GPS干扰与抗干扰技术研究

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《现代电子技术》2004年第23期总第190期　　　󰃞通信与信息技术󰃜

GPS干扰与抗干扰技术研究

侯者非1,王学东1,陈2

(11哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院　黑龙江哈尔滨　150001;21大连通信学院　辽宁大连　116600)

摘　要:GPS能在全球范围内提供精确的位置、速度和时间信息,在军事和民用领域发挥着极其重要的作用。本文在综合GPS系统的最新发展及GPS系统的自身特点的基础上,从策略、干扰源和GPS接收角度,对GPS的干扰与抗干扰技术进行了较为深入系统地研究。对干扰的影响程度给出了较为准确的定量分析,并提出了GPS干扰新思路和新方法。

关键词:GPS;导航战;干扰;抗干扰

中图分类号:TN96711;P22814　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1004373X(2004)2309903

ResearchonInterferenceandAntiInterferenceofGPS

HOUZhefei1,WANGXuedong1,CHENGuojun2

(11HarbinInstituteofTechnology,HarbinPolytechnicalUniversity,Harbin,150001,China;21DalianCommunicationsCollege,Dalian,116600,China)

Abstract:TheGPScanprovidetheaccurateposition,speedandtimeinformation,itplaysthemostsignificantroleinthemilitary

andpublicfieldsallovertheworld1BasedonthelatestdevelopmentandthecharacteristicsitselfoftheGPS,theinterferenceandantiinterferencetechniqueofGPSareanalyzeddeeplyandsystematically1FinallytheinfluencedegreeoftheinterferencetotheGPSisdiscussed,andthenewthinkingandnewmethodoftheinterferenceofGPSareputforward1

Keywords:GPS;navigationwar;interference;anti

interference　　GPS是一个空基导航和定时系统,卫星星座由安排在6个轨道面上的24颗卫星组成,连续广播供导航设备使和接收机部分。111　GPS空间部分

在GPS空间段部分,主要采取3种措施以提高GPS的抗干扰能力,分别为增大GPS卫星发射信号功率、研制新型导航卫星、建立军用GPS系统。增大卫星发射信号功率可以提高GPS信号幅度及与干扰信号的信噪比,使敌方现有干扰机失效,敌方只能进一步增强干扰机功率,从而使干扰机体积、重量、成本提高,同时也极易被美军机载无源探测系统等电子侦察器材发现,并可能立即遭到反辐射武器的打击。

美国国防部正在考虑的方案包括:一是改进洛马公司制造的最后12颗GPSIIR卫星,使其具有提供更多军、

民用信号能力,并具有对发射信号重新编程的功能。二是研制新型GPSIIF导航卫星。GPSIIF导航卫星具有较强抗干扰能力和防截获能力。

美国在未来的“GPS现代化”计划中,将建立的军用GPS,即将民用和军用信号的频谱分离开。这样既可以采取加大军用信号功率等方法提高其抗干扰能力,同时也不会影响民用信号的性能,必要时还可将民用信号关闭。112　GPS接收机部分

对GPS进行干扰的主要目的是干扰GPS接收机的正常工作,使其无法提供正确的导航信息。所以GPS接收机的抗干扰技术,是GPS系统抗干扰措施的最重要的组成部分。在接收端,主要采取以下两项技术以减轻对GPS接收机的干扰,他们分别是:研制抗干扰GPS接收机天线和采用先进的接收信号处理技术。

用的精确信号。导航设备接收信号后,进行分析、计算、综合,可得到高精度、连续、全天候的位置、速度和时间信息。除可提供民用外,在军事上提供对目标的精确定位,从而在对对方目标实施精确打击、对已方目标进行高效地指挥与控制等方面发挥着重要作用,是西方军事强国信息化作战体系的核心之一。

GPS卫星信号包括C󰃗A码、P(Y)码和承载导航信息

的D码。目前有2个载频,分别为L1(1575142MHz)和

L2(1227160MHz)。考虑到GPS的军民两用性,美国国

防部提供精确定位(PPS,简称P(Y)码)和标准定位(SPS,简称C码)两种伪码。P(Y)码是不公开的保密码,专用于美事领域,C码公开用于民用领域。虽然GPS信号传输采用了先进的高扩频比直接序列扩频技术,但由于GPS系统的中心频率固定、频带已知、卫星的轨道高、发射功率较低,到达GPS接收机的信号十分微弱,所以仍然较容易被干扰。1　GPS系统抗干扰技术

GPS系统在战场上的安全问题日益突出,迫使美军下

决心解决这一难题,开始实施导航战。导航战是指“在复杂的电子环境中,能用电子干扰对敌方导航系统进行攻击或干扰,同时也能在敌方对己方导航系统干扰时进行抗干扰和防攻击”。美军实施导航战的措施主要分为空间部分

