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GPS信号仿真及干扰研究
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摘要摘要扩展频谱通信技术因其可以使信号隐蔽在噪声和干扰中，具备较强的保密通 信能力，目前已得到广泛应用。美国的全球定位系统（ＧＰＳ）作为使用扩频通信技术 的卫星通信系统之一，设备简单、定位精度高，已经应用在除军事领域之外的经 济建设和科学实验等多个领域。但因ＧＰＳ在设计时只是作为导航的辅助工具，本 身特有的调制特点使其极容易被干扰。因此，对其所受干扰的研究也越来越重要。 本文从扩频通信技术的基本原理出发，在简要介绍其特点和工作方式的基础 上进一步论述了最常用的直接序列扩频的相关内容，如直扩系统的组成与工作原 理、调制方式、信号组成分析及其频谱特性，同时具体介绍了ＧＰＳ上常用的伪随 机序列（Ｇｏｌｄ序列）的产生和特性。随后研究了ＧＰＳ系统的组成、信号结构及ＧＰＳ 信号常用的调制方式，并对ＧＰＳ系统易受干扰的多种原因和其受干扰的对象进行 分析，列举了现有针对ＧＰＳ的多种干扰方式和干扰途径。文章的重点研究内容， 是使用Ｍａｔｌａｂ平台仿真实现ＧＰＳ信号的调制扩频发射过程、信道传输中添加噪声 及干扰、接收解扩解调过程，通过改变其在传输信道中所受干扰的方式和干信比， 计算出系统在多种干扰方式不同干信比下的误码率，最后借助曲线图直观分析了 不同干扰方式对ＧＰＳ的干扰效果。关键词：直接序列扩频通信ＧＰＳＭａｔ Ｉａｂ干扰误码率＿ｌ一一―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一ＧＰＳ信号仿真及干扰研究ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔｈｉｄｄｅｎ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ ｎｏｉｓｅＳｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ．Ａｓｏｎｅ ａＣａｌｌｓｔｒｏｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏｓｅｃｕｒｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｉｎｇ ｆａｒ ａｎｄｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｅｑｕｉｐｍｅｍａｎｄ ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ，ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．Ｇｌｏｂａｌ ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）ｈａｓｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅｆｉｅｌｄ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｕｓｉｎｇ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ＧＰＳ ｏｎｌｙｂｅｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｓａｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｉｄ ｔｏｏｌｓ，ｉｔｓ ｏｗｎ ｕｎｉｑｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｍａｋｅ ｉｔ ｖｅｒｙ ｅａｓｙ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．ｔｏｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｉｔ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ａｎｄＳｔａｒｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｂａｓｅｄｏｎ ａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｗｏｒｋ ｗａｙｓ．Ｉｔ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＤＳ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄｏｆｉｔｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａｌｓｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｎｅｐｓｅｕｄｏ－ｒａｎｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ（Ｇｏｌｄｓｅｑｕｅｎｃｅ），ｗｈｉｃｈｓｅｑｕｅｎｃｅ ｉｓｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｔｈｒｉｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ＧＰＳ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＧＰＳ ｓｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｍｍｏｎｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｔｙ ｒｅａｓｏｎｓ ｗｈｙ ｔｈｅＧＰＳ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｔｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｂｙ ｊａｍｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｗａｙｓ ｔｈｅｏｂｊｅｃｔｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄＧＰＳ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ．Ｔｌｌｅ ｋｅｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆｔｏｐａｐｅｒｉｓｔｏｕｓｅ ｔｈｅ ｍａｔｌａｂ ａｓａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍｂｒｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＧＰＳｓｉｇｎａｌｈｏｗｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｎｄ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｄｅｓｐｒｅａｄｉｎｇ ａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｏ ａｄｄ ｎｏｉｓｅｊａｍｍｉｎｇｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｗａｙｓａｎｄＪＳＲ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ＢＥＲ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｊａｍｍｉｎｇ，ｆｉｎａｌｌｙＣＵｒＶｅ．ａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＧＰＳｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｊａｍｍｉｎｇｗａｙｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓｐｒｅａｄ－ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅＧＰＳＭａｔｌａｂｊａｍｍｉｎｇＢｉｔｅｒｒｏｒＧＰＳ信号仿真及干扰研究目录目录第一章绪论……………………………………………………………………………．１１．１研究背景……………………………………………………………………………………。１ １．２扩展频谱通信及其特点……………………………………………………………………．．１ １．３通信干扰用途及分类………………………………………………………………………。２ １．３．１通信干扰的用途………………………………………………………………………．．２ １．３．２通信干扰的分类………………………………………………………………………．．２１．４ＧＰＳ应用及干扰………………………………………………………………………………４ＧＰＳ应用……………………………………………………………………………………………………………４１．４．１１．４．２ＧＰＳ干扰……………………………………………………………………………………………………………５１．５通信仿真的理论和软件………………………………………………………………………６ １．５．１仿真相关理论……………………………………………………………………………６ １．５．２通信系统仿真软件………………………………………………………………………７ １．６课题的目的、意义及主要工作………………………………………………………………７第二章直接序列扩频通信系统………………………………………………………．９２．１扩频通信技术………………………………………………………………………………一９ ２．１．１扩频通信的基本原理…………………………………………………………………。９ ２．１．２扩频通信的特点………………………………………………………………………１０ ２．１．３扩频的工作方式………………………………………………………………………。１０ ２．２直接序列扩频………………………………………………………………………………．１ｌ ２．２．１直扩系统的组成及工作原理…………………………………………………………．１ｌ ２．２．２直扩系统的调制方式…………………………………………………………………１２ ２．２．３直扩系统的信号分析…………………………………………………………………１３ ２．２．４直扩信号的频谱特性．：………………………………………………………………。１４ ２．３伪随机序列……………………………………………………………………………………１６２．３．１ ２．３．２ｍ序列…………………………………………………………………………………．１ ６ Ｇｏｌｄ序列………………………………………………………………………………．１ ８２．４本章小结……………………………………………………………………………………．１９第三章ＧＰＳ系统原理…………………………………………………………………２１ＧＰＳ信号仿真及干扰研究３．１ＧＰＳ组成简介………………………………………………………………………………２ｌ３．１．１空间星座………………………………………………………………………………２１ ３．１．２地面控制站……………………………………………………………………………２１３．１．３ ３．２ ３．３ＧＰＳ接收机……………………………………………………………………………２２ＧＰＳ系统的特点……………………………………………………………………………２３ ＧＰＳ系统的信号结构………………………………………………………………………．２４３．３．１载波……………………………………………………………………………………．．．．………………………一２４３．３．２伪随机噪声码…………………………………………………………………………２４３．３．３ ＧＰＳ导航电文…………………………………………………………………………．２５ ３．４ＧＰＳ信号的调制……………………………………………………………………………２６３．５本章小结……………………………………………………………………………………２７一第四章ＧＰＳ干扰……………………………………………………………………。２９４．１ＧＰＳ易受干扰的原因………………………………………………………………………．２９ ＧＰＳ干扰信号的对象…………………………………………………………………………３０４．２４．２．１对空间ＧＰＳ星座的干扰………………………………………………………………３０ ４．２．２对中继的干扰…………………………………………………………………………３０ ４．２．３对接收机的干扰………………………………………………………………………３０４．３ＧＰＳ接收机的干扰…………………………………………………………………………３ ｌ４．３．１压制式干扰……………………………………………………………………………３ ｌ ４．３．２欺骗式干扰……………………………………………………………………………３２ ４．３．３摧毁式干扰……………………………………………………………………………．３４４．４ＧＰＳ干扰途径………………………………………………………………………………．３５４．４．１升空干扰…………………………………………………………………………………３５ ４．４．２星载干扰………………………………………………………………………………．３５４．４．３地面干扰………………………………………………………………………………．３６４．５本章小结……………………………………………………………………………………．３６第五章ＧＰＳ信号和干扰的Ｍａｔｌａｂ仿真……………………………………………．３７５．１ＧＰＳ卫星信号………………………………………………………………………………３７５．１．１数据信号………………………………………………………………………………．３７目录Ｉｌｌ５．１．２ Ｃ／Ａ码………………………………………………………………………………………………………………３９ ５．１．３ ５．２ＧＰＳ信号的频谱分析…………………………………………………………………．４２ＧＰＳ干扰效果定义…………………………………………………………………………．４４ ＧＰＳ接收机接收到的信号功率………………………………………………………。４４ ＧＰＳ接收机接收到的干扰功率………………………………………………………．４４５．２．１ ５．２．２５．２．３干信比的计算…………………………………………………………………………４４ ５．３千扰的仿真…………………………………………………………………………………．４５ ５．３．１带限平稳高斯随机过程干扰分析……………………………………………………．４５ ５．３．２单音干扰分析…………………………………………………………………………．４６ ５．３．３多音干扰分析…………………………………………………………：………………４８ ５．３．４转发式干扰……………………………………………………………………………４９ ５．３．５噪声调频信号干扰分析………………………………………………………………５ ｌ ５．３．６噪声调幅信号干扰分析………………………………………………………………５３ ５．３．７噪声调相信号干扰分析………………………………………………………………５４ ５．４本章小结……………………………………………………………………………………５５第六章结论……………………………………………………………………………５７６．１工作总结……………………………………………………………………………………．５７ ６．２工作展望……………………………………………………………………………………５７致谢………………………………………………………………………………………．．．．……………………．５９ 参考文献………………………………………………………………………………．．６１ 在读期间的研究成果…………………………………………………………………．６３
