多模GNSS伪码相关干扰机设计

张月霞 杨瑞琪 张玉宣

(北京信息科技大学 北京 100101)

0 引言

在信息化战争中，卫星导航系统贯穿战场上的每一个环节，无论是单兵作战，还是集团的综合推进，都需要卫星导航系统来进行指导规划，所以遏制敌方卫星导航系统的正常工作，对战争的胜利起着很重要的作用[1]。目前，四大全球卫星导航系统(GNSS)有美国的GPS系统[2]、俄罗斯的GLONASS系统[3]、欧盟的GALILEO系统[4]和中国的北斗卫星导航系统(BDS)[5]，他们形成了并存与发展的局面，并且多模融合成为未来的重要发展方向。GNSS系统主要依靠卫星发送的射频信号，当射频信号发送到地面时，信号功率极小，非常容易受到其他信号的干扰，使卫星导航接收机的导航定位精度下降，甚至不能正常工作。所以研究多模卫星导航干扰机对现在战争具有非常重要的意义。

目前，世界上很多国家都进行GNSS卫星导航系统的干扰研究。英国使用干扰功率为1W的干扰机可以使GPS接收机在3km范围内不能工作。俄罗斯2000年成功研制了一种压制式干扰机，干扰功率8W，能对GPS的两个频段(1227MHz和1575MHz)实施干扰，干扰距离可达数百公里。美国正在开发一个名为“狼群”的项目，这是一种智能型干扰机，输出功率只有几瓦，可以使3英里范围内的接收机无法正常工作[6]。伊拉克战争中，伊拉克至少使用了6台大功率的干扰机，大大降低了联军GPS制导武器的命中率。由此可见，掌握GNSS干扰技术对战争起着关键的作用，但是目前的干扰技术都集中在单模的研究中，多模GNSS卫星导航干扰机的研究是亟待解决的重要课题。

本文设计了一种多模GNSS伪码相关干扰机(以下简称M-GNSS干扰机)，其利用与多模GNSS卫星导航信号中C/A码相似的伪码作为干扰信号，使GNSS接收机不能正确解调卫星信号，以使其失效。文中通过分析多模GNSS卫星导航系统的信号特点，设计伪码相关干扰信号，理论分析表明其所需功率较小。本文利用DDS芯片和单片机实现了M-GNSS干扰机，性能稳定，实现简单，成本低廉。通过试验验证，该M-GNSS干扰机操作简单、人机界面友好、干扰频率准确稳定、所需功率较小，干扰效果良好。

1 M-GNSS信号干扰分析

1.1 压制式干扰原理

卫星导航系统的干扰方式有两种，分别是欺骗式干扰和压制式干扰。

欺骗式干扰分为产生式和转发式欺骗干扰，产生式干扰需要了解多模GNSS信号的详细信息，如卫星信号码型和卫星电文数据，由于GNSS军码信息处于保密状态，所以针对GNSS军用接收机实现产生式干扰比较困难；转发式干扰需要先使接收机处于失锁状态，然后在GNSS卫星信号中增加延迟信息转发给接收机，以使GNSS接收机失效，转发式干扰操作复杂，且不易实现。

压制式干扰是通过干扰机发射同频率大功率的噪声信号以阻塞卫星导航信号频带，使GNSS接收机降低或完全失去正常工作能力。压制式干扰从干扰信号带宽可分为宽带干扰和窄带干扰；从干扰信号样式又可分为瞄准式干扰(连续波干扰)、噪声带限干扰、相关干扰等多种方式，在干扰作用时间上有连续干扰和脉冲干扰，干扰方式不同干扰效果也不尽相同。压制式干扰的优点是技术难度较小，操作简单，干扰效果良好[7]。因此，本文设计的M-GNSS干扰机采用压制式干扰方式来对GNSS卫星信号进行干扰。

1.2 多模GNSS卫星导航系统原理

多模GNSS卫星导航系统的信号原理如图1所示。四大卫星导航系统分别具有多个频点，每一个频点表示一种模式，用i来表示多模GNSS卫星导航系统中的不同模式，最多有N种模式。在图1中，ai(t)(i=1…N)表示不同模式的卫星导航系统的电文数据码，pi(t)(i=1…N)表示其对应的扩频码；cos(wcit+φi)(i=1…N)表示其对应的载波信号，si(t)(i=1…N)表示每种模式的发送信号，s(t)表示多模GNSS卫星导航系统总的发送信号，其可以表示为[8]：

(1)

图1 GNSS信号原理图

从图1中可以看出，多模GNSS卫星导航接收机接收到的信号y(t)可用下式表达：

y(t)=s(t)h(t)+n(t)

(2)

式中，n(t)为空间噪声，h(t)=kδ(t-t0)为理想恒参信道，k为恒参信道的衰减，t0为恒参信道的时延。接收机接收到的信号与扩频码相匹配，进行解调后可以得出：

(3)

其中，扩频码自相关函数为：

(4)

(5)

当GNSS接收机接收到的信号功率小于接收机灵敏度时，不能正确识别卫星导航信号。GNSS接收机灵敏度是由热噪声电平、接收系统噪声损耗和获取有效信息所需的载噪比组成[9]，如下式：

PR=N0+Lf+CS/N0

(6)

式中：PR为接收机灵敏度，约为-160dBW；N0=10lgkT，k=1.38×10-23J/K，T一般取290K；Lf一般取为6dB。

以GPS系统为例，通过式(6)可以得出，在GPS接收机不受干扰的情况下，获取有效信息所需的载噪比约为37.9dB。因此，当压制式噪声干扰信号使载噪比小于此值则会使GPS接收机失锁而不能正常工作。

