复杂干扰环境下的卫星授时接收机加固技术

文/陆国生

随着GPS等卫星导航系统的出现，这一技术彻底改变了军事通信与民用通信的环境，在此基础上的卫星定位的导航和授时装置广泛用于各种经济体系中。然而需要注意的是，卫星信号固有地容易受到阻塞、干扰甚至欺骗，而根据相关报道显示，成本为29美元的简单设备就可以阻止甚至伪造出GPS信号。因此在这一前提下，探讨复杂干扰环境下的卫星授时接收机加固技术就有着很高的必要性了。

1 卫星授时面临的复杂干扰环境

1.1 自然环境干扰

2014年，GPS技术领域的专家们就提出了保护、增强和改进GPS框架的提议。考虑到电磁环境中GPS信号面临复杂的干扰类型和干扰特性，则可以将GNSS卫星接收机所受的干扰可分为三类：自然干扰、抑制干扰和误导干扰。考虑到自然环境的干扰包括多径反射、地形障碍以及由自然环境引起的多类型干扰，在这一过程中自然环境造成干扰影响往往是无意识的影响，且没有明显的干扰影响或攻击意图，而接收器处于复杂的电磁环境中，则受到这种干扰影响的可能性很高。此外，自然环境的干扰主要可分为以下几类。首先是带内无线电干扰，这种干扰对于GPS接收器会产生直接影响，并在1565和1585MHz之间的频带中影响效果最为明显。其次则为带内RF干扰和带外RF干扰，例如带外RF干扰主要是GPS载波频率附近的强信号干扰，其能够通过接收器的RF滤波器影响卫星信号接收器的运作并产生干扰。

1.2 压制式干扰攻击

压制式干扰攻击中的干扰信号多以某种方式屏蔽GNSS信号频谱，通过恶意方式使得GNSS接收机减少信号接收或完全失去其正常功能，因此可以认为压制式干扰其主要涉及中断卫星信号。考虑到GNSS卫星信号具有独特的模式且具有相应的频率系统，因此允许载波频率干扰载波频率信号的精确对准，而卫星信号的压制干扰模式则可以使信号在一定范围内丢失，并使其出现故障，同时阻止其运行，这种干扰的特点是在所有卫星信号出现区域内干扰GNSS信号，并且存表现为截然不同的干扰效果。另外，相关干扰是由干扰信号的码序列与GNSS信号的伪码序列具有强相关性的技术事实所造成的，与不相关的干扰相比这种干扰模式有更多的能量，因此可以用更少的功率实现与更为良好的干扰效果。

1.3 欺骗式干扰攻击

欺骗式干扰攻击会导致GNSS接收器错误地定位自身。欺骗式干扰攻击根据干涉模式可以分为两类，分别是脉冲干扰和连续波干扰。例如脉冲噪声包括有单频脉冲、啁啾脉冲等，而连续波噪声则包括扫频噪声、单频噪声、窄带噪声和宽带噪声等。通常来说欺骗性干扰攻击可能比抑制干扰更具破坏性，这是因为欺骗攻击甚至不会导致接收器产生长期损坏，而欺骗攻击的过程一般分为两个步骤，分别是干扰信号的产生和干扰信号的传输。此外，用于产生欺诈性干扰信号的方法可以主要分为两类，其分别为产生干扰和传播干扰，这种干扰模式将自生成的信号直接发送到信号接收器中，并导致错误的位置来达到欺骗的目的，其性能上的优点为导航信号和传输时间由它们自身决定因此较为灵活，信号可以被延迟或提前，并且可以在导航消息中指定错误的位置信息，而其技术上的性能缺点则是必须理解信号和导航消息的结构并且难以干扰到军事信号。

2 卫星授时接收机加固技术简析

2.1 多天线发射技术

前文中所提到的复杂环境下的干扰类型的有很多，因此技术人员通过使用多天线发射技术，就能够通过自己的天线接收到真实的卫星信号，并在适当的延迟处理后将其发送到干扰区域中能够接受到信号的接收机。此外，考虑到干扰信号的延迟只能大于实际信号的延迟，欺骗只能通过改变伪距来实现专门针对卫星授时的传播干扰，因此使用多天线发射技术就能够根据欺骗障碍转移方法将信号分开，并将多个卫星信号的叠加使得接收器更容易检测到欺骗模式。但是，考虑到多天线发射技术对硬件的要求较高且需要实现信号分离，因此对于离散分布的天线而言就要更长的线路来实现互连和控制，最终影响到了这一技术在应用时的泛用性。