收稿日期:20040713

信息安全侯者非等:GPS干扰与抗干扰技术研究

3　GPS的抗干扰能力计算

在未受干扰时的载波噪声谱密度比C󰃗N0的计算公式为:

C󰃗N0=Sr+Ga-

天线技术在抗干扰中具有重要作用,他可以在一定程度上抑制干扰信号使其不进入接收机。主要包括以下几个方面技术:自适应天线空间调零技术、空间波束成型技术、极性调零抗干扰、轴向调零及伪星座技术。自适应天线空间调零技术,即采用环形阵列天线,针对干扰源方向进行自适应调零,调整天线电波传输通道的增益和相位,减低干扰源的效能;空间波束成型技术,是利用自适应平面阵列,根据GPS卫星位置和干扰抑制的程度来提供波束控制;极性调零抗干扰,利用一个干扰侦察、跟踪和控制通道,来识别和跟踪干扰信号的相位和幅度,再用一个混合连接抵消电路来抵消复合接收信号中的干扰部分;轴向调零用在小的圆柱体上,他利用干涉原理,能在轴线方向形成一个可变调零;伪星座技术,在热点区域使用空中平台对星上的GPS信号进行中继,输出大功率GPS信号,以提高进入接收机的信号能量,从而提高其抗干扰能力。

接收信号处理包括滤波技术及GPS与惯性导航系统组合技术。滤波技术能够抑制有限带宽的带内窄带干扰、强信号带外干扰、多窄带噪声干扰和CW干扰;GPS和惯导组合技术为高速的操作平台提供了一个好的解决方案,当GPS受到射频干扰时,惯导系统提供记忆功能,当GPS信息恢复后,可立即校正系统误差,此外惯导技术也可提供较精确的末端制导。2　GPS干扰技术

GPS干扰的基本任务是干扰敌方接收设备。从技术角

10lg(kT0)-N

-L(dB)(1)

其中:Sr表示所接收到的GPS信号功率(dBW);Ga为指向卫星的天线增益(dBic);k为波耳兹曼常数=1138×

;T0为热噪声基准温度=290K;Nf为包括天线和电缆损耗的噪声系数(dB);L为实现损耗加A󰃗D变换器损10

-23

耗(dB)。根据GPS系统要求,GPS卫星保证到达地面接收机的最小信号为:对L1C󰃗A码为-15916dBW,对L1

P(Y)码为-16216dBW,对L2P(Y)码为-16512dBW。

未受到干扰时的C󰃗N0因被RF干扰降落到的电平叫做等效载波噪声功率谱密度比(C󰃗这个等效载波噪N0)eq。声功率谱密度比与未受到干扰时的C󰃗N0及干扰信号功率比J󰃗S的关系如式(2)所示:

C󰃗N0

C󰃗N0=-10log10

10(J󰃗S)10QRc

　(dB)(2)

其中:J为干扰功率;B=Q󰃖Rc为干扰平均带宽;Q为扩频处理增益调节因数(窄带干扰时取1,宽带扩频干扰时取115,宽带高斯噪声干扰时取2),Rc为GPS伪随机码的基码速率(对

C󰃗A码为11023E6,对P(Y)码为10123E6);J󰃗S为干扰信号功率比(dB),S为信号功率(与载波功率相同)。

如果已知接收机正常工作所需的载波噪声功率密度比(C󰃗N0)eq,以及未受干扰时的C󰃗N0,则可根据下式:

N0󰃗C

=N0󰃗C+

J󰃗SQRc

(3)

度出发,可以分为两类:一是压制性干扰,二是欺骗性干扰。

压制性干扰是用干扰机发射强干扰信号,阻塞接收机,使GPS信号无法被正常放大与检测,使GPS接收机降低或完全失去正常工作能力。压制性干扰又可分为:码瞄准式干扰和阻塞式干扰。码瞄准式干扰是针对特定的

GPS卫星,干扰机产生特定的码型进行载波调制,使得GPS接收机直接序列扩频技术的解扩相关器无法区分信

不难求出干扰信号功率比J󰃗S。通常卫星信号到达接收机的功率是恒定的,根据J󰃗S可立即求得J。

干扰功率进入GPS接收机的链路方程为:

Jr=Jt+Gt+Gj-Lp-Lf

=ERPj+Gt+Gj-Lp-Lf(4)