1.3 M-GNSS伪码相关干扰机原理

在卫星导航信号发送过程中对多模GNSS接收机施加伪码相关干扰信号，如图 2所示。

图2 伪码相关干扰信号

伪码相关干扰信号是一种与GNSS卫星信号相似的信号，伪码相关干扰信号可以通过两个10级数的线性反馈移位寄存器所产生的m序列经过异或相加得到。伪码干扰信号可表达为：

G(t)=J1(t)J2[t+K(10q)]

(7)

式中：J1与J2是线性反馈移位寄存器产生的m序列；K是两个m序列之间的相位偏差系数，q是码元宽度。

如图2所示，干扰信号可以表示为：

(8)

式中，gi(t)表示干扰第i种模式的干扰数据，Gi(t)表示干扰第i种模式的伪码信号，sgi(t)是干扰第i种模式的干扰信号。

多模GNSS接收机接收到的信号yg(t)可用下式表示：

yg(t)=s(t)h(t)+sg(t)h(t)+n(t)

(9)

(10)

由此可见，施加伪码相关干扰信号后，产生的伪码相关干扰噪声为：

(11)

由于G(t)与p(t)不同步，所以τ≠0，RGp(τ)≠0，对某些τ值RGp(τ)很大已经接近卫星信号的扩频码的自相关函数值[10]。由于压制式噪声与GPS扩频码互相关函数值很小，只能通过增加信号功率来对GPS接收机施加干扰，所以伪码相关干扰对比压制式噪声干扰，所需功率更小，干扰效果更加良好。

2 设计与实现

M-GNSS干扰机硬件主要由主控芯片、信号产生电路、载波调制、上变频电路、可变增益放大器、发射天线等组成。系统组成如图3所示。

图3 系统组成框图

主控芯片控制信号产生电路产生基带信号，经过载波调制后传输至上变频器，上变频器将信号上变频为指定频点的射频信号，并经过可变增益放大器对射频信号功率进行调节，最后输出至发射天线[11]。

M-GNSS干扰机硬件电路图如图 4所示：

图4 M-GNSS干扰机电路图

2.1 主控芯片

主控芯片选用STM32F103RET单片机，该单片机可以通过数模转换器使数字信号转变成模拟信号来控制可变增益放大器产生不同功率的干扰信号。

单片机还集成了串口通信模块，可以通过串口来控制信号产生电路和混频电路。

单片机接收来自上位机的指令信号，解析后发送给信号产生电路和混频电路，控制信号产生电路里的DDS产生不同频率和波形的基带信号；控制混频电路产生所需要的载波信号。

2.2 信号产生电路

信号产生频率可以产生不同频率(即不同模式)和多种调制方式的干扰信号。运用直接数字频率合成技术(DDS)可以更加准确地产生高频率的信号，DDS是由二进制数字来实现频率的合成，产生状态稳定，不会随着时间的变化而变化。本文的DDS芯片选用ADI半导体公司的AD9854[12]，该芯片可以输出高达300MHz的信号，并能够输出BPSK、ASK、FSK等多种调制信号。

如图5所示，上位机将配置参数传递给主控芯片；配置参数包括信号频率、带宽、功率、调制方式等。主控芯片控制基带信号发生器，产生基带干扰信号；干扰信号经过插值滤波器、上变频和功率控制后，变为中频信号进入数模转换器；数模转换器输出的信号进入调制单元，经调制之后，变为微弱的射频信号，供后续模块使用。

图5 信号发生电路组成框图

2.3 混频电路

混频电路是将DDS产生的信号调制到本地载波上，使信号的频率上变频至GNSS卫星信号的频率并保持一致。本文中本地载波产生电路选择锁相环电路，GNSS卫星信号的频率在1.5GHz左右，要产生同样的载波信号，需要将晶振的频率放大几百倍，这样很容易产生频率偏移，使用锁相环芯片可以解决这种频率偏移，得到频率稳定的射频信号[13]。

锁相环电路选用SI4133芯片，该芯片具有两路射频输出和一路中频输出。SI4133具有较高的精度。混频芯片选用ADL5375芯片，该芯片可提供较宽带宽的输出信号。

3 试验结果

该设备主要用于军事用途，在某军事基地进行实地测试时，选取了某种型号的制导武器进行了静态试验。在进行试验时，把M-GNSS干扰机距离被测试物的多模接收机设置为50m，接收机可以通过与监测设备连接实时监测星况信息。试验方案示意图如图6所示。

以GPS系统为例，进行测试。正常情况下，GPS接收机上位机软件界面如图7所示，其中圆形点代表GPS卫星，方形点代表BD卫星，三角点代表GLONASS卫星，右下角的柱形图代表接收到GPS卫星信号的信噪比。当施加干扰后，试验结果如图8所示，可以看出所有圆形点消失，且右下角GPS信噪比全部为零，可以说明压制式伪码相关干扰GPS卫星信号，使接收机失效，接收机已无法正常接收GPS信号，干扰效果良好。

图6 试验方案示意图

图7 正常星况图

图8 干扰后星况图

4 结束语

文中设计的M-GNSS干扰机中干扰信号是伪码相关干扰信号，该信号与多模卫星导航信号中的C/A码相似。通过理论分析并结合多模卫星导航信号的特点，得出伪码相关干扰所需功率小。本文利用直接数字频率合成技术和锁相环频率合成技术实现了M-GNSS干扰机，通过实验验证，结果表明伪码相关干扰机操作简单、频率准确稳定，可以对多模卫星接收机实施有效干扰。

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