高功率压制干扰模式下多个GPS干扰站联合部署问题*

2018-05-09何相勇赵丽华

火力与指挥控制 2018年4期

张博，何相勇，赵丽华，刘辉

（1.周口师范学院网络工程学院，河南周口 466000；2.解放军96401部队，陕西宝鸡 721000；3.河南大学计算机与信息工程学院，河南开封 475001；4.河南财政金融学院，郑州 451464）

0 引言

近年来，全球定位系统（GPS）已经成为美军取得局部战争和作战行动胜利的信息基础［1］，各国也竞相发展GPS干扰技术。鉴于此，美军为进一步获得作战优势，广泛采用多阵元模块、调零天线技术、军码（M码）、增大发射功率、窄波束天线等抗干扰技术，使精确制导武器的GPS制导系统抗干扰能力显著提升［2］。这些抗干扰技术严重削弱单个GPS干扰站作战效能，多个干扰站联合部署以实现有效干扰成为首之选。多站联合干扰涉及干扰站与干扰站之间、干扰站与干扰目标（防护区域）之间的空间、功率等多重因素影响，特别是在实战中山区和城市复杂地形环境下，部署更加困难，成为困扰一线指战员的难题。本文在分析GPS抗干扰技术的基础上，提出使用多站进行高功率宽带压制式联合干扰，并建立高功率宽带压制模式的单站模型，通过定性分析和数值仿真研究和解决多站联合干扰部署问题。

1 高功率宽带压制式联合干扰方法

GPS系统抗干扰技术的发展和进步，严重削弱单个GPS干扰站作战效能，但是通过分析各种抗干扰技术对单站的作战效能影响，可以充分发掘在役装备潜力，在装备机制实现突破前，使其具备新的用武之地。

1）单站欺骗式干扰更加困难，压制式干扰起主导作用。GPS欺骗式干扰又分为产生式欺骗干扰和转发式欺骗干扰。产生式欺骗干扰需实时获取M码型和导航电文，目前存在困难；由于GPS接收机工作时处于跟踪锁定状态，转发式欺骗信号很难进入跟踪环路，即使进入环路也很容易被“察觉并抛弃”，难以产生影响，故转发式欺骗干扰需要先采用压制式干扰使其跟踪环路失效，再实施转发式欺骗干扰［5］。

2）在役单站干扰作用距离急剧下降，高功率成为必然选择。新一代GPS导航卫星发射功率提升，信号强度增加，如GPSIII C的M码接收机处的信号强度为5.4×10-15W/m2，所需最低干扰信号强度从 2.1×10-11W/m2提升到 34.4×10-11W/m2；在窄波束天线照射局部区域情况下，信号强度甚至可以提升100倍［2］，所需最低干扰信号强度也相应提升数十甚至百倍，使得干扰站有效作用距离急剧降低。

3）在役单站压制式干扰近乎失效，多站联合部署成为必然。压制式干扰是通过发送高功率密度的GPS同频连续波或有调制的干扰信号，使接收机失锁，无法正确截获、跟踪GPS信号，但是多阵元自适应调零天线技术可以降低来自干扰方向的信号增益（零陷），以增强其他方向的信号的信噪比，对单方向、窄带干扰信号滤除尤其有效［6］。

4）在役单站干扰有效作用区域难以保证使用组合导航技术的武器产生足够的圆概率偏差。组合导航技术是提升武器系统GPS抗干扰的重要途径［3-4］。以典型的GPS/INS组合导航系统为例，解决了GPS信噪比低于接收门限时，INS可独立导航定位，从而避免了短时/短距干扰带来的影响。GPS干扰站需要在相当长的一段航迹上对其进行干扰，以确保武器的INS系统产生足够的圆概率偏差。在干扰站有效作用距离降低的情况下，单站干扰更难满足要求。

综上可知，采用多个干扰站进行高功率宽带压制式联合干扰成为应对GPS精确制导武器的有效手段。

2 单站压制式工作模型

以山区作战部署为例，使用军事地理信息系统的地形数据，建立单GPS干扰站压制工作模式下的工作模型，奠定多站联合干扰分析的基础。

2.1 干扰站与被干扰目标空间关系

复杂地形条件下，干扰站和被干扰目标之间的相对位置对干扰效能影响极大：二者相对位置决定了干扰信号入射角度；二者之间容易受山体或者高大建筑的遮蔽影响，出现干扰信号盲区。

