低轨点波束增强实现区域定位阻断分析

侯林源，黄新明，张鹏程，肖 伟，李井源，李峥嵘

低轨点波束增强实现区域定位阻断分析

侯林源，黄新明，张鹏程，肖 伟，李井源，李峥嵘

（国防科技大学 电子科学学院，长沙 410073）

针对导航出站信号易被恶意用户利用来获取定位信息的问题，在保证区域外导航服务正常使用的前提下，分析卫星功率增强信号在压制模式下的阻断效果及实施条件：分析通过低轨卫星（LEO）增强实现区域定位阻断的模型，并研究区域定位阻断的评估方法；然后将用户接收等效载噪比做为评估定位阻断性能的核心指标；最后给出相应的载噪比门限的计算方法，用最小星上天线增益评价阻断实施条件。分别对二进制偏置载波（BOC）（1,1）、四相移相键控（QPSK）（10）和二相移相键控（BPSK）（5）调制信号进行阻断仿真。结果表明，对于低轨卫星实施的增强信号，至少需要15.69 dB的最小星上天线增益；星上增益大小与信号体制、播发干扰类型有关，也取决于信号的抗干扰能力；对于QPSK（10）调制信号，带限白噪声干扰需要27.93 dB的最小星上天线增益。

低轨卫星；功率增强：定位阻断；压制干扰；等效载噪比；星上天线增益

0 引言

在未来导航战背景下，如何有效实现导航战保护、阻止、保持的目标，是导航战研究的重要内容之一[1]。由于出站信号处于开放的电磁环境中，出站信号上的定位信息完全有可能被恶意获取，因此需要对区域内非法使用民用导航服务者采取阻断的措施，同时还要保证区域外的民用导航服务正常使用，这就需要对民用信号的管理控制方式进行研究。为达到以上目的，可采用2种方式：一是将覆盖特定区域内的民用卫星导航系统的部分导航信号关闭，使依赖于该卫星导航系统的恶意用户无法使用其定位服务或授时服务；二是在区域内对导航信号实施干扰[1]。文献[1]论述了方式一的实施效果。由于民用信号的可容忍干扰功率较小，且未来军民信号频谱分离后，针对民用的干扰不会对军用信号产生影响，本文将选取第二种方法对阻断效果进行分析。

当前对导航信号实施干扰的常见方式有压制干扰与欺骗干扰2种。压制干扰包括单频、窄带、脉冲、扫频、宽带等干扰类型，主要通过影响信号到达接收机的载噪比来干扰信号[2-3]。欺骗干扰是以有用信号码形、速率、带宽等相同或相似的伪信号，使系统或通信链路被欺骗造成不正确判断而做出错误反应的干扰[4-5]。这些常规的干扰方式有覆盖区域小、覆盖区域固定、易被抗干扰处理的缺点，无法满足未来导航对抗的需求。

如今北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）已经全部完成星座部署，并开始提供全球服务[6]，面对上述问题，必须要考虑其系统的安全防护。本文将在BDS短报文服务（short message service，SMS）信号体制下，针对出站信号进行阻断干扰分析，采用卫星星上点波束增强信号的方式进行干扰。这种干扰方式通过低轨（low Earth orbiting，LEO）卫星进行干扰播发，与普通地面干扰源相比具有不同的特点：首先，星上播发干扰区域广，可以灵活调整干扰区域；其次，对于同一颗卫星上的干扰信号与有用信号，用户接收的来波方向基本相同，致使空域抗干扰难度加大。本文干扰模式考虑压制干扰，分析在点波束天线功率增强的实施方式下的可行性，以期为我国未来的卫星导航系统信号优化设计以及系统安全管理策略提供参考。

1 区域功率增强信号系统模型

本文研究的干扰实施方式为LEO星上点波束天线实现对目标区域播发功率增强信号，从而使得目标区域的民用信号服务能力失效。低轨功率增强信号播发模型如图1所示。

图1 LEO功率增强信号播发模型

通常情况下，载噪比是评估导航信号质量的重要指标，其表示为载波功率与噪声功率谱密度的比。这里同样可以用此指标评价干扰信号的接收质量。

1 链路计算

在工程计算中，式（3）通常等价表示成以分贝为单位，表示的链路功率预算方程[7]为

1.2 接收载噪比

根据上面的链路分析可知，功率增强的干扰信号的接收载噪比与卫星星上功放功率及目标区域等效面积有关，其表达式为[8]

