基于“导航战”的北斗卫星定位抗干扰策略

张启福，徐世成，王 章，刘志全，李健睿，刘兴宇，常 凯

基于“导航战”的北斗卫星定位抗干扰策略

张启福，徐世成，王 章，刘志全，李健睿，刘兴宇，常 凯

（95972部队，甘肃 酒泉 735018）

为了进一步加强北斗卫星定位系统的抗干扰应用，立足“导航战”理念，提出电磁干扰环境下北斗卫星定位抗干扰策略：在总结北斗卫星信号结构和特性的基础上，查找北斗接收机面临人为干扰的薄弱环节，并重点对压制式、欺骗式和组合式干扰的机理、特点等进行分析；结合“导航战”3种属性进行逆向思维，从可用信号增强、干扰信号抵消、其他定位辅助等3个角度设计抗干扰总体策略；最后针对接收机抗干扰，提出一种“圆形阵列天线/空时域滤波”的压制式干扰对抗策略，以及惯导辅助定位、基于宽窄巷组合的载波相位差分等2种欺骗式干扰对抗策略。研究结果可为“导航战”理念实战转化和接收机抗干扰相关研究提供参考。

导航战；北斗卫星定位系统（BDS）；抗干扰策略；阵列天线；空时域；惯导辅助；差分

0 引言

卫星导航定位技术作为一项革命性技术，已广泛应用于交通运输、海上航行、测量勘探、农业生产等方面，尤其是在航空航天、武器制导等军事领域的应用不断成熟和拓展；不仅能有效提升武器系统的打击精度，而且可实现体系化对抗、空地指挥等全天候、实时性协同作战，备受各国重视。作为目前成熟运行的四大全球卫星导航系统之一，我国的北斗系统经历了三步走发展战略，于2020年7月初步建成北斗三号[1]，突破了导航“垄断”，正在逐渐深化军事应用。但是随着“导航战”理念的提出、推广和实践，安全与对抗必将是北斗卫星定位面临的紧迫问题。“导航战”是指在战场复杂电磁环境下，一方面优先保证己方充分利用卫星导航定位，另一方面干扰、阻止敌方利用卫星导航定位，并同时保证在敌对区以外的民用不受影响而采取的措施和行动。

在第一次海湾战争中，美军还依靠全球定位系统（global positioning system，GPS）制导武器的优势，取得了很大的军事效益；但到了第二次海湾战争，以及后续的几次局部战争中，干扰系统的出现，让制导武器、无人机等攻击效能大打折扣，美国RQ-170无人机、MQ-9无人机等先后被干扰捕获或摧毁[2]，让人们深刻认识到卫星导航系统既有可靠性，又有抗干扰能力不足的缺点。

作为导航系统中的新兴力量，北斗卫星定位无论从信号结构、二次调制，还是星间链路等方面都做了抗干扰的相关工作；但是在信息化的今天，面对日益恶劣的复杂电磁环境和层出不穷的干扰手段，以及“导航战”的实战转化，北斗卫星定位接收机的处境更加艰难，且面临着严峻挑战。为此，加强其抗干扰应用十分必要。

1 北斗卫星定位信号结构及特性

1.1 北斗卫星定位信号组成

北斗卫星信号通过空间星座上的静止轨道卫星、中圆地球轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星等三类卫星播发。北斗二号提供3路公开、 3路授权信号，即B1、B2和B3三个中心频率上正交调制的I、Q 2个支路信号；北斗三号扩展形成5路公开、3路授权信号，根据北斗系统最新空间接口信号控制文件（signal in space interface control document，ICD）[1]显示，公开信号包括B1I、B1C、B2a、B2b、B3I，授权信号包括B1A、B3Q、B3A。这些信号在频率、带宽、码率、调制方式上各有不同，但是许多信息都是公开的，这就极易被针对性干扰。

