GNSS中基于调零天线的欺骗干扰抑制方法

唐洪军 黄治磊 曾浩

摘要欺骗式干扰由于实现成本低、干扰能力强，成为GNSS中主流干扰来源，但现有GNSS抗干扰天线仅仅针对压制式干扰．根据欺骗式干扰检测获得的干扰到达方向信息，采用人为在该角度增加压制式干扰的方法，现有GNSS调零天线就可以在欺骗干扰角度形成方向图零陷，实现欺骗干扰抑制．通过对天线方向图和接收机扩频码同步仿真，验证了新方法的有效性．

关键词欺骗干扰;干扰抑制;调零天线;全球导航卫星系统

中图分类号

TN967.1

文献标志码

A

收稿日期

2022-06-14

资助项目

“十四五”国防预研基金（629010204）

作者简介唐洪军，男，高级工程师，主要从事高速信号采集、数字阵列信号处理平台等相关研究.a_thj@163.com

曾浩（通信作者），男，博士，教授，主要从事自适应阵列天线技术、软件无线电和宽带移动通信技术研究.haoz@cqu.edu.cn

0 引言

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）因其可为各类军民载体提供全天候高精度的定位、测速和授时（Position Velocity Time，PVT）服务而得到广泛应用．由于卫星导航信号的脆弱性，GNSS接收机极易受到恶意人为干扰，使得平台导航系统失效［1］．一般GNSS调零天线针对压制式干扰，但从近几年针对无人武器平台的GNSS干扰热门事件来看，欺骗式干扰的威胁越来越大，这是因为欺骗式干扰信号不易被GNSS接收机察觉，并且随着软件无线电技术的发展，欺骗干扰设备所需成本也越来越低．转发式欺骗干扰技术上容易实现，成本低，是目前最主要的欺骗干扰方式．抗欺骗式干扰技术可分为欺骗干扰检测和欺骗干扰抑制：欺骗干扰检测主要实现对接收信号中是否存在欺骗干扰信号进行检测［2］;欺骗干扰抑制主要实现消除欺骗干扰信号对GNSS系统的影响［3］．对欺骗干扰抑制方法的研究相对其检测方法要少很多，特别是不改变GNSS编码结构下的接收机自主抑制方法尤其困难．目前研究较多的欺骗抑制方法有残留信号检测算法，其根据欺骗干扰源无法将真实卫星信号完全抵消，从GNSS接收机接收信号的缓冲样本中将系统重构建的欺骗信号减去，即可实现对欺骗干扰的消除［4］，该方法对欺骗干扰抑制的效果属于中等水平，需要额外的存储空间和专门用于重构欺骗信号的通道，并且在欺骗信号功率明显大于真实卫星信号时，因检测不到真实信号而失效．接收机自主完整性监测（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM）是另一种欺骗干扰抑制方法，其把欺骗干扰信号当成故障信号，通过比较伪距测量值而剔除因存在欺骗信号而导致的异常值，从而实现对欺骗干扰的抑制［5］，该方法成本低，实现简单，但欺骗信号只能是一个．最可靠的是空域零陷控制算法，由于欺骗干扰大多采用单天线发射，因此信号到达方向（Direction of Arrival，DOA）是区分真实信号和欺骗信号的可靠因素，在判断出欺骗信号来向的基础上［6］，可通过零陷形成技术降低欺骗信号方向上的增益，实现对欺骗干扰的抑制［7］．该方法虽然能达到良好的抑制效果，但是由于需要进行矩阵求逆运算，算法复杂度较高．针对上述问题，本文提出一种基于调零天线的欺骗干扰抑制算法，能弥补残留信号检测算法和RAIM算法的不足，相对于空域零陷控制算法，运算复杂度更低．

本文首先分析欺骗干扰信号模型，然后提出基于调零天线的欺骗干扰抑制算法，最后通过MATLAB仿真验证该算法的可行性．

1 欺骗式干扰信号模型

GNSS接收机的基本结构如图1所示，整体分为天线、射频前端、信号处理、定位4个部分．通常，GNSS接收机射频前端输出为中频信号，中频信号转换为数字信号后，通过各种信号处理算法实现不同功能，包括了干扰信号检测和抑制等［8］．而干扰抑制后的信号，则进入接收机，实现载体定位和授时功能［9］．