2.2 压制干扰监测技术

压制干扰监测技术可以很容易地辨析出四种类型的欺诈干扰程序。考虑到GNSS的正确授时和定位主要取决于两个条件：首先必须正确测量至少四颗卫星的伪距，其次必须检索有效的导航信息。从上述可以看出干扰模式、环境干扰都可能导致压缩消息误码率增加等，而在这一过程中甚至接收机的伪距测量容差也可能不起作用。因此，使用压制干扰监测技术就能够有效抑制GPS接收中的干扰，并在此基础上降低载波噪声比，当接收器降低代码环和接收器的载波环的热噪声时，能够稳定相关器功率输出和载波相位，进而减少伪距和其变化率的测量误差，增加定位授时的精确度。

2.3 单机层面干扰监测

如果卫星的干扰监测能力低于接收器的跟踪阈值，则接收器往往会失去其正常工作容量。考虑到单机层面干扰监测可以细分为故障解决和故障监测，而相关的干扰前检测主要通过提取接收机观测来实现，如天线自动加固控制技术、模数转换器和载噪比技术以及相关的抗干扰检测技术，并通过观察相关器输出功率来完成。此外，单机层面干扰监测能够在跟踪AGC信号的同时控制信号电平的误码率，并尽可能的减少公共信道噪声信号带来的影响，因此具有重要的实践价值。

3 复杂干扰环境下卫星授时接收机加固技术应用

3.1 误码率监测

误码率监测技术可以直接改善干扰量的判断精确度并可以实时测量设备本身的解调损耗。在这一过程中如果载波噪声比高，但即使在正常系统操作的阈值范围内误码率也很高可以得出监测结论。另外，随着现代信号处理技术的发展，存在一些比较复杂的干扰检测方法，如循环平稳特征识别方法，匹配滤波检测方法，极化分析方法和时频分析方法，针对这些方法则误码率监测技术的应用可以获得良好的技术效果。

3.2 系统层面干扰监测

除了上述的单机干扰监测方法之外，还有一些通过网络实现GNSS干扰监测的系统。典型的GNSS干扰监测系统包括：NAVSYS公司在美国建立的干扰监测和定位系统和美国国家大地测量仪器等。这些系统通常使用更多分离的天线并具有单独的接收机信道与多个站点相结合，以监测特定区域航空无线电频段的干扰信息，用户通过秘密信息的真实性来确定跟踪信号，实际上是有两种方式检测扩频码加密和消息加密技术的结合，并且包括民用导航信号加密军用技术，然后保留字节变为加密认证加密，以便欺诈性干扰源不能生成导航消息，从而允许接收器通过电报区分欺骗性干扰和真实信号。

3.3 残留信号检测

检测残留信号的先决条件是误导性干扰信号不能抑制实际信号，并且可以在检测阶段细分为残留信号的检测，同时在残留信号检测的跟踪阶段。相位的检测用于通过确定在二维载波多普勒伪码相位搜索中是否存在两个相关峰值来确定是否存在欺诈性干扰。当接收器阻止实际信号时，可以通过对更复杂的干扰信号进行跟踪相位检测。此外，考虑到现有的导航接收器能够存储诸如导航卫星星历的信息，其在一段时间内保持有效，并对残留的信号进行合理的检测。

4 结束语

通信、电力和金融等系统中的GNSS时间接收器具有传统接收器无法提供的功能，包括确定位置、本地授时和多机网络联网，这些功能为通过计时更好地检测故障提供了实用的先决条件。本文总结了复杂电磁环境中接收机的干扰和欺骗攻击以及相应的检测策略。基于接收器的特性和体系结构，给出了多层时序接收器的加固结构。在此基础上，考虑到多卫星多系统授时差数据特性和接收机本地授时特性的充分利用，提出了一种多源授时误差数据辅助干扰检测方法，并与通信相结合。电源和其他授时接收器网络。基于网络的干扰检测方法可以通过信号参数的汇总分析和数据挖掘以及整个网络接收机的求解结果来实现干扰的检测，评估和定位。上述研究结果可用于改善复杂的干扰环境并有助于提高GNSS卫星授时的可靠性和完整性。