针对BOC调制的GPS信号欺骗式干扰技术研究*

魏永峰

(91404部队92分队　秦皇岛　066000)



针对BOC调制的GPS信号欺骗式干扰技术研究*

魏永峰

(91404部队92分队秦皇岛066000)

摘要为了实现对GPS信号的有效干扰,针对采用BOC调制技术的GPS卫星导航系统,开展干扰技术研究。论文论述了BOC调制技术的基本原理,重点讨论了基于BOC调制编码通信GPS系统的有效的欺骗式干扰,分析了转发式干扰、播放式干扰、间断干扰、分布式转发干扰等欺骗干扰技术的产生机理,为未来研究欺骗式干扰如何战术应用提供基础。

关键词全球定位系统; 二进制偏置载波调制; 欺骗干扰

Deceiving Jamming Technology for GPS Signals with BOC Modulation

WEI Yongfeng

(Unit 92, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractIn order to implement the effective jamming to GPS signals, for the global positioning system(GPS) with based on BOC Modulation, the GPS jamming technology is studied. Basic principles of BOC modulation are introduced, deceiving jamming technology for GPS signals with BOC modulation is discussed. Creation mechanism of retransmitted jamming, broadcast jamming, discontinuous jamming and distributing repeated jamming are discussed. It can provide basis for tactical application of deceiving jamming.

Key WordsGPS, binary offset carrier modulation, deceiving jamming

Class NumberTN972.3

1引言

定位系统性能与其射频信号的调试方式关联较大,M码采用二进制偏移载波(BOC)等先进技术调制方式的GPS信号,具有较强的抗多路径效应能力和良好的跟踪性能。BOC调制是卫星导航系统的一种创造性服务,BOC调制技术对于卫星导航系统信号结构的改进具有良好的应用前景。我国目前在这一全新领域尚处于初期预研阶段,对导航战这一新的战争领域的技术、战术进行研究具有很强的紧迫性和必要性。

2BOC调制技术原理

二进制偏置载波(Binary Offset Carrier,BOC)调制以方波作为副载波,对卫星产生的码信号辅助调制,之后再调制到主载波上。BOC调制主要由两个参数来描述:副载波频率和传播的码率,表示为BOC(fs,fc),其中fs是副载波频率,fc是码率,单位为MHz,BOC(fs,fc)与实际频率间的换算关系为:实际子载波频率为1.023fs,实际码率为1.023fc。导航数据调制到扩频码后,再调制一矩形副载波,生成BOC信号,最后调制到导航信号频段的主载波上发射出去,与GPS C/A码信号的区别是引入了一矩形副载波[1～2]。BOC信号原理如图1所示。

图1　BOC信号原理

BOC信号的复数形式公式为

s(t)=e-jθ∑akunTs(t-knTs-t0)CTs(t-t0)

(1)

式中,{ak}为数据调制后的扩频码单元大小;CTs(t)是副载波;周期为2Ts;unTs为扩频符号;θ为相位,t0为初始时间。

BOC调制是卫星导航系统的一种创造性服务,其信号结构的主要特点是信号功率并不是调制到载波频率的主瓣,而是调制到了载波频率两侧的旁瓣上,这两个旁瓣之间的间隔为两倍的副载频宽度,如图2所示。

图2　BOC(fs=10,fc=5)调制信号的功率谱密度

经BOC(fs,fc)调制的基带信号的归一化功率谱密度定义为

(2)

一般地,BOC调制的自相关函数不容易显式表达。当信号理想地以复带宽βr为带限,其自相关函数可以定义为

(3)

BOC功率谱上两侧主瓣之间的主瓣和旁瓣的个数由调制参数fs,fc决定,具体的对应关系式可以表示为

n1=2fs/fc

(4)

式(4)中,n1表示两侧主瓣之间的主瓣和旁瓣的个数,也称为BOC调制阶数。

同时,BOC的调制参数fs、fc决定了自相关函数正峰和负峰的个数,其具体对应关系式为

n2=4fs/fc-1

(5)

其中,n2表示自相关函数正峰和负峰的个数,同时相邻两个峰的延迟时间为副载波(即方波)周期的一半。

3欺骗式干扰技术

本文主要讨论针对GPS的欺骗式干扰,欺骗式干扰信号包括:转发式干扰、播放式干扰、间断干扰、分布式转发干扰[3～10]。

欺骗式干扰是指发射与真实的GPS信号具有相同的参数只是信息码不同的假信号,干扰GPS接收机的工作并使之产生错误的定位信息。针对GPS的工作原理,对GPS进行定位欺骗可以分两个方面:给出虚假导航信息或者增加信号传播时延。他们分别对应于“生产式”和“转发式”两种干扰体制。生产式干扰需要知道GPS码型以及当时的卫星电文数据,这对于已经公开的C/A码以及半公开的P码来说是可以实现的,但对于Y码和M码来说,干扰就有很大的困难,目前仍需要进一步突破关键技术。

