GNSS转发式欺骗干扰方法的改进

何 婷

(信息工程大学，河南 郑州 450001)

转发式欺骗干扰是GNSS欺骗干扰的重要途径和手段。在该方式下，干扰机转发真实卫星信号，从而改变信号传播时延，使目标机定位在虚假的位置上。该干扰方法不需要解调卫星信号，因而无需知道信号结构和PRN序列，可在战时用于对敌方军用信号的干扰。我方只需进行小代价攻击，就可极大限度地降低敌方导航装备的作战效能。

目前，转发式欺骗干扰依据具体实施手段可分为单天线转发式欺骗干扰和多天线转发式欺骗干扰[1-7]。单天线转发式欺骗干扰借助单个全向天线接收、放大、延迟和转发视野内所有卫星的信号。由于干扰机对所有可见星信号的附加时延是相同的，该方法可使目标接收机的定位产生偏差，但无法精确控制及设定目标接收机的定位结果。多天线转发式欺骗干扰机采用多个全向天线，每个天线对应视野中的一颗可见星，可针对每颗可见星信号附加不同的时延、不同的多普勒频移，从而实现对目标接收机定位结果的精确控制，即使其定位到预先设定的虚假位置上。从干扰效能与隐蔽性两方面来看，多天线转发式欺骗干扰更符合未来信息化战争中导航战、时间战等新型作战样式的需要，因而拥有更大的研究价值和更广阔的应用空间。根据现有研究，多天线转发式欺骗干扰尚存在一项明显的不足，即当干扰机与目标机之间的距离大于一定范围时，会引起目标接收机解算出的钟差的突跳。目标接收机可通过对解算出的钟差数据进行完好性监测和判别，成功地识别该欺骗干扰。该缺陷严重制约了多天线转发式欺骗干扰的作用范围。目前该问题的主要解决方法是解调卫星信号，对其PRN序列的码相位进行超前处理，以补偿在目标接收机侧引起的附加钟差。但解调卫星信号需要知道信号结构及PRN序列，因而不适用于军用信号。该解决方法本质上是用生成式欺骗干扰的思想和方法解决转发式欺骗干扰的问题，失去了转发式欺骗干扰的特点和优势，在实际中的作用非常有限。

针对以上问题，本文提出了一种新的多天线转发式欺骗干扰方法。利用多台干扰机形成阵列对目标区域进行覆盖。该方法的基本思路是不论目标接收机处于目标区域的任何地方，均有一个最优(距离最近或功率最强)的干扰机对其实施有效干扰。考虑最差情况下的欺骗信号质量及边缘覆盖效果，干扰机阵列采用正六边形网型进行布设。为了确定相邻干扰机之间的最优间距，本文在干扰机阵列对不同间距下同一个目标接收机实施欺骗干扰的干扰有效性进行了仿真研究。仿真假设该目标接收机具有对接收机钟差进行抗差自适应预测的功能。根据接收机钟差的真实变化规律设定阈值，当钟差解算值与预测值之差大于该阈值时，判定存在欺骗干扰。依据仿真结果确定干扰机有效间距范围，确保间距满足该范围要求时，能够对目标接收机(具有接收机钟差数据突变检测能力)实施有效的欺骗干扰。

1 多天线转发式欺骗干扰基本原理及存在问题

多天线转发式欺骗干扰示意图如图1所示。

图1 多天线转发式欺骗干扰

图中，A点为干扰机位置，B点为目标接收机位置，C点为预先设定的欺骗定位点位置。根据卫星定位原理及转发式欺骗干扰原理，有式(1)成立

τPiC=τPiA+LAB/c+τAii=1,2,…

(1)

式中，τPiC为卫星i到欺骗点C的信号传播时延；τPiA为卫星i到干扰机天线的信号传播时延；LAB为干扰机距目标接收机的距离；c为光速；τAi为干扰机对卫星i信号的转发时延。

可见星位置坐标可通过接收民用信号、解析导航电文或通过其他手段获知；干扰机位置坐标可自行定位获知；目标接收机位置坐标可通过雷达测距等手段获知；欺骗点位置坐标是根据欺骗策略预先设定的。因此，通过计算可得到τPiC、τPiA、LAB的值，结合式(1)可解出τAi。

