GPS对抗技术的现状与发展

GPS对抗技术的现状与发展文章提交者：腾逸风

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/bbs171-0-1.htmlGPS对抗技术的现状与发展谭显裕摘要：主要论述全球定位系统（GPS）空间卫星的现状和新码的发展，GPS空间卫星和接收机的抗干扰技术的措施以及对GPS接收机的干扰对抗。关键词：全球定位系统；空间卫星；接收机；抗干扰；干扰对抗中图分类号:V474.2:TN97文献标识码:A文章编号:1009-086X(2003)01-0034-04CurrentsituationanddevelopmentofGPScountermeasurestechnologyTANXian-yuAbstract:CurrentsituationoftheGPSsatellitesanddecelopmentofnewcode,antijammingtechnologyandcountermoveoftheGPSsatellitesandthereceiver,interferenceandcountermeasurestotheGPSreceiverarediscussed.Keywords:GPS;Satellite;Receiver;Antijamming;Interferenceandcountermove1GPS空间卫星的现状和新码的发展GPS系统由空间卫星、地面监控和用户接收机等三大部分组成，其中地面监控站设于美国空军基地内，由美军严密保护，只对GPS系统实施监控而不直接参与航战；空间卫星和用户接收机是直接参与导航战的两大系统。1.1GPS空间卫星的现状［1］GPS空间卫星目前由24颗BlockⅢ/ⅡA型卫星组成，另配有3颗卫星备用，实际为27颗。卫星上配置的主要设备有高稳定度铷钟和铯钟等两种电子钟，频率稳定度分别为1×10-12和1×10-13；导航电文存储器用于存储地面对卫星传送的星历表、授理时间参数、传输延时参数、卫星状态信息、识别信息以及由起始捕获码转入精确码的时间同步信息等；双频发射机用于发射L频段的微波信号。其基本功能包括：⑴接收和储存地面监控站的导航信息并执行其控制指令；⑵精确处理卫星上各微处理器的大量数据并对其进行分选；⑶经卫星上铷钟和铯钟两类原子钟的高稳定度标准时间，为导航战提供准确定位时间；⑷准确向接收机发送导航和定位信息。GPS卫星的发射信号包括载波信号、P码或Y码信号、G/A码信号的数据码（导航电文或D码）信号等。目前卫星的载波频率是L1＝1575.42MHz和L2＝1227.6MHz，全部由基准频率ƒ0＝10.23MHz产生。在L1频段上调制有P码、G/A码和D码，在L2频段上只调制P码和D码，其中P码和D码，其中P码专用于美国军事领域的保密码。由于近年来P码的结构己被各国解译，故美国采用的新的保密Y码来代替P码，其中测距码和数据码目前均用调相技术调制出来；为了限制民用G/A码在军事上的应用，美国目前采取限制精度（SA）政策，把G/A码的定位精度约降低到100mm；但近年来随着差分、双频技术及无码定位技术的发展和应用，可以在一定程度上或者全部摆脱美国SA政策的影响，可以做到单点定位精度达厘米级，主要静态定位精度达毫米级。从1990年3月开始启动的SA政策招来了各民用用户的强烈不满，加上俄罗斯GLONASS系统和欧洲NAVSAT系统的开放使用并在商业民用领域中的竞争以及差分等技术的成熟，美国防部和运输部于1997年启动了“GPS现代”计划，确定了GPS近期、中期和远期规划，对未来10年的GPS进展规划的制定做出了预测。