第一章绪论第一章绪论１．１研究背景全球定位系统（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ－ＧＰＳ）其全称为定时和测距地导航卫星（ＮＡＮＳＴＡＲ－Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｉｍｉｎｇａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ），是美国从上世纪７０年代开始研制，历时２１年，耗资２００亿美元，于１９９４年全面建成，具有在海、陆、空 进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。该系统采用 多星、高轨、高频、测时一测距体制，实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时 导航定位，广泛应用于导航、定位和授时。。作为一种通用的定位系统，ＧＰＳ具有其它导航设备无可比拟的优越性，人们 对其重视程度也日益提高。相关研究主要涉及两个方面：一方面研究己方作战时 能否有效利用ＧＰＳ，另一方面研究如何破坏或干扰对方对ＧＰＳ的正常使用。美军 的军事设备中所使用的ＧＰＳ接收机是Ｐ码接收机，其抗干扰能力较强，而且采用 了各种抗干扰措施。我军使用的ＧＰＳ接收机是民用的Ｃ／Ａ码接收机，其抗干扰能 力较弱。 ＧＰＳ接收系统最大的弱点在于它的易受干扰性，目前，我国的ＧＰＳ在军用、 民用领域的应用范围和数量日益扩大，在这方面的研究工作也应加速进行。本课 题就是基于以上背景，对ＧＰＳ的干扰进行分析和建模仿真研究。１．２扩展频谱通信及其特点ＧＰＳ信号采用的是直接序列扩频（ＤＳ／ＳＳ）技术，扩展频谱通信是将待传送的信 息数据用伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进 行解调及相关处理，恢复原始信息数据Ⅲ。显然，这种通信方式与一般常用的通信 方式不同，是将信号频谱扩展后，进行宽带传输，在接收端经相关处理恢复成窄 带信号后进行数据解调，因此具有伪随机编码和信号相关处理两大特点。正是这 两大特点，使扩展频谱通信方式具有许多优点，如抗干扰性能好，特别是抗窄带 干扰能力强；保密性好；抗多径干扰能力强；能精确的定时和测距；适合数字话 音和数据传输，以及开展多种通信业务。扩展频谱通信作为新型的通信方式，在 军事通信、卫星通信、移动通信和Ｃ３Ｉ（指挥控制通信和情报）系统中得到了广泛应用跚。扩展频谱通信的原理发表得很早，但真正的研究是５０年代中期在美国军方开２ＧＰＳ信号仿真及干扰研究始的。从５０年代中期开始到现在５０多年的时间内，扩频通信技术迅速发展，并 且得到越来越广泛的应用。在卫星通信、航天、信息保密、全球定位系统（ＧＰＳ）、 测距和码分多址（ＣＤＭＡ）通信等方面，显示了它极强的生命力。直接序列扩频 （ＤＳＳＳ）通信由于具有工作信噪比低、强抗干扰性、低截获率、能够抑制多径衰 落效应等优点，已经在军事和民用管理上得到广泛应用ｂ３。１．３通信干扰用途及分类１．３．１通信干扰的用途 现代战争中，对无线电通信实施通信干扰有如下一些重要作用Ｈ１： １）使敌方失去关键性战机。战争要求，发起进攻以及实施热核武器、导弹袭 击的时间要十分准确。如果对敌主要通信网及专用通信实施突然、集中的电子干 扰，破坏敌方的指挥系统，即使这一干扰只能致使敌方延误几分钟甚至几秒钟， 都会显著影响战争的结果。 ２）使敌方在我军主攻方向完全丧失指挥能力。目前，各种作战部队都配有大 量无线电器材。集中使用干扰设备，严密计划，选择关键时刻，突然在我方主攻 方向实施压制性干扰，是十分有效地一种干扰方式。 ３）针对敌方各兵种特点，选择敌军通信指挥不利时机实施电子干扰，使敌指 挥系统完全陷入瘫痪状态。有效的通信干扰常使敌军指挥失灵、部队陷入瘫痪， 因而有利我军作战，可以提高战斗的速度。 ４）对敌保密通信系统实施通信干扰，扰乱敌方的正常通信。与敌方进行电子 战时，常需不断地截取敌方情报，这种对抗手段是很有价值的。因此，目前各国 在涉及机密的情报时，均采用保密通信，使敌方无法或不易识破情报内容。在这 种情况下，为了打乱敌方的正常通信，通常采用压制性或骚扰性的通信干扰。 ５）用无线电通信干扰迷惑敌人，使之产生错觉或接收虚假情报。在战时，可 投掷干扰机于重要军事基地或我军可能发起进攻的地域，造成我军将要发起进攻 的假象，使敌人产生错觉，实际上却攻击其他方向。有时也在敌方正常通信的信 道上插入我方干扰机，报告虚假情报，使敌方产生错觉。 ６）配合通信侦察，获取更多的情报。当我军采用阻塞式干扰时，可以把敌通 信压缩到较窄的频带，或在我方实施非压制干扰时，使其重复通信，便于我军监 听和测向。 １．３．２通信干扰的分类 通信干扰按干扰的来源分，可分为自然干扰和人为干扰。自然干扰包括雷电、第一章绪论３地震和火山等爆发时所产生的电磁辐射造成的干扰，由于电离层、云、雨、山或 其他物体对电磁波反射或吸收所造成的干扰。人为干扰是为了破坏敌方无线电通 信而有意释放的干扰。人为干扰在无线电通信对抗中按产生的方法分为积极（有 源）干扰和消极（无源）干扰。本节主要介绍人为干扰中的有源干扰。 有源干扰，从战术性质上分压制性干扰和欺骗性干扰。压制性干扰，又叫遮 盖性干扰，使用干扰机发射某种干扰信号，以某种方式遮盖敌方信号的频谱，使 敌方通信接收机降低或完全失去正常的工作能力。欺骗性干扰，又称模拟性干扰 或迷惑性干扰，是有意识的通过模拟敌方的通信信号，把模拟的假信号发送到敌 方的通信网，造成敌方通信失误或行动的错误，通常欺骗性干扰是有计划有组织 的进行的。我们主要讲压制性干扰。 １．压制性干扰 １）按干扰信号的频谱宽度分类 ①瞄准式干扰。是指干扰的载频（中心频率）与信号频率重合，或干扰信号 和通信信号频谱宽度相同。 ②半瞄准式干扰。与瞄准式干扰相比，频率重合的准确度较差，干扰信号频 谱与通信信号频谱没有完全重合。 ③阻塞式干扰。又称拦阻式干扰，其干扰辐射的频谱很宽，通常能覆盖敌方一 通信台的整个工作频段。 ④扫频式干扰。指干扰发射机的载频在较宽的频谱内按某种方式由低端到高 端，或由高端到低端，连续变化所形成的干扰。 ２）按干扰信号的调制方法分类。 。ｊ①键控干扰。是未经任何调制的单一频率信号，通常使用手动或自动键控将 干扰信号发射出去，键控速度要求与被干扰信号的键控速度基本相同，主要用于 干扰幅度键控和移频键控的无线电报的通信系统。 ②音频杂音调制干扰。是应用某种信号（音频、杂音）调制干扰发射机载波 所形成的干扰。 ③脉冲干扰。是一种非调制或已调制的高频脉冲串。 ④噪声干扰。是一种幅度、频率、相位按随机、无规则变化的电磁波信号， 因此又称为杂波干扰或起伏干扰。 ⑤综合干扰。是利用两种以上的调制或键控方法形成的干扰。 ３）按作用强度分类 ①压制性干扰。干扰信号强度大大超过被干扰信号的强度。 ②强干扰。使用干扰功率较大的干扰机对敌方通信进行干扰。 ③弱干扰。发射较小的干扰功率对敌方的通信进行干扰。 ４）按辐射方向分类４ＧＰＳ信号仿真及干扰研究①强方向性干扰。干扰辐射方向小于６０。，干扰功率集中。 ②弱方向性干扰。干扰辐射方向小于６０。＂－＇１８０。，干扰功率较分散。 ③无方向性干扰。对各个方向都有干扰辐射的作用。 ５）按频率或波段分类 ①超长波、长波、中波通信干扰。干扰信号的频率低于３ＭＨｚ以下。 ②短波通信干扰。干扰频率为３ＭＨｚ～３０ＭＨｚ。 ③超短波通信干扰。干扰频率为３０ＭＨｚ，－一３００ＭＨｚ。 ④微波通信干扰。干扰频率为３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ。 ２．欺骗性干扰 欺骗性干扰是作为军事欺骗行动的一部分实施的，极少单独使用。主要分为 无线电通信冒充和无线电通信干扰伪装。 １）无线电通信冒充 无线电通信冒充，是在通过对敌方无线电通信不问断地侦察，掌握了敌人通 信联络特点和部分通信资料的基础上，运用类似于敌方通信电台的语音信号、手 法特点，用敌台通信联络的规定，冒充敌无线电通信网的某一电台，与其进行联 络和通信，从而达到干扰目的。 ２）无线电通信伪装 伪装欺骗是通过改变己方电磁波形象实施的，力图变换己方电磁发射，以对 付敌方通信侦察活动。实现方法是改变技术特征和变更可能暴露己方真实意图的 电磁形象，或故意发射虚假信息，从而达到欺骗的目的。１．４ＧＰＳ应用及干扰１．４．１ＧＰＳ应用目前，卫星导航的应用已经遍及军事、航海、航空、测量、交通等几乎一切 与位置、速度、时间有关的人类活动中哺３。 １）军事领域 卫星导航己成为现代化战争“信息战＂、“导航战＂的重要组成部分，被用 于：海陆空各类机动平台的定位；各类导弹、炸弹精确制导；野战机动部队定位 和定时；指引救援行动。