“美国测试超大范围GPS干扰技术”可行性分析

万有达,陈飞强,聂俊伟,孙广富,王飞雪

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院,长沙 410073)



“美国测试超大范围GPS干扰技术”可行性分析

万有达,陈飞强,聂俊伟,孙广富,王飞雪

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院,长沙 410073)

针对近日媒体广泛报道的“美国测试超大范围GPS干扰技术”事件,论文根据禁航通告中公布的受影响范围,通过对压制干扰的干扰容限、干扰发射功率与作用距离的深入分析,认为美军在此次实验使用千瓦量级的干扰发射功率即可完成对半径几百公里范围内的GPS接收机完成干扰,其根本原因在于GPS信号太过微弱,这也进一步说明了GPS系统的脆弱性。同时,本文认为当接收机采取抗干扰措施后,大范围干扰GPS接收机的实现代价将非常巨大。

GPS；压制干扰；超大范围；可行性分析

0　引　言

2016年6月4日美国联邦航空管理局(FAA)发出了编号为CHLK GPS 16-08的禁航通告[1]。通告指出,美军将分别在6月9日、21日、23日、28日和30日进行GPS干扰测试,在测试进行时期,以“中国湖”(China Lake, California)基地为中心,在468 km范围内,海拔15 m高度的GPS信号将不可靠;在630 km范围内,海拔1 219 m高度的GPS信号将不可靠;而在694 km范围内,海拔3048 m高度的GPS信号将不可靠,这一通告其影响的商业航空空域分别为如图1所示。

图1　干扰测试影响的航空空域范围示意图

英国媒体于6月7日发文报道了此事件[2],当日,在面对美国媒体的采访时,美国安全运行系统(SOS)咨询公司总裁约翰考克斯的称:测试以位于加利福尼亚州中国湖的海军空战中心武器部为中心,会影响距离基地数百米范围内离地高度至少15 m至近885 km远海拔高度约12 km的飞机。受影响的区域是一个倒置的夹心蛋糕形状(垂直剖面图如图2所示),包括测试范围内的多个州都将受到影响[3]。从该咨询公司的网站首页上,可以发现该单位是位于华盛顿特区的一家致力于为航空公司提供更安全、更低成本和更高质量服务的企业,应该属于干扰测试实验之外的独立第三方。

图2　干扰测试影响的航空空域垂直剖面图

6月8日,美国媒体报道军方相关部门又宣布该测试取消,取消原因或因干扰范围过大严重影响商用秩序[4]。然而,美军自身对取消测试的原因并未发表任何官方声明。美国一位接近军方消息的人士在其博客中指出,干扰测试实验取消是因为内部原因。

6月13日,国内媒体首次以《美国秘密测试超大范围干扰GPS技术,可覆盖半个南海》为题撰文对此事件进行报道[5-6]。

1　超大范围GPS干扰技术的可行性分析

媒体认为这次测试不同寻常,因为其影响范围很大,半径超过700 km,在报道中也使用了“超大范围”来吸引眼球。从技术层面对“超大范围”GPS干扰技术的可行性进行分析。

从干扰类别来看,干扰可以分为欺骗干扰和压制干扰两类,对目标成功实施欺骗一般需要已知目标的位置和运动状态,因此欺骗干扰主要针对特定的点目标实施。从禁航通告来看,受干扰影响的空域覆盖半径超过700 km,因此基本可以排除欺骗干扰的可能性。压制干扰的影响是把接收机无干扰时的载噪比降低到一个更低值,若将干扰的效果等效成白噪声,此时的载噪比也即为等效载噪比。随着载噪比的降低,信号捕获、载波和伪码跟踪和数据解调将恶化,直至接收机丧失定位功能。对接收机的干扰容限和干扰发射功率与作用距离的关系对超大范围GPS干扰技术的可行性进行分析。

1) 干扰容限

首先分析接收机的干扰容限,即接收机可容忍的干扰功率。接收机的捕获灵敏度与跟踪灵敏度存在差异,因此两个环节的干扰容限也有所不同,接收机跟踪环节的干扰容限通常高于捕获环节的干扰容限。这里以跟踪环节的干扰容限来分析,给定接收机的跟踪门限(Cs/N0)eff,dB,可算出对应的干扰功率,以干信比的形式可表示为

