基于“导航战”的北斗卫星定位抗干扰策略_张启福.pdf

第 11 卷 第 1 期 导航定位学报 Vol.11，No.1 2023 年 2 月 Journal of Navigation and Positioning Feb.，2023 引文格式：张启福，徐世成，王章，等.基于“导航战”的北斗卫星定位抗干扰策略J.导航定位学报,2023,11(1):24-29.（ZHANG Qifu,XU Shicheng,WANG Zhang,et al.Anti-jamming strategy of BeiDou satellite positioning based on navigation warfareJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(1):24-29.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230104.基于“导航战”的北斗卫星定位抗干扰策略 张启福，徐世成，王 章，刘志全，李健睿，刘兴宇，常 凯（95972 部队，甘肃 酒泉 735018）摘要：为了进一步加强北斗卫星定位系统的抗干扰应用，立足“导航战”理念，提出电磁干扰环境下北斗卫星定位抗干扰策略：在总结北斗卫星信号结构和特性的基础上，查找北斗接收机面临人为干扰的薄弱环节，并重点对压制式、欺骗式和组合式干扰的机理、特点等进行分析；结合“导航战”3 种属性进行逆向思维，从可用信号增强、干扰信号抵消、其他定位辅助等 3 个角度设计抗干扰总体策略；最后针对接收机抗干扰，提出一种“圆形阵列天线/空时域滤波”的压制式干扰对抗策略，以及惯导辅助定位、基于宽窄巷组合的载波相位差分等 2 种欺骗式干扰对抗策略。研究结果可为“导航战”理念实战转化和接收机抗干扰相关研究提供参考。关键词：导航战；北斗卫星定位系统（BDS）；抗干扰策略；阵列天线；空时域；惯导辅助；差分 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)01-0024-06 Anti-jamming strategy of BeiDou satellite positioning based on navigation warfare ZHANG Qifu,XU ShiCheng,WANG Zhang,LIU Zhiquan,LI Jianrui,LIU Xingyu,CHANG Kai（Troops 95972,Jiuquan,Gansu 735018,China）Abstract：In order to further inhance the anti-jamming application of BeiDou navigation satellite system(BDS),the paper proposed the anti-jamming strategy of BDS under electromagnetic interference environments based on the concept of navigation warfare:on the summarization of BDS signal structure and characteristics,the vulnerability of BDS receivers to man-made interference was found,and the mechanism and characteristics of clamped，spoofing and combined jamming were analyzed;then,with three attributes of navigation warfare for reverse thinking，the overall anti-jamming strategy was designed from three aspects of signal enhancement,signal cancellation and auxiliary positioning;finally,three strategies for receiver anti-jamming,including the suppressive jamming strategy based on circular array antenna and space-time filter,and the deceptive jamming strategies based on inertial navigation assisted localization and carrier phase difference of wide-narrow lane combination,were put forward.Results could provide a reference for the relate research of the practice transformation from concept of navigation warfare and anti-jamming of receivers.Keywords:navigation warfare;BeiDou navigation satellite system(BDS);anti-jamming strategy;array antenna;space-time domain;inertial navigation aid;differential 0 引言 卫星导航定位技术作为一项革命性技术，已广泛应用于交通运输、海上航行、测量勘探、农业生产等方面，尤其是在航空航天、武器制导等军事领域的应用不断成熟和拓展；不仅能有效提升武器系统的打击精度，而且可实现体系化对抗、空地指挥等全天候、实时性协同作战，备受各国重视。