B1I、B3I信号在北斗二号、三号中延续使用，在全部卫星上播发，并提供公开服务，具有一定代表性，下面均以B1I信号为例进行分析。B1I信号从结构上可分为载波、伪码和数据码等3个层次。其中：载波是信号的最底层，是以1561.098 MHz中心频率传播的正弦波；伪码是位于载波之上的第二层，是由2个11级线性移位寄存器产生的一串随机的、有良好自相关和互相关性的二进制数；数据码是第三层，是调制在伪码上的一列载有导航电文的二进制码。通过这3层信息的相互配合，即可实现卫星信号的传输和接收机定位。

1.2 北斗卫星定位信号特性

北斗卫星信号特性主要体现在接收解调过程，包括卫星信号发射、空间传输、接收解算等3个部分。

在卫星发射端，北斗卫星首先将数据码与伪码进行相关运算，实现低码率数据码（D1导航电文，码宽20 ms）对高码率伪码（周期1 ms）的扩频调制，并形成组合码。在空间传输中，组合码对载波B1进行二进制相移键控（binary phase shift keying，BPSK）调制，然后将已调信号在B1中心频率上空间传输，最终到达接收机通道。在接收机端，首先对卫星信号进行载波解调，实现组合码分离；然后将组合码与接收机内部复制的伪码进行自相关运算，依靠伪码的强自相关性，一方面剥离伪码，提取数据码，完成解扩，另一方面获取伪码的自相关峰值，测量码相位，解算伪距。自此实现卫星信号三层结构的先组合、后分离，有效获取卫星位置、接收机钟差、伪距、大气延时等信息，完成接收机定位。

通过上述分析可知，面对信号传输的开放环境和诸多核心信息公开，北斗卫星导航定位受干扰的威胁十分明显，主要体现在信号传输、信号锁定、组合码解扩、定位解算等方面，尤其是面对敌意的人为干扰，这些薄弱环节都会成为干扰入侵的可乘之机，需要重点研究。

2 人为干扰的机理分析

2.1 人为干扰的分类

人为干扰是一种典型的敌意电磁干扰，是在一定的空、时、频及功率域内，专门针对北斗卫星信号的薄弱环节，人为制造指向性干扰、大能量辐射等电磁攻击，扰乱、破坏、诱导北斗卫星定位接收机工作过程。

从接收机应用角度而言，人为干扰可分为三级：在一级上，根据干扰体制分为压制式干扰和欺骗式干扰2大类[3-4]。在二级上，压制式干扰根据干扰信号的频谱特性分为窄带干扰和宽带干扰；欺骗式干扰根据干扰形成方式分为生成式干扰和转发式干扰。在三级上，窄带干扰根据干扰频带特征分为单频连续波干扰、窄带噪声干扰、窄脉冲干扰等；宽带干扰根据频谱性能分为噪声调幅干扰、噪声调频干扰、宽带脉冲干扰、宽带梳状谱干扰、线性扫频干扰等；生成式干扰按照干扰发射方式可分为单天线生成、多天线生成；转发式干扰按照干扰源数量可分为单源转发、多源转发[5]。如图1所示。

图1 人为干扰组成

这些干扰的作用机理、特点各有不同，早期以某种单一干扰为主，后来逐渐演变为2个以上干扰相互组合、叠加的复合式干扰，具有很强的危害性、欺骗性。

2.2 干扰机理分析

2.2.1 压制式干扰机理

采用大功率的发射机，在接收机接收频带内，发射与卫星导航信号同频段的强功率干扰信号，使接收机解扩后干扰信号功率高于导航信号功率，大大降低了导航信号信噪比，致使接收机无法捕获、锁定卫星信号，从而丧失定位能力[4]。

其中，窄带干扰是针对特定的卫星信号进行同频干扰，干扰频谱宽度和卫星信号带宽相近或者占据带宽内几个相对集中的频宽。对B1I信号，窄带干扰带宽通常为0.4MHz左右，干扰瞄准中心频点，能量聚焦，利用率高，会造成卫星信号载波和码元丢失，致使接收机无法利用伪码定位。宽带干扰是在特定频带上，针对一定区域内所有卫星信号实施干扰，覆盖整个卫星信号的频谱宽度。对B1I信号，宽带干扰不仅覆盖4.092MHz带宽，而且可能覆盖B1C、B2a、B2b、B3I等信号中几个或全部带宽，真实信号完全被淹没，导致接收机失锁。

