【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 但就戰(zhàn)時(shí) GPS 信號(hào)可能發(fā)生的變化而言，該方式在一定條件下還是可杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 以達(dá)到干擾目的的。隨著 GPS 系統(tǒng)抗干擾能 力的增加，及其覆蓋范圍和精度的提高，單一效能的干擾手段很難達(dá)到預(yù)期效果。 轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī) 課題 的提出 現(xiàn)今社會(huì)，各個(gè)國(guó)家相繼開(kāi)展了以攜帶各類(lèi)有效載荷的航天器及其星座為核心體的相關(guān)資源利用和組網(wǎng)等技術(shù)的研究，期望通過(guò)空間優(yōu)勢(shì)獲得信息優(yōu)勢(shì)，其目的是奪取制天權(quán)。而信息能力已成為現(xiàn)代作戰(zhàn)的核心能力，未來(lái)空間攻防對(duì)抗的實(shí)質(zhì)也將是一場(chǎng)空間信息對(duì)抗，其目的在于奪取控制信息權(quán)。 全球定位系統(tǒng) (Global Positioning System)是美國(guó)從上世紀(jì) 70 年代開(kāi)始研制，歷時(shí) 20 年，耗資 200 億美元，于 1994 年全面建成，具有在海 陸空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。 為了實(shí)現(xiàn)空間電子對(duì)抗，干擾 GPS 系統(tǒng)正常工作的方法可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是直接摧毀衛(wèi)星，一類(lèi)是用電子手段進(jìn)行干擾。硬摧毀武器從研制、部署到使用的成本比較昂貴。因此，不到萬(wàn)不得已，不應(yīng)輕易采用硬摧毀的手段。以 GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言，它已經(jīng)成為精確制導(dǎo)武器的重要手段，美軍使用的精確制導(dǎo)彈藥占全部使用量的 90％以上，而絕大多數(shù)精確制導(dǎo)彈藥均裝備了 GPS導(dǎo)航定位裝置將打擊精度提升到數(shù)米量級(jí)。它分為空間部分、地面控制部分和 地面控制部分三個(gè)部分。對(duì)空間部分、地面控制部分和由地面控制部分發(fā)往空間衛(wèi)星的上行鏈路信號(hào)進(jìn)行 “軟干擾 攻擊的難度也非常大，而從衛(wèi)星反饋到用戶定位設(shè)備的下行信號(hào)比較微弱，其開(kāi)放性的特點(diǎn)，容易受到干擾，因此 GPS 的下行星地通信鏈路信號(hào)便是其 “軟肋 ’’。對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星通信下行鏈路進(jìn)行 “軟干擾 ”主要是對(duì)用戶接收機(jī)的干擾對(duì)抗，從技術(shù)上考慮，主要有壓制式干擾和欺騙式干擾。 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是 GPS 干擾技術(shù)中欺騙式干擾的一個(gè)分支。其最大的優(yōu)勢(shì)是發(fā)射功率低，不易被探測(cè)器材發(fā)現(xiàn)，因而具有很強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。同時(shí)，它不需要對(duì)所接收 的真實(shí) GPS 信號(hào)進(jìn)行分析，而直接通過(guò)信號(hào)的延遲達(dá)到欺騙目的，因而從理論上可以認(rèn)為是一種與 代 碼無(wú)關(guān)的干擾，因此進(jìn)行該方式的研究具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。本課題研究的就是 GPS 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī)的發(fā)展 本世紀(jì)，出于其軍事利益、經(jīng)濟(jì)利益、國(guó)家安全等方面的考慮，世界上有能力的國(guó)家都在紛紛建設(shè)自己的或與其他國(guó)家聯(lián)合的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 現(xiàn)今，世界上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要 有 ：美國(guó)的 GPS 系統(tǒng)，歐洲的 Galileo系統(tǒng)，俄羅斯的 GLONASS 系統(tǒng)，中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 衛(wèi)星導(dǎo)航已成為 現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)“信息戰(zhàn)”、“導(dǎo)航戰(zhàn)’’的重要組成部分，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)精確制導(dǎo)武器使用量與總投彈量比逐年提升，其中 GPS 制導(dǎo)武器占整杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 個(gè)精確制導(dǎo)武器的比例由海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的 10％急增至 2020 年自由伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的98％。 