为了显示表征接收载噪比与星上功率及天线增益的关系，给出如下示例：

设大气损耗为2 dB，信号波长为0.19 m，用户接收天线的增益为0，卫星信号星上发射功率为26.8 W，天线增益为自变量。给出用户接收的干扰信号载噪比与卫星星上天线增益及卫星离地面垂直距离的关系，如图2所示。

图2 载噪比与星上天线增益及卫星离地面垂直距离的三维关系

从图2可以看出，用户接收的干扰信号干噪比与星上天线增益及卫星离地面垂直距离呈线性关系。在卫星高度300 km条件下的天线增益大约为12 dB，此时的接收干噪比为84 dB·Hz，波动2 dB。

2 区域定位阻断评估方法

本节首先分析采用功率增强信号实现区域阻断时相关各变量间的约束关系，得出用户接收的等效载噪比为评估区域定位阻断性能的核心指标；然后给出相应的载噪比门限的计算方法，最后定义2种评估通过点波束功率增强信号方式实现区域定位阻断的性能指标。

2.1 相关变量约束关系分析

在本文中，区域定位阻断定义为在目标区域的定位精度无法达到给定指标，或者无法定位。本文研究的干扰类型为压制式干扰，压制式干扰主要是从信号接收层面影响用户的接收，因此，可以采用用户在干扰条件下的等效载噪比作为评估指标。

与用户接收载噪比相关的变量包括星上功放发射功率、星上天线增益、目标地区坐标，这3个因素会影响干扰信号的功率大小，从而影响用户接收到的等效载噪比。另外，评估是否成功实现区域阻断需要定义对应的接收载噪比门限。相应变量之间的约束关系如图3所示.

图3 区域定位阻断指标关系

探讨干扰信号功率增强能够实现区域定位阻断，实际上是探讨在各初始变量不同取值条件下能否干扰接收机正常定位，也就是分析在何种星上功率及天线增益下用户接收的等效载噪比低于门限载噪比，从而达到成功干扰的目的。

2.2 区域定位阻断载噪比门限分析

载噪比门限由捕获灵敏度、跟踪灵敏度与定位精度门限中的最小值决定。由于跟踪灵敏度一般都小于捕获灵敏度，这里主要分析捕获灵敏度以及定位精度门限要求所需要的载噪比门限，取较大值为区域定位阻断载噪比门限。

2.2.1 捕获灵敏度的载噪比门限

设等效的信号相干时间为100 ms，则捕获灵敏度约为-148 dBm，这基本上是现代大部分接收机的捕获灵敏度，对应的信号接收载噪比为24 dB·Hz，即如果接收到的等效载噪比仍能高于24 dB·Hz，则接收仍能正常接收。

（1）依托互联网工具：企业必须依托互联网来建立网络品牌，因此网络品牌也具有互联网的全球性、服务的连续性、动态性等特点。

2.2.2 定位精度的载噪比门限

定位精度的载噪比门限定义为在低于该载噪比门限时，无法满足给定的定位精度指标。

在高斯白噪声环境下，对该信号进行同步跟踪所能达到的精度表达式[11]为

给定接收机前端带宽取为2.27 MHz，环路带宽为1 Hz，可以看出，在等效载噪比为24 dB·Hz时，对应的测距精度大概为20 ns，测距精度为10 m左右。一般情况下，跟踪灵敏度要远低于捕获灵敏度，因此认为定位精度载噪比门限要低于捕获载噪比门限。本文以捕获灵敏度要求的载噪比门限值作为相应区域定位阻断时的载噪比门限。

2.3 区域定位阻断的评估指标

一般为了评估是否可行而采用的方法是：计算出在给定星上功率及天线增益条件下用户接收的等效载噪比，然后计算出区域定位阻断时的载噪比门限，再将二者进行比对；如果低于门限值，则认为能够成功实施定位阻断，否则无法成功实施阻断。

步骤1：根据目标地区坐标、星上功放发射功率以及初始星上天线增益，计算出用户接收的等效载噪比。

步骤2：与定位阻断时用户接收的载噪比门限比较，如果大于该门限，则增大星上天线增益，并跳转至步骤1；否则，输出最小星上天线增益。

图4 最小星上天线增益求解流程

3 实验与结果分析

本节对压制干扰模式下区域点波束功率增强信号对信号接收性能的影响进行仿真实验和分析。

北斗三号全球卫星导航系统即北斗三号（BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3）在B1、B2、B3各频段上可能均会存在民用的导航信号，并根据下行导航信号体制的初步论证方案执行。本节论证采用的信号体制为二进制偏置载波（binary offset carrier，BOC）（1,1）、四相相移键控（quadrature phase shift keying，QPSK）（10）和二相移相键控（binary phase shift keying，BPSK）（5），假设接收机的接收带宽与发射带宽相等，3个频点民用信号的前端带宽分别为6.138、30.69、15.345 MHz，正常信号接收载噪比为45 dB·Hz。图5给出干扰信号条件下等效载噪比与干信比间的关系。