计划于2007年将实现GPS的区域星基增强系统（SBAS）、地基增强系统（GBSA）和特殊应用的增强系统，其中SBAS包括FAA的广域增强系统（WAAS）。而欧洲的静地导航重叠服务（EGNOS）和日本的多功能卫星增强系统（MSAS）主要为航空应用服务。因此，未来10年基本上可以预测将发生以下5种重要变革：①关闭SA政策；②建立第2个民用频段；③开发24+备用的GPS卫星；④美军用20dB抗干扰能力及民用的优选精度；⑤2～5m的空间信号（SIS）及民用的测距误差（URE）等。1.2GPS新码的发展［1.2］GPS系统新码的未来发展计划目前正在形成、修改放规划中，下述几种方案可提供选择：第1种方案由美国防部、运输部和导航执行委员会于20世纪90年代中期提出。在新码中用第2个民用频段L5并辅助L1＝1575.42MHz频段的建议，其中L5和L1之间至少相隔200MHz。这样，既可提供较好的电离层修正，又可使民用导航的定位精度从25m提高到2m若L1频段受到干扰，还可作备用信号使用。但经确认后无法找到合适的L5频段，于1998年8月又由美国防部和运输部共同负责GPS执行局的国际代理（IGEB）选择L2＝1227.6MHz频段为新民用频段码信号，并于2005年正式投入使用。第2种方案由美国GPS执行局的IGEB提出并于1998年确认后，在L1频段或L2频段附近1～2MHz带宽内寻找第3个新民用GPS频段，并在BlockⅡF型卫星上装相应的硬件。第3个民用频段对改造整个系统的导航和定位精度及可靠提高用户接收GPS定位数据的速率具有明显优势，对科学工作者和检测人员特别有利；但在L2附近增设民用GPS信号对军用搜索（M/A）码不利，迫使M/A码在L1和L2频段上采取导航抗干扰措施，阻止敌方使用M/A码来进行侦察和干扰。若要避免GPS系统的精确定位受到干扰，必须重新设立另一个频段作Y码的GPS信号，或者新开发和装备更高级的用户设备及采用先进的抗干扰调拨技术，以实现Y码信号精确辨别这些复杂干扰信号的特征。第3种方案如图1所示，先将GPS军用频段和民用频段分开，以提高军用信号的发射功率，利于战场采取措施去干扰民用信号，防止敌入利用。具体方案是以L1和L2为中心频段，把其8MHz带宽划归民用GPS频段Lo，而把民用频段8MHz带宽外的上、下频段划归军用GPS频段Lmo。其中Lo可以与现有的G/A码兼容，而Lm只能唯一使用一个以几种调制方案之一为基础的新V码（有时称M码）；再在民用频段L2=1227.6MHz的基础上，经频谱分离后加发一个民用频段L3=1176.45MHz的信号，以消除电离层影响。这一规划目前正在制定中，将于今后20年左右实施。目前己提出的3种调制码分别为Manchester码（Bi-PhaseL）、OffsetGarnet和NotchedY在民用和军用转型阶段，Y码仍以L1和L2频段来发射GPS的导航和定位信号。此外，未来GPS的卫星数量将由目前27颗增加到36颗，导航和定位精度达到1m，大大扩展了控制和操作的区段，提高了可用性、精度和覆盖的均匀性。2GPS空间卫星和GPS接收机的抗干扰措施2.1GPS空间卫星的抗干扰措施［1-3］由于GPS空间卫星的设计起点主要考虑战争环境下导航和定位的军事安全，而没有把干扰环境下的工作能力提到突出的位置。实际上，GPS卫星信号到达地面用户时其信号很弱，信噪比很低，从而导致了GPS用户接收机很容易遭受欺骗性干扰和压制性干扰。