航空導(dǎo)航 GPS化是 GPS系統(tǒng)建設(shè)的重要目標(biāo)之一，但航空導(dǎo)航可靠性要求高，技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，因此 GPS 航空導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)落后于 GPS 航海系統(tǒng)。國(guó)際上，為了使衛(wèi)星導(dǎo)航成為航空導(dǎo)航的主導(dǎo)航手段，需要在現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建設(shè)增強(qiáng)系統(tǒng)，例如北美的 WAAS 系統(tǒng)， LAAS 系統(tǒng)，歐洲的 EGNOS 系統(tǒng)，日本的 MSAS系統(tǒng)等 。 在不斷的應(yīng)用探索的過(guò)程中，各國(guó)科學(xué)家及學(xué)者展開(kāi)了針對(duì) GPS 干擾機(jī)的研究及討論，并取得了一系列的研究成果。 1997 年， Glisie S 等 [1]提出了 GPS 系統(tǒng)采用典型的 CDMA 體制，這種擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)具有低截獲概率特性，系統(tǒng)以碼分多址形式區(qū)分各衛(wèi)星信號(hào)。 2020 年，周義，王自焰 [2]在論文中概括出了轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 干擾系統(tǒng)圖，如圖 所示。并提到，對(duì) GPS 進(jìn)行欺騙性干擾可從兩方面入手 : 給出虛假導(dǎo)航信息或增加信號(hào)延時(shí)時(shí)間 , 可分別采用產(chǎn)生式和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。文中預(yù)測(cè)，對(duì)欺騙式干擾而言 , 干擾機(jī)的趨勢(shì) 是智能化。即能準(zhǔn)確估算目標(biāo)所接收到的衛(wèi)星測(cè)量值大小 , 并隨機(jī)給這些測(cè)量信號(hào)加上適當(dāng)?shù)牟豢蓹z測(cè)的偏差值 , 以較小的偏差值實(shí)施有效干擾。 接 收機(jī)衛(wèi) 星干 擾機(jī)d 1d 2d 3 圖 GPS 干擾示意圖 2020 年，孫智信 [3]在其論文中提出，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾利用信號(hào)的自然時(shí)延容易實(shí)現(xiàn) , 關(guān)鍵在于解決收發(fā)隔離問(wèn)題。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾還要從 20~ 30dB 的信噪比中提取、放大信號(hào) , 以保證信號(hào) 不產(chǎn)生 畸變或較少畸變 , 并提高輸出信噪比。 2020 年，范俊輝等 [4]指出，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是通過(guò)利用信號(hào)的自然延遲 ,對(duì)敵方的 GPS 接收機(jī)進(jìn)行干擾 , 這種方法不需要知道 信號(hào)的形式和偽碼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。顯然，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾優(yōu)于產(chǎn)生式干擾 ,欺騙式干擾的研究的重點(diǎn)應(yīng)該放在轉(zhuǎn)發(fā)式干擾上。 2020 年，張翰林等 [5]在論文中提出，對(duì)現(xiàn)代化 GPS 實(shí)施有效干擾難度越來(lái)越大 ,隨著新頻段和新碼的使用 , 從信噪比中提取高保真有用信號(hào)時(shí) , 接收機(jī)很杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 容易被欺騙信號(hào)所欺騙。在使用了新頻段和新 代 碼的現(xiàn)代化 GPS 中 , 干擾技術(shù)相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)。 由于 GPS 技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。 隨著冷戰(zhàn)結(jié)束和全 球經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，美國(guó)政府宣布 2020年至 2020年期間，在保證美國(guó)國(guó)家安全不受威脅的前提下，取消 SA 政策， GPS 民用信號(hào)精度在全球范圍內(nèi)得到改善，利用 C/A 碼進(jìn)行單點(diǎn)定位的精度由 100 米提高到 10 米，這將進(jìn)一步推動(dòng) GPS 技術(shù)的應(yīng)用，提高生產(chǎn)力、作業(yè)效率、科學(xué)水平以及人們的生活質(zhì)量，刺激 GPS 市場(chǎng)的增長(zhǎng)。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，在美國(guó)，單單是汽車(chē) GPS導(dǎo)航系統(tǒng)， 2020 年后的市場(chǎng)將達(dá)到 30 億美元，而在中國(guó)，汽車(chē)導(dǎo)航的市場(chǎng)也將達(dá)到 50 億元人民幣?？梢?jiàn)， GPS 技術(shù)市場(chǎng)的應(yīng)用前景非?？捎^。 轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī) 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為實(shí)現(xiàn) GPS 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，有以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題： (1)收發(fā)隔離問(wèn)題 2020 年，為解決這個(gè)問(wèn)題， Rabbany[6]首次給出經(jīng)典的雙星協(xié)同的二級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，但是它比較復(fù)雜 如圖 所示： 星 載 轉(zhuǎn)發(fā) 式 干擾 機(jī)功 率 放大本 振3 G H z本 振 3 G H z帶 通 濾波1 5 7 5 .4 2 M H z1 5 7 5 .4 2 M H z 圖 二星轉(zhuǎn)發(fā)示意圖 (2)降低信號(hào)畸變和提高信 噪 比 為降低信號(hào)畸變、提高信噪比，應(yīng)考慮使用具有較寬天線波束的天線，并在帶通濾波器后面加裝低噪放大器。 (3)動(dòng)態(tài)時(shí)延控制 先通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后采用多抽頭可控?cái)?shù)字延遲線來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的動(dòng)態(tài)時(shí)延，最后再通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換還原為模擬信號(hào)。 1994 年， Sally L[7]等認(rèn)為，對(duì)于 GPS 衛(wèi)星信號(hào)的捕獲是一個(gè)二維捕獲過(guò)程。捕獲結(jié)果是使本地參考碼和接收碼相位差值小于一個(gè)碼元寬度，且收發(fā)碼時(shí)鐘頻率基本一致，同時(shí)使載波相互對(duì)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與本地信號(hào)的粗同步。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 1999 年， Braasch M[8]在論文中認(rèn)為，作為 GPS 接收機(jī)的處理核心，由捕獲和跟蹤組成的同步過(guò)程是尤為關(guān)鍵的。 GPS 衛(wèi)星信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)后，經(jīng)天線前端處理 (低噪放、下變頻、采樣等 )后，隨即進(jìn)入信號(hào)的同步階段。第二年， Brown A．等 [9]認(rèn)為，為捕獲到 GPS 衛(wèi)星信號(hào)，需要同時(shí)復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星的碼相位和載波頻率，對(duì) GPS 信號(hào)的搜索和捕獲，并給出了四種方法。 ① 偽碼串行、載波串行 ② 偽碼串行、載波并行 ③ 偽碼并行、載波串行 ④ 偽碼并行、載波并行 2020 年，劉慧越 [10]利用多徑估計(jì)理論，提出了一種新的基于最大似然估計(jì)的 GPS 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)估計(jì) 技術(shù)。闡述了轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的原理，建立了 GPS 接收機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)相干積分累加的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了轉(zhuǎn)發(fā)式干擾最大似然估計(jì)的計(jì)算公式。仿真實(shí)驗(yàn)表明：該技術(shù)可以在有色噪聲 條 件下，對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)式信號(hào)進(jìn)行較精確的估計(jì) 。 在眾多國(guó)家中，俄羅斯對(duì) GPS 干擾技術(shù)的研究是最為深入的，成果也最為顯著，先后提出了五代 GPS 干擾機(jī)理論。目前比較流行的主動(dòng)干擾機(jī)是在復(fù)制導(dǎo)航信號(hào)的基礎(chǔ)上形成干擾信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是既可實(shí)現(xiàn) “硬 ”抑制，也可實(shí)現(xiàn) “軟 抑制， 坐標(biāo)的 測(cè)量過(guò)程中，在導(dǎo)航接收器中可以引用可控誤差，干擾效率高，可形成任何前面探討的干擾信號(hào)， 暴露性非常??；而缺點(diǎn)是復(fù)雜性增大，功耗大。 目前，除俄羅斯和美國(guó)外，能制造 GPS 干擾機(jī)的國(guó)家還有法國(guó)、德國(guó)、意大利、朝鮮等。 就國(guó)內(nèi)而言， GPS 干擾技術(shù)的理論研究及干擾裝置的研制起步較早，取得了一定的進(jìn)展。但隨著技術(shù)的發(fā)展，迫切需要在現(xiàn)有干擾體制的基礎(chǔ)上提出更合理，更有效的干擾方法。 轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī)發(fā)展方向 結(jié)合上述認(rèn)知轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī)的現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)認(rèn)知轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī)會(huì)沿著以下幾個(gè)方面發(fā)展： 1，基礎(chǔ)理論和相關(guān)應(yīng)用的研究。包括： GPS 基本運(yùn)行機(jī)制，常見(jiàn)干擾計(jì)算與抗干擾方法，以及 GPS 信息傳輸基礎(chǔ)理論等。 