刘 扬，杜春梅

（空军航空大学，长春130022）

1 传统GPS 信号干扰存在的问题

无论何种干扰样式，只要有足够大的干扰功率，即使在时频空域重合度稍差一些，也终将导致接收机无法正常工作。由于GPS 接收机本身固有的非线性和有限动态范围以及GPS 信号的脆弱性（信号功率小，抗干扰裕度不大），随着干扰功率的增加，必然导致GPS 接收机接收误码率的增加。又因对目标信号先验知识要求较低，大功率拦阻式干扰对非合作扩频信号的干扰具有一定优势。但是大功率干扰也存在一定的缺点：

（1）辐射功率越大，遭反辐射攻击的可能性越大，干扰平台生存概率越低。传统大功率拦阻式干扰强调信号能量的决定性作用，使得干扰功率不断加大，这不仅会造成干扰资源浪费，更使得干扰平台极易遭敌方反辐射武器攻击，生存概率大为降低。

（2）辐射功率越大，技术要求越先进，硬件实现越困难。为取得大的发射功率，采用普通技术体制（单元功放加线形天线）已很难满足要求。若采用高增益抛物面天线实现大功率干扰，必须增大天线口径，而天线过大不利于干扰平台机动，同时干扰效果还受干扰波束宽度的影响。

（3）GPS 抗干扰技术使大功率拦阻式干扰效能大为降低。由于功率倒置阵和自适应天线调零技术的使用，GPS 接收机可在大功率干扰信号来波方向上产生天线方向图零点，干扰信号越强，零陷越深。

2 GPS 干扰与抗干扰方式

2.1 GPS 干扰方式

从技术角度出发，GPS 干扰方式可分为压制式干扰和欺骗式干扰。

压制式干扰是指发射一定带宽、频率和功率的干扰信号，造成GPS 接收机的相关接收通道不能正常接收GPS 卫星信号，使接收机无法正确导航定位。

欺骗式干扰是利用虚假的GPS 信号来干扰和欺骗对方GPS 接收机，接收机无法分辨接收信号是否正确，从而使其利用错误参数进行解算，导致导航定位错误。其主要分为转发式欺骗干扰和产生式欺骗干扰2 种。本文主要接收3 种干扰方式：

（1）点频干扰：无需掌握目标信号太多技术参数，若已知目标信号的通信频点且频点较为固定时，可使用点频干扰。当大功率的点频干扰信号落入GPS 导航定位信号的瞬时频带内时，可以实现有效干扰。

（2）同速率伪码干扰：干扰信号和目标信号之间任何显著互相关都会大大降低GPS 接收机性能，当干扰信号与目标扩频序列同载频、同码速率时，干扰效果最好。

（3）相关伪码干扰：若已知目标信号的扩频码类型、伪码周期、码速率以及信号结构等技术参数，就能够找到一种与目标信号相关性较大的伪随机序列，适合实施相关伪码干扰。干扰序列与目标信号的相关性越大，干扰频谱被展宽得越少，通过GPS接收机窄带滤波器的干扰能量越多，干扰效果也就越好。

2.2 GPS 抗干扰方式

从GPS 抗干扰角度看，为提高GPS 导航定位信号的抗干扰性能，美军针对传统干扰样式研发了多种抗干扰技术，主要分为滤波技术、调零技术、组合导航技术几大类。

（1）频谱滤波：频谱滤波包括带通和带阻滤波，该滤波技术对点频干扰的抑制可以达到35dB 以上，因此可用于限定的点频干扰源、连续波干扰源以及强的带外干扰，但不适用于宽带干扰或扫频式干扰。

（2）时间滤波：时间滤波在时间域内对信号特征进行处理，用数字信号处理（DSP）方法来实现可编程无限／有限冲激响应滤波器和相关器。该技术对点频干扰的抑制大于30dB，可用于多个点频干扰和连续波干扰，也可用于多径效应或回波抵消。

（3）空间调零：空间调零技术指用一个环形微波传输带阵列对有方向性的干扰源进行自适应调零。该技术能够有效处理宽带噪声和点频干扰，对每种干扰源的抑制可达15 ～25dB。但该技术需要庞大的天线阵列和复杂的电子设备，造价较高。

