GNSS脆弱性环境仿真系统设计*

严 凯，战兴群，秦 峰，王启玮

(上海交通大学航空航天学院，上海200240)

0 引言

全球导航卫星系统(GNSS)脆弱性是指GNSS在各类因素影响下系统端维持正常稳定工作、用户端维持正常服务质量的程度。随着GNSS在世界范围内的军事、国民经济、日常生活等几乎所有领域的广泛使用，人类越来越依赖GNSS所提供的定位、导航与授时(PNT)服务。而影响GNSS服务信号有很多因素［1］，包括有意干扰和无意干扰，以及来自自然现象的干扰。这些干扰所带来的影响涉及方方面面，例如:电力系统运行中断，通信、运输、金融服务的瘫痪，甚至危机生命安全等等。

GNSS脆弱性因素包括电磁干扰、电离层延迟与闪烁干扰、星间通信链路干扰、导航系统故障失效、多径干扰等方面［2］。为此，本文的设计通过研制模块化的射频干扰信号生成器、空间链路脆弱性仿真系统、商用导航信号模拟器、多频多模软件接收机和大气数据处理中心，组成多系统GNSS信号环境仿真系统，为GNSS脆弱性影响的评估、实时监测提供基础环境，同时为GNSS脆弱性探测和缓解技术提供验证平台。

1 系统总体设计方案

本仿真系统设计以下几种脆弱性情景:

1)电磁干扰(阻塞干扰、欺骗干扰、非GNSS干扰)

研制阻塞干扰发生器，实现卫星导航频段(L1/L2/L5/E6)信号的阻塞;研制欺骗干扰发生器，分为转发式和产生式2种欺骗方式，可针对GPS，BeiDou接收机的产生欺骗干扰信号。另外，塔康导航系统信号由于所在频段与导航信号频段相近，其旁瓣对于GNSS频段信号可能存在影响，因此，通过模拟该系统信号作为非故意干扰源，可对该信号影响进行分析。

2)大气异常环境影响(电离层异常、对流层异常)

通过利用交大导航所建设的GNSS四模参考站数据与接收分布在全国的CORS站观测数据，统一进行处理解算，完成对大气环境的实时监测，建立实时电离层、对流层延迟模型，进行大气延迟数据的仿真。

3)空间链路异常(卫星运行失效、星间链路干扰)

研制的空间段脆弱性仿真模块根据空间段脆弱性干扰故障情况，生成相应脆弱性情景仿真数据，内容包括卫星失效状态数据、地面测控系统卫星间链路通信数据、卫星星间链路通信数据等。主要输出数据为各卫星星历(导航电文、卫星工作状态、卫星时钟等参数)、星间测距值以及地面观测值等［3］。

4)多径效应干扰

利用GNSS信号模拟器产生多颗模拟卫星信号，通过附带多径生成软件，实现多路多径信号仿真。多径软件可多路径信号参数进行设置，包括多径个数、振幅、相位等。

综上，如图1总体方案设计，仿真系统通过一个射频切换与叠加模块，将接收到的真实卫星信号、GNSS模拟信号、阻塞干扰、欺骗干扰、非GNSS干扰、多径干扰信号进行切换和叠加，用于相应脆弱性情景下的射频信号输出，该信号通过GNSS四模接收机和软件接收机射频前端天线进行接收。其中，设计2个天线实现四系统信号的接收，2个模拟器组合使用，实现对四系统信号的仿真，2个干扰器分别实现阻塞和欺骗干扰。

另外，通过网络方式获取参考站和CORS站卫星观测数据，在本系统的数据处理中心进行处理，实现大气模型及其参数的计算。

利用开发的软件接收机，处理不同脆弱性情景下组合的信号，可以验证该情景下接收机受干扰程度，同时通过网络获取空间链路脆弱性数据和大气模型参数。将大气模型参数代入模型可获得大气延迟数据，实现电离层、对流层延迟消除，通过IGS事后大气数据，可以验证该大气模型和延迟数据的有效性。SAIM算法的加入，用于评估和验证空间链路仿真的脆弱性效果［4］。

图1 GNSS脆弱性仿真系统总体设计图Fig 1 Overall design of GNSS vulnerability simulation system

2 关键模块设计

2.1 欺骗干扰发射器

欺骗干扰包括产生式干扰和转发式干扰。

产生式欺骗干扰发射器可生成各颗卫星的C/A码并把这些C/A码调制到各个载波上进行发射，该干扰信号功率、频率、伪随机噪声码(PRN)以及导航电文可控。

该发射器由时钟模块、基带/中频模块，射频模块和天线4部分组成。发射器采用频率63.897 6 MHz的晶振，经过频率合成器产生频率为10.23 MHz的系统时钟，输入至基带/中频模块，该模块采用FPGA芯片产生C/A码，使其与上位机输入的导航电文进行模二和。随后对该数据流进行扩频并BPSK调制，生成频率为16.368 MHz的中频信号。同时，系统时钟输入至RF模块，经PLL锁相环后生成稳定的1559.052 MHz本振频率，调制码与本振频率混频后产生1575.42MHz的射频并最终送入天线发射。发射流程如图2所示。

