导航战中GNSS信号干扰技术特征研究

吴忠望，胡彦逢，徐龙威

(航天工程大学 航天信息学院，北京 101416)

0 引言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)由于具有全天候、大范围、高精度的特点，在各领域，尤其是军用领域具有广泛应用。因为极大受益于GPS在现代战争中发挥的重要作用，并认识到卫星导航系统在信号抗干扰方面的先天脆弱性以及一旦受攻击后将对作战行动造成重大影响，美国于1997年正式提出了导航战的概念。该概念包含阻止与保护2个重要的方面，即“防止敌人在作战中利用GNSS，保护己方和友军正常使用GNSS，同时避免作战区域以外的非敌方导航服务受到影响”。而导航战中的一个主要问题，即对导航系统的攻击或干扰，还没有得到很好的解决。卫星导航干扰的体制机制、干扰程序的特点不一样，导致干扰的效果可能差别较大。GNSS作为重大信息基础设施，即便在冲突地区进行导航信号干扰行动，也需要有相应原则来维护民用和军用基础设施的安全[1-4]。

早在1991年的海湾战争中，导航战已经初见端倪。在1999年的科索沃战争中，南联盟军队利用俄制肩扛式GPS干扰机对北约军队的巡航导弹实施了干扰，在战争实践中导航战有了进一步发展。到了2003年的伊拉克战争，针对GPS的干扰与抗干扰作战行动在伊拉克与美英联军之间激烈展开，导航对抗的技术手段和战法进一步深化。2018年4月美军空袭叙利亚军事行动、2018年11月挪威海军“南森”级宙斯盾护卫舰沉没事件、2019年6月伊朗击落美军RQ-4“全球鹰”无人机事件等一系列局部战争和军事行动中，可以非常清晰地看到导航战的身影。本文针对未来战争的导航战下对导航信号干扰机理及特征进行研究，在此基础上，提出应对策略；重点研究了压制干扰和欺骗干扰的关键特征，提出了压制干扰和欺骗干扰的处理措施。

1 导航信号脆弱性分析

GPS大大提升了美军战斗力，但同时在历次战争中，也暴露出误炸盟军、飞弹跑偏等问题。如在伊拉克战争中，美军至少有10枚以上的巡航导弹遭到了伊拉克GPS干扰机的干扰，并且伊拉克拥有400多部GPS干扰机按照一定的地图分布，来达到最佳干扰GPS的效果[5-6]。

卫星导航系统目前已成为现代化战争信息战、导航战的重要组成部分和关键的基础设施。在卫星导航系统的3个部分中，对空间星座和地面监控系统实施电子攻击难度较大，且政治风险高，对用户设备实施攻击却容易得多。与移动通信的信号接收功率相比，卫星导航信号的接收机功率低100～1 000万倍，这使其很容易受到干扰，严重影响了卫星导航尤其是复杂战场环境下军事卫星导航装备的应用[7-9]。

以GPS为例，GPS卫星位于距地球表面约20 000 km的高空轨道上，信号发射功率为30 W，信号经空间路径传播、大气吸收等，传播到地球表面已经十分微弱，信号功率在-130 dBm左右。假设噪声在2 MHz带宽内的功率为-115 dBm，则GPS信号频谱如图1所示[10]。

图1 GPS信号频谱Fig.1 GPS signal spectrum diagram

由图1可知，GPS信号功率主要集中在(-1～1 MHz)2 MHz带宽内(由C/A码速率决定)，淹没在噪声功率水平以下。

针对卫星导航接收机的人为干扰一般可以分为压制干扰和欺骗干扰。压制干扰通过产生大功率的电磁波覆盖导航接收机的频带，造成信号接收质量的下降，使其不能正常地定位，就可以干扰到接收机。民用GPS干扰设备在成本和小型化方面已经得到了较好的发展，目前市面上100美元左右便可以获取手机大小的GPS干扰器。而军用GPS干扰设备更加注重干扰的性能，如俄制车载GPS干扰机，据称可以干扰十几万平方千米GPS信号[11-12]。

