34航天电子对抗,2000(3)
GPS综述及对其实施电子干扰浅析
贾仁耀1 何俊2,刘湘伟2,邵国培2
(电子工程学院:1,1系1队;2,103室,合肥 230037)
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摘要: 简介GPS系统的组成、工作方式、性能、特点及其在军事上的运用情况,并从电子对抗的角度分析了对其实施电子干扰的途径和方法。
关键词: 全球定位系统(GPS);卫星导航;电子干扰中图分类号: P228.4 文献标识码: A
一个战略性的高精度全球定位系统。从1978年2月发射第一颗GPSBLOCKÑ卫星至1994年3月发射第15颗BLOCKÒA卫星,星座中已布满24颗GPSBLOCKÒ/ÒA卫星供导航使用,达到了完全工作能力,标志着GPS计划的完成。211 GPS系统的组成及工作方式
GPS系统庞大,主要由三部分组成:即空间部分、地面监控部分和用户部分。空间部分共有24颗卫星,它们均匀分布在高度约为20200km的6个等间隔的圆轨道上,轨道倾角为55b,运行周期约为11h58min。此外,还有4颗为在轨备用星(1996年后发射)。全球任一地点的用户都能在任意时刻观察到至少4颗卫星。各卫星导航发射机在两个频率上发射信号,即L1=1575.42MHz和L2=1227.60MHz,发射双频是为了校正电离层产生的附加延迟。发射机天线由12个螺旋天线组成天线阵,辐射圆极化电波,半功率波瓣宽30b,发射机功率为10~30W。其中,L1频率的信号由粗测/截获(C/A)码和精测(P)码同时调制,而L2频率的信号由P码调制,调制方式为BPSK。C/A码是以每毫秒为周期的长1023位的Gold码,码速率为1.023MHz;P码是周期为266天的M序列,码速率为10.23MHz,两种码都含数据率为50bit/s的数据流。为区别起见,各个卫星的伪码序列是不同的。卫星上还装有一个稳定度约为10-13的精密原子钟。各卫星的原子钟相互同步,并与地面站组的原子钟同
1 引言
GPS(GlobalPositionSystem)/全球定位系统0,亦称/导航星系统0(NAVSTAR2NavigationSatelliteTimingandRanging,即导航星测时与测距),是美国第二代卫星导航系统。海湾战争中,GPS首次披挂上阵,就大展身手,被多国广泛应用在行军、集结、空降行动、炮兵射击、飞机导航、空中加油、指示攻击目标、/战斧0巡航导弹导航和飞行员救生等各个方面,并发挥了十分重要的作用,被多国指挥官誉为无价之宝。在北约对南联盟的野蛮空袭中,GPS在对防区外发射的远程巡航导弹的导航与制导、飞机导航和搜索营救飞行员(如搜索营救被南联盟击落的F2117战斗机飞行员)行动中起到了突出作用,引起了世界各方的密切关注和重视。
2 GPS简介
从1959年开始,美国第一代卫星导航系统)))Transit系统(子午仪海军导航卫星系统)投入使用,显示了卫星用于导航的优越性。不久,美国空军和陆军陆续加入着手进行新一代卫星导航系统的研究工作。1973年美国国防部正式批准陆、海、空三军共同研制全球定位系统导航星(GPS2NAVSTAR),目标是为美国三军统一建立
收稿日期:1999-12-06
作者简介:贾仁耀,军事运筹学硕士研究生;何俊,309教研室讲师,博士;刘湘伟,309教研室副教授;邵国培,合肥电子工程学院
副院长,教授,博士生导师。
GPS综术及对其实施电子干扰浅析
步,从而建立起导航系统的精密时系,即GPS时。GPS精密时是GPS精密定位导航的基础。
地面监控部分包括一个主控站、五个监测站和三个地面控制站。五个监测站分别设在¹夏威夷;º科罗拉多州斯普林斯;»阿森松岛(南大西洋);¼迪戈加西亚岛(印度洋)和½夸贾林岛(太平洋马绍尔群岛)。监测站负责对卫星进行连续监测,收集卫星观察数据并传送给主控站。主控站设于科罗拉多州科罗拉多斯普林斯空军基地,35