从图5可以看出：若需要成功干扰信号，对于BOC（1,1）信号，3种干扰形式下需要的干信比分别为41.02、45.21及48.22 dB；对于BPSK（5）信号，3种干扰形式下需要的干信比分别为43、47、49.98 dB；对于QPSK（10）信号，3种干扰形式下需要的干信比分别为46.44、50.25、53.26 dB。3种信号体制收到阻断的最小干信比如表1所示。可以得出，QPSK（10）信号的抗干扰能力较强，达到门限需要较低高的干扰强度；3种干扰形式中，窄带干扰的效果较好，可以以较低的干信比达到阻断门限。

图5 窄带/匹配谱/带限白噪声干扰条件下等效载噪比衰减

表1 不同干扰对不同信号体制阻断的最小干信比 dB

假设低轨卫星高度为300 km，通过链路计算可以得出达到阻断的最小星上天线增益（如表2所示）。

表2 不同干扰对不同信号体制阻断的最小星上天线增益 dB

从表2可知，天线增益要比正常导航信号的天线增益增强15.69 dB以上才能达到阻断定位的目的。虽然通过缩短卫星与用户机的距离可以达到减小天线增益的作用，但是较低的卫星轨道会使单一卫星干扰覆盖时长缩短，需要更多的卫星实现区域干扰阻断。

4 结束语

本文就通过播发点波束天线增强信号实现区域定位阻断的可行性进行了仿真分析，采用载噪比损耗、最小星上天线增益等指标对能否实现定位阻断进行判定，验证了通过低轨卫星播发增强信号可阻断正常民用信号的接收。低轨卫星高度为300 km、采用压制干扰时，若想达到阻断效果，需要天线增益比正常导航信号天线增益强至少15.69 dB。对于抗干扰性能较好的QPSK（10）信号，在带限高斯白噪声压制干扰下，最小星上增益需要27.93 dB。适当降低卫星的轨道高度可以减小星上增益。本文的结果可以为我国未来的卫星导航系统的信号优化设计以及系统安全管理策略提供参考。

后续将会对低轨卫星干扰覆盖与最小星上增益进行最优设计，在实现较小星上增益的条件下采用合适的低轨卫星高度。

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Analysis on realization of regional positioning and blocking by low-orbit spot beam enhancement

HOU Linyuan, HUANG Xinming, ZHANG Pengcheng, XIAO Wei, LI Jingyuan, LI Zhengrong

(College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Aiming at the problem that it is easy to be used by malicious users to obtain location information for navigation outbound signals, under the premise of ensuring the normal use of navigation services outside the area, the paper analyzed the blocking effect and implementation conditions of satellite power enhancement signals in the suppression jamming mode: the model of realizing regional positioning blocking through low Earth orbit (LEO) satellite enhancement was analyzed, and the evaluation method of regional positioning blocking was studied; then the user-received equivalent carrier-to-noise ratio was used as the core index for evaluating positioning blocking performance; finally the calculation method of the corresponding carrier-to-noise ratio threshold was given, and the minimum on-board antenna gain was used to evaluate the blocking implementation conditions.Blocking simulations were performed for binary offset carrier (BOC) (1,1), quadrature phase shift keying (QPSK) (10) and binary phase shift keying (BPSK) (5) modulated signals, respectively. Results showed that for the enhanced signals implemented by LEO satellites,a minimum on-board antenna gain of 15.69 dB would be required; and the on-board gain would be related to the signal system and broadcast interference type, and also depend on the anti-jamming capability of the signal; moreover, for QPSK(10) modulated signals, band-limited white noise interference would require a minimum on-board antenna gain of 27.93 dB.

low Earth orbit satellite (LEO);power enhancement;positioning interference;suppress interference;equivalent carrier-to-noise ratio;onboard antenna gain

侯林源, 黄新明, 张鹏程, 等. 低轨点波束增强实现区域定位阻断分析[J]. 导航定位学报, 2023, 11(3): 132-137.（HOU Linyuan, HUANG Xinming, ZHANG Pengcheng, et al. Analysis on realization of regional positioning and blocking by low-orbit spot beam enhancement[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 132-137.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230318.

P228

A

2095-4999(2023)03-0132-06

2022-06-23

侯林源（1998—），男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为导航与时空技术。

黄新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，讲师，研究方向为导航与时空技术。