“北斗”用户机欺骗干扰试验评估方法研究

余 辉，张德欣,方 远，王少轩

(中国洛阳电子装备试验中心,河南 洛阳 471003)

0 引言

卫星导航信号的脆弱性使其深受各种干扰的影响。在对卫星导航的各种恶意干扰中，欺骗干扰因其不易被发现、隐蔽性好的特点而受到各国专家及军事部门的重视，逐渐成为卫星导航干扰的重要手段。2011年，伊朗声称利用GPS欺骗技术俘获美军RQ -170无人机[1]。2012年美国国防部在欺骗实验中，成功控制GPS无人直升机下降和爬升[2]。卫星导航欺骗干扰研究已成为研究热点。“北斗”全球卫星导航系统将于2020年底前建成并正式提供服务，但在对“北斗”全球卫星导航定位用户终端的性能指标进行测试，尤其是对“北斗”接收机欺骗干扰试验评估还处于探索阶段。本文基于卫星导航欺骗干扰原理分析，构建了“北斗”用户终端模拟试验和实装对抗试验环境，给出了欺骗干扰试验评估方法，并对欺骗干扰效果进行了分析。

1 欺骗干扰

1.1 对“北斗”接收机欺骗干扰的可能性分析

“北斗”接收机接收到的信号为：

Sc(t)=Ac(t)exp(j(ωct+φc(t)))

(1)

式中，Sc(t)为复数导航信号；Ac(t)为导航信号的复数幅度；ωc为导航信号的载频值；φc(t)为导航信号的相位调制。

欺骗干扰信号的一般表达式为：

Ss(t)=As(t)exp(j(ωst+φs(t)))

(2)

式中，Ss(t)为复数欺骗干扰信号；As(t)为欺骗干扰信号的复数幅度；ωs为欺骗干扰信号的载频值；φs(t)为欺骗干扰信号的相位调制。

则“北斗”接收机接收到的信号为：

S(t)=Sc(t)+Ss(t)

S(t)=A(t)exp(jφ(t))=

Ac(t)exp(j(ωct+φc(t)))+

As(t)exp(j(ωst+φs(t)))

(3)

式中，A(t)为相加信号的复数幅度；φ(t)为相加信号的相位调制。

“北斗”接收机本地信号为：

SL(t)=Kexp(j(ωLt+ΦL(t)))

(4)

式中，K为北斗接收机的增益；ωL为“北斗”接收机的本振频率；ΦL(t)为“北斗”接收机本地相位。

则“北斗”接收机中的相关过程，可得到：

(5)

Ac(t)、As(t)可认为是常数，则：

exp(j(ωL(t-τ)+ΦL(t-τ))))dt+

exp(j(ωL(t-τ)+ΦL(t-τ)))dt=

ΦL(t-τ)))dt+

ΦL(t-τ)))dt

(6)

由式(1)～(6)可看出，欺骗干扰信号与“北斗”信号只存在幅度和相位的差异，因此相关后的相关值大小仅取决于由于幅度差异和相位差异而引起的相关值的变化。

由于欺骗干扰信号是对“北斗”信号的转发，因而欺骗干扰信号与接收机本地信号的相关特性其实就等于“北斗”信号与接收机本地信号的相关特性。如果欺骗干扰信号的码相位与“北斗”信号的码相位相差很小，则在接收机进行“北斗”信号捕获过程中，极有可能在未捕获到“北斗”信号时，捕获到欺骗干扰信号，从而跟踪在欺骗干扰信号上。

在接收机已经捕获“北斗”信号并进行跟踪时，由于欺骗干扰信号的存在，也可能会影响到“北斗”的跟踪质量。尤其是欺骗干扰信号较强时，其相关值会随干扰信号强度而增大，从而导致跟踪环路的信噪比减小，当该信噪比减小至环路跟踪门限时，跟踪环路将退出对“北斗”信号的跟踪。

1.2 欺骗干扰分类

按信号生成方式，可将欺骗技术分为产生式欺骗和转发式欺骗两种。

1.2.1 产生式欺骗技术

产生式欺骗干扰就是利用自身设备(如模拟源)而不依赖于北斗系统，产生伪造的“北斗”卫星导航信号，通过发射机辐射到目标接收机，掩盖真实信息，通过某种方式使其捕获、跟踪到干扰信号，从而得到错误的伪距测量值，解算得到错误的位置信息，达到欺骗目的。