方位角：

干扰站和被干扰目标值之间距离：

其中，R为地球半径，取6 371 km。以某山区地形为例进行分析，按照1∶5万载入地理信息系统的地形数据。

采用通视分析仿真遮蔽效应，若两点不通视，就认为信号被遮蔽。仿真算例条件如下：设干扰站部署于（110 E°，33.5 °N，1.4 km）点，全向工作模式，平均工作功率8 W，取GT=1.09，分别分析天线高度为10 m和25 m的目标的作用范围，分析结果如图2所示。

由计算结果可得，在复杂的山区环境部署GPS干扰站时，天线相对高度极为重要，特别是对于只能地面部署的车载/背负式GPS干扰设备部署的影响更为严重。

2.2 干扰站空间功率分布

功率为Pg的干扰站，到距离R的GPS接收机端处的干扰功率PR为：

其中，GT为发射机干扰方向上的天线增益。为实现有效压制式干扰，干扰站必须在接收机天线入口处产生一定强度的干扰信号，使得进入接收机的干扰功率PR与其信号的功率Sr比值超过一定阈值，此时接收机将失锁而无法工作。M码信号所需最小信号强度Pmin为34.4×10-11W/m2。由式（3）可知最大有效作用距离为：

2.3 单站对自适应调零天线作用效果评估

多阵元自适应调零天线技术可以有效对抗压制式干扰，特别是在干扰机数量少于调零天线阵元数的情况下，自适应调零天线都能有非常好的抑制效果。目前大多数精确制导武器系统的GPS接收机通常采用4阵元自适应调零天线［2］，功率最小化是一种有效的快速的自适应调零算法［9-10］。

仿真算例参数如下：某型巡航导弹使用四阵元Y型自适应调零天线，抗干扰算法为严格约束条件最小功率准则（LCMV）的功率倒置算法［5-6］。被干扰目标位于（110°E，33.5°N，2.10 km）。在区域内有3颗GPS卫星；干扰站部署于（110.016 7°E，33.472 6°N，1.560 km），天线高度为 10 m，全向工作模式，干扰信号为L1频率的高斯白噪声信号，平均工作功率8 W，取GT=1.09。仿真所得的自适应的天线方向图如图3所示：

仿真结果表明，天线方向图在干扰方向上产生显著零陷，即使用LCMV算法的4阵元Y型天线可以有效抑制单个GPS的干扰。仿真结果也表明，可以使用基于LCMV算法的4阵元Y型天线的模拟算法作为检验程序，用于评估干扰站的部署方案的干扰效果。

2.4 采用组合导航技术的武器在压制式干扰下的圆概率偏差

如前所述，目前美军大量武器装备采用GPS/INS组合导航，当接收机被压制失锁之后，武器将使用INS导航。由于INS不受外界干扰，其误差主要来源于惯性传感器的漂移，可以使用圆概率误差表示［3，11］：

Ω为INS角误差漂移速度（°/h）；D为巡航导弹距目标距离（km）；V为巡航导弹飞行速度（km/h）。干扰导致的最小圆概率偏差根据攻击目标的特性差异而不同。例如：某巡航导弹的光纤陀螺角误差漂移速度在0.1°/h，导弹巡航速度为850 km/h，最大射程1 500 km，距离目标10 km时开启数字式景象相关匹配进行末制导。圆概率偏差大于30 m的条件下，由式（5）可得，GPS干扰站压制式干扰巡航导弹飞行航迹上压制距离大于120 km。

3 多GPS干扰站联合部署研究

3.1 多GPS干扰站部署定性分析

研究表明：采用多方位逼近的干扰方法，能大幅降低自适应调零天线的GPS的抗干扰增益［5］；在干扰机数目多于调零天线阵元数的情况下，如果某些干扰信号相对于调零天线的空间角度相差过小，这些干扰信号会被等效为一个干扰机而被抑制掉。如前所述，为有效干扰具有4阵元自适应调零天线的武器系统或载具，需要至少4个干扰机从不同角度实施压制性干扰，即飞行航迹上任意一点都需要被至少4个干扰站从不同角度对其进行有效干扰，否则GPS接收机将会迅速重新接收到信号，从而恢复导航能力，使之前的干扰效果前功尽弃。