2，解決轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾的關(guān)鍵問(wèn)題，例如收發(fā)隔離機(jī)制的簡(jiǎn)化。 3，民用 GPS 信息編碼加密防熱為惡意干擾，以及軍用 GPS 加密編碼的研發(fā)，并不斷改進(jìn) GPS 的測(cè)算精度。 4， 干擾機(jī)智能化，能準(zhǔn)確估算目標(biāo)所接收到的衛(wèi)星測(cè)量值大小 , 并隨機(jī)給這些測(cè)量信號(hào)加上適當(dāng)?shù)牟豢蓹z測(cè)的偏差值 , 以較小的偏差值進(jìn)行有效干擾。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 下 變 頻L N AF I F O時(shí)鐘控制D A CA D C上 變 頻放 大 器信 號(hào) 接 收 單 元干 擾 發(fā) 送 單 元干擾生成單元 建立轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī)動(dòng)態(tài)模型 在 GPS 系統(tǒng)被干擾的過(guò)程中，干擾機(jī)將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾處理后，在將虛假信號(hào)與真實(shí)信號(hào)相結(jié)合，由 GPS 接收天線進(jìn)行接收，從而達(dá)到干擾 的目的，整個(gè) 系統(tǒng)基本模型如 圖 所示 ： G P S 衛(wèi)星 導(dǎo) 航信 號(hào) 生成 模 塊干 擾機(jī)G P S接 收天 線G P S接 收機(jī) 圖 GPS干擾系統(tǒng)基本模型 “轉(zhuǎn)發(fā)式 干擾利用信號(hào)的自然延時(shí)，因此干擾信號(hào)與導(dǎo)航信號(hào)完全相同，只是延時(shí)不同，另外轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)放大信號(hào)的幅度大于導(dǎo)航信號(hào)的幅度 GPS接收機(jī)完全有可能將轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)捕獲到從而獲得錯(cuò)誤的偽距使 GPS 接收機(jī)達(dá)不到精確的定位。而且 “轉(zhuǎn)發(fā)式 ’’干擾利用信號(hào)的自然延時(shí)，不需要產(chǎn)生高逼真信號(hào)，技術(shù)上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)將原理樣機(jī)各部分功能細(xì)化，進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，各模塊既具有相對(duì)獨(dú) 立的功能，相互之間又有信息和數(shù)據(jù)的傳遞與交換，工作時(shí) 相互制約，相互協(xié)調(diào)。基于 FPGA 控制的模擬信號(hào)可控延遲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在一定存貯約束條件下的 可控信號(hào)延遲轉(zhuǎn)發(fā) 。 我們將對(duì)干擾機(jī)模塊進(jìn)行重點(diǎn)模擬， 轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī) 框圖如 圖 ： 圖 GPS欺騙干擾機(jī)流程圖 典型的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾 機(jī) 結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，其中信號(hào)接收單元接收 GPS衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻數(shù)字信號(hào)；干擾生成信號(hào)單元產(chǎn)生延遲干擾信號(hào)，根據(jù)控制單元輸出的控制指令，由 FPGA 控制的 FIFO 進(jìn)行延時(shí)控制，將經(jīng)過(guò)延時(shí)的數(shù)據(jù)經(jīng) DAC 轉(zhuǎn)換后，生成干擾信號(hào)；干擾信號(hào)發(fā)送單杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 元發(fā) 送干擾信號(hào)，由微處理控制單元輸入控制指令，進(jìn)行相應(yīng)處理后發(fā)送出去。從圖 3 中可以看出，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)的主要器件包括：低噪聲放大器、濾波器、混頻器、晶體振蕩器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘控制和 FIFO 等。需要分別對(duì)這些主要器件對(duì)干擾信號(hào)產(chǎn)生的細(xì)微影響進(jìn)行分析并建模。 其中涉及到的部分重要元件主要有以下幾種： 低噪聲放大器用來(lái)增加接收機(jī)輸入端的微弱信號(hào)的幅度，使之能夠達(dá)到接收 機(jī)的檢波器的可用范圍。 濾波器用來(lái)選擇性地通過(guò)或抑制某頻段信號(hào)。理想特性為：允許某一頻率段通過(guò)，而抑制其余頻率段；濾波器對(duì)通帶內(nèi)頻率信號(hào)呈現(xiàn) 匹配傳輸，對(duì)阻帶頻率信號(hào)失配而進(jìn)行反射衰減，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜過(guò)濾功能。 混頻器是 三 端口的有源或無(wú)源器件。如果在兩個(gè)輸入端口分別輸入不同頻率的兩個(gè)信號(hào)，在唯一的輸出端口將產(chǎn)生一個(gè)和頻和一個(gè)差頻信號(hào)，這個(gè)過(guò)程叫做頻率變換。信號(hào)接收單元中必須使用這種頻率較低的信號(hào)，因?yàn)樗苋菀子弥蓄l級(jí)進(jìn)行有效放大和濾