基于载波相位差测量的欺骗干扰检测器设计

范广伟，刘孟江，晁 磊，解 剑

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)已广泛应用于人们的日常生活。但是，由于卫星信号功率较低，易受到各种干扰的影响，特别是欺骗干扰信号，与真实信号的特征参数非常相似，隐蔽性好，不易被发现，对卫星导航系统的危害更大[1-2]。

近年来，随着欺骗干扰信号对卫星导航系统的影响日益严重，国内外学者对欺骗干扰的检测和抑制方法展开了大量的研究，如Schipper B W提出了一种基于载波相位测量的欺骗干扰检测方法[3]；Bao L N等提出了一种基于对角抵消的欺骗干扰抑制算法[4]；Daneshmand S提出了一种基于多天线的欺骗干扰检测方法[5]；国防科技大学的黄龙对捕获跟踪阶段的欺骗干扰检测方法进行了全面的总结[6]，并提出了一种双天线的欺骗干扰检测方法[7]；中国电子科技集团公司第五十四研究所的李雅宁对卫星导航终端的反欺骗技术进行了详细的总结[8]；海军工程大学的边少锋对国内外的卫星导航反欺骗技术未来发展进行了展望[9]；中国民航大学的包莉娜提出了一种两级结构的阵列反欺骗方法[10]，对捕获阶段、跟踪阶段及多天线处理提出了多种欺骗干扰的检测与抑制方法[11-15]。

本文结合接收机能够计算接收信号载波相位的特点，通过将双天线观测载波相位差变化率的方法扩展到多天线的形式，实现接收信号波达方向的估计，通过与星历解算出的结果进行对比实现欺骗干扰的检测。给出了算法原理及实现过程，通过仿真验证了算法的有效性。

1 欺骗干扰检测模型

卫星导航欺骗干扰检测模型主要包括：五阵元接收天线、五选二射频开关矩阵、双通道射频下变频器、基带信号处理接收机等几部分，如图1所示。

图1 系统组成

导航信号和欺骗干扰信号经过五阵元天线的接收，经过五选二射频开关矩阵的选择，选择2路信号进行下变频处理变为基带信号，经过双通道捕获跟踪后计算2个通道同一时刻接收信号的载波相位差，通过射频通道切换可以得到多个不同基线的相位差，采用相关干涉仪滤波器可以得到接收信号的波达方向，通过与星历解算的数据进行对比可以识别欺骗干扰[16]，并可为欺骗干扰的消除和有效打击提供技术支持。

2 载波相位的计算

卫星信号受卫星与地球相对运动、空间传播和大气折射等因素影响，到达地表的卫星信号都有一定的多普勒频移和时延，则接收端的卫星信号可表示为：

(1)

式中，fD，i为到达接收机的多普勒频移；L为接收到的卫星信号个数；τi为传播过程中电离层和对流层等对电磁波的折射造成的传输延时；si(t)表示来自第i颗卫星的信号，si(t)=di(t)*Ci(t)，包括数据码di(t)和扩频伪码Ci(t)。

欺骗干扰信号与真实导航信号具有相同的扩频码和载波频率，只是时延或者数据码不同从而影响接收机的正常定位，则接收机中的欺骗干扰可表示为：

(2)

当存在欺骗干扰信号时，接收到的信号可表式为：

(3)

式中，n(t)为系统噪声。

接收信号进行相干积分后I路与Q路的信号可分别表达成：

YI(n)=ad(n)R(τ)sinc(feTcoh)cosφe+nI，

(4)

YQ(n)=ad(n)R(τ)sinc(feTcoh)sinφe+nQ，

(5)

式中，a为信号的幅值；τ为接收的卫星信号伪码与本地码之间的相位差；fe为接收载波频率与搜索频率之间的频率差；φe为两载波之间的相位差；nI，nQ为I支路和Q支路互不相关的零均值高斯噪声。