其中:Jr为进入接收机内部的干扰功率;Jt为进入干扰机发射天线的发射功率(干扰机输出功率-馈线损

耗)(dBW);Gt为干扰机天线指向GPS接收机的发射天线增益(dBic);Gj为指向干扰源方向的GPS接收机天线增益

(dBic);Lp为自由空间传播损耗;Lf为接收机前端滤波引

号与干扰,这是最有效的一种干扰形式,但由于GPS系统的P(Y)严格保密并定期更新,所以对C󰃗A码实施较容易,对P(Y)码实施困难。阻塞式干扰是针对GPS信号载频和带宽进行强功率干扰,干扰信号可在一定区域内扰乱接收机对C󰃗A,P(Y),D码的正常接收。

欺骗性干扰是引导GPS接收机跟踪上假GPS信号,使其输出不正确的位置等信息。目前主要为转发式干扰和产生式干扰两种形式。转发式干扰,是将接收到的GPS卫星信号重新广播出去,从而构成一个虚假的GPS卫星信号,使接收机解出的信息出现错误;产生式干扰是指由干扰机发射与GPS卫星信号相同的无线信号来欺骗接收机,使其出现错误解码。100

起的干扰功率损耗(dB);ERPj为干扰源的实际幅射功率

=Jt+G。

根据上式便可求出给定干扰机发射功率时,再根据Lp

)求得有效干扰距离(Κ为载频带宽);或根据=20lg(4Πd󰃗Κ

所需要的有效干扰距离,计算出所需要的发射机功率。

由以上讨论可知,不同的参变量会导致不同的结果。不同扩频码条件下,等效载波噪声功率谱密度比如表1所示。对军用GPS接收机,选择(C󰃗N0)eq=20较合理;对民用GPS接收机,选择(C󰃗N0)eq=30较合理。

对不同干扰功率、不同等效载波噪声功率谱密度比条件,不同码型的有效干扰距离进行了计算,结果如图1所示。

《现代电子技术》2004年第23期总第190期表1　GPS系统不同扩频码下的J󰃗S值与(C󰃗N0)eq的对应关系

(C󰃗N0)eq

L1C󰃗A

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说,接收天线背向干扰源,或对干扰源方向调零,会削弱干扰源的干扰效果。GPS的频率的电波传输特性基本呈直线传播,如果在GPS卫星与GPS接收机的连线上设置干扰源,干扰信号的频谱特性与GPS信号的频谱特性相同,且干扰源的发射天线指向GPS接收机方面,将形成最强的干扰效果。退而次之,如果在不同方向、空域设置多个干扰源,并使干扰天线指向同一受保护区域,将使GPS接收机难以在空间上分离干扰与信号。

以下对干扰与抗干扰的几项攻防策略进行简要讨论:

(1)对于伪卫星技术,由于伪卫星需要连续发射大功

5101520253035

5618577511853446183974117961361655431117782411877

L1P(Y)6618557611847156181975117319461442140137272610606L2P(Y)661852461183675617866511624346106703816031

率信号,较容易被跟踪定位和攻击。伪卫星技术战术应用有两种可能:一是离重点区域较远,高度较低,此时GPS接收机的天线方向图必须调整以接收低仰角伪卫星信号,如果干扰方在同一方位的地面上设置有干扰源,该干扰源的干扰信号必然会有效进入GPS接收机;另一种是伪卫星在重点区域高空,此时可在伪卫星附近散布干扰源,并用防空武器摧毁伪卫星。

(2)对GPS接收机的空域滤波技术,接收机的天线方

向会尽可能对准卫星,避开干扰源,以增强GPS信号;干扰方可在空中布撒多个干扰源,或以干扰区域为基点,在该区域与GPS卫星同仰角的上空设置空中干扰平台,并使该空中干扰平台与GPS卫星的仰角变化保持同步,使得GPS接收机无法在仰角上分辨信号与干扰。

(3)对GPS接收机内部的抗干扰技术,在没能破解

图1　各种不同条件下干扰功率与有效干扰距离关系曲线

GPS伪随机码的情况下,与GPS信号同谱型的宽带噪声

计算结果的讨论:在等效载波噪声功率谱密度比取

20时(对应军用GPS接收机),对不同的码有效干扰距离

干扰将取得较好的干扰效果。

由于GPS卫星信号到达地面的信号极其微弱,只要干扰信号能有效进入GPS接收机,干扰源的功率并不需要太大即能产生良好效果。对重点区域实施GPS干扰保护,有效的干扰方法是采用多干扰源技术,在地面、低空、中空、高空设置多个中小功率干扰源。这种方法不仅会在总体上增大干扰功率,而且会使GPS接收的各种抗干扰技术难以发挥作用。多个干扰机的干扰能量在GPS接收机内部是线性叠加的,所以使用多个中小功率分散干扰源,要比使用少量大功率干扰源的效果和性价比均要高得多。5　结　语