（4）空间波束转换：空间波束转换指利用自适应平面阵列，根据GPS 卫星选择性和干扰抑制程度的不同来提供波束控制。为了产生窄波束，平面阵列结构较大，还需要具有对卫星短暂有效的跟踪能力，设备体积大，价格昂贵，适用于地面固定或舰载GPS 接收机。

（5）幅／相抵消：一般用装置在飞机顶端和底端的2 个不同天线来接收干扰信号和GPS＋干扰信号，二者组合，抵消干扰信号。该技术可用于宽带和点频干扰源。

（6）轴向调零：指在小圆柱体内（如导弹）通过使用干涉仪和地面效应在沿圆柱体轴线方向形成可编程零点。此技术能在轴线方向上产生10 ～15dB的干扰抑制，造价低，体积小，但不能对抗轴线以外的干扰源。

（7）极化抗干扰：极化调零的实质是通过电场向量抵消来去除干扰，利用侦察和跟踪／控制通道识别和跟踪干扰信号的相位和幅度，再用混合电路抵消接收到的干扰信号。理论上该技术能抑制所有类型的干扰，造价低，体积小。

（8）GPS／惯性导航系统（INS）组合导航：GPS和INS 组合导航应用于高速运动目标，如精确制导武器或飞机等。基于卡尔曼滤波技术组合的GPS／INS 系统可提高抗干扰能力10%～15%，GPS 用于周期性校正INS，消除误差积累；当GPS 受到射频干扰时，INS 系统可继续完成导航任务，GPS／INS可在短时间内对抗GPS 干扰。

其中较为成熟，也是美军目前主要采用的抗干扰技术是GPS／INS 组合导航技术和自适应天线调零技术。美军还针对不同干扰措施下抗干扰技术的性能进行实验评估，实验结果见表1 。

由表1 可以看出，各种抗干扰技术对于采用点频干扰或宽带干扰的单一干扰源均有很好的抑制作用，当对抗多干扰源时，则显得无能为力（GPS／INS组合导航除外）。若干扰样式采用较为新颖的同速率伪码干扰、相关干扰或欺骗式干扰，配置多干扰源时，上述抗干扰技术将失去作用。迫于GPS 信号面对的复杂严峻电磁环境，美军下一步主要研发的抗干扰技术有：

（1）抗干扰滤波器技术；

（2）陆基／机载伪卫星技术；

（3）干扰源探测与定位技术；

（4）数字波束控制天线技术；

（5）提高军用信号功率；

（6）专用军码（M码）技术。

其中后三项实际上可归结为新增军用码——M码所具有的性能特点，这也说明M码在抗干扰技术方面处于领先地位。

表1 对不同干扰措施的抗干扰技术性能评估

3 GPS 干扰技术研究

3.1 点频干扰信号

点频干扰即在GPS 的工作频率内某载频上发射一定频信号进行干扰。设点频干扰的频率为fj；干扰幅值为AP；φP为点频干扰初相位；则点频干扰数学模型为：

将接收到的点频干扰信号与本地复现码相乘后变为：

仿真实验得到点频干扰对信号功率谱的影响如图1 所示，当点频干扰频率对准M码载频时，由于副载波调制，处理后的干扰功率在零频（基带数据）附近分布较少，干扰效果较差，如图1 （a），纵坐标为功率谱密度（PSD）。为消除副载波影响，可将干扰频率偏差M码载频±10.23MHz ，使得功率谱主瓣重新搬移回M码载频，可取得较好的干扰效果，如图1（b）。

因此，使用点频干扰的前提条件应是M码信号主载波频率的精确测量。

频率偏移10.23MHz 时点频干扰误码率曲线如图2 所示，随着干信比的增加，误码率呈上升趋势，当干信比增长达到一定程度时，误码率曲线变化基本不大，大约维持在10－1数量级上，对接收机捕获M码信号影响明显，干扰性能较好（前提频率偏移10.23MHz ）；当干信比大于5dB 时，误码率达到50%以上，此时可认为已经无法实现捕获。

