【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 對方的導(dǎo)航系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)對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的自然延時(shí)來實(shí)施干擾。另外轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號經(jīng)過功率放大，信號的幅度大于導(dǎo)航信號的幅度， GPS 接收機(jī)完全有可能捕獲到轉(zhuǎn)發(fā)后的信號。 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，還對它的發(fā)展前景做了大致的估計(jì)，并簡要概括了 GPS 信號的基本組成。 第四章則著重于對仿真的結(jié)果進(jìn)行簡要分析和比較，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)）的簡稱。 20 世紀(jì) 70 年代，美國陸?？杖娐?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，衍生了測速、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)生具大社會和經(jīng)濟(jì)效益，而且在軍事領(lǐng)域更具重要性。在美國發(fā)動的第二次海灣戰(zhàn)爭中，由于伊拉克使用了據(jù)說是從俄羅斯購進(jìn)的 GPS 干擾系統(tǒng)，使多枚美國精確制導(dǎo)導(dǎo)彈偏離了軌道，從而使得 GPS 干擾問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、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抗中獲得優(yōu)勢，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)開展空間通信干擾技術(shù)的研究，期望通過先進(jìn)的技術(shù)、方法、手段和策略，實(shí)現(xiàn)對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。通過發(fā)射與 GPS 信號相類似的干擾信號，誤導(dǎo)GPS 接收機(jī)偏離準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位，這個(gè)過程就是 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 簡介 及發(fā)展現(xiàn)狀 GPS 簡介 全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System）是美國第二代衛(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 GPS 衛(wèi)星的全部觀測數(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)型號分為測地型、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 GPS 導(dǎo)航的市場潛力巨大。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)在國內(nèi)的 GPS 導(dǎo)航領(lǐng)域也在經(jīng)歷著一場蛻變，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)用都會有很大的發(fā)展 空間。 GPS 發(fā)展前景 中國目前正在成為全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（ GPS）產(chǎn)業(yè)增長最快的市場之一。然而，由于 GPS 在我國尚處于起步階段，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)的國家相比，我國的 GPS 產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，與之配套的大環(huán)境還沒有形成，企業(yè)發(fā)展相對較難。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，勢單力孤。 “主要還是國家衛(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)致國家對未來衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識不足，投入謹(jǐn)慎，對企業(yè)的支持力度不夠。此外，目前高校中沒有教授 GPS 知識的人，更談不上培養(yǎng)下一代 GPS 人才。由于事關(guān)中國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多年來一直致力于此的業(yè)內(nèi)人士對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，國家已經(jīng)認(rèn)識到發(fā)展 GPS 的重要性，特別 是對某些國有企業(yè)動輒支持幾千萬甚至上億元。如果這些企業(yè)能轉(zhuǎn)而利用國內(nèi)企業(yè)的核心技術(shù)，讓他們分一杯羹，不僅可以保證國內(nèi)企業(yè)的生存，還能打開 GPS 發(fā)展的大環(huán)境，推動我國衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展。目前 GPS 系統(tǒng)是部分公開的，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)星距離地面約兩萬公里 。 解決這一難題的辦法就是另外發(fā)射一種高頻信號作為載波將低頻的測距碼杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 信號和導(dǎo)航電文信號加載到這一高頻信號上，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 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的下行信號進(jìn)行干擾，主要是針對用戶接收機(jī)的干擾對抗，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 簡介 所謂欺騙式干擾是指發(fā)射與 GPS 信號具有相同參數(shù) (只有信息碼不同 )的假信號，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)在于功率過高，但就戰(zhàn)時(shí) GPS 信號可能發(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，各個(gè)國家相繼開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，期望通過空間優(yōu)勢獲得信息優(yōu)勢，其目的是奪取制天權(quán)。 全球定位系統(tǒng) (Global Positioning System)是美國從上世紀(jì) 70 年代開始研制，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。對空間部分、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)備的下行信號比較微弱，其開放性的特點(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)，它不需要對所接收 的真實(shí) GPS 信號進(jìn)行分析，而直接通過信號的延遲達(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、國家安全等方面的考慮，世界上有能力的國家都在紛紛建設(shè)自己的或與其他國家聯(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“信息戰(zhàn)”、“導(dǎo)航戰(zhàn)’’的重要組成部分，海灣戰(zhàn)爭以來精確制導(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)爭的 10％急增至 2020 年自由伊拉克戰(zhàn)爭的98％。國際上，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。并提到，對 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)星測量值大小 , 并隨機(jī)給這些測量信號加上適當(dāng)?shù)牟豢蓹z測的偏差值 , 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 , 以保證信號 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，美國政府宣布 2020年至 2020年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消 SA 政策， GPS 民用信號精度在全球范圍內(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 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 市場的增長?？梢?， GPS 技術(shù)市場的應(yīng)用前景非常可觀。 (3)動態(tài)時(shí)延控制 先通過 A/D 轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后采用多抽頭可控?cái)?shù)字延遲線來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的動態(tài)時(shí)延，最后再通過 D/A 轉(zhuǎn)換還原為模擬信號。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)使載波相互對準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)輸入信號與本地信號的粗同步。 GPS 衛(wèi)星信號在到達(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，對多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)式信號進(jìn)行較精確的估計(jì) 。目前比較流行的主動干擾機(jī)是在復(fù)制導(dǎo)航信號的基礎(chǔ)上形成干擾信號，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 測量過程中，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， 暴露性非常??；而缺點(diǎn)是復(fù)雜性增大，功耗大。 就國內(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)鍵問題，例如收發(fā)隔離機(jī)制的簡化。 4， 干擾機(jī)智能化，能準(zhǔn)確估算目標(biāo)所接收到的衛(wèi)星測量值大小 , 并隨機(jī)給這些測量信號加上適當(dāng)?shù)牟豢蓹z測的偏差值 , 以較小的偏差值進(jìn)行有效干擾。而且 “轉(zhuǎn)發(fā)式 ’’干擾利用信號的自然延時(shí)