而在实际中还有一类干扰更加隐蔽，这类干扰与真实的卫星信号功率相当，而且信号格式完全一致。这样一种虚假的卫星信号，通过欺骗导航接收机，使之产生错误的定位结果，也就是近些年广受关注的欺骗干扰。2011年伊朗采用欺骗干扰的方式劫持了美国RQ-170无人机。该次无人机被捕获事件很可能是压制式干扰和欺骗式干扰的互相使用，使接收机产生错误的定位结果，而进入到伊朗境内，被伊朗捕获[13-14]。

2 GNSS干扰策略及应对措施

2.1 GNSS干扰策略

在导航战中，压制干扰的关键特征如下：

① 压制干扰的目的是抑制卫星信号的捕获和跟踪。

② 干扰的有效性主要取决于干扰功率、干扰带宽、干扰类型、天线增益、遮挡损耗和接收机设计等。

③ 干扰源分布方式可以是聚合式(单干扰源)或分布式(多干扰源)。

欺骗干扰的关键特征如下：

① 欺骗干扰信号与GNSS信号类似，接收机可以像真实信号一样跟踪欺骗信号，使导航接收机定位错误。

② 生成式欺骗干扰需要了解伪随机码(PRN)、历书信息、调制解调和导航解算等信息，以产生欺骗信号。

③ 转发式欺骗干扰包括定点转发、多通道分离转发等。

④ 与压制干扰类似，欺骗干扰分布方式也包括聚合式和分布式，且每个干扰源可伪造单颗或多颗卫星信号。

2.2 干扰处理措施及评估

根据上述干扰特征分析，未来导航战可能面临的干扰类型如表1所示。

表1 未来导航战可能面临的干扰类型Tab.1 Possible jamming types of future navigation warfare

阵列天线抗干扰技术是卫星导航抗干扰方向最重要的技术之一，可以在复杂干扰环境中发挥重要作用，因此本文对其进行重点分析。基于阵列信号处理的抗干扰技术利用导航信号与干扰信号的来波方向差异，通过空域自适应处理能够抑制干扰增强信号，从而改善输出信干噪比[15-16]。为了提高抗干扰能力，可进一步联合时域或频域，改善自适应阵列的抗干扰能力。设宽带压制干扰干信比大于100 dB，阵列天线抗干扰处理效果如图2所示，经抗干扰处理，天线方向图零陷大于100 dB，可有效抑制压制干扰。

(a) 抗干扰前后频谱图

(b) 阵列天线零陷图2 压制干扰仿真结果Fig.2 Suppression jamming simulation results

对于欺骗干扰，阵列天线处理技术也有一定抑制效果。经仿真分析及实测结果可知，对正常跟踪状态的接收机，欺骗干扰信号干信比大于25 dB才可破坏接收机环路，导致定位错误。设欺骗干扰强度与噪声相近时(干信比30 dB)，阵列天线在抗干扰模式下，天线方向图仿真结果如图3所示，干扰抑制零陷约-12 dB。此时，经过抗干扰处理后，欺骗干扰残留干信比为18 dB，欺骗干扰难以破坏接收机跟踪状态。当欺骗信号强度更大时，零陷会进一步加深，可抑制干扰效果。

图3 欺骗干扰下阵列天线零陷仿真结果Fig.3 Simulation results of array antenna null under deception jamming

实际应用过程中，阵列天线可有效抑制压制干扰，对于欺骗干扰，可利用欺骗干扰检测手段，如时间一致性检测、惯性位置一致性检测、多普勒检测和多系统多频点检测等进欺骗干扰识别，再通过DOA估计技术进行欺骗干扰来向检测，最后结合波束赋形的阵列天线抗干扰处理方法[15-16]进行干扰抑制。

3 GNSS接收机欺骗干扰的基本原理

3.1信号传输损耗模型

根据信号在自由空间的传播理论，信号传输功率与传播距离的平方成反比[17]，假设信号源发射天线发射到距离接收天线Ro(单位m)时的功率为Po(单位dBw)，则传播到距离信号源发射天线RL时功率衰减到P1，表达式为：

