通过模拟多普勒频移实现对GPS时问系统的干扰

第３３卷第４期　２０１３年８月　弹箭与制导学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ，Ｒｏｃｋｅｔｓ，Ｍｉｓｓｉｌｅｓ　ａｎｄ　Ｇｕｉｄａｎｃｅ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．４　

Ａｕｇ　２０１３　

通过模拟多普勒频移实现对ＧＰＳ时问系统的干扰　许益乔，曾芳玲，胡燕燕　（解放军电子工程学院安徽省电子制约技术重点实验室，合肥２３００３７）　摘要：针对ＧＰＳ系统对时间的敏感性，提出了一种对ＧＰＳ时间系统进行干扰的方法。此种方法采用转发式　干扰的模式，模拟动态条件下多普勒频移对信号造成的码率偏移，对ＧＰＳ信号的相关函数峰值做出连续的牵　引。仿真表明：采用该方法能够对ＧＰＳ信号进行有效干扰，且相对于传统的转发式干扰而言，在隐蔽性和相　关峰可控性两个方面大大增强。　关键词：时间系统；转发式干扰；ＧＰＳ；相关峰　中图分类号Ｖ４７４．２　文献标志码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｊａｍｍｉｎｇ　ｏｎ　ＧＰＳ　Ｔｉｍｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ　

ＸＵ　Ｙｉｑｉａｏ，ＺＥＮＧ　Ｆａｎｇｌｉｎｇ，ＨＵ　Ｙａｎｙａｎ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｌｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｐｒｏｖｉｎｖｃｅ，Ｈｅｆｅｉ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｃｏｄｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｈｏｓｔ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｉｓ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｏｄｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｗｈｉｃｈ　Ｄｏｐｐｌｅｒ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｃａｕｓｅｄ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌ　ｐｏｓｉ—　ｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ）ｔｉｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＧＰＳ　ｓｉｇｎａｌ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＧＰＳ　ｔｉｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｊａｍｍｉｎｇ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅｐｅａｔｅｒ　ｊａｍｍｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｄｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｌ￣ｅｔ　ｔｏ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＧＰＳ　ｔｉｍｅ　ｓｙｓ－　ｔｅｍ，ｃａｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　ｏｆ　ＧＰＳ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｔｒａｃｔｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ＧＰＳ　ｊａｍｍｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｒｅｐｅａｔｅｒ　ｊａｍｍｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅａｌｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　ａｒｅ　ｂｏｔｈ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｅｎｈａｎｃｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｐｅａｔｅｒ　ｊａｍｍｉｎｇ；ＧＰＳ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　

Ｏ　引言　ＧＰＳ是基于时间差测量的系统，准确测量信号传　输时间已经变得非常重要，１／ｘｓ的时间误差就会产生　３００ｍ的距离误差。为了准确的定位，接收机测量时　间的精度要优于１／．ｔｓ，甚至到１ｎｓ。因此，ＧＰＳ的时间　系统进行干扰，将会对它的导航定位产生较大的影　响，所以，对ＧＰＳ系统的时统干扰技术进行研究，具有　实际的应用价值和深远的意义。　

１　ＧＰＳ的时间系统　１．１时间系统的概述　ＧＰＳ系统之所以具有重大应用价值，是因为用户　可以通过它获得其位置、速度和时间等准确信息。位　置和速度信息是通过时间频率测量获得的，而时间频　率测量的最高精度依赖于原子钟性能。每台独立的　

原子钟的时间是不同步的，在ＧＰＳ中，需要将每个原　子钟时间统一到一个公共的标准上，该标准就是导航　系统的系统时间。系统时间是由时间系统产生的。　其时间系统是基于一组原子钟，通过守时理论和　算法，应用时间频率比对测量技术、时间频率远程传　递技术、原子钟时间频率信号控制技术等产生和保持　卫星导航标准时间频率信号的整套软硬件系统。　１．２导航信号的时间频率特性　ＧＰＳ卫星信号是ＧＰＳ卫星向广大用户发送的用　于导航定位的调制波，包括三种信号分量：载波信号　（　和　）、两个伪随机噪声ＰＲＮ码（Ｃ／Ａ码、Ｐ码）　和数据码（Ｄ码，亦称为基带信号）。所有这些ＧＰＳ　信号都是由一个频率为１０．２３ＭＨｚ的时钟基准信号　产生出来的，如图１所示。数据流和两种伪随机码分　别以同相和正交的方式调制在￡。载波上，而　：由Ｐ　码和Ｄ码进行调制。　