2.2.2 欺骗式干扰机理

针对公开的北斗卫星信号结构、接口协议等，利用专业手段和设备进行信号“仿真”、直接制造“伪卫星”或者中继真实信号，通过修改时钟参数、转发虚假导航电文、增加信号时延等措施，产生与真实信号特征极其相似且功率略高、约5 dB左右的欺骗信号，使接收机被功率“接管”，导致真假难辨，定位结果与实际偏离[6]。

其中，生成式干扰预先接收卫星信号，检测得到卫星伪码、导航电文、时钟参数等关键信息，然后生成与其相关性最大的伪码信号，并对卫星星历、时钟参数进行篡改[7-8]，以此产生与真实信号特征十分相似的欺骗信号，诱惑接收机捕获、跟踪，导致定位出现偏差。转发式干扰是将接收到的卫星信号经过延时处理、功率放大等操作后转发出去，使转发信号与卫星信号完全一样，致使接收机在无预判的情况下捕获欺骗信号。该方式对民用、军用接收机均有效。

2.2.3 组合式干扰机理

这是压制式和欺骗式相互结合的干扰方式，不仅可体现压制式的功率优势，夺取制信息权，而且可实现欺骗式的无缝切入，接管接收机。基本思路为：首先，通过大功率压制进行信息饱和攻击，致使卫星信号被屏蔽或淹没，以此切断接收机与卫星的无线链路，使其无法接收有效信号，迫使失锁重捕、自主运行；在此阶段，发射欺骗信号，构建虚假卫星系统，接收机捕获虚假信号进行错误定位，至此完成接收机的“无缝接管”。在伊朗对美军RQ-170无人机、MQ-9无人机的诱捕[9]上展现了独特优势，逐步成为干扰的主样式。

综合可见，人为干扰已融入了“导航战”的重要内容，尤其在复杂电磁环境下，极易隐蔽和潜伏，难以检测和识别，破坏性极大。

3 北斗卫星定位抗干扰总体策略

“导航战”中突出了为“己”所用、阻“敌”使用、保证民用的3种属性，重在彰显干扰行为，而反过来也可分析出抗干扰的策略。面对北斗接收机工作环境的电磁常态化，及人为干扰演变的明显趋势，抗干扰的总体策略可从3个角度着手，即可用信号增强、干扰信号抵消、其他定位辅助。具体而言：一是立足接收信号，要大大增强特定方向信号，实现有用信号的空域放大、同相叠加；二是立足抑制干扰，要对干扰信号进行滤波处理，形成干扰信号的空域零陷或反相消减；三是立足降维处理，要降低干扰信号参与定位的权重，利用不受干扰影响的其他定位技术、算法辅助定位，以此对抗干扰影响。

抗干扰策略应用主要体现在2个层面：从设计层而言就是系统抗干扰，包括空间星座优化、提高卫星信号发射功率、增加卫星信号频点、民码加密等，可以从根源上解决干扰问题，一般基于国家层面实施；从应用层而言就是接收机抗干扰，这个是“干扰-抗干扰”博弈最活跃的部分，抗干扰针对性强，主要是基于信号链路、接收前端和数据处理算法等方面。本文针对压制式干扰，提出软硬件结合的“圆形阵列天线/空时域滤波”的对抗手段；对于欺骗式干扰，提出惯导辅助定位、基于宽窄巷组合的载波相位差分等 2种手段。