为100ns,采取特殊措施,可达10ns。GPS系统测速精度达0.1m/s。2.3 特点及应用
GPS作为新一代全球卫星导航系统,它吸取了许多最新科学技术成果,综合了传统的天文导航和地面无线电导航的优点,具有以下几个特点:¹全球覆盖,全天候工作,能够连续、实时地提供三维空间坐标、三维速度和精密时间;º精度高、速度快;»具有保密、抗干扰性和很强的生存能它控制整个地面站组的工作,根据接收各监测站送来的各种测量数据编制卫星星历、计算各卫星原子钟钟差、电离层、对流层校正参数等,并将结果发给地面控制站。地面控制站分别与设在阿森松岛、迪戈加西亚岛和夸贾林的监测站共置,当卫星通过其上空时把导航数据及主控站的指令由上行线路以S波段射频注入到卫星。
用户部分主要是GPS用户接收机,由天线、接收机、处理器和控制/显示设备组成。GPS接收机自动地从看到的4~8颗导航星中选择最有利的4颗卫星,同时或顺序接收卫星发出的信号,经过处理和计算,得出用户的位置、速度和时间信息。GPS接收机的天线是全向、半球覆盖、圆极化的。天线仰角较大,增益较大,且具有抑制仰角小于5度的信号能力。由于接收机和性能不同,首次定向时间约为1~23min,之后可在每秒内取得几次位置数据。
2.2 性能
GPS提供两种精度的定位服务:标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)。SPS使用C/A码,对全世界所有用户开放;PPS使用P码,只限美军及其友军用户使用。GPS系统在战时可采取选择可用性(SA)措施和反电子欺骗(A2S)措施。所谓SA就是在信号发射时加进人为误差,同时传送加密的编码校准参数,以降低采用C/A码定位的精度。而A2S是将P码加密为Y码以便在战时阻止敌军利用。使用C/A码的标准定位服务(SPS)在无SA时实际定位精度可达20~40m,测高精度156m。有SA时定位精度在100m以内,采用差分GPS(DGPS)可消除SA的影响,并获得1~5m定位精度。使用P码的精密定位服务(PPS),实际定位精度可达2~15m,测高精度28m。定时精度在SPS时为167ns,在PPS时
力;¼军民合用,价格低,操作简便;½多功能。军事上系统除了用于人员、坦克、车辆、飞机、舰船等的导航外,还可用于导弹制导、精确投弹、搜索营救、空中编队和加油、海陆空协同作战等;民用方面,系统可用于飞机、船只导航定位、大地测量、空中交通管制等。
GPS的应用范围极其广泛,应用领域不断拓宽。它在军事方面的应用已经得到证实,在现代战争中的重要意义不言而喻。为此,一方面要研究己方如何更有效地利用GPS的各种军事用途,另一方面也要研究如何破坏或干扰GPS,使对方无法正常使用它。
GPS作为无线电卫星导航系统,也具有其固有的弱点。因为系统用户需要接收卫星发送的导航信号才能完成导航定位。不难看出,只要卫星发射信号,干扰一方同样就能侦察截获导航信号,经分析处理后,再发射相应的干扰信号,使之进入用户的接收机,从而实现对用户接收系统的电子干扰。所以,对GPS的电子干扰是可行的。
3 GPS电子对抗策略分析
GPS的地面站建在美国本土和大洋中的海岛上,安全可靠,不易受到硬武器的直接攻击。系统的卫星部分,运行在离地面20000多公里的轨道上,对其实施硬摧毁更非易事。对GPS地面站的上行线路进行干扰,目前技术尚不成熟。然而,如果在战时,对重点战场、主要方向的GPS接收机于关键阶段实施区域性局部电子干扰,使敌方在此地域无法利用GPS进行定位和导航,或使其定位误差增大,不能获取精确的导航定位信息,就能达到破坏敌方利用GPS而采取的军事行动。
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3.1 对C/A码的干扰