｝收稿日期：２０１２一ｌ１一Ｏ５　作者简介：许益乔（１９８９一），男，江苏盐城人，助理工程师，硕士，研究方向：导航对抗。　・６４・　弹箭与制导学报　第３３卷　图１　ＧＰＳ卫星信号的组成　其中，载波携带星载原子钟的频率信息，测距码　

携带星载原子钟的时间和频率信息，导航电文携带星　载原子钟与系统时间的钟差模型。　由图１可知，导航信号中的伪随机码由星上的码　产生器产生，以星上原子频标的输出时钟和　１０．２３ＭＨｚ作为码产生器的时频基准。用户接收机通　过复现码的相位推算出卫星的发射时间，从而获得码　伪距测量值。利用码伪距测量值和其他相关数据的　辅助，就能够得到反映卫星时钟时间特性的卫星钟差　结果和实现用户的定位。　

２　对ＧＰＳ时间系统的干扰　２．１干扰的模式　目前，对ＧＰＳ系统的干扰方式大致可以分为压制　式干扰和欺骗式干扰两大类。压制式干扰以高强度　的信号来阻塞ＧＰＳ接收机对有用信号的接收，从而失　去定位能力。压制式干扰能够完全破坏ＧＰＳ接收机　的导航定位功能，是目前干扰效果最好的方式。但压　制式干扰需要使用较大的功率，容易被反辐射武器发　现、定位和摧毁，战场生存能力较低。因此小功率的　欺骗式干扰方式得到越来越多的应用　Ｊ。　对ＧＰＳ的欺骗式干扰一般可分为产生式和转发　式两种干扰方式。产生式干扰是模拟卫星的真实信　号形式，编制虚假的导航电文的产生式干扰；转发式　干扰是通过对ＧＰＳ信号的转发来增加ＧＰＳ信号的传　输时延，使接收机计算出错误的伪距，从而得出错误　的位置信息。产生式干扰是预先知道ＧＰＳ信号的码　型。如Ｃ／Ａ码，它是公开的，产生式干扰就容易实　现。Ｐ码也可以实现，因此可以产生虚假Ｃ／Ａ码和Ｐ　码信号，对ＧＰＳ接收机进行定位欺骗。但对Ｐ码加密　后形成的Ｙ码，因为无法知道Ｙ码信号结构，因此利　用产生式欺骗干扰比较困难，所以只能用转发式干扰　进行欺骗。　由远近效应可知，信号在某一点的强度与改点离　信号源的距离的平方成反比。ＧＰＳ空间卫星离地面　的高度约为２０２００ｋｍ，假设干扰机距离地面２０ｋｉｎ，则　干扰信号要比真实信号大６０ｄＢ。所以说，转发式干　扰不需要较大的功率，战场上隐蔽性强。　转发式欺骗干扰的原理示意图如图２所示，其基　本思想为在Ａ点部署干扰机，高保真处理转发接收到　的ＧＰＳ信号，可　以把位于干扰功　率有效区域内的　任意Ｃ点的接收　机欺骗到曰点，　使被欺骗接收机　在无意识状态下　得出错误的定位　图２转发式干扰示意图　信息及授时信息　。　２．２　多普勒频移对ＧＰＳ信号的影响　ＧＰＳ信号的连续和准确，反映了ＧＰＳ时间系统的　稳定性。当卫星与接收机以速度　做匀速相对运动　时，会在ＧＰＳ信号上引入一个固定的多普勒频移＿厂＝　・∥ｃ（其中ｃ为光速，　为Ｍ码载波频率），使接收机　接收到的伪码信号码率可能不再等于原先的标称值，　引起码率偏移，破坏了伪码信号的稳定性，从而对　ＧＰＳ系统的时间系统做出了影响。　动态信号　动态信号　本地信号　（ａ）第１次错位的相位关系　本地信号　（ｂ）第１次错位的相位关系　Ｉ璺Ｉ　３伪码信号相位的连续变化　２．３干扰的模型　在时域上将伪码信号的码元宽度进行拉伸（或者　压缩），来模拟高动态条件下信号多普勒对基带信号　产生的影响，使得干扰信号的相位相对接收机产生的　信号相位上产生连续滑动，对锁定状态下的接收机具　有牵引干扰的效果。　鉴于此，通过在基带信号中引入人为的码率偏　移，提出一种新型的转发式干扰方法，如图４所示。　首先利用干扰设备将ＧＰＳ信号接收下来，并进行　载波的剥离；然后在数字处理器（２）中将调制着信息　码的伪码信号进行拉伸（或者压缩）ｋ倍，并重新调制　到原ＧＰＳ信号的载波上，最后将信号按照需求放大一　定倍数发射出去。　拉伸ｋ倍时，模拟的是接收机以（１一ｋ）倍的光　速与卫星做匀速的相对运动，造成的码率偏移６＝１　一ｋ。设本地接收机产生的伪随机码信号为：　Ⅳ一１　ｃ（　）＝∑０　｛　一（ｉ一１）Ｔｏ卜Ｍ（ｔ—ｉＴ　）｝　