在实战的复杂地形条件下，GPS干扰站部署受通信、道路、保障等条件制约，部署点位选择并非随心所欲，但是多站部署应符合如下基本要求：对于防护区域的任意一点，有足够多数量的GPS干扰站对其空间覆盖；且每个站在该区域的入射功率大于最低干扰功率；多个干扰站的空间分布要满足自适应天线对空间角度要求。

3.2 多站联合部署数值仿真

需要指出的是，在本文的分析计算采用覆盖分析法，对于某一个目标干扰（防护）是使用GPS干扰站的有效作用区域尽可能广泛地覆盖目标点及其周围的区域，以实现可能飞行航迹的最大覆盖，充分发挥装备的性能和潜力。

防护目标（即被干扰目标）位于（Oj，Ow，Oh），周围区域内部署n个GPS干扰站（Pji，Pwi，Phi），干扰站与防护目标空间与功率关系使用式（1）～式（4）计算。

仿真分析参数设定如下：区域内有3颗GPS卫星，4个干扰站；模拟目标可接收7个输入，其中3个为来波信号，4个为干扰信号。当该区域内存在超过4个有效干扰信号时，按照功率强度取前4个信号。各个干扰信号相互独立，均为L1频率的高斯白噪声信号。平均工作功率8 W，取GT=1.09。位置参数和部分计算结果如表1所示。

1号～4号干扰站的组合覆盖如图4所示。

表1 干扰站仿真计算参数

取1号～4号干扰站，干扰效果如图5所示。

由仿真结果可知，4阵元自适应调零天线可控方向图对于干扰1和干扰4实现了有效的抑制，但是对于干扰2和干扰4的抑制效果并不理想。

3号～6号干扰站的分析结果如下页图6所示。

由仿真结果可知，当5号和6号干扰站相对防护目标形成的夹角较小，使得等效的干扰站数量缩减为3个，导致3个干扰站的信号被抑制，影响了干扰效果。

3.3 多站干扰部署结论

通过上述定性分析和数值仿真，对于多站联合干扰部署应当遵循如下基本原则：

1）通过空间和功率分析可知，由于地形遮蔽效应的存在，干扰站的实际覆盖区域远远小于理论覆盖区域，导致干扰效率低下。在山区和高大建筑物遮蔽的条件下，天线高度有着重要的意义，建议设备在制高点部署，或者采用适当的途径升高天线。

2）针对N阵元数量的敌方被干扰目标，至少需要N+1个压制式干扰源对其全面覆盖，且相互之间两个干扰以被干扰点为顶点的夹角大于定值，以避免两个干扰源被等效为一个干扰源。更多的仿真计算表明，对于4阵元自适应调零天线，两站以被防护（干扰）点为定点的夹角不小于20°。

3）天线的功率分布直接影响作用距离，大型干扰站体积较大，机动困难，制约条件多，山区遮蔽严重，形成多角度覆盖困难。便携式干扰站可以通过定向天线提高干扰功率，可以作为大型干扰站区域覆盖的补盲、或者大量独立部署。

4 结论

本文重点分析多阵元自适应调零天线的等抗干扰技术对当前单干扰站作战的影响，提出使用多个干扰站联合对组合制导武器进行高功率宽带压制干扰。本文从实战出发，针对多干扰站与防护目标之间的空间相对位置要求高，干扰效果检验难等问题，充分考虑干扰站部署过程中的复杂地形条件，建立了包含地形因素单站的空间、功率和评估模型，使用基于LCMV算法的4阵元自适应调零天线模拟程序作为被干扰目标，分析了多站部署时装备数量、空间与功率分布等因素对干扰效果的影响。

通过本文的研究，初步总结复杂地形条件下的GPS干扰站部署的方法和原则，提供了评估手段，为指挥员部署决策提供了有效的依据，对防护区域作战阵地预置具有重要的指导意义。

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