GPS压制干扰效果分析*

张 坤，曾芳玲，欧阳晓凤，赵 元

（国防科技大学 电子对抗学院，安徽 合肥 230037）

0 引 言

GPS应用领域不断扩展，已广泛应用于民用和军用的导航定位领域。如何采取最佳的干扰方式对敌方武器系统实施干扰，从总体上降低其情报侦察、精确打击、指挥控制等系统的作战效能，已成为近年来导航对抗研究的热点[1]。GPS接收机作为GPS系统的用户功能实现平台，对其压制干扰效果评估的研究是导航战关注的一项重要内容[2]，对于改善干扰性能和抗干扰性能也具有重要意义。国内针对导航干扰效果评估的研究成果较少[3]，本文提出用

接收机干扰容限和干扰覆盖范围两个典型干扰效果评估指标分析干扰效果，并对带限白噪声、在中心频率处的窄带和匹配谱三种干扰条件下的6种现有GPS信号体制做了仿真验证，评估了不同干扰的干扰效果和不同信号抗干扰性能的差异。

1 压制干扰对GPS接收机干扰效果的理论分析

1.1 干扰对接收机干扰容限的影响

干扰容限定义为使GPS接收机不能正常解调（即载噪比等于接收机跟踪门限时）所需的最小干扰功率[4]，可以表征不同信号的抗干扰能力。

压制式干扰会降低载波噪声功率密度(C/N0)。随着C/N0的降低，GPS接收机的码跟踪环和载波跟踪环的热噪声会逐步增加，使得伪距和伪距变化率测量误差增加，导致导航定位误差增大[5]。如果将C/N0降到GPS接收机的跟踪门限以下，随着GPS测量误差的变大，甚至会使GPS接收机失去从卫星信号获得测量值的能力。

设GSVi为指向卫星的天线增益，GJ为指向干扰源的天线增益，Gj/Gs为接收机内干扰与接收信号功率之比，则接收机天线输入端干扰和信号功率之比为：

其中，Q为抗干扰品质因数，取值如表1所示；(C/N0)eff为存在干扰和白噪声时的载噪比；C/N0为不存在干扰时的载噪比。

其中，C表示恢复的从卫星接收的信号功率；N0表示在1 Hz带宽的热噪声功率分量；CRi表示在天线输入端接收的来自卫星的信号功率；L表示接收机的损耗，包括A/D转换器损耗；k表示波尔兹曼常数，其值为1.38×10-23；Tant表示天线噪声温度；Tamp表示放大器噪声温度；Rc表示扩频码速率。

1.2 干扰对干扰覆盖范围的影响

假定干扰源与GPS接收机之间的空间为自由空间（信号源和接收端都位于真空中或者等效为真空处，临近区域没有其他物体），那么传播损耗为：

其中，d为接收机到干扰源的距离，λj为干扰信号波长。

干扰源发射功率的链路功率预算为：

其中，EIRP为干扰源的等效同性辐射功率，EIRP= Jt+Gt；Jt表示干扰源发送到其天线的功率；Gt表示干扰源发射天线的增益；Jr表示接收到的干扰功率；GJ表示指向干扰源的接收机天线增益；Lf表示由接收机前端滤波引起的干扰功率损耗。

将式（4）带入式（3），则干扰的有效距离为：

1.3 压制干扰类型和信号体制参数设置

下面利用带限白噪声、在中心频率处的窄带和匹配谱干扰三种干扰信号，对接收机的抗干扰容限和干扰覆盖范围进行仿真分析。表1为抗干扰品质因数和扩频码速率总结[6]。仿真中假设信号接收到卫星信号功率相同，为表2中各类型GPS信号中最低接收功率的最大值，即-154.9 dBW。

表1 抗干扰品质因数和扩频码速率总结

表2 GPS信号的最低接收功率 /dBW

对于BLOCKⅢ系列卫星，美军计划采用“点波束”技术。它在有限的地理区域广播更高功率的M码信号，比现有的M码信号将增加20 dB[7]。各仿真参数如表3所示[8]。

