跟踪之后可以从环路中得到以下参数、码相位、码多普勒、载波多普勒频移、载波相位。此时的转发干扰可以重构为：

跟踪后能够在一个伪码周期内估计欺骗信号的幅度:

数据位可以由下面的方法估计确定:在一个伪码周期内，数据位的值要么是1，要么是-1，对于一个伪码积累周期，同相端相关输出为：

式（12）中A 为信号幅度，ρ（k）为码片参差，Δωd（k）为多普勒参差，N 为积分点数，θ（k）为相位差，d（k）为符号位，稳定跟踪后，式（12）中除d（k）外的其它项都为正值，所以S2（k）的符号位和d（k）是一致的，因此

此时可以得到转发干扰的重构信号:

然后在卫星通道中对消重构的转发干扰信号，得到新的接收信号为:

完成转发干扰对消之后， 再次采用抗转发干扰捕获，继而完成对卫星信号的捕获跟踪。

以两通道接收机为例，抗转发干扰接收机原理如图2 所示。

下面描述两个通道的时间与数据关系，如果欺骗信号通道在t0时刻完成稳定跟踪，卫星通道在t1时刻开始捕获（t1＞t0），卫星通道捕获需要Δt 时间长度的数据data（Δt），则欺骗信号通道需要重构的数据为data [t1，t1＋Δ]t 。 图2 中卫星通道数据存储单元存储的数据长度为data（Δt）。 如果欺骗信号通道开始捕获的时刻为tacq， 则卫星通道相对于欺骗信号通道开始捕获时间延迟为（t1＋Δt）－tacq。 卫星通道的捕获跟踪需要延迟相应的时间，时序控制由DSP 完成。 根据以上的论述我们可以看到，由于强欺骗信号很容易捕获，跟踪。 在卫星通道除去转发干扰后，提高了信干比，使卫星信号的捕获跟踪能够顺利进行。 并且可以判断转发干扰发生在哪个通道，定位解算放弃利用该通道信息。

4 仿真与分析

仿真原理如图2 所示，仿真中接收机为两通道。 下面对GPS 的P 码进行了仿真实验。 仿真参数设置与2 节一致。

图3 ISR＝0dB 时抗转发干扰FFT 快速捕获方法输出

为了直观地显示转发干扰对FFT 快速捕获方法性能的影响，图3 和图4 给出了未采用信号重构对消算法时，抗转发干扰FFT 快速捕获的相关输出。 可见，随着转发干扰的增强，本地伪码与转发干扰信号互相关主瓣增大的同时，旁瓣也在增大。 当ISR＝20dB 时，互相关旁瓣已经与本地伪码和卫星导航信号相关峰值接近。

图4 ISR＝20dB 时抗转发干扰FFT 快速捕获方法输出

图5 给出了ISR＝20dB 时，采用信号重构对消算法的抗转发干扰FFT 快速捕获方法的输出。 可见，采用信号恢复对消算法，有效降低了本地伪码与转发干扰信号互相关的主瓣及旁瓣，在卫星导航信号对应的码相位和多普勒频率处出现明显的峰值，有效抑制了转发干扰的影响。

图5 ISR＝20dB 时采用信号重构对消算法抗转发干扰FFT 快速捕获方法输出

图6 检测概率随ISR 的变化关系

图6（a）为未采用信号重构对消算法时，抗转发干扰FFT快速捕获方法的正确捕获概率随转发干扰信号功率的变化关系。 可见， 随ISR 的增大， 正确的捕获概率逐渐下降，在ISR≤10dB 时正确的检测概率均在90%以上，可以满足接收机正常工作的需要，但还是稍低于理论值。 随着ISR 的继续增大，正确的检测概率迅速下降，到ISR＝20dB 已经基本上无法捕获到卫星导航信号。图6（b）为采用本文算法后捕获概率。可见仿真结果变化趋势与理论相符，由于没有完全消除本地伪码与转发干扰互相关的影响， 所以仿真性能稍低于理论值，但不同的转发干扰强度下，正确的检测概率基本在97%以上，满足接收机正常工作的需要。

当转发干扰信号的功率较强的情况下能够很容易重构信号，但是当转发干扰较弱时，不能精确重构转发干扰信号，并且在转发干扰较弱时对接收机的性能影响不大（见图6（a）），此时可放弃采用此技术。 因此需要连续检测相关器输出信号的C／N0， 卫星导航信号C／N0变化范围在41dB·Hz 到64dB·Hz，如果检测到C／N0＞64dB·Hz，则认为强转发干扰发生，可采用此技术提高接收机性能。

5 结论

本文研究了利用信号重构对消技术抑制转发式欺骗干扰的GPS 卫星接收机，提出了抑制转发式欺骗干扰卫星接收机的结构。 研究了转发式欺骗干扰信号重构的关键技术和转发干扰发生判断原则，并进行了仿真，结果表明该算法可以有效地抑制大功率转发式欺骗干扰对接收机的影响。 对于本文抗欺骗干扰接收机不需要对接收机的结构设计进行大的改动，只是增加了一些必要的控制环节。 并且可以同时完成欺骗干扰的判断和抑制。 对于研制抗欺骗干扰导航和定位接收机具有一定的意义。

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