作为目前成熟运行的四大全球卫星导航系统之一，我国的北斗系统经历了三步走发展战略，于 2020 年7 月初步建成北斗三号1，突破了导航“垄断”，正在逐渐深化军事应用。但是随着“导航战”理念的提出、推广和实践，安全与对抗必将是北斗卫星定位面临的紧迫问题。“导航战”是指在战场复杂电 收稿日期：2022-11-15 第一作者简介：张启福（1986），男，甘肃会宁人，硕士研究生，工程师，研究方向为卫星导航定位与抗干扰技术。第 1 期 张启福，等.基于“导航战”的北斗卫星定位抗干扰策略 25 磁环境下，一方面优先保证己方充分利用卫星导航定位，另一方面干扰、阻止敌方利用卫星导航定位，并同时保证在敌对区以外的民用不受影响而采取的措施和行动。在第一次海湾战争中，美军还依靠全球定位系统（global positioning system，GPS）制导武器的优势，取得了很大的军事效益；但到了第二次海湾战争，以及后续的几次局部战争中，干扰系统的出现，让制导武器、无人机等攻击效能大打折扣，美国 RQ-170 无人机、MQ-9 无人机等先后被干扰捕获或摧毁2，让人们深刻认识到卫星导航系统既有可靠性，又有抗干扰能力不足的缺点。作为导航系统中的新兴力量，北斗卫星定位无论从信号结构、二次调制，还是星间链路等方面都做了抗干扰的相关工作；但是在信息化的今天，面对日益恶劣的复杂电磁环境和层出不穷的干扰手段，以及“导航战”的实战转化，北斗卫星定位接收机的处境更加艰难，且面临着严峻挑战。为此，加强其抗干扰应用十分必要。1 北斗卫星定位信号结构及特性 1.1 北斗卫星定位信号组成 北斗卫星信号通过空间星座上的静止轨道卫星、中圆地球轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星等三类卫星播发。北斗二号提供 3 路公开、3 路授权信号，即 B1、B2 和 B3 三个中心频率上正交调制的 I、Q 2 个支路信号；北斗三号扩展形成 5 路公开、3 路授权信号，根据北斗系统最新空间接口信号控制文件（signal in space interface control document，ICD）1显示，公开信号包括 B1I、B1C、B2a、B2b、B3I，授权信号包括 B1A、B3Q、B3A。这些信号在频率、带宽、码率、调制方式上各有不同，但是许多信息都是公开的，这就极易被针对性干扰。B1I、B3I 信号在北斗二号、三号中延续使用，在全部卫星上播发，并提供公开服务，具有一定代表性，下面均以 B1I 信号为例进行分析。B1I 信号从结构上可分为载波、伪码和数据码等 3 个层次。其中：载波是信号的最底层，是以 1 561.098 MHz中心频率传播的正弦波；伪码是位于载波之上的第二层，是由 2 个 11 级线性移位寄存器产生的一串随机的、有良好自相关和互相关性的二进制数；数据码是第三层，是调制在伪码上的一列载有导航电文的二进制码。通过这 3 层信息的相互配合，即可实现卫星信号的传输和接收机定位。1.2 北斗卫星定位信号特性 北斗卫星信号特性主要体现在接收解调过程，包括卫星信号发射、空间传输、接收解算等 3 个部分。在卫星发射端，北斗卫星首先将数据码与伪码进行相关运算，实现低码率数据码（D1 导航电文，码宽 20 ms）对高码率伪码（周期 1 ms）的扩频调制，并形成组合码。在空间传输中，组合码对载波B1 进行二进制相移键控（binary phase shift keying，BPSK）调制，然后将已调信号在 B1 中心频率上空间传输，最终到达接收机通道。在接收机端，首先对卫星信号进行载波解调，实现组合码分离；然后将组合码与接收机内部复制的伪码进行自相关运算，依靠伪码的强自相关性，一方面剥离伪码，提取数据码，完成解扩，另一方面获取伪码的自相关峰值，测量码相位，解算伪距。自此实现卫星信号三层结构的先组合、后分离，有效获取卫星位置、接收机钟差、伪距、大气延时等信息，完成接收机定位。通过上述分析可知，面对信号传输的开放环境和诸多核心信息公开，北斗卫星导航定位受干扰的威胁十分明显，主要体现在信号传输、信号锁定、组合码解扩、定位解算等方面，尤其是面对敌意的人为干扰，这些薄弱环节都会成为干扰入侵的可乘之机，需要重点研究。2 人为干扰的机理分析 2.1 人为干扰的分类 人为干扰是一种典型的敌意电磁干扰，是在一定的空、时、频及功率域内，专门针对北斗卫星信号的薄弱环节，人为制造指向性干扰、大能量辐射等电磁攻击，扰乱、破坏、诱导北斗卫星定位接收机工作过程。从接收机应用角度而言，人为干扰可分为三级：在一级上，根据干扰体制分为压制式干扰和欺骗式干扰 2 大类3-4。在二级上，压制式干扰根据干扰信号的频谱特性分为窄带干扰和宽带干扰；欺骗式干扰根据干扰形成方式分为生成式干扰和转发式干扰。在三级上，窄带干扰根据干扰频带特征分为单频连续波干扰、窄带噪声干扰、窄脉冲干扰等；宽带干扰根据频谱性能分为噪声调幅干扰、噪声调频干扰、宽带脉冲干扰、宽带梳状谱干扰、线性扫频干扰等；生成式干扰按照干扰发射方式可分为单天线生成、多天线生成；转发式干扰按照干扰源数量可分为单源转发、多源转发5。如图 1 所示。26 导航定位学报 2023 年 2 月 图 1 人为干扰组成 这些干扰的作用机理、特点各有不同，早期以某种单一干扰为主，后来逐渐演变为 2 个以上干扰相互组合、叠加的复合式干扰，具有很强的危害性、欺骗性。2.2 干扰机理分析 2.2.1 压制式干扰机理 采用大功率的发射机，在接收机接收频带内，发射与卫星导航信号同频段的强功率干扰信号，使接收机解扩后干扰信号功率高于导航信号功率，大大降低了导航信号信噪比，致使接收机无法捕获、锁定卫星信号，从而丧失定位能力4。其中，窄带干扰是针对特定的卫星信号进行同频干扰，干扰频谱宽度和卫星信号带宽相近或者占据带宽内几个相对集中的频宽。对 B1I 信号，窄带干扰带宽通常为 0.4MHz 左右，干扰瞄准中心频点，能量聚焦，利用率高，会造成卫星信号载波和码元丢失，致使接收机无法利用伪码定位。宽带干扰是在特定频带上，针对一定区域内所有卫星信号实施干扰，覆盖整个卫星信号的频谱