高功率壓制干擾模式下多個(gè)GPS干擾站聯(lián)合部署問(wèn)題*

張 博 ，何相勇 ，趙麗華 ，劉 輝

（1.周口師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，河南 周口 466000；2.解放軍96401部隊(duì)，陜西 寶雞 721000；3.河南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 開(kāi)封 475001；4.河南財(cái)政金融學(xué)院，鄭州 451464）

0 引言

近年來(lái)，全球定位系統(tǒng)（GPS）已經(jīng)成為美軍取得局部戰(zhàn)爭(zhēng)和作戰(zhàn)行動(dòng)勝利的信息基礎(chǔ)［1］，各國(guó)也競(jìng)相發(fā)展GPS干擾技術(shù)。鑒于此，美軍為進(jìn)一步獲得作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，廣泛采用多陣元模塊、調(diào)零天線(xiàn)技術(shù)、軍碼（M碼）、增大發(fā)射功率、窄波束天線(xiàn)等抗干擾技術(shù)，使精確制導(dǎo)武器的GPS制導(dǎo)系統(tǒng)抗干擾能力顯著提升［2］。這些抗干擾技術(shù)嚴(yán)重削弱單個(gè)GPS干擾站作戰(zhàn)效能，多個(gè)干擾站聯(lián)合部署以實(shí)現(xiàn)有效干擾成為首之選。多站聯(lián)合干擾涉及干擾站與干擾站之間、干擾站與干擾目標(biāo)（防護(hù)區(qū)域）之間的空間、功率等多重因素影響，特別是在實(shí)戰(zhàn)中山區(qū)和城市復(fù)雜地形環(huán)境下，部署更加困難，成為困擾一線(xiàn)指戰(zhàn)員的難題。本文在分析GPS抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出使用多站進(jìn)行高功率寬帶壓制式聯(lián)合干擾，并建立高功率寬帶壓制模式的單站模型，通過(guò)定性分析和數(shù)值仿真研究和解決多站聯(lián)合干擾部署問(wèn)題。

1 高功率寬帶壓制式聯(lián)合干擾方法

GPS系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，嚴(yán)重削弱單個(gè)GPS干擾站作戰(zhàn)效能，但是通過(guò)分析各種抗干擾技術(shù)對(duì)單站的作戰(zhàn)效能影響，可以充分發(fā)掘在役裝備潛力，在裝備機(jī)制實(shí)現(xiàn)突破前，使其具備新的用武之地。

1）單站欺騙式干擾更加困難，壓制式干擾起主導(dǎo)作用。GPS欺騙式干擾又分為產(chǎn)生式欺騙干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾。產(chǎn)生式欺騙干擾需實(shí)時(shí)獲取M碼型和導(dǎo)航電文，目前存在困難；由于GPS接收機(jī)工作時(shí)處于跟蹤鎖定狀態(tài)，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號(hào)很難進(jìn)入跟蹤環(huán)路，即使進(jìn)入環(huán)路也很容易被“察覺(jué)并拋棄”，難以產(chǎn)生影響，故轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾需要先采用壓制式干擾使其跟蹤環(huán)路失效，再實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾［5］。

2）在役單站干擾作用距離急劇下降，高功率成為必然選擇。新一代GPS導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射功率提升，信號(hào)強(qiáng)度增加，如GPSIII C的M碼接收機(jī)處的信號(hào)強(qiáng)度為5.4×10-15W/m2，所需最低干擾信號(hào)強(qiáng)度從 2.1×10-11W/m2提升到 34.4×10-11W/m2；在窄波束天線(xiàn)照射局部區(qū)域情況下，信號(hào)強(qiáng)度甚至可以提升100倍［2］，所需最低干擾信號(hào)強(qiáng)度也相應(yīng)提升數(shù)十甚至百倍，使得干擾站有效作用距離急劇降低。

3）在役單站壓制式干擾近乎失效，多站聯(lián)合部署成為必然。壓制式干擾是通過(guò)發(fā)送高功率密度的GPS同頻連續(xù)波或有調(diào)制的干擾信號(hào)，使接收機(jī)失鎖，無(wú)法正確截獲、跟蹤GPS信號(hào)，但是多陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)技術(shù)可以降低來(lái)自干擾方向的信號(hào)增益（零陷），以增強(qiáng)其他方向的信號(hào)的信噪比，對(duì)單方向、窄帶干擾信號(hào)濾除尤其有效［6］。