同向信号YI(n)和正交信号YQ(n)合在一起，可写为复数形式：

rp(n)=YI(n)+jYQ(n)=aD(n)cos(ωn+θe)=

AP(n)ejφ(n)，

(6)

式中，复数向量rp(n)的幅值AP(n)包含着数据码信息，而其相位角φ(n)反映输入信号与复制信号之间包含频率差异的相位差异。

可以通过鉴像器得到导航信号与参考信号的相位差，相位差的计算公式为：

(7)

当实际相位差在-90°～+90°时，该鉴相器保持线性工作，并且输出的鉴相结果与幅值无关。

通过采用相同本地码的多个接收机可测量同一信号到达不同接收天线的载波相位，通过计算道道不同天线的相互载波相位差，可得到接收信号的波达方向。

3 双通道多天线相位差的计算

借鉴无线电测向中的相关干涉仪原理[17]，在双通道接收机提取出接收信号的载波相位后，采用五阵元圆阵双通道轮询切换的形式获得不同基线下的相位差。

多阵元圆阵的阵列流型可表示为：

(8)

由相位差可得到信号的来波方向，假设接收天线1，2接收同一个信号得到的相位差为φ，

(9)

式中，λ为信号波长；l为两天线间距。

单基线就能够实现信号方向的估计，但是受制于测向精度和无模糊度范围较小的限制，通常采用多个基线联合工作的形式实现欺骗干扰的测向。

4 多基线双通道欺骗干扰检测器设计

多基线双通道接收机采用相同的本地码与2个接收机接收到的信号进行相关处理，就可以计算出2个接收通道接收信号与本地码之间的相位差，通过2个接收通道与本地码之间的相位差可以推导出2个接收通道对同一个信号接收的相位差，从而把相关干涉仪的测向方法应用到欺骗干扰测向中，通过一个天线通道选通单元控制双通道接收机连接不同的接收天线，实现对接收导航信号或欺骗干扰波达方向的估计，与解算出的星历进行对比实现欺骗干扰的检测与识别。欺骗干扰检测原理如图2所示。

图2 欺骗干扰检测原理

假设2个通道同一时刻接收到的相位分别为θi和θj，2个通道的相位差为φij=θi-θj，选定天线的N中组合方式，确定N个相位差组合，重新定义相位差为φn，其中n=1，2，…，N，将相位差样本写成矢量形式，则φ={φ1，φ2，…，φN}。将之前测得各个方向的相位差值存为数据表，定义为φ0，可定义相关函数为：

(10)

式中，m=1，2，…，M为搜索角度范围；φ0m为第m个搜索方向上对应的相位差数组。

通过双通道接收机计算不同接收通道的接收同一颗星的实时相位，进而得到相互之间相位差，根据相关干涉仪的原理计算接收信号的波达方向。因为接收机跟踪定位的过程很快，在不到1 s的时间内就可以提供双通道接收机的相位差，因此双通道对应多天线的切换过程可以很快，可假定接收机在切换通道测向过程中卫星或欺骗干扰源相对接收机静止。采用一个圆型多阵元天线实现接收信号方位俯仰的估计，与接收机定位解算出的卫星位置信息进行对比，实现欺骗式干扰的检测与识别。

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因此可以对接收机捕获跟踪的流程进行简化处理，假定接收信号的频率和伪码起始相位已知，在这种情况下，多阵元接收中实现欺骗式干扰检测与识别的算法流程可描述为：

① 确定测向的基线选择顺序；

② 接收机利用同源本地码对接收到的导航信号或欺骗干扰信号进行捕获跟踪，并采用式(7)计算各个卫星跟踪通道的载波相位；

③ 计算第一个基线2个通道属于同一信号的载波相位差；

④ 轮询不同的基线得到同一颗星的多组不同基线接收的载波相位差；

⑤ 根据式(10)计算载波相位差与不同方向原始数据的相关值；

⑥ 搜索相关值的最大值，根据最大值对应的下标确定信号的波达方向；

⑦ 将每个入射信号的俯仰角和方位角同接收机星历解算出来的卫星位置进行对比，若对比结果与星历解算出的卫星位置一致，则该入射信号为导航信号；否则，认为该信号是欺骗干扰信号。