(1)

式中: Q为干扰的品质因数,与干扰的类型有关; Rc为伪码速率; (Cs/N0)dB为接收机在无干扰时的载噪比。

表1示出了接收机跟踪门限为28 dBHz时,使接收机失锁需要的干扰强度,其中对于三种干扰,均假设接收天线在干扰方向的增益为-3 dB(考虑干扰从低仰角入射),接收机处理损耗为2 dB,噪声系数为4.3 dB.从表中可以看到,当干扰为宽带高斯白噪声时,使C/A码接收机失锁需要的干信比约为40 dB,而使P码接收机失锁需要的干信比约为50 dB.

表1　跟踪门限为28 dBHz时使接收机失锁需要的干扰强度

2) 干扰发射功率与作用距离

通常,计算干扰源的作用范围要求给出干扰源的等效各向同性辐射功率(EIRP),干扰的EIRP等于干扰源发送至其天线的功率与发射天线的增益之和,为便于计算,这里假设发射天线为增益为零的全向天线,则干扰发射功率等于EIRP。若将干扰源与接收机之间的传播损耗建模为自由空间传播损耗,则干扰源离接收机之间的距离与接收机处的干信比的关系可表示为

(J/S)dB=(Jt)dB-(Lp)dB-(Cs)dB

(2)

式中: (Jt)dB为干扰发射功率; (Lp)dB为自由空间传播损耗; d为干扰源与接收机之间的距离; λ为干扰的波长; Cs为接收机处的信号功率;一般可按-160dBW计算。

图3示出了干扰强度与干扰作用距离的关系,其中干扰类型为宽带高斯白噪声干扰,从图中可以看到,发射功率为1 W的干扰源可以干扰5 km范围内的军用接收机和15 km范围内的民码接收机。

值得注意的是,上述结果是在假设干扰发射天线为增益为零的全向天线的前提下得到的,实际上干扰发射天线可能采用窄波束定向天线,在波束方向增益大于零。表2示出了干扰发射天线增益与干扰作用距离的关系,基本的结论是干扰发射天线增益每增加6 dB,干扰作用距离增加一倍。不失一般性,后续的分析仍将按照发射天线增益为零来进行。

图3　干扰强度与干扰作用距离的关系

干扰发射天线增益/dB干扰作用距离/kmGPS民码接收机GPS军码接收机015563010104716126020

图4进一步示出了干扰作用距离与所需的干扰发射功率,从图中可以看到,要干扰700 km范围内的民码接收机,所需的干扰发射功率为33 dBW,也即约2 kW,而要干扰700 km范围内的军用接收机,所需的干扰功率为43 dBW,也即约20 kW.而这种功率量级的干扰在工程实施上的门槛并不高。千瓦量级的干扰发射功率即可干扰几百公里范围内的GPS接收机,这更多的归因于GPS信号太过微弱,也进一步说明了GPS系统的脆弱性。

图4　干扰作用距离与所需的干扰发射功率

2　压制干扰的有效的应对措施

值得注意的是,上述分析是针对没有任何抗干扰措施的GPS接收机而言的。采用天线阵抗干扰技术是目前接收端最为有效的对抗压制干扰的手段,目前国内抗干扰天线的性能与美军的水平差距不大,单干扰条件下,干扰抑制能力用干信比衡量为90 dB左右,也就是说相比无干扰措施时的干扰容限(民码为40 dB,军码为50 dB),抗干扰天线提供了40 dB的额外保护(对民码是50 dB的额外保护)。

图5示出了采取抗干扰措施前后的干扰的影响范围,其中干扰发射功率为20 kW,信号为P码信号。从图中可以看到,在无干扰措施时,发射功率为20 kW的干扰可使700 km范围内的军用GPS接收机失锁。而采取抗干扰措施后,当干扰抑制能力为90 dB时,干扰的影响范围缩小到了7 km.