4）在役單站干擾有效作用區(qū)域難以保證使用組合導(dǎo)航技術(shù)的武器產(chǎn)生足夠的圓概率偏差。組合導(dǎo)航技術(shù)是提升武器系統(tǒng)GPS抗干擾的重要途徑［3-4］。以典型的GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)為例，解決了GPS信噪比低于接收門(mén)限時(shí)，INS可獨(dú)立導(dǎo)航定位，從而避免了短時(shí)/短距干擾帶來(lái)的影響。GPS干擾站需要在相當(dāng)長(zhǎng)的一段航跡上對(duì)其進(jìn)行干擾，以確保武器的INS系統(tǒng)產(chǎn)生足夠的圓概率偏差。在干擾站有效作用距離降低的情況下，單站干擾更難滿(mǎn)足要求。

綜上可知，采用多個(gè)干擾站進(jìn)行高功率寬帶壓制式聯(lián)合干擾成為應(yīng)對(duì)GPS精確制導(dǎo)武器的有效手段。

2 單站壓制式工作模型

以山區(qū)作戰(zhàn)部署為例，使用軍事地理信息系統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)，建立單GPS干擾站壓制工作模式下的工作模型，奠定多站聯(lián)合干擾分析的基礎(chǔ)。

2.1 干擾站與被干擾目標(biāo)空間關(guān)系

復(fù)雜地形條件下，干擾站和被干擾目標(biāo)之間的相對(duì)位置對(duì)干擾效能影響極大：二者相對(duì)位置決定了干擾信號(hào)入射角度；二者之間容易受山體或者高大建筑的遮蔽影響，出現(xiàn)干擾信號(hào)盲區(qū)。

方位角：

干擾站和被干擾目標(biāo)值之間距離：

其中，R為地球半徑，取6 371 km。以某山區(qū)地形為例進(jìn)行分析，按照1∶5萬(wàn)載入地理信息系統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)。

采用通視分析仿真遮蔽效應(yīng)，若兩點(diǎn)不通視，就認(rèn)為信號(hào)被遮蔽。仿真算例條件如下：設(shè)干擾站部署于（110 E°，33.5 °N，1.4 km）點(diǎn)，全向工作模式，平均工作功率8 W，取GT=1.09，分別分析天線(xiàn)高度為10 m和25 m的目標(biāo)的作用范圍，分析結(jié)果如圖2所示。

由計(jì)算結(jié)果可得，在復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境部署GPS干擾站時(shí)，天線(xiàn)相對(duì)高度極為重要，特別是對(duì)于只能地面部署的車(chē)載/背負(fù)式GPS干擾設(shè)備部署的影響更為嚴(yán)重。

2.2 干擾站空間功率分布

功率為Pg的干擾站，到距離R的GPS接收機(jī)端處的干擾功率PR為：

其中，GT為發(fā)射機(jī)干擾方向上的天線(xiàn)增益。為實(shí)現(xiàn)有效壓制式干擾，干擾站必須在接收機(jī)天線(xiàn)入口處產(chǎn)生一定強(qiáng)度的干擾信號(hào)，使得進(jìn)入接收機(jī)的干擾功率PR與其信號(hào)的功率Sr比值超過(guò)一定閾值，此時(shí)接收機(jī)將失鎖而無(wú)法工作。M碼信號(hào)所需最小信號(hào)強(qiáng)度Pmin為34.4×10-11W/m2。由式（3）可知最大有效作用距離為：

2.3 單站對(duì)自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)作用效果評(píng)估

多陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)技術(shù)可以有效對(duì)抗壓制式干擾，特別是在干擾機(jī)數(shù)量少于調(diào)零天線(xiàn)陣元數(shù)的情況下，自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)都能有非常好的抑制效果。目前大多數(shù)精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的GPS接收機(jī)通常采用4陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)［2］，功率最小化是一種有效的快速的自適應(yīng)調(diào)零算法［9-10］。

仿真算例參數(shù)如下：某型巡航導(dǎo)彈使用四陣元Y型自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)，抗干擾算法為嚴(yán)格約束條件最小功率準(zhǔn)則（LCMV）的功率倒置算法［5-6］。被干擾目標(biāo)位于（110°E，33.5°N，2.10 km）。在區(qū)域內(nèi)有3顆GPS衛(wèi)星；干擾站部署于（110.016 7°E，33.472 6°N，1.560 km），天線(xiàn)高度為 10 m，全向工作模式，干擾信號(hào)為L(zhǎng)1頻率的高斯白噪聲信號(hào)，平均工作功率8 W，取GT=1.09。仿真所得的自適應(yīng)的天線(xiàn)方向圖如圖3所示：

