鄭 晨，王 瓊，姜 昱，王曉宇

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾時(shí)延控制算法

鄭 晨，王 瓊，姜 昱，王曉宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

無人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙技術(shù)在現(xiàn)代導(dǎo)航戰(zhàn)中越來越受到廣泛的關(guān)注，其中轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾因其無需獲得信號(hào)結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)，在軍碼導(dǎo)航領(lǐng)域比生成式欺騙干擾更具使用價(jià)值。目前的軍碼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)普遍以轉(zhuǎn)發(fā)接收天線點(diǎn)的位置坐標(biāo)作為基礎(chǔ)進(jìn)行定點(diǎn)靜止轉(zhuǎn)發(fā)，在對無人機(jī)欺騙干擾時(shí)，信號(hào)置信度不高，干擾效果不佳。提出一種轉(zhuǎn)發(fā)干擾時(shí)延算法，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)坐標(biāo)需求計(jì)算不同衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)延量，可根據(jù)欺騙策略實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)坐標(biāo)，提高干擾成功率。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出的時(shí)延算法得到的轉(zhuǎn)發(fā)坐標(biāo)誤差在米級(jí)范圍，驗(yàn)證了算法的正確性。

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾；時(shí)延控制；導(dǎo)航戰(zhàn)；衛(wèi)星導(dǎo)航

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾采用發(fā)射與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星相同結(jié)構(gòu)信息的欺騙式衛(wèi)星信號(hào)，達(dá)到擾亂目標(biāo)坐標(biāo)、時(shí)間信息的目的，在現(xiàn)代導(dǎo)航戰(zhàn)中，越來越受到各國的關(guān)注[1]。衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾從技術(shù)上來說，可以分為生成式欺騙干擾與轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾兩種。生成式欺騙干擾利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)的公開性，產(chǎn)生與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)具有相同星歷、編碼、調(diào)制結(jié)構(gòu)的欺騙式衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的導(dǎo)航欺騙；轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾通過接收真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)，加上時(shí)間延遲信息后，重新播發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的欺騙 干擾[2]。

生成式欺騙干擾現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于安防、反恐、公共治安等多個(gè)領(lǐng)域[3]。而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由于武器裝備普遍采用加密程度更高的軍碼衛(wèi)星信號(hào)來進(jìn)行自身的導(dǎo)航、校時(shí)，因此，已無法通過生成式干擾來產(chǎn)生與軍碼導(dǎo)航信號(hào)相同的欺騙信號(hào)，只能利用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對其進(jìn)行欺騙式干擾[4]。

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)主要是通過將接收到的信號(hào)直接轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)處，使目標(biāo)定位出現(xiàn)偏差。然而這種方法由于未考慮目標(biāo)的實(shí)際位置、速度等信息，產(chǎn)生的欺騙坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)偏差過大，容易被檢測識(shí)別，很容易造成欺騙干擾失敗[5]。為了提高欺騙成功率，改善欺騙效果，需要在接收端將各顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行分離提純，并結(jié)合目標(biāo)的位置、速度等信息，計(jì)算出每顆衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間延遲量，最后通過硬件設(shè)備控制信號(hào)進(jìn)行時(shí)延后播發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)對軍碼接收設(shè)備的有效欺騙。

本文對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙中的時(shí)延量進(jìn)行分析，給出一種分通道時(shí)延控制算法，并通過半實(shí)物仿真測試，驗(yàn)證了算法的正確性，為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾硬件實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙基本原理

轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備接收當(dāng)?shù)氐男l(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)延遲、功率放大后，由干擾發(fā)射天線向空中輻射，使目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的無人機(jī)收到轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙示意圖

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾需要從很低的信噪比中提取、放大信號(hào)，以保證信號(hào)未畸變或較少畸變，并提高輸出信噪比。由于干擾信號(hào)幅度大于真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，被欺騙目標(biāo)的導(dǎo)航接收機(jī)可將轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)捕獲。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對衛(wèi)星信號(hào)的延遲進(jìn)行相對應(yīng)調(diào)整后，使被欺騙目標(biāo)的接收機(jī)測得的衛(wèi)星偽距發(fā)生變化，導(dǎo)致其無法正常工作或是給出錯(cuò)誤的定位授時(shí)信息，從而達(dá)到欺騙目的。

衛(wèi)星導(dǎo)航偽距測量定位模型如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航偽距測量定位模型

式中，為引入的第顆衛(wèi)星的信號(hào)延遲量，只要合理控制好每顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)延遲量，即可使無人機(jī)發(fā)生導(dǎo)航定位錯(cuò)誤，達(dá)到欺騙接收機(jī)的目的，如圖3所示。

2 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量計(jì)算

轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量的計(jì)算如圖4所示。

圖4 第i顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量的計(jì)算

3 轉(zhuǎn)發(fā)延遲控制范圍

在轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾中，由于信號(hào)需要在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中存儲(chǔ)一定的時(shí)間再播發(fā)出去，因此，硬件設(shè)備的資源存儲(chǔ)能力決定了轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量的最大值。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾能力，需要對具體應(yīng)用場景進(jìn)行分析，確定轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量的最大值，為后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)提供參考。

以圖5為例，位于點(diǎn)的無人機(jī)同時(shí)接收到GPS 2號(hào)、5號(hào)、13號(hào)、15號(hào)、17號(hào)衛(wèi)星信號(hào)，無人機(jī)利用這些信號(hào)對自身進(jìn)行定位解算，可得到自身當(dāng)前的位置坐標(biāo)。無人機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)偽距分別為、、、和，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對信號(hào)進(jìn)行時(shí)延后，使到達(dá)無人機(jī)的偽距分別變?yōu)?、、、和?/p>