本文对GPS的干扰与抗干扰技术进行了深入的分析,并给出了较为准确的计算与分析结果,提出了针对

GPS系统干扰的新思路。认为针对GPS系统的最有效干

如表2所示。

表2　等效载波噪声功率谱密度比为20时的干扰距离　󰃗km

L1C󰃗AL1P(Y)L2P(Y)

2W125147

5W1881512

10W271216

20W38161823

845

在等效载波噪声功率谱密度比取30时(对应普通民用GPS接收机),对不同的码有效干扰距离如表3所示。

表3　等效载波噪声功率谱密度比为30时的干扰距离　󰃗km

1WL1C󰃗AL1P(Y)L2P(Y)

2W402032

5W753252

10W904473

20W12863105

281423

以上结果是在电波传播无遮挡的条件下计算得到的,如果干扰源高度较低,或周围有高大建筑物、山丘等遮挡,有效干扰距离将显著下降。4　GPS干扰应用新思路

总体上,对干扰方来说,增大干扰发射功率、增大干扰发射天线的增益可以增大有效干扰距离;对接收方来

扰方式是,灵活地大量使用中小功率低成本干扰机,以压制性干扰为主。这种方式可以有效的将干扰机的干扰功率送入GPS接收机的内部,使对方的GPS接收机防不胜防,不但可以有效地保护重点目标区域,也可作为一个可选的导航电子战进攻手段,将干扰源通过不同手段投射到敌方大本营、军事集结地及整个战区,

(下转第104页)　

101

信息安全王　林等:基于混沌序列的加密图像隐藏方法

的敏感性使得序列数目大大增加,可以采用一次一密的加密算法;另一方面用相位型图像代替原来直接对原始图像加密的方法,提高了恢复图像的质量和抗噪声能力。同时将加密和隐藏方法结合起来,使加密结果得到“隐藏”,避免引起恶意攻击者的篡改和恢复,计算机仿真结果证明了方法的可行性。该方法的加密系统既可以数字实现,也可以利用光学系统例如空间光调制器并行、快速的处理。

图像的传送图像中的部分信息进行剪切,图9是对发送图像的左上角100×100的矩阵赋以零值后的结果,这相当于对其进行超过60%的剪切后的结果,得到的重建图像如图10所示,恢复图像清晰可见,而直接用原始图像进行加密隐藏后的恢复结果(图11)已经几乎不可见。

下面对发送图像加入噪声,这样得到的发送图像可以表示为:

I′=(x,y)=I(x,y)+e(x,y)

=Α{exp[jf(x,y)]exp[jwΠn(x,y)]}󰃖

参　考　文　献

　h(x,y)+C(x,y)+e(x,y)(7)[1]HuiXiang1DigitalWatermarkingSystemwithChaoticSequence[A]1In:ProceedingsofElectronicImaging

从式(7)可以看出,由于采用相位型原始图像,使得加性噪声虽然对发送图像有影响,但最后只取相位部分,对重现结果图像没有影响。图12和图14是加入8415%的均匀白噪声和20%的“银盐”噪声后的发送图像,相应的恢复结果如图13和图15所示,可见这种改进方法对噪声有很强的抵抗力。其他类型的噪声,试验证明也有相同的结论。5　结　语

本文以混沌序列作为加密相位列阵,从而克服了传统相位掩模存储和传输的难题,而且由于混沌系统对初始值

[2]

′99,SecurityandWatermarkingofMulti,mediaContents′

SPIE,SanJose,1997,3657:4494571

张培琨,李育林,等1用混沌序列构造相位列阵加密和解密光学图像[J]1光子学报11998;27(11):9799821

[3]RefregierP,JavidiB1OpticalImageEncryptionBasedon

InputPlaneandFourierPlaneRandomNcoding1Opt1Lett11995,20(7):7677691

[4]SherifKishk,BaharmJavidi1InformationHidingTechnique

withDoublePhaseEncoding1AppliedOptics,41(26):2432471

作者简介　王　林　男,19年出生,汉族,河南省信阳人,讲师。主要研究方向为信号与信息处理。

　　(上接第101页)

使其各作战要素协同困难,指挥及控制效能低下,迫使其回复到传统作战方式上来,从而大大提高运用军事手段解决争端的成本,这十分有利于维护世界和平。

参　考　文　献

[1]HollandRL1GPSintheRangeofNavigationWar[J]1

ArmadaInternational,1999,18(5):2252671

[2]FanteRL,VaccroJJ1WidebandCancellationofInterferenceinaGPSReceiveArray[J]1IEEETransonAES,2000,36(2):54951

[3]王亚军,吕久明,潘启中1GPS导航战技术研究[J]1船

舶电子工程12003,(2):591

[4]陈鹏举,陈乾1GPS及其电子攻防对抗性途径探讨[J]1航

天电子对抗,2002,(2):22251

104

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