仿真結(jié)果表明，天線(xiàn)方向圖在干擾方向上產(chǎn)生顯著零陷，即使用LCMV算法的4陣元Y型天線(xiàn)可以有效抑制單個(gè)GPS的干擾。仿真結(jié)果也表明，可以使用基于LCMV算法的4陣元Y型天線(xiàn)的模擬算法作為檢驗(yàn)程序，用于評(píng)估干擾站的部署方案的干擾效果。

2.4 采用組合導(dǎo)航技術(shù)的武器在壓制式干擾下的圓概率偏差

如前所述，目前美軍大量武器裝備采用GPS/INS組合導(dǎo)航，當(dāng)接收機(jī)被壓制失鎖之后，武器將使用INS導(dǎo)航。由于INS不受外界干擾，其誤差主要來(lái)源于慣性傳感器的漂移，可以使用圓概率誤差表示［3，11］：

Ω為INS角誤差漂移速度（°/h）；D為巡航導(dǎo)彈距目標(biāo)距離（km）；V為巡航導(dǎo)彈飛行速度（km/h）。干擾導(dǎo)致的最小圓概率偏差根據(jù)攻擊目標(biāo)的特性差異而不同。例如：某巡航導(dǎo)彈的光纖陀螺角誤差漂移速度在0.1°/h，導(dǎo)彈巡航速度為850 km/h，最大射程1 500 km，距離目標(biāo)10 km時(shí)開(kāi)啟數(shù)字式景象相關(guān)匹配進(jìn)行末制導(dǎo)。圓概率偏差大于30 m的條件下，由式（5）可得，GPS干擾站壓制式干擾巡航導(dǎo)彈飛行航跡上壓制距離大于120 km。

3 多GPS干擾站聯(lián)合部署研究

3.1 多GPS干擾站部署定性分析

研究表明：采用多方位逼近的干擾方法，能大幅降低自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)的GPS的抗干擾增益［5］；在干擾機(jī)數(shù)目多于調(diào)零天線(xiàn)陣元數(shù)的情況下，如果某些干擾信號(hào)相對(duì)于調(diào)零天線(xiàn)的空間角度相差過(guò)小，這些干擾信號(hào)會(huì)被等效為一個(gè)干擾機(jī)而被抑制掉。如前所述，為有效干擾具有4陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)的武器系統(tǒng)或載具，需要至少4個(gè)干擾機(jī)從不同角度實(shí)施壓制性干擾，即飛行航跡上任意一點(diǎn)都需要被至少4個(gè)干擾站從不同角度對(duì)其進(jìn)行有效干擾，否則GPS接收機(jī)將會(huì)迅速重新接收到信號(hào)，從而恢復(fù)導(dǎo)航能力，使之前的干擾效果前功盡棄。

在實(shí)戰(zhàn)的復(fù)雜地形條件下，GPS干擾站部署受通信、道路、保障等條件制約，部署點(diǎn)位選擇并非隨心所欲，但是多站部署應(yīng)符合如下基本要求：對(duì)于防護(hù)區(qū)域的任意一點(diǎn)，有足夠多數(shù)量的GPS干擾站對(duì)其空間覆蓋；且每個(gè)站在該區(qū)域的入射功率大于最低干擾功率；多個(gè)干擾站的空間分布要滿(mǎn)足自適應(yīng)天線(xiàn)對(duì)空間角度要求。

3.2 多站聯(lián)合部署數(shù)值仿真

需要指出的是，在本文的分析計(jì)算采用覆蓋分析法，對(duì)于某一個(gè)目標(biāo)干擾（防護(hù)）是使用GPS干擾站的有效作用區(qū)域盡可能廣泛地覆蓋目標(biāo)點(diǎn)及其周?chē)膮^(qū)域，以實(shí)現(xiàn)可能飛行航跡的最大覆蓋，充分發(fā)揮裝備的性能和潛力。

防護(hù)目標(biāo)（即被干擾目標(biāo)）位于（Oj，Ow，Oh），周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)部署n個(gè)GPS干擾站（Pji，Pwi，Phi），干擾站與防護(hù)目標(biāo)空間與功率關(guān)系使用式（1）～式（4）計(jì)算。