圖5 轉(zhuǎn)發(fā)欺騙場景

根據(jù)前文分析，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙，各顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量計(jì)算如式（7）所示：

在不考慮轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與無人機(jī)距離OX的情況下，忽略修正量，各顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)延遲的大小如圖6所示。從圖6可以看出，隨著欺騙位置距離的增加，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量也隨著增大。

由圖6可以看出，當(dāng)各顆星的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量控制在0.03 ms內(nèi)時(shí)，可以產(chǎn)生距離無人機(jī)真實(shí)坐標(biāo) 10 km距離的轉(zhuǎn)發(fā)欺騙坐標(biāo)，這種情況已完全滿足轉(zhuǎn)發(fā)欺騙的使用場景。

如圖7所示，當(dāng)要產(chǎn)生偽距為的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)延遲為-，當(dāng)為10 km時(shí)，由于衛(wèi)星一般運(yùn)行于20 000 km的高空，因此、遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，根據(jù)幾何關(guān)系可知，欺騙位置引起的轉(zhuǎn)發(fā)延遲會(huì)很小，也就是上文仿真得出的0.01 ms的量級(jí)范圍。

圖7 轉(zhuǎn)發(fā)延遲量示意圖

當(dāng)考慮到轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與無人機(jī)距離時(shí)，信號(hào)在方向的傳播時(shí)延會(huì)隨著距離的增加而接近線性增加。當(dāng)兩者距離=100 km時(shí)，其引入的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延大約為0.33 ms。

圖8 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延變化范圍

4 轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了充分驗(yàn)證轉(zhuǎn)發(fā)欺騙效果，我們構(gòu)建了半實(shí)物仿真測試環(huán)境，如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延仿真測試

首先利用多通道接收機(jī)，對天線衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)信息主要有星歷數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)、偽距數(shù)據(jù)以及位置數(shù)據(jù)等。

計(jì)算機(jī)1將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)2，計(jì)算機(jī)2上運(yùn)行有轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延計(jì)算程序以及一個(gè)GNSS軟件接收機(jī)程序。

計(jì)算機(jī)2首先根據(jù)星歷、時(shí)間和偽距數(shù)據(jù)信息，利用GNSS軟件接收機(jī)計(jì)算本地位置坐標(biāo)，該坐標(biāo)與實(shí)際接收機(jī)上報(bào)的位置數(shù)據(jù)包進(jìn)行對比，以驗(yàn)證軟件接收機(jī)的正確。對比結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 實(shí)際接收機(jī)定位結(jié)果

圖11 GNSS軟件接收機(jī)定位結(jié)果

通過對比可知，GNSS軟件接收機(jī)與實(shí)際接收機(jī)定位結(jié)果誤差在1 m以內(nèi)，因此可認(rèn)為GNSS軟件接收機(jī)定位解算正確有效。

設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)坐標(biāo)，轉(zhuǎn)發(fā)坐標(biāo)與實(shí)際定位坐標(biāo)的緯度、經(jīng)度、高度分別相差1°、0.01°和1 000 m（直線距離約為110 km左右）。根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)時(shí)延量，如圖12～圖15所示。

圖12 北斗1號(hào)星轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

圖13 北斗2號(hào)星轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

圖14 北斗6號(hào)星轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

由圖12～圖15可知，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)坐標(biāo)位于100 km外時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量在零點(diǎn)幾毫秒量級(jí)。與前文分析一致，此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延大小的主要因素為轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與目標(biāo)之間的空間距離。

GNSS軟件接收機(jī)利用轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的定位結(jié)果如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)發(fā)欺騙實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，通過對各顆星進(jìn)行不同的時(shí)延控制，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)后，被欺騙接收機(jī)的定位坐標(biāo)與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備預(yù)設(shè)的坐標(biāo)幾乎相同，其中經(jīng)度和緯度誤差為10-6度量級(jí)，也就是米量級(jí)，高度誤差在分米量級(jí)。

5 結(jié)論

本文對軍碼轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾中的衛(wèi)星時(shí)延控制進(jìn)行研究，在介紹轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾原理的基礎(chǔ)上，給出了轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延量的計(jì)算方法，并分析確定了轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的最大范圍。最后通過半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的正確性，最終的轉(zhuǎn)發(fā)誤差在米級(jí)精度，為后續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的硬件實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。

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Time Delay Control Method for GNSS Repeater Deception Jamming

ZHENG Chen, WANG Qiong, JIANG Yu, WANG Xiaoyu

UAV (Unmanned Aerial Vehicle) deception technology based on satellite navigation is attracting more and more attention in Modern Navigation Warfare. Among them, repeater deception jamming is more valuable than generative deception jamming in the field of military code navigation, because it does not need to obtain priori information of signal structure. At present, the repeater of military code signal is generally carried out fixed-point static forwarding based on the position coordinates of the receiving antenna. However, this method has low signal confidence and poor jamming effect when spoofing UAV. A time delay control method of repeater deception jamming algorithm is proposed in the paper. The time delay of different satellite signals is calculated according to the requirements of repeater coordinate. And the repeater coordinates can be adjusted in real time according to the deception strategy to improve the success rate of jamming. Finally, the experimental results show that the repeater coordinate error calculated by the proposed algorithm is in the range of meters, which proves the effectiveness of the proposed algorithm.

Repeater Deception Jamming; Time Delay Control; Modern Navigation Warfare; Satellite Navigation

P228

A

1674-7976-(2022)-02-079-06

2022-03-07。鄭晨（1988.05—），陜西西安人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、無人機(jī)欺騙干擾。