4 仿真分析

下面对本文提出的欺骗干扰抑制方法进行仿真分析，假设接收机阵列为8阵元均匀线阵，阵元间距为0.5倍波长，仿真假设接收机接收信号包括了一个卫星信号，信号来向分别为30°，两个转发式欺骗干扰信号，信号来向为-40°和60°，以及噪声信号．为了简单，GNSS接收机仅仅研究L1频段的GPS信号，PRN码为长度是1 023的GOLD码，码速率为1.023 MHz，接收信号通过射频前端转换为中频信号，中频频率4.092 MHz，采样频率为37.851 MHz，信号信噪比SNR=-20 dB，干噪比INR=-19 dB．噪声为功率为1的高斯白噪声．

用大功率带通信号s（k）=a（k）·ejω ckT s模拟两个压制式干扰，其中a（k）为均值为0，功率为INR=10 dB的高斯分布随机序列．两个人为干扰的区别是基带信号a（k）独立生成，彼此不相关．其时域波形和频谱图分别如图4、5所示，两个人为干扰时域波形不同，但频谱是相同的．

然后，根据式（7）和式（14）对GNSS接收机接收信号进行调零天线抗干扰处理．采用LMS算法计算最优权矢量，图6为根据式（15）计算的调零天线方向图．当不增加人为干扰时，由于欺骗信号功率太弱，无法形成零陷，方向图是水平实线．当采用本文方法后，在-40°和60°两個干扰信号方向，都能够形成零陷．

欺骗干扰通常和真实卫星信号功率相当，都较弱．调零天线主要目的是减小欺骗干扰功率，保持真实信号功率不变，这些都可以从干扰和真实信号DOA对应的方向图上看出．为此，在相同假设条件下改变阵元数量和人为干扰功率，对真实信号、两个干扰信号天线增益进行仿真，如图7、图8所示．仿真结果说明，真实信号功率和天线数量、人为干扰功率大小没有显著关系．图7显示，欺骗式干扰抑制度在天线数量满足自由度要求后，维持在-55 dB左右，不随天线数量增加而增加．图8显示，干扰功率对干扰抑制度影响显著，干扰功率越大，抑制越多．

抗干擾模块在抑制干扰时，不能对真实信号产生较大影响，至少要保证真实信号能够被GNSS接收机中PN码检测器正常检测到相关峰．根据扩频通信接收中相关峰检测方法，对抗干扰前后信号进行分析．图9为未进行欺骗干扰抑制接收机捕获的相关峰，仿真中可以看到接收机捕获到3个相关峰，说明接收信号中存在2个欺骗干扰信号．干扰抑制后，同样进行相关峰检测，如图10所示，则只有一个相关峰，说明干扰信号被有效抑制，并且真实卫星信号得到了有效保护．

5 结论

通过阵列天线接收信号在空域的处理，可以确定干扰信号角度，然后人为把欺骗式干扰转换为压制式干扰，再采用传统调零天线算法在欺骗干扰方向形成天线方向图零陷，从而实现对欺骗干扰抑制．通过MATLAB仿真实验验证了算法的可行性，对于GNSS抗干扰天线工程设计具有参考价值．

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Anti-spoofing via nulling antenna in GNSS

TANG Hongjun1 HUANG Zhilei2 ZENG Hao2

1Southwest Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036

2School of Microelectronics and Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044

Abstract Nowadays spoofing is the dominant threats for GNSS receiver due to its low cost and high efficiency.However，the nulling antenna，which is widely used in GNSS receiver，can only mitigate the interference via high power.According to the DOA information of spoofing，some pseudo interferences are added to the received signal and imping on the antenna array from the same DOAs as the spoofing.Then the following traditional nulling antenna can suppress the spoofing since the beam pattern generate nulls at the DOAs of spoofing.Finally，the simulations of beam pattern and PN code synchronization illustrate the performance of the proposed method.

Key words spoofing;jamming mitigation;nulling antenna;global navigation satellite system（GNSS）