当干扰机与目标接收机的距离LAB超过某一范围时，将会使某一个或若干个τAi为负值。但对于转发式欺骗干扰而言，干扰机延迟时间τAi为负值是不可实现的，因此需要附加公共时延Δτ，Δτ是引起目标接收机钟差突跳的根本原因[1]。解决该问题的关键是将干扰机与目标接收机之间的距离LAB限定在一定范围内，避免出现τmin(τmin为τAi的最小值)小于0的情况，此时附加接收机钟差Δτ等于0。

2 多天线转发式欺骗干扰改进方法

为了将干扰机与目标接收机距离LAB限定在一定范围内，同时保证欺骗干扰信号覆盖范围能够满足实际需求，本文提出基于干扰机阵列的转发式欺骗干扰改进方法。该方法的干扰机阵列布设示意图如图2所示。

图2 多天线转发式欺骗干扰改进方法干扰机阵列布设

图中点J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7为干扰机布设点；以各布设点为圆心的圆表示单个干扰机的覆盖范围。干扰机阵列以正六边形网型布设，实现目标区域的无缝覆盖，并可根据实际目标区域的大小进行灵活扩展。选择正六边形网型的原因是正六边形最接近于全向天线和自由空间传播的全向辐射模式，相比其他网型，可以用最少的干扰机覆盖完整并无重叠的地理区域。

根据几何构型，单个干扰机覆盖半径r与相邻干扰机间距D之间的关系为

(2)

由式(2)可知，D和r有一个参数确定，整个干扰机阵列布设网即可确定。考虑最坏情况，即目标接收机位于干扰机覆盖区域的边缘，此时干扰机与目标接收机距离约等于r，本文将通过仿真研究，确定r的合理取值范围，具体参见后续叙述。

r的取值除了需考虑干扰有效性，即尽可能地避免引起目标接收机的钟差突跳外，还应考虑另外两个约束因素：

(1) 干扰机的安全性和隐蔽性：发射功率应限定在某合适范围内，防电磁暴露。由于发射功率决定了实际所能达到的r的上限，该因素表明r的取值上限是受限的，其范围取决于安全发射功率的范围。

(2) 布设经济性：在保证目标区域全覆盖的前提下，用尽可能少地干扰机完成布设。根据图2，该因素意味着r的取值(D的取值)应尽可能大。

综上，单独考虑干扰有效性因素，得到r的取值范围的上限值；单独考虑干扰机安全性和隐蔽性因素，得到r的上限范围的最大值，以上两个值中较小的一个决定了r的最终取值上限，结合布设经济性原则，该上限值即为r的最优值，结合式(2)可得到相邻干扰机间距的最优取值。

3 相邻干扰机最优间距问题仿真分析

本文假定目标接收机具有钟差突跳检测能力，并且采用当前主流的抗差自适应算法。结合前文分析的约束条件，通过仿真研究及理论分析，探讨r最优取值的确定问题。

3.1 干扰有效性因素制约下的r取值范围仿真分析

3.1.1 仿真方案

本仿真包含以下3方面的内容：

(1) 仿真正常情况下，接收机钟差的抗差自适应预测值与相同历元的解算值之间的误差范围，并分析确定阈值。

(2) 仿真最坏情况下(即LAB≈r)，不同覆盖半径r取值与附加接收机钟差Δτ的关系。分析确定能够实施有效干扰的覆盖半径r的取值范围。

(3) 分别对r在该合理取值范围内及超过该范围的情况进行仿真，验证两种情况下具有接收机钟差突跳自适应检测功能的目标接收机能否成功检测到欺骗干扰。

本仿真试验用基于典型接收机钟差模型的仿真数据代替真实钟差解算数据。所采用的钟差模型为简化的一次多项式模型[8-10]，t历元时刻的接收机钟差为

tu(t)=β0+β1(t-t0)+wn(t)

(3)

式中，β0、β1分别为接收机钟相对于系统时的钟差和钟漂；wn(t)为t历元时刻的加性高斯白噪声项。本试验中，共仿真得到了1800个接收机钟差数据，采样间隔为1 s。

本仿真假定目标接收机基于抗差自适应算法对接收机钟差进行预测并检测钟差突跳异常。选择该算法的原因是增强目标接收机对于粗差、高速等实际问题的适应性。具体预测过程为：用时长为1 min、间隔为1 s的60个接收机钟差数据建立抗差自适应理论模型，并且以滑动形式进行钟差预报，窗口长度为60，滑动步长为1，即每次预报其后1 s的接收机钟差。