图2 产生式欺骗干扰器结构图Fig 2 Structure diagram of generated deception jamming device

转发式欺骗干扰就是将天线所在位置的信号通过线缆传输到转发器，再次放大以后，无线发射出去［5］。文中转发欺骗机所使用的时延长短是信号在线缆中传输的距离时间和在转发器中中转的自然延时。

2.2 阻塞干扰器

阻塞干扰器利用FPGA生成基带干扰信号，由外部控制软件控制，生成单频干扰、扫频干扰、宽带干扰和窄带干扰中的一种或几种。利用伪卫星技术对数字基带干扰信号进行D/A转换、上变频和射频输出［6］。外部控制器包括一台PC和单片机。由PC控制单片机产生控制信号，对FPGA进行控制以产生不同阻塞干扰信号，包括阻塞模式、干扰频率、干扰带宽等参数设置，其内部结构如图3所示。

图3 阻塞干扰器结构图Fig 3 Structure diagram of barrage jamming device

2.3 电离层模型建立和GNSS参考站

建设四模GNSS参考站，能够实时地观测参考站所在区域可见卫星的信号，获得连续的导航电文、伪距、载波相位、多普勒频移与卫星时钟误差等重要数据。这些观测量可用于对于卫星导航信号的质量进行实时、连续地高精度分析［7］。在本仿真系统中，可用于验证多频多模软件接收机性能，利用产生的卫星观测数据，经过分析和处理，用于生成大气模型参数。

数据处理中心的电离层数据仿真软件，可实时接收原始的地基GNSS台网数据进行预处理，采用特定的模型化、参数估计、电离层行扰异常探测与分离等反演技术［8］，还原GNSS信号空间传播的电离层延迟效应，并将电离层延迟效应在线显示和在线发布。

软件接收机作为客户端接收该数据结果，并完成GNSS信号电离层延迟效应的加载，用作电离层延迟仿真数据。电离层数据处理流程如图4所示。

图4 电离层数据处理流程Fig 4 Ionosphere data processing

2.4 空间链路脆弱性模块

GNSS空间段脆弱性仿真使用模块化设计，主要为星上自主运行管理、星间数据处理、星座导航信号生成、星上时间基准单元、星间信号收发等单元［9］，具体组成情况如图5所示。

图5 空间链路脆弱性仿真模块组成Fig 5 Configuration modules of Space link vulnerability simulation

2.5 多频多模软件接收机平台

研制的软件接收机可以处理GPS的L1C/A，L2C，L1C和L5信号，COMPASS的B1信号，Galileo的E1B/C，E6B/C以及E5a/b信号，GLONASS的 L1信号，射频前端采用Maxim公司的MX2112作为DDC芯片。

同时，软件接收机所在的PC中安装了电离层延迟仿真客户端、接收机自主完好性监测(RAIM)算法、卫星自主完好性监测(SAIM)算法软件、阻塞/欺骗干扰探测算法，接收电离层参数和空间链路数据进行综合处理。

软件接收机需要分析的数据包括:信号强度、信号捕获概率、码跟踪精度、跟踪灵敏度、伪距测量值精度、位置定位精度、数据误码率等。

2.6 射频切换与叠加模块

根据需要仿真的脆弱性情景，射频信号切换与叠加模块能够通过电脑选择不同的输入信号组合并叠加，输入/输出信号组合如下:

输入信号共12路，分别为:

1)导航模拟器信号2路;

2)欺骗信号B1和GPS发生器2路;

3)4频段干扰/阻塞信号发生器4路;

4)四模参考站天线3路;

5)备用1路。

输出信号共有3路，为不同信号源的组合，分别用于:

1)软件接收机1路;

2)四模参考接收机1路(同信号分2路);

3)备用1路。

模块内部开关逻辑如图6所示。

图6 射频切换与叠加模块内部逻辑图Fig 6 Internal logic diagram of RF switching and overlay module

左侧为输入信号，右侧为输出信号(X1～X3)。图6中可控制的元件包括:PIN开关(SWITCH)、二合一切换器(SPDT开关，1∶2mux)。规定PIN开关为1时，表明开关闭合，允许信号通过;SPDT开关为1时，选择第一个信号(图中上方)通过。所有的信号组合可以使用一个12位二进制数字表示。