干扰的方式可以有两种,一是瞄准式干扰,一是拦阻式干扰。由于C/A码是明码,在国际上公开使用,不保密,因此我们可以掌握各颗卫星的C/A码序列以及有关信息数据和格式。这样,就使得对其实施最佳瞄准式干扰成为可能。所谓最佳瞄准式干扰,就是采用与导航信号相同的载波频率1575.42MHz,相同的调制方式BPSK和相同的伪码序列实施干扰。干扰信号的产生可以采航天电子对抗,2000(3)
可以采取定向干扰的方法,干扰机采用定向天线,使天线主瓣对准敌方区域。
我们也可以对C/A码实施拦阻式干扰。采用一部或数部干扰机升空,对该地域出现的所有卫星信号实施干扰。干扰机可以采用噪声窄带调频干扰。由于干扰信号不具有与卫星导航信号相同的伪码序列和调制方式,直扩通信具有较强的抗干扰能力,其扩频增益达到43dB。与瞄准式干扰方式相比,同等情况下,需增加干扰机的辐用转发式,也可采用生成式。
GPS接收机是上半球覆盖的,具有抑制仰角小于5度的信号能力,对其实施干扰需采用升空方式,如机载干扰、无人机载干扰、系留气球载干扰,升空高度应根据被干扰对象的位置来确定。由计算可知,在干扰距离为50~200km时,对于敌方地面目标,干扰机升空高度一般为5000~20000m;而对于空中目标,干扰机需要升得更高,实际上,实施起来十分困难。在被干扰区域如能同时接收到m个卫星信号,则需同时有m个干扰机工作,每个干扰机各自瞄准干扰其中一个卫星信号。虽然接收机需接收4颗卫星的导航信号才能精确定位,只要干扰m-4+1个卫星信号即可;但是,考虑到干扰机本身可能因为某种原因出现故障,还是同时使用m个干扰机为好。由于卫星的运转,时间的推移,在该地域上空的卫星会发生更替。当某颗卫星移出该地域上空时,干扰该卫星的干扰机停止对该信号的干扰。而当另一颗卫星进入该地域上空时,干扰机可以改对新出现的卫星信号实施干扰。
在这种最佳瞄准式干扰下,当在用户接收机的输入端干扰电平大于信号电平一定程度时,接收机便会截获和跟踪干扰机发生的信号,而无法截获卫星信号。这样接收机将无法接收导航信息或最后获得的数据与实际情况将相差很大,导致错误定位和导航,甚至无法进行处理计算,使接收机不能正常工作。而要达到接收机输入端的干扰电平大于信号电平一定程度是能够实现的。这是因为信号能量传播损耗与路径平方成反比,当信号传播距离Rs=20000km,干扰信号传播距离Rj=200km,卫星和干扰机发射功率相同时,在接收机输入端的干信比就达到了1002=40dB。在干扰敌方的时候,为了不影响我方对GPS的利用,
射功率方能有效地完成干扰任务。
对GPSC/A码信号的干扰,国内外科研机构已进行了一些研究,原理样机已进行过试验,效果很好。所以,在战时对敌方GPSC/A码信号实施干扰是切实可行的。
3.2 对P码的干扰
对C/A码的干扰,既可阻止敌方获得SPS,又可使敌方无法通过接收C/A码来获得有关信息以引导对P码的捕获和跟踪,相当于干扰了P码。但特殊情况下,敌方无需C/A码的引导,可直接捕获P码,当然其定位时间会大大加长。所以,有必要考虑对P码的干扰。
P码序列长,且可加密成Y码,要从侦收中破译P码从而产生能被GPS接收的高逼真欺骗信号,其技术难度非常大。我们可以采用转发式对GPS进行欺骗干扰,但需解决好收/发隔离问题。即使无法实时掌握P码的伪码序列,我们可以采用拦阻式干扰。同时升空两部干扰机,一部发射中心频率为1575.42MHz的干扰信号,另一部发射中心频率为1227.60MHz的干扰信号,干扰机采用窄带噪声调频干扰。两部干扰机同时干扰目标区域的所有卫星导航信号。由于P码的码速率比C/A码高10倍,其扩频增益提高了10dB。相应地,要有效地干扰相同的区域,干扰机辐射功率也要增加10dB,否则就要相应地缩小干扰距离和区域,但这在战时会增加执行任务的危险性。
可见,采用人为干扰,即瞄准式或拦阻式干扰都能对GPS实施地域性有效干扰,使敌方在该地区的GPS无法发挥其原有定位和导航作用。随着技术领域的不断进步,围绕GPS的/导航战0,将成为未来高技术战争中信息战和电子战的一个重要内容。u