GPS卫星轨道距地面约20 000 km，信号在传输过程中受到各种因素的衰减作用，到达接收机接收天线时已经变得很弱，这时接收机位置小范围的移动相比整个遥远的传输路径而言，可以认为接收到的真实卫星信号信噪比基本不变。对于通过同一天线发射的欺骗信号，由于与接收机距离一般在几千米甚至几百米以内，此时目标用户的位置变化会引起信噪比变化。已知信号传输功率与传播距离的平方成反比，随着干扰源与接收机之间距离的变化，载噪比变化曲线如图4所示。

图4 信号传输损耗曲线Fig.4 Signal transmission loss curve

普通GPS接收机的噪声功率约为-205 dBW/Hz，接收机接收到的载波L1上的C/A码信号在-163～-153 dBW，与之相对应的载噪比变化范围为38～48 dBHz。也就是说，对于一般的情况,接收机接收到的真实信号载噪比是在一定范围内的，而引入的欺骗信号如果功率过高会使接收机得出的载噪比偏大，偏离真实可能范围，容易被检测出异常。

3.2 导航战下GNSS接收机受干扰仿真

由于卫星信号到达接收机天线口面强度很弱，淹没在热噪声以下，需要通过伪码相关提取信号[18]。以BDS B3频点信号为例，码速率为10.23 MHz。1 ms时长内BDS B3频点伪码归一化自相关功率如图5所示。从图中可以看出，归一化自相关功率谱中主峰比次峰高约30 dB，即如果目标接收机对BDS B3频点信号累积1 ms时长进行解扩，可以获得约30 dB增益；依次类推，若累积10 ms时长进行解扩，可以获得约40 dB增益。随着累积时间的增加，受多普勒频移、数据/NH码翻转等影响，可提升增益降低，常用目标接收机的解扩增益为43 dB。

图5 BDS B3伪码归一化自相关功率Fig.5 BDS B3 PN code normalized autocorrelation power

在没有干扰信号的正常情况下，数字处理的输出产生伪距、多普勒频移和导航电文以进行定位。信号捕获、跟踪和解调都依赖于相关后的信噪比。在压制干扰情况下，如果J/S超过容许值，可能导致信号跟踪锁定失败，则干扰成功。为了使PVT产生虚假输出，欺骗干扰信号必须被跟踪环路锁定，欺骗干扰才是成功的。根据接收机的一般处理步骤和干扰过程分析接收机受GNSS干扰的基本流程，如图6所示。分别对存在压制、欺骗干扰情况下的信号捕获进行仿真，仿真条件如表2和3所示，对应仿真结果如图7所示。

图6 接收机受GNSS干扰的基本流程Fig.6 Basic flow of receiver interfered by GNSS

表2 压制干扰仿真条件Tab.2 Suppression jamming simulation conditions

表3 欺骗干扰仿真条件Tab.3 Deception jamming simulation conditions

(a) 存在压制干扰

(b) 存在欺骗干扰图7 干扰对接收机捕获影响Fig.7 Influence of jamming on receiver acquisition

从仿真结果可以看出，对于压制干扰，-90 dBm干扰信号(干信比40 dB)可以压制卫星信号，随着干扰强度增加，压制能力更强；对于欺骗干扰，欺骗干扰信号与真实信号具有强相关性，当欺骗信号强度与真实信号一致时就可能捕获、跟踪到欺骗信号；当欺骗干扰增强，捕获、跟踪到欺骗干扰的概率增加，直到完全淹没真实信号，接收机只能收到欺骗信号，如图8所示，当欺骗干扰信号强度达到-110 dBm(干信比20 dB)时，真实信号相关结果被完全压制，只有欺骗干扰可以被检测到。

图8 欺骗干扰完全淹没真实信号Fig.8 Deceptive jamming completely drowns the real signal

4 结束语

现阶段没有哪一种干扰手段可以攻破一切防护，也没有哪一种防护手段可以抵御所有样式的干扰攻击。在未来导航战发展过程中，攻防对抗双方不会仅限于单独采用一种干扰或者抗干扰手段。而卫星导航抗干扰接收机势必会加装多种抗干扰技术，相应的导航干扰设备也将更加趋于复杂化(多种干扰模式)、协同化(与相关侦察设备协同配合)、智能化(智能决策)，而阵列抗干扰技术、多源信息融合抗干扰技术，以及由此衍生的导航战战法将成为今后发展的重要方向。