【正文】 2 學(xué)生姓名 張喜合 指導(dǎo)教師 孫閩紅 完成日期 2020 年 12 月 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， GPS 系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。有效地利用 GPS 干擾 技術(shù)破壞 對(duì)方的導(dǎo)航系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)對(duì)己方的有效隱蔽和保護(hù)，是 GPS 技術(shù)在軍事領(lǐng)域的一個(gè)新應(yīng)用。 本文主要研究 GPS 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾原理。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾主要是利用信號(hào)的自然延時(shí)來(lái)實(shí)施干擾。另外轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大，信號(hào)的幅度大于導(dǎo)航信號(hào)的幅度， GPS 接收機(jī)完全有可能捕獲到轉(zhuǎn)發(fā)后的信號(hào)。 本文在第一章和第二章中不僅 詳細(xì)敘述了 GPS 的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀，還對(duì)它的發(fā)展前景做了大致的估計(jì)，并簡(jiǎn)要概括了 GPS 信號(hào)的基本組成。 第四章則著重于對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和比較，驗(yàn)證理論依據(jù)的真實(shí)性。 GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱。 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS 。 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最基本也最重要的功能，是 在廣達(dá) 億平方公里的巨大地球表面，給任意一個(gè)物體定位，由此而來(lái)，衍生了測(cè)速、軌跡描繪、導(dǎo)航、防盜反劫、服務(wù)救援、遠(yuǎn)程監(jiān)控等等重要的應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅在民用領(lǐng)域（如個(gè)人位置服務(wù)、氣象應(yīng)用、道路交通管理、鐵路智能交通、海運(yùn)和水運(yùn)、航空運(yùn)輸、應(yīng)急救援等）得到廣泛應(yīng)用并產(chǎn)生具大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，而且在軍事領(lǐng)域更具重要性。在美國(guó)發(fā)動(dòng)的第二次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，由于伊拉克使用了據(jù)說(shuō)是從俄羅斯購(gòu)進(jìn)的 GPS 干擾系統(tǒng)，使多枚美國(guó)精確制導(dǎo)導(dǎo)彈偏離了軌道，從而使得 GPS 干擾問(wèn)題引起了世人廣泛的關(guān)注。如 1994 年 9 月，在約翰 據(jù)設(shè)計(jì)者稱，該裝置足以干擾半徑 16 公里范圍內(nèi)的任何采用 CA 編碼的 GPS 接收機(jī)。杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 這種干擾機(jī)重 3— 10 公斤 (不含電池 )。 鑒于空間衛(wèi)星系統(tǒng)在導(dǎo)航、通信、探測(cè)、預(yù)警、偵察等領(lǐng)域的廣泛軍事應(yīng)用，為在空間信息的通信對(duì)抗中獲得優(yōu)勢(shì)，美軍率先提出并建立了“反空間通信系統(tǒng)”，其目的在于利用無(wú)線電頻率干擾空間鏈路，阻礙敵方的衛(wèi)星通信。為此，我們也應(yīng)開(kāi)展空間通信干擾技術(shù)的研究，期望通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)、方法、手段和策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息有效傳輸保證的衛(wèi)星通信鏈路的干擾，進(jìn)一步獲得空間優(yōu)勢(shì)。通過(guò)發(fā)射與 GPS 信號(hào)相類似的干擾信號(hào)，誤導(dǎo)GPS 接收機(jī)偏離準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位，這個(gè)過(guò)程就是 GPS 欺騙干擾。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 GPS 簡(jiǎn)介 及發(fā)展現(xiàn)狀 GPS 簡(jiǎn)介 全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System）是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。 24 顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為 11 小時(shí) 58 分，分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為 55 度。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。監(jiān)控站設(shè)有 GPS 用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì) GPS 衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆 GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。 全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 GPS 分類及 應(yīng)用 特點(diǎn) GPS 衛(wèi)星接收機(jī)種類很多，根據(jù)型號(hào)分為測(cè)地型、全站型、定時(shí)型、手持型、集成型；根據(jù)用途分為車載式、船載式、機(jī)載式、星載式、彈載式。從而計(jì)算道路的擁堵情況 ； 另外還有 時(shí)間服務(wù) ，分為： 系統(tǒng)同步：如 CDMA 通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng) 授時(shí)：準(zhǔn)確時(shí)間的授入、準(zhǔn)確頻率的授入 GPS 發(fā)展現(xiàn)狀 中國(guó) GPS 導(dǎo)航的市場(chǎng)潛力巨大。而日本的汽車車載導(dǎo)航安裝率高達(dá) 59%，歐美約占 25%。 2020 年，被人們稱為中國(guó)的“ 3G 元年”。作為新一代的通信技術(shù)， 3G帶給人們非常多的期許。其實(shí)在國(guó)內(nèi)的 GPS 導(dǎo)航領(lǐng)域也在經(jīng)歷著一場(chǎng)蛻變，第三代 PND 類導(dǎo)航產(chǎn)品的應(yīng)運(yùn)而生，已經(jīng)把人們帶進(jìn)了全新的導(dǎo)航時(shí)代。在“十一五”期間，衛(wèi)星導(dǎo)航在其它領(lǐng)域如航空、海路、鐵路、建筑、電信、電力等方面的應(yīng)用都會(huì)有很大的發(fā)展 空間。 GPS 發(fā)展前景 中國(guó)目前正在成為全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（ GPS）產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一。然而，由于 GPS 在我國(guó)尚處于起步階段，與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相配套的環(huán)境還不完善，制約了企業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。