加上导航战中民用频段的军用化，导致美国与其敌对双方突出较量于战场，迫使其GPS系统不得不采取抗干扰措施或者改革其体制。其中：⑴建立独特的军用GPS系统。独特的GPS系统是将军、民用信号频段分天，既可增强军用信号功率达到提高抗干扰之目的，又不影响民用信号的性能；在战争期间还可以将战区内民用信号干扰掉而不影响美军导航战的正常使用；如将P码采取抗欺骗措施后改制成Y码，可大幅度降低接收机受假信号欺骗干扰的能力。⑵采用新型Lo信号频段。新Lo信号频段包括第3民用信号频段L3＝1176.46MHz新军用信号频段Lm以及新调制并带有先进导航信号的军用Y码等，均具有相当强的抗干扰能力。⑶采用现代抗干扰技术和措施。美空军的空间和导弹系统中心（SMC）的GPS联合办公室规划了30种利于改进GPS系统性能的技术，其中包括：采用小功率原子钟等新一代时间源、高Lo信号的发射功率、改进新Lm码结构、应用机载伪卫星技术及数学波束调向天线等；通过导航接收机来实现GPS和INS的最佳组合。⑷采用星载GPS干扰机。未来GPS系统和导航战将采用星载干扰机以进攻促防御；强化卫星独立导航、先进控制和反卫星武器能力。2.2GPS接收机的抗干扰措施［4］图2所示一种抗干扰的数字GPS接收机框图。图中6个标注号分别为GPS接收机采用以下6种抗干扰技术：射频干扰检测技术、前端滤波技术、码环和载波环跟踪技术、窄带干扰处理技术、天线增强技术及抗多径干扰技术等均由数字信号技术来处理。工作原理如下：⑴射频干扰检测技术。图2中标注①采用AGC电路完成射频干扰检测，再通过干/噪（J/N）仪检测其信号的存在。干扰信号一旦影响GPS信号的正常接收就会报警并将信号反馈到GPS接收机天线和前端滤波放大器；当AGC自控电压的高低来精确估算J/N比大小可直接估算干扰信号功率的大小。其优点是不需用接收机去跟踪GPS信号就能确定射频干扰信号的存在。当射频干扰信号出现时，只要改变GPS接收机的搜索跟踪方法就能正常接收GPS卫星信号。⑵前端滤波技术。图2中标注②的抗干扰滤波处理技术是很有潜力且正在高速发展的新技术。它用微电子及软件来实现，能使GPS接收机免受2个L频段GPS频带外强功率干扰。多数GPS接收机目前均采用陡截止频率特性的无源滤波器来抑制强带外功率，而图2则采用无源空腔前置滤波器。其优点是插入损耗低，截止带宽的抗干扰性好，是有效解决带外射频干扰的最佳选择，但体积较大，价格昂贵。它与放大器一起装在天线中，除前置滤波外，还要对窄带下变频器及本振混频器进行滤波。当下变频率接近中频并与窄带滤波带宽同步时，GPS接收机前端带宽为2倍速率，对G/A码是2.046MHz，对Y码是20.46MHz，从而改善了接收机的带外干扰特性，降低了中频A/D变换处理所需的奈奎斯特采样速率。⑶码环和载波环跟踪技术。码环和载波环增强技术均标注在图2中③的GPS接收机通通及处理器上，其抗干扰性能是通过窄带码环压缩载波跟踪滤波器的带宽和接收机预检测带宽来改善。因宽带带宽使动态范围变窄，可以通过增加环路滤波器阶次来弥补，也可通过外部导航系统来弥补，如采用内部辅助增强技术、外部导航辅助增强技术有惯性导航系统（INS）、多普勒雷达和空气速度计，而最引人注目的是GPS和INS的最佳组合。之一是借INS提供的平台速度信息去辅助GPS接收机的载波环和码环，做到环路带宽很窄，有效提高GPS接收机的信号/干扰比（S/J）；之二是在强干扰下只有GPS导航，当GPS接收机信噪比恢复到跟踪门限G/No以上时，再用INS辅助GPS接收机快速捕获GPS信号。