图5　采取抗干扰措施前后干扰的影响范围

当接收机采取抗干扰措施后,大范围干扰GPS接收机还是否可行呢?针对这一问题进行简单的核算。假设采用天线阵抗干扰处理后,接收机的抗干扰能力用干信比衡量为90 dB,那么要干扰700 km范围内的军用接收机,所需的干扰发射功率为200 MW,这样大的功率若需持续,恐怕需要一台中型水电站单独供电。

3　存在的疑点

从目前公开的资料来看,该GPS干扰测试实验存在的主要疑点是受影响区域的形状。根据禁航通告发布的GPS信号影响区域及报道[3],受影响的区域呈倒扣的夹心蛋糕状。根据自由空间传播模型,有效干扰区域应为以干扰源为球心的球体。之所以形成倒置夹心蛋糕的有效干扰区域形状,很可能是因为多个以“中国湖”为中心干扰源协同工作形成。

针对这个疑点,进一步对美军以往的GPS干扰测试(每次测试都在不同的地点)对应的禁航通告给出的受影响区域进行了整理,其结果如表3所示。

表3　以往禁航通过给出的受影响区域

从表中可以看到,所有禁航通告给出的受影响区域均是在几个固定的高度给出相应的影响范围,并且每个禁航通告在同一高度上对应的影响范围均不一样,这从干扰强度的角度很难解释。因此,有可能禁航通告给出的受影响范围并不是严格按照干扰强度进行核算得到的。

4　结束语

通过对禁航通告中公布的受影响范围进行分析,本文认为美军在此次实验使用千瓦量级的干扰发射功率即可完成对半径几百公里范围内的GPS接收机完成干扰,其根本原因在于GPS信号太过微弱,这也进一步说明了GPS系统的脆弱性。同时,本文认为当接收机采取抗干扰措施后,大范围干扰GPS接收机的实现代价将非常巨大。

[1]FAA. Flight advisory GPS interference testing CHLK GPS[R].2016.

[2]THOMSON L. US military tests massive GPS jamming weapon over California[EB/OL]. 2016-06-07. http://www.theregister.co.uk/2016/06/07/us-military-testing-gps-jamming/.

[3]FAA.Military testing could leave GPS unreliable for pilots across West in June[EB/OL]. 2016-06-04. https://www.faasafety.gov/files/notices/2016/Jun/CHLK-16-08-GPS-Flight-Advisory.pdf.

[4]TENNYSON E A. Navy cancels planned GPS outage in southern California. [EB/OL].2016-07-08.https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/2016/june/08/navy-cancels-planned-gps-outage-in-southern-california/ .

[5]BRAJKOVIC V. Navy cancels GPS outage that could impact flights in California. [EB/OL]. 2016-06-13.http://www.aviationpros.com/blog/12220112/navy-cancels-gps-outage-that-could-impact-flights-in-california/.

[6]堵开源.媒体:美国秘密测试超大范围干扰GPS技术 可覆盖半个南海[OB/EL].2016-06-13. https://www.guancha.cn/.

Feasibility Analysis on US Military Tests Massive GPS Jamming Weapon over California

WAN Youda,CHEN Feiqiang,NIE Junwei,SUN Guangfu,WANG Feixue

(SchoolofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

According to the incident that US military tests massive GPS jamming weapon over California, this paper makes feasibility analysis from the perspective of jamming tolerance and the relationship between the transmit power and the working distance. Simulation results show that the jamming source with KW power can make the GPS receivers jammed within the radius of several kilo meters. In this paper, we conclude the feasibility of the super-large scale jamming to the vulnerability of GPS signal. Simultaneously, we also consider that the price of implementing super-large scale jamming will be super expensive on the condition of the receivers taking anti-jamming measure accordingly.

GPS; jamming; super-large scale; feasibility analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.008

2016-07-03

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0035-05

万有达(1992-),男,江苏无锡人,硕士生,主要研究方向为GNSS干扰与抗干扰。

陈飞强(1988-),男,湖南益阳人,博士生,主要研究方向为GNSS抗干扰。

聂俊伟(1983-),男,山西忻州人,博士,讲师,主要研究方向为GNSS抗干扰。

孙广富(1970-),男,黑龙江巴彦人,教授,博士生导师,主要研究方向为卫星导航信号接收技术。

王飞雪(1971-),男,福建长汀人,教授,博士生导师,主要研究方向为卫星导航信号接收、处理和抗干扰技术。

联系人： 万有达 E-mail: milk_da@qq.com