产生式欺骗技术的优势在于，信号是自身产生的，欺骗者可以自行设置信号中的导航电文、篡改信号的发射时间，这就使得信号的发射不仅可以滞后于真实信号，还可以超前于真实信号到达接收机，即可通过改变到达时延和篡改卫星位置两条途径对目标接收机实现欺骗。

然而，产生式欺骗要求必须完全掌握“北斗”导航信号结构，如伪码结构、导航电文等，对于军码来说，除军方外的个人和组织难以得到相关的技术资料，难以实现军用信号的产生式欺骗干扰，因此对“北斗”卫星导航的产生式欺骗干扰仅限于民用信号。

1.2.2 转发式欺骗技术

对“北斗”导航系统的转发式欺骗干扰就是利用自身设备接收真实“北斗”卫星信号，通过自身的精密时延控制，对信号不做任何处理，直接通过发射机转发信号到目标接收机，使其捕获、跟踪到干扰信号，从而得到错误的伪距测量值，解算得到错误的位置信息，达到欺骗目的。

转发式欺骗干扰的优势在于，转发式干扰不需要知道信号伪码，不需要完全掌握信号结构，所以不受到军码加密的限制，从而对军民信号均适用，是当前卫星导航系统军事应用面临的首要欺骗攻击方式。

但相比于产生式欺骗干扰，转发式欺骗信号到达目标接收机的时延一定大于真实信号到达目标接收机的时延。同时转发式欺骗干扰只能通过改变伪距测量值来实现欺骗目的，控制的灵活性相对较差。

1.3 欺骗策略

无论对于转发式欺骗还是产生式欺骗，为了使目标接收机接收到欺骗信号，都必须考虑采用什么样的策略将欺骗信号注入到目标接收机中。目前主要有2种策略：捕获阶段压制式欺骗和跟踪阶段牵引式欺骗。

1.3.1 捕获阶段压制式欺骗

捕获阶段压制式欺骗是指，对于正常工作在跟踪状态的接收机，欺骗方先发射较大功率的压制干扰，迫使接收机失锁，重新进入搜索状态。这时，只要干扰信号位于接收机信号捕获范围内，且功率大于真实信号功率，就能实现接收机的错误捕获和跟踪。

捕获阶段压制式欺骗的优势在于，对于捕获阶段的接收机，将在码相位和多普勒频偏的二维空间内搜索信号，只要信号位于信号捕获范围内，且功率大于真实信号功率，就能实现接收机的错误捕获。因此，捕获阶段压制式干扰对欺骗信号的要求较低，这种干扰方式的欺骗信号可来自于转发式干扰和产生式干扰，针对的目标既可是民用信号也可是军用信号，并且对于转发式干扰和军用信号来说，也只能采取这种方式。然而，捕获阶段压制式干扰首先必须造成接收机失锁或重捕，这样就会很容易让目标发现异常，使其产生警觉。

1.3.2 跟踪阶段牵引式欺骗

跟踪阶段牵引式欺骗是指，对于正常工作在跟踪状态的接收机来说，不需要接收机失锁重捕，欺骗信号通过与真实信号码相位的对齐和拖离，实现跟踪真实信号到欺骗信号的平稳过渡。

由于接收机跟踪在原始的相关峰上，此时，如果欺骗信号的相关峰和原始信号的相关峰距离较远，即使欺骗信号的功率比接收信号的功率高，也无法欺骗目标接收机。因此要在接收机跟踪状态下欺骗成功，必须使欺骗信号的相关峰和原始信号的相关峰对齐。换句话说，就是首先伪造信号必须产生一个相关峰值，使其载波多普勒值和伪码相位和原始信号的保持一致，然后试着引导接收机跟踪点偏离原始信号相关峰。为了成功拉偏信号相关峰，伪造信号的相关峰应该比真实信号的相关峰要高。

跟踪阶段牵引式欺骗的优势在于未使接收机失锁重捕，一般不易被接收机发现，隐蔽性好。然而，要实现跟踪真实信号到欺骗信号的平稳过渡，欺骗信号必须具有和真实信号相同或相近的载频、载波相位等，功率应大于真实信号，且其码相位需实现与真实信号码相位的对齐和拖离，这就要求已知目标接收机精确的三维坐标和速度，实现难度较大。同时，由于生成虚假军用信号时所需的伪码信息未知且无法预测，只能采用转发的方法得到军码信号，这就会导致欺骗信号始终落后于真实信号，不能实现相关峰的重叠牵引。因此，跟踪阶段牵引式欺骗只能应用于针对民码的产生式干扰。

2 试验环境构建

鉴于作战要求，构建的试验环境符合实际战场的欺骗干扰环境。为减小风险，将先开展模拟试验，再开展实星试验，在模拟试验充分验证技术原理可行性的基础上，再进行实星测试试验。