仿真分析參數(shù)設(shè)定如下：區(qū)域內(nèi)有3顆GPS衛(wèi)星，4個(gè)干擾站；模擬目標(biāo)可接收7個(gè)輸入，其中3個(gè)為來(lái)波信號(hào)，4個(gè)為干擾信號(hào)。當(dāng)該區(qū)域內(nèi)存在超過(guò)4個(gè)有效干擾信號(hào)時(shí)，按照功率強(qiáng)度取前4個(gè)信號(hào)。各個(gè)干擾信號(hào)相互獨(dú)立，均為L(zhǎng)1頻率的高斯白噪聲信號(hào)。平均工作功率8 W，取GT=1.09。位置參數(shù)和部分計(jì)算結(jié)果如表1所示。

1號(hào)～4號(hào)干擾站的組合覆蓋如圖4所示。

表1 干擾站仿真計(jì)算參數(shù)

取1號(hào)～4號(hào)干擾站，干擾效果如圖5所示。

由仿真結(jié)果可知，4陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)可控方向圖對(duì)于干擾1和干擾4實(shí)現(xiàn)了有效的抑制，但是對(duì)于干擾2和干擾4的抑制效果并不理想。

3號(hào)～6號(hào)干擾站的分析結(jié)果如下頁(yè)圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)5號(hào)和6號(hào)干擾站相對(duì)防護(hù)目標(biāo)形成的夾角較小，使得等效的干擾站數(shù)量縮減為3個(gè)，導(dǎo)致3個(gè)干擾站的信號(hào)被抑制，影響了干擾效果。

3.3 多站干擾部署結(jié)論

通過(guò)上述定性分析和數(shù)值仿真，對(duì)于多站聯(lián)合干擾部署應(yīng)當(dāng)遵循如下基本原則：

1）通過(guò)空間和功率分析可知，由于地形遮蔽效應(yīng)的存在，干擾站的實(shí)際覆蓋區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論覆蓋區(qū)域，導(dǎo)致干擾效率低下。在山區(qū)和高大建筑物遮蔽的條件下，天線(xiàn)高度有著重要的意義，建議設(shè)備在制高點(diǎn)部署，或者采用適當(dāng)?shù)耐緩缴咛炀€(xiàn)。

2）針對(duì)N陣元數(shù)量的敵方被干擾目標(biāo)，至少需要N+1個(gè)壓制式干擾源對(duì)其全面覆蓋，且相互之間兩個(gè)干擾以被干擾點(diǎn)為頂點(diǎn)的夾角大于定值，以避免兩個(gè)干擾源被等效為一個(gè)干擾源。更多的仿真計(jì)算表明，對(duì)于4陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)，兩站以被防護(hù)（干擾）點(diǎn)為定點(diǎn)的夾角不小于20°。

3）天線(xiàn)的功率分布直接影響作用距離，大型干擾站體積較大，機(jī)動(dòng)困難，制約條件多，山區(qū)遮蔽嚴(yán)重，形成多角度覆蓋困難。便攜式干擾站可以通過(guò)定向天線(xiàn)提高干擾功率，可以作為大型干擾站區(qū)域覆蓋的補(bǔ)盲、或者大量獨(dú)立部署。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析多陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)的等抗干擾技術(shù)對(duì)當(dāng)前單干擾站作戰(zhàn)的影響，提出使用多個(gè)干擾站聯(lián)合對(duì)組合制導(dǎo)武器進(jìn)行高功率寬帶壓制干擾。本文從實(shí)戰(zhàn)出發(fā)，針對(duì)多干擾站與防護(hù)目標(biāo)之間的空間相對(duì)位置要求高，干擾效果檢驗(yàn)難等問(wèn)題，充分考慮干擾站部署過(guò)程中的復(fù)雜地形條件，建立了包含地形因素單站的空間、功率和評(píng)估模型，使用基于LCMV算法的4陣元自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)模擬程序作為被干擾目標(biāo)，分析了多站部署時(shí)裝備數(shù)量、空間與功率分布等因素對(duì)干擾效果的影響。

通過(guò)本文的研究，初步總結(jié)復(fù)雜地形條件下的GPS干擾站部署的方法和原則，提供了評(píng)估手段，為指揮員部署決策提供了有效的依據(jù)，對(duì)防護(hù)區(qū)域作戰(zhàn)陣地預(yù)置具有重要的指導(dǎo)意義。

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