3.1.2 仿真结果及分析

仿真(1)对应的仿真结果如图3所示；仿真(2)对应的仿真结果如图4所示；仿真(3)对应的仿真结果如图5(a)、(b)所示。

图3 接收机钟差抗差自适应预测值与解算值之间的差值

图4 最坏情况下单干扰机覆盖半径对附加接收机钟差大小的影响

图5 最坏情况下单干扰机覆盖半径范围合理性验证

由图3可知，正常无干扰情况下，接收机钟差预报值与实际解算值之间的差值在8 ns范围内。考虑2 ns的余量，将阈值设定为10 ns。

图4中，虚线为设定的阈值(10 ns)，实线显示了附加接收机钟差随覆盖半径的变化情况。

由图5可知，当单干扰机覆盖半径r取设定范围上限，即28 km时，目标接收机未检测出欺骗干扰；当覆盖半径r超出设定范围时，这里取r=28.5 km，目标接收机利用钟差突跳检测能够准确检测出受到欺骗干扰的历元tinf0=1500 s。以上试验说明，从干扰有效性考虑，设定单台干扰机覆盖半径r的取值范围为(0,28](km)是合理的。

3.2 干扰机安全性和隐蔽性因素制约下的r上限范围分析

根据电波传播理论，目标接收机实际接收到的转发式欺骗干扰信号功率为

(4)

式中，PJR为欺骗干扰接收功率(单位为dB)；PJT为欺骗干扰发射功率(单位为dB)；GJT为干扰机天线增益(单位为dB)；GR为目标接收机天线增益(单位为dB)；λ为欺骗干扰信号载波波长(即转发的卫星信号载波波长)；r为单台干扰机覆盖半径；L为电波传播损耗(单位为dB)。

根据欺骗干扰原理，PJR应大于实际卫星信号接收功率PR，并且需满足条件PJR-PR≥32 dB(经验阈值)[4]，才能使目标接收机捕获及跟踪到欺骗信号。通常情况下，PR的正常范围为[-163,-140](dB)，本文取-160 dB作为典型值进行分析，则有PJR≥-128 dB。考虑干扰机自身的安全性及隐蔽性，PJR取下限值-128 dB，PJT取值范围设定为[-20,-13](dB)，对应[0.01,0.05](W)，即干扰机采用极低的发射功率。

其他参数取典型值：GJT为3 dB，GR为0 dB，L为1 dB，λ为19 cm。则计算得到的r范围为[4.7,10.7](km)，即r实际所能达到的上限范围为4.7～10.7 km，对应发射功率范围为0.01～0.05 W。考虑工程易实现性，对两个边界值向下取整，则r上限的范围为[4,10](km)。

综上，同时考虑布设经济性，单台干扰机覆盖半径r的最优取值为10 km。由式(2)可进一步得到相邻干扰机间距D的最优取值为17 km。

4 结 语

本文针对多天线转发式欺骗干扰覆盖范围与干扰有效性之间的矛盾，提出了基于干扰机阵列(按照正六边形网型布设)进行目标区域覆盖的新方法，并针对单台干扰机覆盖半径的最优取值问题进行了仿真研究。综合考虑对具有抗差自适应钟差跳变检测功能的目标接收机，实施欺骗干扰的干扰有效性、干扰机安全性及隐蔽性、布设经济性等制约因素，最终分析确定单台干扰机覆盖半径r的最优取值为10 km，相邻干扰机间距D的最优取值为17 km。

本文提出的多天线转发式欺骗干扰改进方法形式简单，灵活易拓展，工程可操作性强，能够有效解决当前转发式欺骗干扰面临的有效干扰范围较小的问题。未来对该方法的研究可进一步拓展到对特殊场景(如高速场景、复杂电磁环境等)的适应性、与新技术(如阵列天线技术、自组网技术等)结合以提高干扰效能及战场生存能力等方面。欺骗干扰技术作为导航对抗的研究热点，目前在业内尚未形成共识，即尚未提出一种绝对有效的欺骗干扰方法，该领域研究还存在较大空间。基于实际需求，结合各领域新技术，力求在方法和手段上取得创新与突破已成为欺骗干扰技术的发展趋势。