3.1 圆形阵列天线/空时域滤波

这是综合利用圆形阵列天线的阵元数可控、空间分辨力强、避免阵元互扰等优势[4]，以及空时域滤波抗干扰自由度大、时域空域二维联合等特点[4]，使二者有效融合，在获取多个阵列天线合成方向图的基础上，按照最优准则和滤波算法，给各阵元自动赋予最优权值，来调整阵列信号的幅度、相位，控制合成方向图指向：一方面使得主瓣指向卫星信号，进行实时增强；另一方面空域滤除窄带干扰，时域滤除宽带干扰，实现干扰零陷[9]。软硬件系统主要包括圆形阵列天线、波束形成器以及空时域滤波3个部分，核心是阵列天线模型构建和空时域滤波算法。如图2所示。

图2 阵列滤波结构

3.1.1 圆形阵列天线模型构建

参考阵元接收信号

式中：j为虚数单位；e为指数的底数；为载波角频率。

由坐标系位置关系可知，第个阵元的坐标矢量

则阵列接收信号

3.1.2 空时域滤波分析

空时域滤波是对空域滤波的拓展，在纯空域结构的每个阵元后增加多级横向时延抽头。其关键作用在于通过信号加权，改变阵列方向图指向[4]。从纵向看，个阵元构成空域滤波结构，能够在空域滤除窄带干扰；横向看，每个阵元后个时延抽头构成有限长单位冲激响应滤波结构，能够在时域滤除宽带干扰。

可得空时结构MN×1维的信号矢量为：

式中Kron表示线性代数中矩阵的Kronecker运算，即张量积。

由此，扩展抗干扰自由度为-1个。然后给阵列信号赋予最优权矢量，可得空时域加权滤波输出

3.2 惯导辅助定位

惯导系统（inertial navigation system，INS）是一种内部自主式导航的传感器，短期精度高且不受外部因素和欺骗影响，也不接收或发射电磁能量，隐蔽性和抗干扰性强。INS与北斗定位接收机组合实现了2种传感器的优势互补，可弥补卫星定位受干扰辐射影响大的不足。二者之间只须实时交互位置、速度或伪距、伪距率等结果，无须改变彼此状态，也不会增加解算复杂度，可明显提高整个制导平台的可靠性。

INS对北斗定位接收机的辅助模式主要有3种，即基于位置速度的松组合、基于原始观测值的紧组合和基于INS速度信息的深组合[5,10]。INS辅助定位后，当遭遇干扰时：INS一方面可继续、独立提供短时间高精度导航服务，确保制导平台持续定位；另一方面可结合自身定位信息协助接收机甄别、剔除干扰信号；同时，在有可用卫星信号的情况下，辅助接收机缩小跟踪环路带宽，在动态下快速捕获信号，可提高10～15 dB的抗干扰能力。如图4所示。

图4 惯导辅助定位

虽然INS在使用中仍面临定位误差随时间累积、初始对准时间长、需要卫星定位初次响应等问题，但是通过组合辅助，或在其他抗干扰技术的支持下，只要能实现断续的北斗定位，获取高精确的定位信息，就可及时对INS误差进行修正，在一定程度上减小误差累积、降低误差增长速率，可获得准确、稳定的惯导信息。此外，通过实验测试和仿真计算可知，惯导精度对抗干扰性能的影响很小，这在一定程度上增加了INS辅助定位的可信性。

3.3 基于宽巷组合的载波相位差分

宽窄巷组合是一种多频测量值的线性组合，其思想也可创新应用于抗欺骗式干扰。本文提出一种新颖的思路，将宽窄巷组合与载波相位差分进行耦合，通过双差解算，实现抗干扰效能。差分的目的在于消除卫星钟差、卫星星历误差等，而这恰好是破坏欺骗式干扰实现的2个必要条件。宽窄巷组合是通过生成新的虚拟测量值，大大减小单频测量中干扰信号参与定位解算的影响，利用冗余观测降低干扰信号权重。