图1 点频干扰

图2 点频干扰误码率曲线（频率偏差）

3.2 同速率伪码干扰信号

同速率伪码干扰信号采用扩频二进制相移键控（BPSK）调制信号，这种干扰实际上是一种优化后的扩频干扰信号。二进制数据经过PN序列扩频后再进行BPSK调制，这样发射信号就是直接序列扩频二进制相移键控（DS－BPSK）信号。同速率伪码干扰的数学模型：式中：AS为干扰幅值；d（t ）为二进制数据；mS（t ）为干扰扩频码；扩频码码速率与M码伪码速率一致，采 用 5 .115Mbps ；fj为 干 扰 频 率；φS为 干 扰 初相位。

收到的同速率伪码干扰信号与本地复现码相乘后：

同速率伪码干扰对信号功率谱的影响如图3 所示。由同速率伪码干扰的数学模型可知，该干扰信号与M码的唯一区别是无副载波调制。当干扰载频对准M码载频时，将接收信号与本地复现M码信号相乘后，由于干扰与M码采用的PN 码不相关，并不能完成解扩，仍为宽带干扰；与点频干扰类似，副载波将原对准M码载频的干扰功率主瓣搬移，如图3（a），干扰效果较差；因此可将干扰频率偏差M码载频±10.23MHz ，消除副载波达到较佳干扰效果，如图3（b）。同速率伪码干扰误码率曲线如图4 所示。

图3 同速率伪码干扰

图4 同速率伪码干扰误码率曲线

3.3 相关伪码干扰信号

由于M码除扩频码类型未知外，其载频、扩频码速率、副载波频率等参数已知，为使干扰信号与目标信号（M码）有尽可能大的互相关，抵消GPS 接收机的处理增益，进一步节省干扰功率，可以考虑采用相关伪码干扰信号。相关伪码干扰信号的产生仿制M码信号的调制方式，扩频→副载波调制→BPSK调制。数学模型参考同速率伪码干扰为：

式中：AX为干扰幅值；d（t ）为随机二进制数据；mX（t ）为干扰扩频码，码速率与M码伪码速率一致；ScX（t ）为副载波，频率与 M码所用副载波一致，采用10.23MHz ；φX为干扰的初相位。

接收到的相关伪码干扰信号与本地复现码相乘后变为：

相关伪码干扰对信号功率谱的影响如图5 所示，当干扰频率对准M码载频时，相关伪码干扰的功率谱与M码类似，如图5 （a），干扰与本地复现 M码相乘后，去除副载波调制，干扰由原来的双主瓣变为单主瓣形式（与普通BPSK 调制信号相同），同样由于PN码采用的不同，干扰也无法完成解扩，仍为宽带干扰；当干扰频率偏离M码载频时，与本地复现M码相乘后，干扰功率分布与频率偏离大小有关，功率谱变化如图5 （b）。可以看出，当频率对准时得到的功率谱与M码一致，只是幅值较高，干扰效果类似于欺骗式干扰；当频率偏差时得到的功率谱变化较大，说明相关伪码干扰对频率同样要求较高。

图5 相关伪码干扰

相关伪码干扰误码率曲线如图6 所示，干信比为－5dB 时，误码率接近50%，干扰效果明显。随着干信比的减小，干扰性能急剧恶化，在干信比小于－30dB 时，干扰对信号的影响已基本可忽略不计。

图6 相关伪码干扰误码率曲线（频率对准）

4 结束语

GPS M码作为美军未来最主要的导航定位信号，具有抗干扰、安全保密和高精度的性能特点，是美军取得战争胜利的重要举措和实现全球战略的首要前提。本文针对传统大功率GPS 干扰的缺点，在详细分析GPS 干扰方式的基础上介绍并对比了GPS 抗干扰方式的优缺点，分别对点频干扰、同速率伪码干扰和相关伪码干扰3 种干扰方式进行了分析，对比了频率对准和频率偏差时的干扰误码率曲线，对M码干扰方法的研究具有重要的理论和现实意义。

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