其中：ｎ　为取值为－Ｉ－１的伪随机序列；“（・）为单位阶　跃函数；Ｔ　为码元宽度。　则干扰系统模拟的信号为：　Ｃ　（ｔ）＝Ｃ（ｔ＋６￡一ｑＴ　）　第４期　许益乔等：通过模拟多普勒频移实现对ＧＰＳ时间系统的干扰　・６５・　天线　Ｈ　ＡＤＣ　工　放大Ｉ孟ｌ器ｌ　Ｉ器　Ｉ　葡ｌ　数字号信号　Ｉ导航与干处理器ｌ跟踪　ｌ扰效果评　（１）ｌ环路　Ｉ估　

原信号的ＧＰＳ载波调制着信息　器（２）　圈　

图４干扰设备的功能模块　其中：６表示积分初始时刻接收伪码的相对码率偏移，　ｇ　表示积分初始时刻接收伪码相对于本地伪码的相　位之差。　则定义伪码的相关函数为：　ｒＭＴｃ　ｒＭＴｃ　尺（ｇ）＝ｆＣ（ｔ＋ｒ）Ｃ（￡）ｄｒ：Ｉ　Ｃ（ｆ＋８ｔ　Ｊ　

０　Ｊ　０　

一ｑＴ　）Ｃ（ｔ）ｄｔ　

其中　表示积分码元数。　

３仿真与结果分析　接收信号与复制伪随机码的相关运算由数字相　关器完成，相关器可以算是接收机的心脏。对于普通　的ＧＰＳ接收机，参加相关运算的离散数据点数目，通　常为１ｍｓ长的采样数据量。所以，在下面的仿真中取　Ｍ＝１０２３　图５是在未蓄　引入干扰时的基誉　带信号自相关　函数。　若　引入干扰以ｒｅ－　后，基带信号的自　相关函数如图６　和图７所示，它们　分别是引入的码　率偏移８＞０和６　图５未引入干扰时，伪码　

信号自相关函数　

＜０的情况。由图５可知引入干扰以后，可以对基带　信号的相关峰造成偏移，相当于在信号中加人了时　延。一旦接收机锁定干扰信号，可以通过控制拉伸系　数，对相关峰做出连续不断牵引控制。图６表明了此　种干扰方法可以为信号引人负时延。　图８是在６＞０时，对相关峰的偏移程度做出了　分析，表明了６的取值越大，相关峰的偏移程度越大，　相关峰的峰值出现在ｑ＝Ｍ８／２处。选取合适的６值，　使相关峰峰值的偏移程度在码跟踪环的跟踪范围以