基于载波相位差测量的欺骗干扰检测技术研究

范广伟　王振华　晁磊

摘 要：针对卫星导航系统中的欺骗干扰信号检测与抑制问题，提出利用双天线测量接收信号的载波相位差，根据真实卫星导航信号到达接收机的载波相位不断变化而欺骗干扰信号难以做到这一点的特点，提出了一种利用双天线载波相位差实现欺骗干扰检测的算法。仿真结果也表明：通过对比相位差变化率，该方法能够实现欺骗干扰的检测与识别，且实现较为简单，有较好的工程应用前景。

关键词：欺骗干扰；载波相位；检测

中图分类号： TN967.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）24-186-3

0 引言

随着导航对抗技术和微电子技术的发展，欺骗式干扰对卫星导航系统的威胁越来越严重，欺骗式干扰是通过转发或产生和导航信号类似的欺骗信号，使卫星导航系统的定位结果发生偏差，导致飞机、舰船无法正确定位，精确制导武器偏离目标等[1～2]。欺骗式干扰不易被发现，具有较高的隐蔽性，对卫星导航系统的危害更大。

近年来，随着欺骗干扰信号对卫星导航系统的影响日益严重，国内外学者也提出了一些方法和手段，文献[3]提出了一种低复杂度的欺骗干扰检测方法，文献[4～5]介绍了一种时间同步紧耦合的电网反欺骗方法，文献[6]利用测量信号到达角来检测欺骗干扰信号，文献[7]提出了一种民码加密的欺骗干扰抑制方法，文献[8]给出了一种捕获阶段快速检测欺骗干扰的手段。这些方法可归纳为以下几种：通过幅度分辨、到达时间分辨、与惯导单元相结合的位置一致性检测、到达角分辨以及加密授权等技术检测欺骗干扰[9～12]。

本文结合接收机能够计算接收信号载波相位的特点，利用真实卫星信号与欺骗信号在传播方向的这一空间关系差异的特点，提出了利用双天线载波相位差检测欺骗干扰的方法。给出了算法原理及实现过程，通过仿真验证了算法的有效性。

1 双天线欺骗检测模型

由欺骗干扰原理可知，无论是产生式欺骗干扰还是转发式欺骗干扰，欺骗攻击者通常会使用单天线发射欺骗干扰信号。因此对于用户接收天线来说，不同路的欺骗信号都来源于同一个方向，即各路欺骗信号的到达角完全一致。而对于真实卫星信号，每一颗空间卫星在其各自的轨道上运行，卫星（非GEO卫星）位置随时间不断地发生变化，因此真实卫星信号到达接收机天线的到达角是随时间不断变化的，且每一颗卫星对应的到达角变化率都各不一样。真实卫星信号与欺骗信号在传播方向的这一空间关系差异必然会导致接收机的载波相位存在差异。因此可以通过使用双天线测量接收卫星信号的载波相位差值并进行一段时间的观测统计来检测是否为欺骗信号。双天线载波相位差检测欺骗干扰的原理如图1所示。

2 算法原理

双天线接收机对第i颗卫星的载波相位差可以表示为：

Δφi=bTCRi+Ni+D+εi （1）

式中：Ri是在卫星观测方向上的单位观测矢量；b是在两个接收天线之间的基线矢量，C是在东北天坐标系中卫星单位方向矢量到平面坐标系的方向余弦矩阵；Ni是卫星i载波相位测量值的任意整周模糊度；D是接收机两个天线的实际时延差，单位是载波周期数。ξi是卫星i接收的所有载波相位误差的求和值。

表达式bTCRi可以看成是矢量Ri与天线的基线矢量b的内积。方向余弦矩阵C实际描述的是天线阵的姿态，这对于计算内积来说是一个必要的量。假设信号到达接收天线的平面入射角为θ，则bTCRi可以用入射角θ的标量形式进行表示，即|b|cosθ。

则载波相位差可以重新表示为：

假定Ri与b是已知的，对于一个位置固定的天线阵来说，其姿态参数可以预先进行测量得到。而对于动态的天线阵来说，姿态参数可以通过惯性姿态传感器实时测量得到，并且几乎不受GPS欺骗攻击的影响。

对于使用同一个晶振时钟的双天线接收机来说，接收机两个天线的实际时延差D实际上是一个常量值，仅与天线到接收机的物理路径有关系，通常双天线的延时差D需要通过预先标校进行消除。对于一个独立晶振的双天线接收机来说，D受到两个晶振时钟偏移的影响。

由上述分析可知，暂不考虑噪声及误差的影响，在基线一定的情况下，双天线的载波相位差取决于信号的到达角。若欺骗攻击者采用单一天线发射源且欺骗源与用户接收机的位置不变时，则欺骗信号在接收天线的到达角将保持不变，从而测量到的双天线载波相位差值将保持不变。而对于真实信号而言，卫星信号的到达角随时间不断变化，相应测量到的载波相位差值也不断发生变化。