整体架构可分为2个层面，一个是基于卫星接收机自身，另一个是基于地面基准站的辅助。前者是对同一卫星的多频信号进行宽窄巷组合，得到单差载波相位测量值，然后在2个历元上再进行一次差分，获取双差测量值，借助双差测量值随时间的变化率识别干扰、放弃跟踪，并利用剩余双差测量值进行定位。后者是地面基准站与移动站同步观测同一卫星多频信号，利用宽窄巷组合，获取信号间的单差载波相位测量值，同时通过空间数据链路，将移动站数据回传至基准站进行单差对比，获得站间双差测量值，通过双差阈值判别，剔除被干扰的宽窄巷组合；然后基准站将此干扰预警信息上传至移动站，并附带上传已嵌入正确卫星钟差、星历参数等信息的虚拟卫星信号，使得移动站一方面放弃对预警信号的跟踪，另一方面直接使用虚拟卫星信号进行定位，以此保证定位持续且实现抗干扰。

4 结束语

在导航战中如何提高北斗卫星定位的抗干扰能力是必须面临的实际问题，也是研究探讨的主要方向。本文立足“导航战”理念，针对复杂电磁环境下北斗卫星定位抗干扰的紧迫问题开展研究。首先简述、总结了北斗卫星信号结构和特性，查找北斗接收机面临人为干扰的薄弱环节，然后对压制式、欺骗式、组合式干扰的机理、特点等进行分析。针对“导航战”的3种属性进行逆向思维，从可用信号增强、干扰信号抵消、其他定位辅助等 3个角度制定抗干扰总体策略，最后就“干扰-抗干扰”博弈最活跃的接收机部分，提出软硬件结合的“圆形阵列天线/空时域滤波”的压制式干扰对抗策略，提出降维辅助的惯导辅助定位、基于宽窄巷组合的载波相位差分等2种欺骗式干扰对抗策略。本文的研究成果可为“导航战”理念实战转化提供一种应对之策，在接收机抗干扰应用上具有一定的参考意义。

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[3] 尹继东, 冯雪峰. GNSS抗干扰技术综述[J]. 电讯技术, 2020, 60(8): 989-998.

[4] 王爽. GNSS压制式和欺骗式干扰抑制算法研究[D]. 沈阳: 沈阳航空航天大学, 2019.

[5] 张伦东, 张超, 高扬骏. 卫星导航欺骗及检测(三): 基于辅助信息的欺骗检测[J]. 导航定位学报, 2021, 9(5): 13-19.

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Anti-jamming strategy of BeiDou satellite positioning based on navigation warfare

ZHANG Qifu, XU ShiCheng, WANG Zhang, LIU Zhiquan, LI Jianrui, LIU Xingyu, CHANG Kai

（Troops 95972, Jiuquan, Gansu 735018, China）

In order to further inhance the anti-jamming application of BeiDou navigation satellite system (BDS), the paper proposed the anti-jamming strategy of BDS under electromagnetic interference environments based on the concept of navigation warfare: on the summarization of BDS signal structure and characteristics, the vulnerability of BDS receivers to man-made interference was found, and the mechanism and characteristics of clamped，spoofing and combined jamming were analyzed; then, with three attributes of navigation warfare for reverse thinking，the overall anti-jamming strategy was designed from three aspects of signal enhancement, signal cancellation and auxiliary positioning; finally, three strategies for receiver anti-jamming, including the suppressive jamming strategy based on circular array antenna and space-time filter, and the deceptive jamming strategies based on inertial navigation assisted localization and carrier phase difference of wide-narrow lane combination, were put forward. Results could provide a reference for the relate research of the practice transformation from concept of navigation warfare and anti-jamming of receivers.

navigation warfare; BeiDou navigation satellite system (BDS); anti-jamming strategy; array antenna; space-time domain; inertial navigation aid; differential

P228

A

2095-4999(2023)01-0024-06

张启福，徐世成，王章，等. 基于“导航战”的北斗卫星定位抗干扰策略[J]. 导航定位学报, 2023, 11(1): 24-29.（ZHANG Qifu, XU Shicheng, WANG Zhang, et al. Anti-jamming strategy of BeiDou satellite positioning based on navigation warfare[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(1): 24-29.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230104.

2022-11-15

张启福（1986—），男，甘肃会宁人，硕士研究生，工程师，研究方向为卫星导航定位与抗干扰技术。