海湾战争以来精确制导武器使用量与总投弹量比为：１９９１ 年海湾战争８％；１９９９年科索沃战争３５％；２００１年阿富汗反恐战争５５％；２００３ 年伊拉克战争９０％。其中，ＧＰＳ制导武器占整个精确制导武器的比例由海湾战争 的１０％急增至２００３年伊拉克战争的９８％。 ２）全世界航海导航ＧＰＳ化第一章绪论５截至２００１年底，世界上最后一段海岸线即南美洲阿根廷沿海ＤＧＰＳ基站投入 使用，标志着全球航海导航全部实现了ＧＰＳ化，ＧＰＳ成为海上导航的主要手段。 ３）ＧＰＳ将成为世界航空的主导航手段 航空导航ＧＰＳ化是ＧＰＳ系统建设的重要目标之一，但航空导航可靠性要求高， 技术相对复杂，因此ＧＰＳ航空导航系统建设落后于ＧＰＳ航海系统。国际上，为了 使卫星导航成为航空导航的主导航手段，需要在现有的卫星导航系统基础上，建 设增强系统，例如北美的ＷＡＡＳ系统，ＬＡＡＳ系统，欧洲的ＥＧＮＯＳ系统，日本 的ＭＳＡＳ系统等。 ４）卫星导航用于一切与位置、速度、时间有关的人类活动中 星基导航设备具有精度高、体积小、功耗小、成本低、实时性强、全球通用 等特点，越来越多的卫星导航产品被应用到交通运输、城市监控、天气监测、灾 害预报与防治、地震监测、电力网控制、 通讯网控制、个人移动通信、遥感、测 量、商业活动、农业耕作等一切与位置、 速度、时间有关的人类活动中，并且发 挥着越来越重要的作用。１．４．２ＧＰＳ干扰由于ＧＰＳ系统在设计时，干扰环境下的工作能力不是优先考虑的因素，它只 是作为一种导航的辅助工具，而不是用于精确制导武器。所以，该系统在信息化 战争中面临的安全问题就非常突出，因为现有ＧＰＳ信号是在众所周知的频率上发 射的，其调制特征广为人知，信噪比又比较低，因而对敌方来说，要进行干扰或 欺骗是一件比较容易的事，具体如下： １）信号的发射功率不大。ＧＰＳ卫星信号到达地球表面时接收的最小信号功率 电平为一１６０ｄＢＷ，相当于１６００ｋｍ外一个２５Ｗ的灯泡发出的光，或者说，它比电视 机天线所接收到的功率要低１０亿倍，因此ＧＰＳ易受到低功率干扰的影响，即使是 无意发射的信号，也可以干扰接收机。 ２）抗干扰裕度不大。Ｃ／Ａ码的处理增益虽然是４３ｄＢ，但Ｃ／Ａ码的码速率为 １．０２３Ｍｂ／ｓ，码长为１０２３位，而伪码周期仅为ｌｍｓ，通过解扩只能获得３０ｄＢ的处 理增益，另外的１３ｄＢ增益是通过２０个相关峰的积累形成的，所以整个环路的增 益不会有４３ｄＢ。同时，接收通道的信噪比一般要求大于１０ｄＢ才能正常工作，还 有接收机的相关损耗一般大于ｌｄＢ。综上所述，Ｃ／Ａ码接收机的抗干扰裕度应在 ３０ｄＢ左右，Ｐ码的抗干扰裕度应在４３（１Ｂ左右。 ３）卫星信号码元和载波丢失。飞行实验证明，飞机上的ＧＰＳ接收机在干扰信 号为一１２５ｄＢＷ，－一一１３０ｄＢＷ时就会丢失卫星信号的码元和载波，从而失去定位能力， 而干扰信号大于一１３０ｄＢＷ时，在卫星信号完全丢失以前，导航能力就明显减弱，６ＧＰＳ信号仿真及干扰研究最终导致接收机失效。 因为系统用户需要接收卫星发射的信号才能完成导航定位，只要卫星发射信 号，干扰一方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 其进入用户的接收机，从而实现对用户接收机实施电子干扰的目的。 ＧＰＳ干扰的主要任务是干扰敌方接收设备。目前对ＧＰＳ信号的干扰方式从战 术上考虑，主要分为压制式和欺骗式２种№１。其中压制式干扰是用强大的干扰功率 压制敌方收信机的正常接收，使敌方电子设备收到的有用信号模糊不清或完全“淹 没＂在干扰之中，以致不能正常工作。欺骗式干扰发出和敌方通信十分相似的干 扰信号使敌方通信人员真假难分口３。欺骗式干扰技术的出现使得美国军方实施了 ＧＰＳ信号的反欺骗技术，即将ＧＰＳ的Ｐ码加密为Ｙ码。目前的美国国防部接收机 容易被压制式干扰机干扰，但很难被欺骗式干扰机干扰。因此，压制式干扰技术 和措施已成为各国军方极为关注的焦点。。１．５通信仿真的理论和软件１．５．１仿真相关理论 仿真是指通过建立系统的模型来部分或全部地仿真实际的系统，并且对系统 模型进行实验研究代替实际系统的研究。而计算机软件仿真则是在研究系统过程 中根据相似原理，利用一类面向仿真用途的专用软件来逼真模拟研究对象哺１。 计算机软件仿真技术具有如下优点： １）高度的灵活性。 ２）仿真结果易于观察。 计算机仿真软件可以将设计者关注的输出数据或图形通过其专门的输出模块 显示出来，有利于调试。 ３）研究周期短，成本低。 通信系统的计算机仿真主要包括两个部分： １）建模过程。建模过程指的是对通信系统的各种要素（如信号产生、信道分 析、接收处理等）建立与之相应的，适合计算机处理的仿真模型。 ２）仿真过程。在建立了通信模块库的基础上，可以使计算机成为进行通信系 统研究工作的实验平台，即仿真平台。这种平台是由功能很好的计算机、通信模 块和先进的仿真软件组成。 １．５．２通信系统仿真软件 国外不少公司都推出了许多优秀的仿真软件，来仿真完整的通信系统。考虑．第一章绪论７到本课题的目的在于研究针对ＧＰＳ信号直扩通信系统的不同干扰样式，我们可在 具体分析直扩系统的工作过程并给出直扩通信系统模型后，同时建立不同的干扰 模型，通过编程设计构造软件模块，用软件仿真的方法来仿真、验证和分析。这 时Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司推出的Ｍａｔｌａｂ的动态仿真平台成为我们首选的仿真应用软件。 Ｍａｔｌａｂ是集数学计算、结果可视化和编程于一身，能够方便地进行科学计算 和大量工程运算的数学软件。Ｍａｔｌａｂ主要由Ｍａｔｌａｂ主程序、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ动态系统仿 真和Ｍａｔｌａｂ工具箱三大部分组成。Ｍａｔｌａｂ主程序主要是以矩阵为基本单元，采用 语言解释方式工作，并把数据结果以多种形式加以表现，十分简单方便。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 是一个动态系统建模、仿真和分析的软件包，它支持线性系统和非线性系统，可 以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模。正因上述诸 多优点，在本文的仿真实验中，均采用Ｍａｔｌａｂ仿真平台进行仿真。１．６课题的目的、意义及主要工作本课题的目的在于通过计算机软件仿真的方法，研究ＧＰＳ信号Ｃ／Ａ码的通信 系统及各种干扰方式对其误码率的影响。 本文描述直接序列扩频系统，并建立了相应的以ＧＰＳ中Ｃ／Ａ码为伪随机序列∥．。 的典型系统仿真模型，并验证了模型的可靠性。在电子干扰研究领域，对一些复 杂的干扰样式，用数学方法推导干扰模型的干扰性能较为困难，通过软件仿真的 方法可以方便的测试其干扰效能。考虑可在具体分析ＧＰＳ系统的工作过程并给出 系统模型后，同时建立不同的干扰模块，通过编程设计构造软件模块，用Ｍａｔｌａｂ 软件仿真的方法来仿真、验证和分析。 本文章节安排如下： 第一章绪论，简要介绍本课题的背景、目的、意义及主要工作，以及ＧＰＳ通 信系统干扰、ＧＰＳ应用和通信软件仿真的一些基本概论。 第二章直接扩频通信系统的理论基础，包括直扩通信系统的基本组成、原理 和调制方式，伪随机序列的相关知识，以及扩频通信中的调制和同步技术等。 第三章ＧＰＳ系统原理，包括ＧＰＳ组成的介绍、ＧＰＳ系统的特点、ＧＰＳ的信号 结构、ＧＰＳ系统的信号调制方式等。为后面章节对ＧＰＳ信号的仿真打下理论基础。 第四章ＧＰＳ干扰理论，研究了ＧＰＳ易受干扰的原因以及ＧＰＳ干扰信号的对 象。主要讲述了对ＧＰＳ接收机的不同干扰方式，并进一步分析了进行干扰时的三 种不同途径。 第五章ＧＰＳ信号和干扰的Ｍａｔｌａｂ仿真。主要介绍了在Ｍａｔｌａｂ平台上实现ＧＰＳ 信号的各个结构的仿真，如数据信号、Ｃ／Ａ码等的实现方法。并介绍了干扰效果的 定义方式，在仿真基础上分析了不同干扰的实现方式和相应干扰的干信比与误码８ ――――＿－＿＿――――――●―――－―――――－＿――――＿――＿―――――――――――――――――――――――――――一一 一一．．鱼堕笪呈堕壅垄王垫堕窒一――率关系曲线图。 第六章对全文做出总结。第二章直接扩频通信系统９第二章直接序列扩频通信系统扩展频谱通信（ＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）具有多址接入、低截获概率特性、抗干扰特性和强保密性等特点，在军事通信、移动通信和情报系统中得到广 泛的应用。