GPS和INS的组合可使接收机的抗干扰性能提高10～15dB。因此，海湾战争后，INS/GPS组合的导航方式在制导炸弹、炮弹和导弹等精确制导武器上获得了广泛应用，如美国AGM－154A/B/G型TSOW（联合防区外攻击武器）、GBU－29/30JDAM（联合直接攻击弹药）。⑷窄带干扰处理技术。图2中标注④的窄带干扰处理技术也称暂时滤波技术，是DFT技术用于数字中频信号处理即频域幅度处理的例子，如无射频干扰，热噪声功率谱在频域内相当均匀；又如信号中有窄带干扰，频域出现明显异常，其异常谱线在DFT中被自适应滤除。⑸天线增强技术。图2中标注⑤的GPS接收机天线采用自适应天线阵技术来提高其接收灵敏度；自适应调零天线技术是提高GPS接收机抗干扰的重要手段，目前美国处于领先地位。这种天线由多元天线阵组成，每一天线阵经微波网络接到处理器，信号处理后又馈送到微波网络进行调节，使各阵元的增益和相位发生变化，对来自天线阵方向图的干扰源归零，以降低干扰性能。其中零点数由阵元数决定，一般N元阵天线能控制N-1个零点。较理想的自适应天线能把GPS接收机的抗干扰能力提高40～50dB。⑹抗多径干扰技术。在图2中标注⑥的GPS天线阵周围设置合适的微波吸收圈或者扼流圈，以增大天线方向图的锐截止角，从而有效提高抗多径干扰的性能，迫使敌方使用大功率干扰机，利于GPS检测、定位和摧毁。3对GPS接收机干扰对抗根据目前（约20年内）大多数GPS接收机在接收P码或Y码信号时，均以G/A码为基础。而G/A码在国际范围内公开使用，其特点是：码短、容易破译，加上载频、L1、L2均匀明显的固定频率，只要干扰机的体制及技术得当，如采用压制式的欺骗性2种干扰体制可以达到事半功倍的效果［2.5］。3.1压制式干扰对抗［4］G/A码的压制式干扰有瞄准式、阻塞式和相关式3种。其中瞄准式干扰是采用一部干扰机来干扰一个卫星信号，干扰原理采用频率瞄准技术，将干扰载频精确对准1575.42MHz或者1227.6MHz的GPS卫星载频，并用相同的调制方式和相同的伪码序列进行干扰。阻塞式干扰是用一部干扰机来扰乱该地域出现的全部GPS信号，是实施全面阻塞干扰的最佳技术，它有2种工作体制：其中单频窄带干扰体制的干扰信号到达GPS接收机与伪码调制的宽带本振信号混频后产生宽带干扰信号输出，只有少部分干扰信号能通过窄带滤波器实施老天拔地；宽带均匀频谱干扰体制采用锯齿宽带和噪声窄带相结合的调频干扰技术，产生宽带均匀并在时域上呈等幅包络的梳状和连续状干扰频谱来全面阻塞干扰GPS接收机。相关式干扰是利用干扰机的伪码序列与GPS信号的伪码序列间的相关原理，使干扰信号能量通过GPS接收机的窄带滤波器，以较小的干扰功率来实施有效干扰。上述3种压制式干扰体制中，相关式干扰效果较差，宽带均匀频谱阻塞式干扰效果最好。3.2欺骗性干扰对抗［1］就工作原理而方，“压制式和欺骗性”是2种不同体制的干扰机，其中压制式是发射强功率干扰信号，迫使GPS接收机饱和或以宽带均匀干扰频谱来全现阻塞其处于非工作状态；而欺骗性是发射定位欺骗干扰信号，引导GPS接收机偏离准确的导航和定位。就技术实现而言，欺骗性干扰比压制式干扰的技术难度大得多，目前尚存在如准确估算目标所接收到的GPS卫星测量数据及虚假导航信息等关键技术仍未突破。根据欺骗性干扰机的工作原理可分为“产生式”和“转发式”。其中“产生式”干扰必须先掌握全部GPS卫星的码型及当时发出的电文数据，如G/A码处于公开状态，P码处于半公开状态，对其干扰相对容易，而经P码加密后的Y码，对其干扰难度很大，关键技术目前仍未突破。“