切换叠加模块的控制通过以太网实现，采用UDP协议。通过运行于主控计算机的控制软件，进行不同的模式切换，实现脆弱性情景的选择。

3 脆弱性环境仿真步骤

根据上述模块的设计和研制，完成了一种GNSS脆弱性环境仿真系统的构建，利用此系统实现脆弱性各项干扰因素仿真生成和干扰影响评估。

人为电子干扰(阻塞、欺骗干扰)对于用户导航存在巨大威胁，对于该类脆弱性因素的仿真步骤为:利用GNSS接收机或软件接收机正常接收卫星信号，在实现稳定的位置定位后，分别控制阻塞、欺骗干扰发生器发射信号，通过频谱仪检验干扰信号的频率、功率，根据接收机受干扰后信号跟踪、定位位置变化情况来确定干扰信号影响程度。

电离层延迟仿真数据采用网格形式进行发布，在软件接收机上采用客户端的形式进行接收和显示，该软件从数据处理中心实时获得延迟建模参数，并将其代入设定的模型计算，得到电离层延迟，并将结果存储。

软件接收机接收空间链路脆弱性模块输出的仿真数据，利用内置的SAIM算法软件进行处理，评估空间链路测距值的故障状况。利用RAIM算法判断接收机伪距测量值的可用性，分辨出故障卫星。

4 GNSS脆弱性仿真效果

为验证产生式干扰器的欺骗效果，利用ublox lea—4t接收机和uCenter软件进行实验验证。在产生式欺骗干扰器中，调制的卫星信号 PRN 为:2，14，15，25，30，并且其中 2与30共用一组导航电文，14与25共用一组导航电文，15使用1组导航电文。

如图7所示，左侧十六进制数据为导航电文，说明uBlox接收机顺利地接收到了这些信号，成功结算出导航电文，并且2与30，14与25具有相同的导航电文，15使用1组导航电文，右侧为信号的载噪比，由于信号是在同一个干扰器中发射，信号功率一致。

图7 uBlox接收产生式欺骗信号进行解算Fig 7 Processing of deception jamming signals by an uBlox receiver

对于转发式干扰，由于时延较小，运用商业接收机进行观察，结果并不明显，因此，采用软件接收机接收，查看其中频部分。实验流程为:在实验的2～2.7 s时，打开发射器;2.7～2.8s时，关闭发射器;2.8～10 s时，打开发射器，10～12 s时，关闭发射器;发射器天线与接收机天线的距离为5m。

如图8所示，在2～2.7，2.8～10s时，载波环与码环有较强的扰动;并且信号功率有将近1倍的提升;可见信号转发器在打开时，接收机接收到的信号转发器产生的虚假信号与真实卫星信号有较大的重叠。而在转发器关闭的2.7～2.8，10～12s之间，接收机的功率又恢复正常，干扰有效。

图8 转发器欺骗干扰对于软件接收机的影响效果Fig 8 Influence effect of transponder deception jamming on software receiver

以单频干扰为例，用阻塞干扰器产生一个在1565 MHz处的单频干扰信号，利用Aligent MXA N9020高性能频谱仪进行分析。

图9中，阻塞器的L1单频干扰信号频率在1575.42 MHz处，信号功率为-20.58 dBm，该功率强度足以影响卫星信号的正常接收。

图9 阻塞器产生的单频干扰信号频谱图Fig 9 Frequency spectrogram of single-frequency interference signal produced by barrage jamming device

图10为星间段脆弱性仿真，图11中，球体部分代表地球的电离层，连线代表仿真的星间链路测距，图11为SAIM对星间链路的监测结果，列出了根据该链路测距值计算同一时刻每颗卫星的检验统计值情况，每颗卫星自有的检验统计量分别与自有的统计值阈值作比较，可以判断出空间链路故障状态。

图10 星间段脆弱性链路仿真Fig 10 ISLs vulnerability link simulation

图11 SAIM对星间链路的监测结果Fig 11 ISLs monitoring results analyzed by SAIM

5 结论

随着我国北斗二代导航系统的建设，为了保证未来导航应用的可靠性、安全性，必须对GNSS系统的存在的脆弱性因素进行系统地研究，论证和评估脆弱性干扰因素影响程度。本文设计搭建了一种GNSS脆弱性环境仿真系统，该系统能够实现从星间链路干扰、大气电磁环境异常、人为信号干扰、多径干扰等全链路脆弱性的仿真，为后续脆弱性因素的研究和评估提供了平台，为接收机的应用和抗干扰技术等研究提供验证功能。

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