本章主要介绍扩频通信特别是直扩通信系统的基本原理，并简单介绍扩 频通信中的调制和同步技术。２．１扩频通信技术扩频通信（Ｓｐｒｅａｄ（ＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）是将待传的信息数据用扩频序列 Ｃｏｄｅ，即ＰＮ码）编码调制，实现频谱扩展后Ｓｅｑｕｅｎｃｅ又称ＰｓｅｕｄｏＮｏｉｓｅ再传输，在接收端采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始数据的一种通 信系统。扩展频谱通信把信号调制扩频到一个很宽的频带上发送，系统的传输带 宽比原始信号的带宽宽很多，其系统的复杂度比其他的窄带或宽带系统大很多， 付出高昂的代价。那扩展频谱通信为什么要用这样的宽频带来传送信息呢？简单 回答就是为了通信的安全可靠。 ２．１．１扩频通信的基本原理 １９４８年，香农首次将统计理论有效地引入到通信领域，提出著名的香农定理， 证明了信号发射功率、带宽和加性噪声将限制信息的传输速率。扩频通信的理论 基础可用香农（Ｓｈａｎｎｏｎ）信道容量公式描述∞１。Ｃ＝Ｂｌ０９２（１＋Ｓ／Ｎ）（２―１）Ｃ（单位ｂｉｔ／ｓ）为系统信道容量，Ｂ（单位Ｈｚ）为系统信道带宽，Ｎ（单位Ｗ） 为输出加性噪声功率，Ｓ（单位Ｗ）为信号输出平均功率，Ｓ／Ｎ为功率信噪比。式 （２―１）说明当信号与信道加性高斯噪声的平均功率给定时，在具有一定频带带宽 的信道上，理论上单位时间内可传输的信息量的极限数值。香农定理指明了扩展 信号频谱增加带宽的方法可以换取信噪比的降低，将信息展宽１００倍甚至１０００倍 以上来传输信息，从而提高通信的抗干扰能力，实现强干扰环境下可靠安全的信 息传输。这正是扩展频谱通信的基本思想和理论基础。 对于自噪声信号的产生、加工、复制至今仍存在许多技术问题。然而人们已 经找到了一些易于产生又便于加工、控制的伪随机序列，它们的统计特性逼近于 高斯白噪声的统计特性。所以用伪随机序列扩展待传基带信号频谱的扩谱系统优１０ＧＰＳ信号仿真及干扰研究于常规的通信体制。并且扩谱选择的伪随机信号使合作的接收方容易接收，而使 非合作的截获方很难解调。 ２．１．２扩频通信的特点 扩展频谱系统的主要特点有ｎ训： １）抗干扰能力强 对于干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，在信号解扩时被扩展到一个很 宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应地增加了相关器 输出端的信干比，因此具有较强的抗干扰能力。 ２）可行多址通信 扩频通信本身就是多址通信，即扩频多址，用不同的扩频码构成不同的网， 虽然扩频系统占用了很宽的频带，完成信息的传输，但是，很强的多址能力保证 了它的高频谱利用率。 ３）安全保密 扩频系统发射的信号谱密度低，近似于噪声，有些系统可在一２０～一１５ｄＢ的信 噪比条件下工作，．对方很难测出信号的参数，从而达到安全保密通信的目的。 ４）抗多径 扩频技术本身具有很强的抗多址能力，只要满足一定的条件，就可达到抗干 扰的目的，甚至可以利用多径能量来提高系统性能。 ２．１．３扩频的工作方式 为实现频谱扩展，有以下常见基本工作方式： １）直接序列扩频（ＤＳ．ＳＳ，ＤｉｒｅｃｔＳｅｑｕｅｎｃｅ Ｓｐｒｅａｄ ＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ），记为ＤＳ；２）跳频扩频（ＦＨ－ＳＳ，Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ ３）跳时扩频（ＴＨ．ＳＳ，ＴｉｍｅＳｐｅｃｔｒｕｍ），记为ＦＨ；Ｈｏｐｐｉｎｇ ＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｔｔｍ），记为ＴＨ；４）线性调频（Ｃｈｉｒｐ ＭｏｄｕＩａｔｉｏｎ），记为Ｃｈｉｒｐ。 除了上面四种基本方式外，还有这些扩频方式的组合方式，如ＦＨ／ＤＳ、ＴＨ／ＤＳ、 ＦＨ／ＴＨ等。目前在军事和民用上使用最为广泛的扩频系统有直接序列扩频（ＤＳ）、 跳频（ＦＨ）以及扩跳结合（ＤＳ／ＦＨ）三种方式。本论文主要研究对象是ＧＰＳ信号，是 直接序列扩频系统。我们在论文中主要针对直接序列扩频系统干扰性能进行研究， 下面对其进行简单介绍。第二章直接扩频通信系统２．２直接序列扩频２．２．１直扩系统的组成及工作原理 所谓直接序列扩频，就是直接用高码速率的扩频码序列在发端去扩展信号的 频谱。而在收端用相同的扩频码序列去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信 息。 直接序列扩频的一般工作原理如图２．１所示。在发端输入的信息口“）与扩频码 发生器产生的扩频码序列ｃ（，）进行波形相乘，得到复合信号ｄ（ｆ），实现信号频谱的 展宽，展宽后的信号再调制射频载波发送出去。直接序列扩频通常采用抑制载波 的二相平衡调制方式。采用平衡调制的另一个优点是在电子对抗中，对方使用常 规接收机检测载波比较困难，从而提高了系统抗侦破能力，所以直接序列扩频调 制一般都采用二相平衡调制方式。一般扩频调制时一个信息码元包含一个周期的 伪码，用扩频后的复合信号ｇ（ｒ）对载波进行二相相移键控（ＢＰＳＫ）调制，当ｇ（ｔ）从 “一１”变到“ｌ”，或从“ｌ”变到“一ｌ”时，载波相位发生１８００相移。）图２．１直接序列扩频工作原理图接收端的本振信号与发射端射频载波相差一个中频，接收端收到的宽带射频 信号与本振信号混频、低通滤波后得到中频信号，然后和本地产生的与发端相同 且同步的扩频序列∥（ｆ）进行波形相乘，实现相关解扩，再经信息解调，恢复出原 始信息。图２．２为ＢＰＳＫ调制的直扩信号波形图。’１２ＧＰＳ信号仿真及干扰研究：：厂―＿――］：：：ｄ（ｔ）ＰＮ码ｃ（ｔ）ｎ广］ｎｎｎ广ｇ㈦耐潮，ｔ，ＢＰＳＫ调制ｓ俐ＰＮ码一（ｆ）解扩后的信号，（ｆ）：！厂―――――了―――］：！图２．２直扩信号传输波形图解调后的信号矿。’２．２．２直扩系统的调制方式 扩频通信系统，是把信息信号调制在伪随机码序列中，再通过伪随机码序列 对载波调制来实现信息的传输。因此在扩频通信系统中，常常需要对伪随机码序 列进行调制、变频等处理，有必要介绍这些过程。在直接序列扩频系统中，通常 采用的调制方式是对载波进行相移键控。最简单也用的最多的是ＢＰＳＫ，较为复杂 的相移键控是四相相移键控（ＱＰＳＫ）和偏移四相相移键控（ＯＱＰＳＫ），除此之外 还可采用最小频移键控（ＭＳＫ）及多迸制正交码调制等方式。 由于平衡调制能抑制载波，使干扰者难以实现瞄准式干扰，而发送者可以用 较多的功率来传输信号，并做到一定的带宽内发射效率最高，因此扩频系统中常’采用平衡调制。本文中主要采用ＢＰＳＫ方式，下面简单介绍。 ＢＰＳＫ是扩频系统中最为常用的一种调制方式。设载波为Ａｃｏｓ２ａｆ，ｆ，扩频码 信号为ｃ（，），待传输信息为ｄ（，），则调相波可表示为 ｓＯ）＝Ａｃｏｓ［２ｎｆ。，＋ｋ?ｇＯ）】 （２―２）式中，彳为载波幅度，．疋是载波频率，ｋ．ｇ（，）是调相波的相位偏移，ｋ是调制 指数（即对应载波的最大相位偏移），ｇ（ｆ）＝ｄ（ｆ）ｃ（ｆ）为待传输信息信号与扩频码 信号组成的复合信号（ｄ（ｆ）与ｃ（ｆ）在时域波形相乘ｄＯ）ｃ（，），或序列模２相加以。厶第二章直接扩频通信系统１３所组成的复合码）。在ＢＰＳＫ调制中，调制信号ｇ（ｔ）是二进制码序列，若规定二进 制码序列ｇ（ｆ）取“０”码时，相移后?ｇ（ｔ）＝石?０＝０；ｇ（ｆ）取“１＂时，后?ｇ（ｔ）＝万，则有如，＝＋Ａｃｏｓ２７ｒｆｃｔ，茎嚣罴：：譬等∽３，显然，这样一个调制信号可等效为一个只取±ｌ的二值波形函数对载波进行抑 制载波的双边振幅调制信号，也就是平衡调制信号。对于直接序列扩频调制而言， 调制信号为ｇ（ｔ），若规定ｇ（ｔ）的取值为±ｌ，则式（２―２）成为ｓ（ｆ）＝Ａｇ（ｔ）ｃｏｓ（Ｚｚｆｊ）（２－４）式（２－４）中舯他１耋蛩嚣裟：：譬１荨ｐｌｆ’＝《烈吖ｌ一，当二进制码序列取“”时浯５，’ 怕ｗＩｙ―ｈｌ实际上直接序列扩频调制产生的ＢＰＳＫ信号就是式（２―４）的模式。只要ｇ（，）本。 身不含有直流分量，平衡调制就抑制了载波。但对这种信号，接收端为了从收到 已调波中恢复调制信号，必须要准确地恢复载波分量。此外，载波频率必须远高 于调制信号中有用信号的最高频率，否则，会发生频谱交叉，不易分出调制信号 的频谱分量，从而产生折叠噪声。 ２．２．３直扩系统的信号分析 信号源产生的信号ｄＯ）为信息流，码元宽度为乃，码元速率为局，髟＝１／Ｔｄ， 则有：。：ｔｄ（ｆ）＝∑％ｇｄ（ｔ－ｎＴｄ）ｎ－－Ｏ．（２－６）其中，吃为信息码，以概率Ｐ取＋１和以概率卜Ｐ取一ｌ，即一：｛¨。、怂黧Ｐｎ（２－７）ｄ２１―１以概率ｌ～（２－８）以归｛三。巍乃ｇ（ｔ）为门函数。 疋＝ｌ／￡，则有：一伪随机序列产生器产生的伪随机序列ｃ（ｆ），切普宽度为疋，速率为疋，１４ＧＰＳ信号仿真及干扰研究ｃ（，）＝∑ｃ．ｇ。（ｔ－ｎＴ，）ｎ－－－Ｏ（２－９）其中，ｅａｔ）为伪随机码码元，取值为＋ｌ或一１；ｇ。（ｆ）为门函数，有和式（２―８） 类似的定义。 扩频过程就是信息流ｄ（ｔ）与伪随机序列ｃ（ｆ）进行模２相乘的过程。一般伪随机 码速率疋远远大于信息码速率彤，并且足／彤为正整数，咫／岛＞＞１。所以扩展 后的序列的码速率仍为见。扩展后的序列再去调制载波，将信号搬移到载频上去。 调制后的信号ｓ（ｆ）为： Ｊ（，）＝Ａｄ（ｔ）ｃ（ｔ）ｃｏｓ（２ｘｆＪ） 式中ｆ为载波频率。．（２―１０）接收端经天线选择放大、混频后得到有用信号■ｐ），信道噪声甩，Ｏ），干扰信 号山（，）和其他扩频信号ｓｓ（ｔ）。即： ■Ｏ）＝唧Ｏ）＋嘞Ｏ）＋山（ｆ）＋ｓｊ（ｔ） （２―１ １）接收端产生与发端相同的伪随机序列，但是初相和起始时间可能不同，所以 记为∥（ｆ）。解扩过程和扩频过程相同，用本地码Ｃ’（ｆ）与接收到的信号相乘，相乘 后有： 乃’Ｏ）＝乃’（，）ｃ’Ｏ）＝ｓ，（ｆ）ｃ’Ｏ）＋ｎｌＯ）ｃ’（ｆ）＋以（ｆ）ｃ’Ｏ）＋ｓｊ（ｔ）Ｃ’Ｏ） 我们首先来看有用信号分量： 墨’Ｏ）＝■ｐ）ｃ’（，）＝ｄ（ｔ）ｃ（ｔ）ｅｏｓ（２ｚｆ，ｔ）ｃ’（，） （２―１３） （２―１２）若本地产生的伪随机序列ｃ’（ｆ）与发端产生的伪随机序列ｃ（ｔ）同步时，有ｃｔ（ｆ）＝ｃ（ｔ）， 则分号分量为： ｓ，’（ｒ）＝ｄ（ｔ）ｃｏｓ（２ｎｆ，ｔ）（２―１４）后面的滤波器的频带正好让信号通过，因此可以进入解调器解调，将有用信号解 调出来。 对于噪声分量ｎＩ（ｔ），干扰分量Ｊｌ（ｔ）和不同网干扰分ｉｓ：（ｔ），经解扩处理后， 由于与伪随机码不相关，因此相乘过程，相当于频谱扩展过程，将干扰信号功率 分散到了一个很宽的频带上，频谱密度降低，通过后接滤波器的能量只有一小部 分，信干比大大提高，从而提高系统的抗干扰能力。 ２．２．４直扩信号的频谱特性，由式２一１０可知，发射端的信号ｓ（ｆ）为ｓ（ｔ）＝Ａｄ（ｔ）ｃ（ｔ）ｃｏｓ（２ｎｆ。ｔ），我们先求出第二章直接扩频通信系统１５ｓＯ）的自相关函数愿ｐ），再进行傅里叶变换，就可得到ｓ（ｆ）的功率谱密度￡（厂）。 对ｓＯ）求自相关函数，有驰）＝手艺ｍＭ㈤渺＝杠㈨ｏｓ２咖（２－１５）由于ｄ（ｆ）和ｃＯ）是由两个不同的信号源产生，因而是相互独立的，有足ｇ（ｒ）＝Ｒｄ（ｒ）Ｒ。（ｆ）（２―１６）式中，髟０）和Ｒｃ０）分别为ｄ（ｆ）和ｃＯ）的自相关函数。由傅里叶变换的性质，可得复合信号ｇ（ｔ）＝ｄ（ｔ）ｃ（ｔ）的功率谱为Ｐａ（ｆ）与Ｐｃ（ｆ）的卷积乞（／）＝乃（厂）木只（厂）（２―１７）式中Ｐｄ（ｆ）为信息信号ｄ（ｔ）的功率谱，上式相当于将信息信号的功率谱Ｐｄ（ｆ） 搬移到￡（厂）中离散谱线的位置。图２．３（ａ）（ｂ）（ｃ）分别为Ｐｄ（ｆ），Ｐｃ∥）和Ｐｇ（ｆ）的功 率谱形状。 载波自相关函数ｃｏｓ２ｎｆｃｆ的傅里叶变换为［ａ（ｆ―Ｚ）＋６（厂＋五）】／２，为在±正 位置处的两根离散谱线，幅度为１／２。发射信号ｓ（ｔ）的功率谱为名（／）与载波功率谱的卷积１只（厂）＝名（厂）木专【艿（厂一以）＋５（ｆ＋正）】二 １ １（２－１８）＼ ／＝专易（／）?【Ｐｃ（厂一无）＋只（厂＋六）】二式２―１８相当于将名（力谱搬移到载波频率Ｚ位置上。如图２．３（ｄ）。霉∽弓∽弓∽鳓一Ｒ Ｒ―嘎００）“ｆ）的功率谱Ｚ幔‘ｃ）ｇ（ｆ）的功率谐Ｚ．‘趣（ａ）癣）的功率谱（ｄ）鼢功率谱图２．３直扩信号频谱示意图图２．３和前面所述直扩信号的功率谱都是理论上的，在工程技术上，由于扩 频伪随机码的伪随机性和信息码的随机性，任何一根谱线的出现都是随机的，所 以直接扩频信号的频谱图形就好像是包络为（ｓｉｎｘ／ｘ）２型的噪声一样，而非如图２．３ 中那样的理想，信号的功率谱呈＿（ｓｉｎｘ／ｘ）２型，频谱图的谱线间隔等于伪随机码的１６ＧＰＳ信号仿真及干扰研究重复速率。２．３伪随机序列通信系统中的随机噪声会使模拟信号产生失真和畸变，使数字信号出现误码， 是影响各种传统通信系统通信质量和限制信道容量的重要因素。香农定理指出Ⅲ１： 只要信息速率尾小于信道容量Ｃ，则总可以找到某种编码方法，在码周期相当长 的条件下，能够几乎无差错的从受到高斯噪声干扰的信号中复制出原信息。白噪 声是一种随机过程，它的瞬时值服从正太分布，功率谱在很宽频带内都是均匀的。 它具有极其优良的相关特性，但是至今无法实现对白噪声放大、调制、检测、同 步及控制等，而只能用具有类似带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近它， 并作为扩频系统的扩频码。 在扩频系统中，为了使扩展频谱后信号有较强的抗干扰、抗截获和易同步特 性，选用的码序列应该具有以下特点： １）伪随机码应具有尖锐的自相关函数，而互相关函数应接近于零； ２）具有足够长的码周期，以确保抗侦破、抗干扰的要求； ３）有足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求； ４）工程上易于产生、加工、复制和控制。 在扩频通信系统中，抗干扰、抗噪声、抗截获、信息数据隐蔽和保密、多径 保护和抗衰落、多址通信、实现同步与捕获等都是与扩频编码的设计密切相关的。 在实际中用的最多的满足扩频要求的扩频码序列就是伪随机序列，或称为伪噪声 （ＰＮ）码，这类码序列最重要的特性就是具有近似于随机噪声的性能。在扩频通 信中，应用最广泛、理论研究最深入的是ｍ序列，其他还有Ｍ序列，Ｇｏｌｄ序列等。 由于本文讨论的重点是Ｃ／Ａ码，是Ｇｏｌｄ码的一种。所以下面重点介绍ｍ序列和 Ｇｏｌｄ序列。２．３．１ｒｎ序列目前，几乎所有的扩频序列都要由移位寄存器来产生，它能用简单的硬件来 产生极长的序列。移位寄存器是由时钟控制的ｎ个串接存储器、反馈函数和加法 器组成，组成移位寄存器的存储器称为移位寄存器的级数，从左至右为第１级， 第２级，…，第１１级。 １．ｍ序列的产生 ｎ级二进制线性反馈移位寄存器除去输出为０的状态外，产生周期为２”一１的 最大可能长度序列，又称为最大长度线性反馈移位序列，简称ｍ序列。由于ｍ序 列容易产生、规律性强、性能优良，因此在扩频通信中最早得到广泛应用。产生ｍ第二章直接扩频通信系统１７序列的结构如图２．４所示ｎ刳。该结构主要由移位寄存器和反馈函数构成。反馈函 数的输入端通过系数与移位寄存器的各级状态相连（ｑ＝０表示断开；ｑ＝１表示接 通）。反馈输出％与移位寄存器％％一。ａｎ一２…ａｏ的关系可表示为：ａｎ＝Ｃ１ａｎ―ｌ ｏｃ２％一２ｏ…ｏＣｎ―Ｉａｌ（２－１９）图２．４线性反馈移位寄存器的一股形式由此可见，系数ｑ，Ｃ２，岛，…，厶的不同取值决定了移位寄存器的反馈结构的不 同，这样产生的序列也不同，将其用下列函数表示为：厂（ｘ）＝Ｃｏ＋ＣｌＸ＋…＋ｃ。矿＝∑ｃｊｘ‘（２―２０）上式称为特征多项式，其中：∥指其系数ｃ的值（０或１），本身取值并无实际意义。 ２．ｍ序列的性质 １）移位相加特性 一个ｍ序列｛％｝与其任意次延迟移位后产生的另一个不同序列｛％＋。）模２相ｊ 加，得到的仍是该ｍ序列的延迟移位序列。 ２）平衡特性 在ｍ序列的每个２”一１周期中，“１＂码元出现的数目为２”１，“０＂码元出现 的数目为２…一１次，即“Ｏ”的个数比“１＂的个数少一个。 ３）游程特性 “游程＂是指在一个序列周期中连续排列的且取值相同的码元的合称，在一 个游程中码元的个数称为游程长度。 一般说来，在ｍ序列的每个周期中，共有２“一１个游程，其中０游程和１游程 的数目各占游程总是１／２。当玎＞２，且１≤ｋ≤万一２时，长度为ｋ的游程占游程总 数的１／２‘，其中０游程和１游程各占一半；长度为ｎ－１的游程只有一个，是０游 程；长度为ｎ的游程也只有一个，为ｌ游程。 ４）自相关性ｍ序歹ＩＪ的自相关函数满足Ｒ∽＝ＫⅣ蓦＝菇，式中Ｎ为序歹ｌＪ周期，ｆ１８ＧＰＳ信号仿真及干扰研究为码元延时。自相关函数如下： 尺。０）图２．５ ｍ序列自相关函数 ２．３．２Ｇｏｌｄ序列ｍ序列是性能良好的伪随机线性序列，但由ｎｌ序列组成的互相关特性很好的 序列集很小，不利于ＣＤＭＡ等扩频多址通信系统应用。