北京東方聯(lián)星科技有限公司總經(jīng)理張峻林是眾多探索者中的杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 一員。 與 GPS 產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，我國(guó)的 GPS 產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，與之配套的大環(huán)境還沒(méi)有形成，企業(yè)發(fā)展相對(duì)較難。特別是能夠研發(fā)核心技術(shù)的企業(yè)太少，只有東方聯(lián)星、西安華訊、北京星科聯(lián)通等少數(shù)幾家，勢(shì)單力孤。 “主要還是國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航的人才太少，制定發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的框架戰(zhàn)略不清晰，導(dǎo)致國(guó)家對(duì)未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識(shí)不足，投入謹(jǐn)慎，對(duì)企業(yè)的支持力度不夠。此外，目前高校中沒(méi)有教授 GPS 知識(shí)的人，更談不上培養(yǎng)下一代 GPS 人才。由于事關(guān)中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多年來(lái)一直致力于此的業(yè)內(nèi)人士對(duì)以上情況看在眼里急在心里，其中就包括東方聯(lián)星科技公司總經(jīng)理張峻林。 目前，國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到發(fā)展 GPS 的重要性，特別 是對(duì)某些國(guó)有企業(yè)動(dòng)輒支持幾千萬(wàn)甚至上億元。如果這些企業(yè)能轉(zhuǎn)而利用國(guó)內(nèi)企業(yè)的核心技術(shù)，讓他們分一杯羹，不僅可以保證國(guó)內(nèi)企業(yè)的生存，還能打開(kāi) GPS 發(fā)展的大環(huán)境，推動(dòng)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展。目前 GPS 系統(tǒng)是部分公開(kāi)的，采用的偽碼有 C/A 碼、 P（ Y） 碼等。隨著 GPS 現(xiàn)代化建設(shè) 的發(fā)展 ，偽碼 中 將增設(shè)新的軍用 M 碼。 GPS 衛(wèi)星距離地面約兩萬(wàn)公里 。 解決這一難題的辦法就是另外發(fā)射一種高頻信號(hào)作為載波將低頻的測(cè)距碼杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 信號(hào)和導(dǎo)航電文信號(hào)加載到這一高頻信號(hào)上，構(gòu)成一個(gè)高頻的調(diào)制波發(fā)射給地面。其中： L1 載波的頻率 fl=1575． 42MHz， L2 載波的頻率f2=1227． 6MHz。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 欺騙干擾機(jī) 干擾機(jī) 對(duì) GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的下行信號(hào)進(jìn)行干擾，主要是針對(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 ，如 圖 所示 G P S 干 擾轉(zhuǎn) 發(fā) 式 干 擾欺 騙 干 擾產(chǎn) 生 式 干 擾壓 制 干 擾相 關(guān) 干 擾 阻 塞 干 擾 瞄 準(zhǔn) 干 擾 圖 GPS干擾方式分類圖 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾 簡(jiǎn)介 所謂欺騙式干擾是指發(fā)射與 GPS 信號(hào)具有相同參數(shù) (只有信息碼不同 )的假信號(hào)，干擾 GPS 接收機(jī)，使其產(chǎn)生錯(cuò)誤定位信息，其功效相當(dāng)于偽 GPS 衛(wèi)星。這種欺騙式干擾有產(chǎn)生式和轉(zhuǎn)發(fā)式兩種體制 。就空間 GPS 干擾技 術(shù)而言，我們首要研究重點(diǎn)是具有最佳干擾效果的相關(guān)干擾技術(shù)，其研究的最終目的在于通過(guò)產(chǎn)生的最大互相關(guān)偽碼匹配序列進(jìn)行虛假導(dǎo)航電文的擴(kuò)頻，實(shí)現(xiàn) GPS 產(chǎn)生式欺騙干擾。阻塞式壓制干擾實(shí)際上是一種非常有效的干擾手段，其缺點(diǎn)在于功率過(guò)高，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。 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)。 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)。硬摧毀武器從研制、部署到使用的成本比較昂貴。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)。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 ’’。 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。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。 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)。 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％。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 。 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)。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。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。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。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。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)。 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)?？梢?jiàn)， GPS 技術(shù)市場(chǎng)的應(yīng)用前景非?？捎^。 (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)。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。 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。 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)。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) 。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)， 暴露性非常小；而缺點(diǎn)是復(fù)雜性增大，功耗大。 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。 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。 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。 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。而且 “轉(zhuǎn)發(fā)式 ’’干擾利用信號(hào)的自然延時(shí)