5 性能仿真

为了验证本文提出的检测算法的性能，以北斗不同频点的信号为例进行仿真验证，环境噪声为加性高斯白噪声，输入信噪比为-25 dB，通过天线选通控制单元使双通道接收机连接不同的天线通道。圆阵的半径为0.25 m，阵元个数为5，选取基线组为1、2，1、3，2、5，3、5，2、3，4，1，2、4。

以北斗B3频点为例进行卫星导航信号和欺骗干扰信号的检测与识别的仿真。假设多天线双接收机的捕获通道1，2，3有卫星信号进入，信噪比统一设为-45 dB，入射方位角分别为50°，120°，210°。验证算法对卫星信号的测向性能。对各个信号的测向精度如图3、图4和图5所示。

图3 通道1测向结果

图4 通道2测向结果

图5 通道3测向结果

图3、图4和图5是3颗卫星对应的测向结果。通过接收机捕获跟踪较高的相关增益，可以实现接收信号载波相位的估计，根据2个天线的实时载波相位，可以计算出它们之间的载波相位差，通过切换天线单元可以得到多个相位差，从而实现卫星信号这种低功率信号的测向。

当1，2通道的卫星信号受到的一个80°方向的干扰的功率相对于噪声功率比为-30 dB的转发式欺骗干扰信号影响时，若接收机捕获跟踪的为功率较强的信号，则1，2号通道的卫星则被欺骗，1，2通道的信号测向结果如图6和图7所示。

图6 通道1测向结果

图7 通道2测向结果

从图6和图7中可以看出，在受到一个较强的欺骗干扰信号影响时，2个通道都无法正常捕获到卫星信号，而捕获到80°方向发射的欺骗干扰信号，与星历解算出的1，2通道卫星位置30°，60°可以很容易识别出欺骗干扰信号。

设θ为每次测得方位角，设φ为每次测得俯仰角，为信源方位角理论值，用测量值和理论值的均方根误差来衡量测向精度的高低，N次独立重复实验的均方误差的表达式为：

(11)

在信噪比为-23 dB、方位角为0°～360°条件下，每隔1°做一次测量，100次重复试验，测向精度随方位角的变化关系如图8所示。

图8 不同方位角的测向精度

从图8中可以看出，在信噪比为-23 dB的条件下，在各个方向的测角精度都维持在0.2°左右，说明算法对各个方向的来波信号均具有较好的测向精度，通过星历解算对比后能够的根据各个信号的来波方向是否与星历解算方向一致识别是正常卫星信号还是欺骗干扰信号。

仿真算法在不同信噪比下的测向性能，选择入射信号方位角为60°，信噪比从-45 dBm变化到-5 dBm，试验重复次数为100次，测向精度随信噪比变化的关系如图9所示。

图9 不同信噪比下的测向精度

从图9中可以看出，算法在较低信噪比下仍具有较好的测角性能，通常欺骗干扰信号比导航信号功率要强5～10 dB，即欺骗干扰信号信噪比在-40 dB以上，在-40以上，算法的测向精度小于0.7°，能够将欺骗干扰精确识别出来，因此该方法对欺骗干扰具有较好的检测和识别性能。

6 结束语

本文针对传统的欺骗干扰检测与识别方法应用场景受限的特点，提出了一种基于多基线双通道的卫星导航欺骗干扰检测器设计方法，通过对欺骗干扰不同来波方向和不同信噪比下的欺骗干扰测向性能仿真可以得到：在欺骗干扰功率大于导航信号的条件下，对于来自不同方向的欺骗干扰该方法的测向精度均优于0.2°；在欺骗干扰信号的功率大于-25 dB的条件下，对欺骗干扰的测向精度均优于0.2°，说明该方法对欺骗干扰具有较好的测向精度，能够较好地区分出导航信号和欺骗信号。