Ｒ．Ｇｏｌｄ于１９６７年提出了 一种基于ｍ序列优选对的码序列，称为Ｇｏｌｄ序列。 １．Ｇｏｌｄ序列的产生 Ｇｏｌｄ序列是ｍ序列的组合码，由优选对的两个ｍ序列逐位模２加得到，当改 变其中一个ｍ序列的相位（向后移位）时，可得到一个新的Ｇｏｌｄ序列。模型如图 ２．６所示。当相对位移（２”一１）个比特时，就可得到一族（２”一１）个Ｇｏｌｄ序列， 再加上两个ｍ序列，共有（２”＋１）个Ｇｏｌｄ序列。时钟脉冲Ｇ０１ｄ片：列初始状态设置图２．６ Ｇｏｌｄ序列产生电路２．Ｇｏｌｄ序列的特性 １）相关函数特性 对于周期为Ｎ＝２”一１的ｍ序列优选对生成的Ｇｏｌｄ序列具有与ｍ序列优选对 类似的自相关性和互相关性。Ｇｏｌｄ序列的自相关函数疋（ｆ）在ｆ＝０时与ｍ序列相 同，具有尖锐的自相关峰；当１≤ｒ≤Ｎ一１时，与ｍ序列有所差别，自相关函数值不再是一１Ｉｓ，而有三种不同的值，见表２．１。表２．１ Ｇｏｌｄ序列三值自相关的分布特性出现概 ｎ值 互相关系数 出现概率 ｎ值 互相关系数 率第二章直接扩频通信系统１９一ｌｎ＋ｌ约０．５－１约０．７５ｎ＋２ ２ｎ取偶数－１－２ｎ取奇数一１―２２约０．５ｎ＋ｌ（ｍｏｄ ４）ｎ＋２约０．２５－１－２２－１＋２２２）平衡Ｇｏｌｄ序列 平衡的Ｇｏｌｄ序列是指在一个周期内“１”码元数比“０”码元数仅多一个。平 衡的Ｇｏｌｄ序列在实际工程中做平衡调制时有较高的载波抑制度。对于周期为 Ｎ＝２”一１的两个ｍ序列生成的Ｇｏｌｄ序列，当ｎ取奇数时，２”＋１中有２州＋１个序 列是平衡的，约占５０％；其余的都是不平衡的。当１＂１为偶数时（但不是４的倍数） 时，有２川＋２”２＋１个Ｇｏｌｄ序列是平衡的，约占７５％。因此，只有约５０％（ｎ为奇 数）或７５％（ｎ为非４倍数的偶数）的Ｇｏｌｄ序列可以用在码分多址通信系统中。２．４本章小结第二章重点讲述了直接扩频通信系统的相关原理。本课题的主要内容是研究 ＧＰＳ系统及其多种干扰形式，ＧＰＳ作为直扩系统在现实中有比较广泛的应用，在 更好的研究ＧＰＳ系统之前，我们必须对直扩系统有比较全面的了解。本章介绍了。？ 扩频通信的基本原理、特点、工作方式等基本理论，并重点介绍了直接序列扩展 频谱系统的组成、工作原理、调制方式以及直扩系统的信号分析。最后介绍了两 种典型的伪随机序列，一种是最大长度线性反馈移位序列即ｍ序列，一种是ＧＰＳ 中使用的伪随机噪声码Ｇｏｌｄ序列。２０ＧＰＳ信号仿真及干扰研究第三章ＧＰＳ系统原理２１第三章ＧＰＳ系统原理３．１ＧＰＳ组成简介ＧＰＳ系统是利用卫星作为导航台的无线电定位系统。它由卫星星座、地面控 制部分及用户接收设备组成ｎ阳，系统结构如图３．１所示。图３．１ ＧＰＳ系统组成３．１．１空间星座 ＧＰＳ空间卫星目前由２４颗ＢｌｏｃｋＩＩＩ／ＨＡ型卫星（２１颗工作，３颗备份）组成， 处于地球上空２０１８３ｋｍ的中高轨道，分布在６个轨道平面上，轨道倾角５５。。ＧＰＳ 卫星的基本功能是：接收、储存并执行由地面控制站发来的导航信息和控制指令； 利用卫星上的微处理机进行必要的数据处理；通过星载高精度铯钟和铷钟提供高 精度的时间标准；通过星上成形波束天线将导航与定位信息辐射到地球上，每颗 卫星的信号约可覆盖地球表面积的３７．９２％。 ３．１．２地面控制站 地面控制部分包括１个主控站、５个监测站和３个注入站。主控站设在美国科 罗拉多联合空间执行中心（ＣＳＣＯ），其任务是：收集处理本站和各监测站传送来 的资料，完成卫星轨道和时钟校正参数的计算、编制导航电文并传送到注入站。 此外，主控站还协调并监控整个地面监控系统的工作状态，检验注入给卫星的导 航电文并监测卫星是否将导航电文发送给用户；纠正卫星的轨道偏离，调整卫星 的姿态和启用备用卫星等。３个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈 加西岛和太平洋的卡瓦加兰岛，其任务是把主控站送来的“导航电文’’和“控制 指令＂注入过顶卫星。此外，注入站还自动向主控站发射信号报告本站的工作状 态。５个监测站除了位于主控站和三个注入站之外的四个站外，还在夏威夷设立了 一个监测站。监测站的任务是对卫星进行连续监测、收集卫星观测数据和当地气ＧＰＳ信号仿真及干扰研究象数据，并将这些数据一起传送给主控站。３．１．３ＧＰＳ接收机ＧＰＳ用户接收系统由天线、接收机、处理器和显控部件组成，通过接收多颗 卫星的信号来解算出自身的位置以实现定位和导航ｎ引。ＧＰＳ接收系统可以捕获到 按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所 接收到的ＧＰＳ信号进行变换、放大和处理，以便测量出ＧＰＳ信号从卫星到接收机 天线的传播时间，解译出ＧＰＳ卫星所发送的导航电文，实时地计算出用户的三维 位置、速度和时间。．ＧＰＳ接收机为用户接收设备的核心，它的主要任务是接收ＧＰＳ卫星发射的信 号，以获得必要的导航和定位信息及参数，经过数据处理，完成导航和定位的工 作，也就是将卫星信号转换成位置、速度和时间信号。ＧＰＳ接收机主要有单通道、 双通道和多通道三种类型。单、双通道接收机适用于车辆、船舶、坦克、装甲车 和直升机等低速机动用户；多通道接收机可同时接收４颗以上ＧＰＳ卫星数据，适 用于作战飞机、精确制导武器（导弹、炮弹、炸弹）等高速机动用户。 １．ＧＰＳ接收机原理 ＧＰＳ信号接收机是ＧＰＳ导航卫星的用户设备，是实现ＧＰＳ卫星导航定位的终 端仪器，它是一种能够接收、跟踪、变换和测量ＧＰＳ卫星导航定位信号的无线电 接收设备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理微弱卫 星信号的特性。图３．２给出了一个通用ＧＰＳ接收机的实现原理框图。图３．２ ＧＰＳ接收机的基本原理框图ＧＰＳ接收机的工作过程为：当接收到的信号被数字化之后，由软件完成对信 号的处理。先要完成信号的捕获处理，捕获阶段是针对某颗卫星的信号进行搜索， 捕获到信号之后进入跟踪处理环节。通过对信号的跟踪，找到数据位相位变化的 位置。在传统的接收机中，捕获和跟踪都是由硬件来完成的。根据每一个导航数 据相位的变化得到导航电文的每一个子帧和完整的导航数据。星历和伪距可以从 导航电文中得到。由星历数据可以推算出相应卫星的位置。最后，利用卫星的位▲第三章ＧＰＳ系统原理置和伪距来计算出当前接收机所在的位置。 ２．ＧＰＳ接收机的分类 根据ＧＰＳ接收机的工作原理、用途、接收机所接收卫星信号频率及接收信号 通道数目接收机可分成许多不同的类型。 １）按照接收机的工作原理可分为：码相关型接收机、平方型接收机、混合型 接收机、干涉型接收机； ２）按接收机的用途可分为：导航型、测地型和授时型接收机； ３）按接收机的载波频率可分为：单频接收机和双频接收机； ４）按接收机的通道数目可分为：多通道接收机、序贯通道接收机、多路复用 通道接收机。３．２ＧＰＳ系统的特点ＧＰＳ是新一代的卫星定位导航系统，其最基本的特点是以“多星、高轨、高ｌ频、测时一测距”为体制，以高精度的原子钟为核心，并以高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。主要特点有以下几点。 １）定位精度高 ＧＰＳ能连续地为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间信息。ＧＰＳ提 供的测量信息很多，既可以通过伪距定位，又可以通过载波相位、载波多普勒频 移定位。２）观测时间短．－≯’》ＧＰＳ系统的定位观测时间比以往的任何一个卫星定位系统都要短。目前ＧＰＳ 接收机ｌｓ时间内可以完成２０次以上定位和测速结果的输出，这对高动态用户来讲 尤其重要。 ３）测站间无序通视 ＧＰＳ测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大 量的造标费用。 ４）执行操作简便 ５）全球、全天候作业 由于ＧＰＳ卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地 观测到至少４颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航定位的需求。 ６）功能多，应用广 ＧＰＳ系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。 ７）抗干扰性能好、保密性强 由于ＧＰＳ系统采用了伪码扩频技术，因而ＧＰＳ卫星所发送的信号具有良好的ＧＰＳ信号仿真及干扰研究抗干扰性和保密性。３．