表3 仿真参数设置

2 典型干扰场景下的仿真分析

2.1 干扰对干扰容限的仿真分析

图1、图2和图3分别为带限白噪声、窄带和匹配谱三种干扰条件下接收机干扰容限的仿真结果。

图1 带限白噪声干扰下接收机的干扰容限

图2 窄带干扰下接收机的干扰容限

图3 匹配谱干扰下接收机的干扰容限

可以看出，从GPS接收机的载波跟踪环角度，三种干扰信号的干扰效果依次为窄带、匹配谱和带限白噪声。抗干扰能力最强的为区域增强后的M码信号，其次为M码信号，再次是L5信号和P码信号，最后是L2C码信号和C/A码信号。由仿真图可以看出，L5信号和P码信号抗干扰能力相同，L2C码信号和C/A码信号抗干扰能力相同，但实际情况并非如此。究其原因，由表2可以看出，不同的GPS信号有不同的最低接收功率，因此P码接收机应当比L5信号接收机具有更高的灵敏度[9]，L2C码信号接收机应当比C/A码信号具有更高的灵敏度，而仿真中假设接收机的参数一致，所以在实际情况中，从接收机载波跟踪环的角度看，P码信号的抗干扰能力应当强于L5信号，L2C码信号应当强于C/A码信号。

2.2 干扰对干扰覆盖范围的仿真分析

以带限白噪声为干扰信号，分别对载波跟踪环门限为 10 dB·Hz、20 dB·Hz、30 dB·Hz和 40 dB·Hz的GPS接收机进行仿真分析。

假设接收机前端滤波引起的干扰功率损耗Lf=0 dB，指向干扰源的天线增益Gf=-3 dB，仿真中的干扰功率为等效干扰功率，即加上了干扰源发射天线增益，而不是干扰源的真实发射功率，其余参数设置如表1、表2所示。

由图4和图5可以看出，C/A码信号和L2C码信号抗干扰能力不强。由图4也可以看出，以载波跟踪环门限为30 dB·Hz的C/A码接收机为例，1 W的等效发射功率就能干扰超过7 km的C/A码信号。仿真中未加上干扰机的发射天线增益，假设干扰机天线功率增益10 dB，则1 W的功率可以干扰接近23 km内的C/A码信号，与文献[10]中的实测数据基本一致。

图4 L1频段C/A码的干扰覆盖范围

图5 L2C码的干扰覆盖范围

由图6和图7可以看出，P码信号和L5信号的抗干扰能力比L2C码信号和C/A码信号显著增强。同样，对于载波跟踪环门限为30 dB·Hz的接收机，20 W的等效功率可以干扰大约10 km的P码信号，加上10 dB的天线增益后，20 W的干扰功率可以干扰大约32 km的P码信号。与P码信号相比，同样的干扰功率可以干扰更广范围的L5信号。对于同样跟踪门限的接收机，20 W的等效功率造成的干扰覆盖范围接近14 km，加上10 dB的天线增益后，20 W的功率可以干扰大约43 km的L5信号。

图6 L1频段P码的干扰覆盖范围

图7 L5信号的干扰覆盖范围

图8 和图9分别分析的是普通的M码信号和区域增强的M码信号。由图8可以看出，干扰M码信号要想达到同样的干扰效果，相对于其他信号需要更大的功率。由图9可以看出，区域增强后的M码信号抗干扰能力大大增强，对于跟踪门限为30 dB·Hz的接收机，10 000 W的等效干扰功率只能造成20 km左右的干扰有效覆盖范围。此时，对M码信号实施干扰需要使用定向辐射天线，以获得较大的功率增益，从而达到理想的干扰覆盖范围。

图8 L1频段M码的干扰覆盖范围

图9 区域增强M码的干扰距离

3 结 语

文中提出用接收机干扰容限和干扰覆盖范围两个典型指标进行GPS干扰的效果分析，依据接收机对带限白噪声、在中心频率处的窄带和匹配谱三种不同干扰抗干扰品质因数的不同，定量分析计算和仿真结果较清晰地表征了在不同干扰下C/A码、P码、M码、L2C码、L5码和区域增强的M码等6种不同体制的信号干扰容限和干扰覆盖范围的变化。结果表明：三种干扰信号的干扰效果依次为窄带、匹配谱和带限白噪声，抗干扰性能由强到弱依次为区域增强的M码、M码、P码、L5、L2C和C/A码。