以波长为单位的接收机天线1和天线2对卫星i的载波相位测量值与可分别表示成：

其中，载波频率为f，波长为λ，电离层与对流层延时分别为Ii、Ti，接收机钟差δt，卫星钟差δti，周整模糊度Ni、测量噪声为 为卫星到接收机的距离。

式中，下标代表天线1和天线2之间的对应项差值。

相位差的变化率可以采用多次观测相位差的方差来表征，因此也可以通过观测相位差的方差实现欺骗式干扰信号的检测。

双天线检测策略如下所示：

①基于已知的天线姿态及双天线的时延D计算得到每一颗卫星预期的理论载波相位差值。

②根据卫星的仰角变化与在最坏情况下的多径误差，以及姿态的不确定性来调整门限值的范围。

③测量的载波相位差与预期的载波相位差做比较。

④对于每一颗卫星来说，每隔500ms将预期的数据与实际测量数据做差计算。如果差值超过设定的门限值，则判定当前跟踪的这一颗卫星信号是欺骗信号，将其剔除。

但是，这个算法需要预先知道天线阵的姿态，这对于静态的天线阵来说并不难实现，然而，对于动态情况，则需要一些惯性姿态传感器进行辅助测量。

3 仿真分析

以信号为例，对双天线载波相位差欺骗检测进行仿真分析，仿真以MATLAB平台的软件接收机为基础开发，仿真验证利用双天线载波相位差进行欺骗检测的有效性。

仿真条件如下：

①设置用户接收机天线1的WGS-84坐标为（X1，Y1，Z1）=（-2144838.632，4397570.887，4078017.711）；用户接收机天线2的WGS-84坐标为（X2，Y2，Z2）=（-2144837.632，4397570.887，

4078017.711）；欺骗攻击者天线中心WGS-84坐标为（Xs，Ys，Zs）=（-2154838.777，4398570.00，4078517.00）。双天线基线长度为1m。

②设定转发式欺骗信号功率为：-148dbw；真实卫星信号功率为-158dbw。

③设定仿真卫星数目为4颗，仿真时长3000s。

④设定用户接收机载波相位的测量误差为0.02周。

⑤设定用户接收机天线1和天线2在水平面内沿东西方向安置，即姿态角为（0，0，0）。

软件接收机中捕获过程采用并行码相搜索捕获算法，码跟踪环采用延迟锁定环（DLL），载波跟踪环采用科思塔（Costas）锁相环。科思塔（Costas）锁相环对由于数据比特跳变所引起的载波相位180度翻转不敏感。鉴相器采用二象限反正切函数，鉴相器的输出结果为跟踪的载波相位误差。锁相环采用三阶形式，跟踪环的参数每1ms更新一次。

真实信号双天线载波相位差预测值和测量值曲线如图2所示，图中的四个颜色分别代表四颗卫星的双天线相位差，其中绿色波浪曲线为PRN 22号星，在观测时间内双天线载波相位差共变化了2.48周；蓝色波浪曲线为PRN 18号星，在观测时间内双天线载波相位差共变化了0.72周；红色波浪曲线为PRN 20号星，在观测时间内双天线载波相位差共变化了1.20周；黑色波浪曲线PRN 28号星，在观测时间内双天线载波相位差共变化了0.34周。光滑曲线代表对应波浪曲线的预测值。从曲线可以看出，接收真实卫星信号时，测量值与预测值非常接近。图3画出了真实信号双天线载波相位差测量值与预测值的差值曲线，从图中可以看出，差值围绕零值附近波动，这是由于接收机在测量载波相位时的噪声引起的。

欺骗信号双天线载波相位差测量曲线如图 4所示，图中的四个颜色分别代表四颗卫星的双天线相位差，四颗卫星在观测时间内双天线载波相位差几乎不发生变化，测量值在零附近波动。因此可根据双天线载波相位差值的变化来有效检测单一欺骗源的欺骗干扰信号。

图 5仿真了卫星的在不同基线长度下的双天线载波相位差变化图，仿真x度的增加，载波相位差变化得越快，因此在双天线载波相位检测欺骗干扰的实际应用中，在条件允许的情况下，应该尽量增大接收机两根天线的基线长度，才能更加明显地检测到欺骗信号。

4 结束语

本文针对跟踪阶段的欺骗干扰检测与识别问题，提出利用接收机能够提供信号实时载波相位的特性，采用双天线接收得到接收信号的相位差，通过评估接收信号的相位差变化率实现欺骗干扰检测与识别的方法。该方法充分利用了现有导航接收机能够提供的信息具有结构简单，计算量低的特点。最后对设计的检测器进行了仿真分析，仿真结果表明：卫星导航信号方差较大，欺骗干扰信号方差较小，可以实现欺骗干扰的识别，且长基线的检测结果优于短基线的检测结果。