转发式干扰。对于M码的GPS接收信号,在接收信号中已经包含了解扩所需的本地码P(t)或C(t)。如果能把这样的信号存储下来,再转发给GPS接收机,就干扰信号而言,与GPS接收机能够很好的匹配。从定位原理可以看到,确定GPS接收机的当前位置必须依赖两部分设备的协调工作。一部分是天上的四颗GPS卫星,另一部分是载体上的GPS接收机。根据定位方程,GPS接收机显示其接收天线处的位置信息。如果使用一部较大功率的转发式GPS干扰机,使干扰区域内的GPS接收机都接收转发信号(因为干扰信号比GPS卫星信号强),那么,所有这些GPS接收机都将显示相同的位置信息。这是因为GPS接收机的位置信息由转发式干扰机上的GPS天线和天空的四颗GPS卫星决定,GPS信号的转发等价于GPS信号的延时,不影响其定位精度。从破坏GPS接收机的定位能力来看,转发式干扰可以满足要求。但转发式干扰的最大问题还是收发隔离。

播放式干扰。预先将GPS信号采集下来,装入干扰机,由干扰机按一定的使用要求进行播放。由于采集的数据都是过去的历史数据,尽管与GPS接收机能够很好的匹配接收,但从导航电文中取出的数据或者不能满足数据的一致性要求而废弃,或者处理出的结果(包括时间、位置)都是虚假的。这种干扰方式因为没有接收部分,干扰设备比较简单,成本较低。不足之处在于一旦GPS的信号发生了变化,干扰就不起作用。在将来的战场环境中,完全有可能也有能力改变军用GPS信号(包括载频、调制信号、发射功率等)。

间断干扰。间断干扰也是一种有效的干扰方法,可以用时分制方式来实现。GPS的接收和干扰

是分时进行的,在T1期间对GPS卫星信号接收并存储,在T2期间播放。通过间断性地重复播放某一时段的相参信号,使GPS接收机受到以下影响:接收机在搜索/跟踪状态之间来回切换;接收信号在GPS卫星信号和干扰信号之间来回切换;阻塞相关接收通道(破坏数据的一致性、处理不出有效数据)。这种工作方式解决了两个难题:收发隔离问题;用时分制在时域上进行隔离。这种隔离方法在雷达对抗中经常被采用,是一种比较成熟的干扰技术。能够动态跟踪目标信号的变化:T1和T2是整个工作周期T的二个不同阶段,T1期间跟踪目标信号的变化,这种方式可以在每个周期中更新一次目标信号,只要T选择适当,就能及时跟上目标信号的变化。

分布式转发干扰。为解决转发式干扰的收发隔离问题,采用空间隔离的办法,将收发在空间上分开,组成多个接收和多个发射:接收站具有很高的接收灵敏度,对当前的GPS卫星信号接收、放大并下变频到较低的载频上;干扰机将低频信号上变频到GPS的工作频率上,经过放大、干扰样式的调制后,从干扰天线上发射出去;接收站和发射机之间通过有线或无线方式传输。

转发式干扰对GPS接收机的干扰是十分有效的,近距离作为压制式干扰,远距离可以构成欺骗干扰。针对目前的GPS精确制导武器,即使它们应用诸如自适应调零天线、自适应滤波以及提高功率等反干扰技术措施,如果在战场的前沿部署转发式干扰带,当GPS接收机将近距离的干扰机屏蔽,远距离的干扰机仍能发挥作用,雷达阵地和重要目标将得到有效的保护,从而使它们避免遭到精确制导武器的打击。

4结语

采用BOC调制的GPS信号具有较强地抗干扰性,如何有效地实现对GPS信号的干扰,可以有效降低敌方现代化武器的使用效能,同时也是有效的一种进攻性措施。因此,为了在未来的电子战中,研究针对BOC调制的GPS信号干扰技术,对掌握战争的主动权具有重要的军事意义。

参 考 文 献

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中图分类号TN972.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.016

作者简介:魏永峰,男,硕士,工程师,研究方向:电子对抗。

*收稿日期:2015年8月5日,修回日期:2015年9月25日