2.1 模拟试验

模拟试验环境的构建在欺骗干扰技术研究成果的基础上，利用信道模拟器模拟导航信号和干扰信号在空间传播的衰减、衰落、时延等特性，研究半实物仿真试验方法，解决星地链路传播模型构建、信道一致性及高精度时延控制等关键问题，将导航信号和干扰信号混合后传输至各型“北斗”接收机，对“北斗”接收机的对抗效能开展试验，获取试验数据；为了对“北斗”的用户机反欺骗性能进行完整的评估，设计中考虑信号相位检测、短码多峰检测、功率检测等不同反欺骗技术机理，研究如何通过欺骗干扰参数、信道模拟参数的合理设置，测试“北斗”接收机机对不同干扰类型的抑制程度，摸清接收机反欺骗技术的边界条件。

2.2 实星试验

实星试验环境构建以在轨“北斗”卫星信号为导航信号环境，干扰设备通过辐射干扰信号为干扰环境，开展试验。试验中，利用高塔构建空地对抗态势(如图1所示)，获得实星试验数据。更改所采用的干扰参数，通过比对受干扰前后“北斗”接收终端输出的位置、速度、时间等信息，评估反欺骗技术效果。

图1 实星试验环境构建示意图

3 效果评估

对于转发欺骗的干扰效果的分析，不同于压制干扰，这是由于转发欺骗信号与“北斗”信号是完全相同的，只是在时间上比“北斗”信号有所延迟，信号强度也会较卫星信号更强。“北斗”接收机在接收卫星信号时，在捕获跟踪时会受转发欺骗干扰信号的影响，而将转发欺骗干扰信号误判为实际的卫星信号，最终得到虚假的导航定位信息。

对处于稳定跟踪状态的“北斗”接收机，由于其在跟踪状态下的跟踪环路带宽很窄，因而欺骗干扰信号很难进入环路内。则只有首先打破其稳定跟踪状态，迫使接收机进入搜索捕获信号状态，而后欺骗干扰信号才有机会通过与本地信号相关，使本地信号锁定在干扰信号上，达到欺骗干扰的目的。

因而，对转发欺骗干扰效果的分析，应考虑以下几个指标。

1)干扰压制系数

压制系数的定义为：在规定的定位误差下，输入端所需的干扰-信号功率比。对于所分析的各种欺骗式干扰，使同一“北斗”接收机达到同等的欺骗效果，所需干信比越小，则说明该类型的欺骗式干扰所产生的干扰信号品质越好。

2)定位误差

欺骗式干扰对“北斗”接收机发生作用后，其最直接的影响就是使接收机的定位误差迅速增大，或者定位在拟欺骗的位置坐标上。因此，受干扰接收机的定位误差越大，表明欺骗干扰效果越好。

3)干扰有效概率

对于欺骗式干扰，其作用于被干扰“北斗”接收机的直接结果只有两种状态：受欺骗和不受欺骗，即干扰有效和干扰无效。在某种欺骗式干扰作用下，被干扰“北斗”接收机受欺骗的概率，称为干扰有效概率；被干扰“北斗”接收机不受欺骗的概率，称为干扰无效概率。

干扰有效概率应考虑“北斗”接收机的受欺骗概率，即通过分析典型“北斗”接收机的接收流程及其可能采取的抗干扰措施，确定该“北斗”接收机的最小受欺骗概率，进而求得某欺骗式干扰对典型“北斗”接收机的有效干扰概率。

4)干扰反应时间

欺骗干扰对“北斗”接收机的干扰作用，尤其是对高动态运动目标的干扰，要求欺骗干扰的反应时间尽可能的短，以使受干扰目标在极短的时间内丢失真实的卫星信号，而丧失正确导航定位的作战能力。因此，干扰反应时间也应是考核欺骗干扰效果的重要指标之一。

5)干扰覆盖范围

干扰覆盖范围包括干扰作用距离和空间覆盖范围。在保证对某一典型的“北斗”接收机进行有效欺骗式干扰情况下，如果欺骗式干扰机的干扰作用距离越远，干扰的空间覆盖范围越大，则干扰机的干扰能力就越强。

4 结束语

本文针对“北斗”接收机的抗欺骗干扰性能检验这一现实问题，通过分析“北斗”接收机的技术特点、欺骗干扰原理等，给出了进行北斗接收机欺骗干扰试验的一般思路和方法，可为进一步开展“北斗”接收机抗欺骗干扰试验研究提供参考。