３ＧＰＳ系统的信号结构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（厶和厶）、两个伪随机噪声ＰＲＮ（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３．３所示。图３．３ ＧＰＳ卫星信号的组成３．３．１载波 载波是一种能携带调制信号的高频振荡波，它的振幅、频率及相位都能随调 制信号的变化而变化。ＧＰＳ卫星使用两种不同频率的载波厶和三：，其中厶载波由 卫星中的原子钟所产生的基准频率（ｆｏ＝１０．２３ＭＨｚ）倍频１５４倍形成，厶的中心频率 为１５７５．４２ＭＨｚ，而载波厶由基准频率倍频１２０倍形成，中心频率为１２２７．６ＭＨｚ。 这两个频率不是随便选取的ｎ副。两载波之间频率差为３４７．８２ＭＨｚ，等于厶的 ２８．３％，足以利用双频精确的估计电离层延迟（厶频率与厶频率之比为 ７７／６０＝１．２８３３）。电离层延迟大致与频率的平方成反比，因此，通过在两个频率上 的测量便可计算出电离层延迟，从而消除电离层延迟的影响，提高导航和定位的 精度。 ３．３．２伪随机噪声码 由于全球定位系统是军民两用系统，因此测距码中也包含了两种性质和精度 均不相同的编码：粗码（Ｃ／Ａ码）和精密码（Ｐ码）。 ＧＰＳ信号Ｃ／Ａ码的码结构是公开的，可供全世界所有的用户来使用。Ｃ／Ａ码 是由两个最大长度为ｌＯ级的移位寄存器移位相加所构成的长度为１０２３的Ｇｏｌｄ码 （Ｇ码）。在２．３．２节中我们已经讲过，Ｇ码是由两个码长相等、码时钟速率相同 的ｍ序列优选模２和构成。每改变两个ｍ序列相对位移就可得到一个新的Ｇｏｌｄ第三章ＧＰＳ系统原理序列。对于长度为Ｎ＝２０”一１的ｍ序列，每两个码可以产生Ｎ个Ｇ码。Ｇ码既具有 良好的自相关特性，又具有优良的互相关特性，可供码分多址系统选用。这也是 ＧＰＳ采用Ｇ码作为Ｃ／Ａ码的主要原因。 ＧＰＳ的数据速率为５０ｂｉｔ／ｓ，每个数据码元里有２０个Ｃ／Ａ码周期，每个周期中 都包含有１０２３个二进制码的低精度测距码，所以Ｃ／Ａ码基码速率为１０２３×２０×５０＝１．０２３Ｍｂｉｔ／ｓ。Ｃ／Ａ码周期为ｌｍｓ，每个码持续时间（即码元宽度）为ｌｍｓ／１０２３＝０．９７７５１７１ ｌ脚。 在ＧＰＳ定位中，为了捕获Ｃ／Ａ码，以测定卫星信号的传播延迟，通常需要对 Ｃ／Ａ码逐个进行搜索ｎ们。通过Ｃ／Ａ码捕获卫星后，即可获得导航电文，通过导航 电文提供的信息，便可以很容易捕获ＧＰＳ的Ｐ码。所以Ｃ／Ａ码除了作为粗测码外， 还可以作为ＧＰＳ卫星信号的捕获码。Ｃ／Ａ码的码元宽度比较大，假设两个序列的 码元对齐误差为码元宽度的１／１００～１／１０，则利用Ｃ／Ａ码测距，测距误差为 ２．９３ｍ一－－２９．３ｍ，由于精度较低，故Ｃ／Ａ码也称为粗码。Ｐ码的码元宽度为Ｃ／Ａ码 的１／１０，如果取码元的对齐精度仍为码元宽度的１／１００～ｌ／１０，则其测距误差为二 ０．２９ｍ～２．９３ｍ，精度比Ｃ／Ａ码提高了１０倍，所以Ｐ码可用于精密定位测距中， 故称其为精码。 Ｐ码由四个１２位移位寄存器（Ｘ１Ａ、Ｘ１Ｂ、Ｘ２Ａ、Ｘ２Ｂ）的ＰＮ序列产生，其中 Ｘ１Ａ寄存器与Ｘ１Ｂ寄存器的输出用异或电路相合并形成Ｘ１码序列，Ｘ２Ａ寄存器 与Ｘ２Ｂ寄存器的输出用异或电路相合并形成Ｘ２码序列，Ｘ２馈送给一个移位寄存 器，产生卫星ＰＲＮ（１～３８）号码数的延迟，然后与Ｘ１序列相乘，从而产生Ｐ码。 这样产生的Ｐ码序列长度为２６６．４１天即３８．０５８星期，但是实际的Ｐ码发生器采 取了一定的截短措施，使产生的每个Ｐ码序列长度为６．１８７１×１０１２个基码，重复 周期为７天。如此每颗卫星只用序列的一个星期，有３７个独特的一星期序列可用。 因在民用中只能得到Ｃ／Ａ码的导航电文，本文重点讨论Ｃ／Ａ码，对ＧＰＳ的Ｐ 码不予进一步讨论。３．３．３一ＧＰＳ导航电文导航电文是卫星以二进制码的形式发送给用户的导航定位数据，它是个永不 归零的数据流ｎ７１。导航电文按帧向外播送，每帧长度为１５００ｂｉｔ，播送速度为５０ｂｉｆｆｓ， 所以播送一帧电文历时３０ｓ。 图３．４为导航电文的格式框图。其中，一个主帧由５个子帧组成，每个子帧 分别含有１０个字码，每个字码为３０ｂｉｔ，故每个子帧含３００ ｂｉｔ，持续播发时间 为６ｓ。第１、２、３子帧每３０ｓ（即一个主帧）重复一次，而为了记载多达２５颗卫星 的星历，第４，５子帧各含２５页，１、２、３子帧和４、５子帧的每一页构成一帧电２６ＧＰＳ信号仿真及干扰研究文，每２５帧导航电文组成一个主帧。１帧含５ 个子帧 共２５页 ｌ帧 含１０个字１字含＇３０ｂｉｔ图３．４导航电文基本组成３．４ＧＰＳ信号的调制ＧＰＳ卫星信号的三种信号分量：载波、测距码（Ｃ／Ａ码，Ｐ码）和数据码（Ｄ码） 都是在同一时钟频率ｆｏ＝１０．２３ＭＨｚ控制下产生的。 数据流和两种伪随机码分别以同相和正交的方式调制在厶载波上ｎ引，信号结 构如式（３－１）： Ｓ厶＝彳Ｊｐ只（ｆ）Ｄｆ（ｔ）ｃｏｓ（ｏＤｌｆ＋妒ｌ，）＋如ｅ Ｏ）ｑ（，）＋ｓｉｎ（ｃｏｌｔ＋妒ｌ，） 而厶由Ｐ码和Ｄ码进行调制，其信号结构如式（３－２）： Ｓ￡’＝Ｂｐ只（ｆ）Ｄｊ（ｔ）ｃｏｓ（６０２ｔ＋妒２ｆ） （３－２） （３一１）式（３―１）和式（３―２）中，４、邵为调制于厶、厶上的Ｐ码振幅；霉（ｆ）为第ｉ颗卫星发送的取值±ｌ的Ｐ码；口（ｆ）为第ｉ颗卫星发送的取值±１的数据码；４为 调制于厶上的Ｃ／Ａ码振幅；ｅ（ｒ）是第ｉ颗卫星的取值±ｌ的Ｃ／Ａ码；ｉ为卫星编号；∞，是载波￡ｆ的角频率（ｊ＝ｌ，２）；９，为载波己，的初始相位ｑ－－ｔ，２）。图３．５是给出的ＧＰＳ卫星发射信号的波形构成原理图。卫星发射信号的所有 信号分量，都是基于ｆｏ－－１０．２３ＭＨｚ产生的，并且，各信号分量的频率之间也都存 在一定的比例关系，这对于发射信号和接收信号的同步是十分有利的。第三章ＧＰＳ系统原理２７三。载波厂＼八八八／＼八八八ｊ厂＼八八八八八八八八八／厶频段输出 Ｄ码１．０２３ＭｌｔｚＰ码１．０２３ＭＨｚ几厂］几唧兀厂］几几厂￡：载波 Ｌ：频段输出厂＼八八八八八八八八八八八八八八八八八，。模２加法器⑧乘法器图３．５ ＧＰＳ发射信号构成原理图：３．５本章小结本章主要介绍了ＧＰＳ系统的一些原理。指出ＧＰＳ是由空间星座、地面控制站、 ＧＰＳ接收机三个部分组成，并重点介绍了本课题的主要研究对象，ＧＰＳ接收机的 基本原理和分类。同时，详细解释了ＧＰＳ系统的信号结构，包括载波、伪随机噪 声码以及ＧＰＳ导航电文。最后，介绍了ＧＰＳ信号三种信号结构的调制方式。２８ＧＰＳ信号仿真及干扰研究第四章ＧＰＳ干扰２９第四章ＧＰＳ干扰由于研制ＧＰＳ系统的初衷是为海上舰船、空中飞机、地面车辆等用户提供全 天候、连续、高精度的三维位置、速度和精确的时间信息，当时并没有预测到该 系统将在复杂的干扰环境中工作，致使系统先天不足，在战场上的安全问题日益 突出ｎ９１。．干扰ＧＰＳ系统正常工作的方法可分为两大类：一类是直接摧毁卫星，一 类是用电子手段进行干扰。本章主要讨论用电子手段对ＧＰＳ接收机进行干扰，使 其不能正常工作。４．１ＧＰＳ易受干扰的原因ＧＰＳ系统在抗电子干扰方面异常脆弱，传输功率小、信号频率公开，是ＧＰＳ 易受干扰的重要原因啪３。 １）ＧＰＳ数据格式不变或不易轻易改变，在同步码基础上传送数据，容易被截 获和识别。ＧＰＳ系统作为一个广播系统，为了满足多用户自主导航定位的要求， 采用的是用户机被动接收定位的体制，这固然可以使用户数量不受限制，但也使 系统失去了自我校正能力，用户得到的定位信息的真伪无法通过本系统判别。同 时，潜在的干扰源如电视发射机、移动通信终端、军用民用雷达系统和其它无线 通信系统产生的谐波、一些电子设备产生的电磁干扰等都会降低ＧＰＳ信号的质量， 使得对ＧＰＳ信号的干扰变得相对容易。 ２）尽管ＧＰＳ系统采用了扩频技术，有很高的处理增益，极具隐蔽性，其信号 电平通常比噪声电平低２０ｄＢ左右，很难检测到并对其进行干扰，但是它到达地面 的信号强度极低，远低于热背景噪声电平。由于ＧＰＳ下行链路的信号强度很弱， 而ＧＰＳ用户的接收机灵敏度高（一１１５～一１３５ｄＢ），用不大的干扰功率就可进行有效 的干扰。 ３）为了接收跟踪多颗卫星，接收机天线方向图呈半球状，小型天线的副瓣电 平较高（一３～一１５ｄＢ），因此可进行干扰的空域较大。 ４）ＧＰＳ卫星使用高稳定的固定载波传送数据，可以将干扰功率集中到很窄的 频带以内。一 ．５）ＧＰＳ接收机只能识别信号的结构，并不能辨别信号的真伪，可以使欺骗信 号与卫星信号相同，达到有效干扰的目的。 ６）ＧＰＳ现有军用（Ｐ码）和民用（Ｃ／Ａ码）两种信号。Ｐ码较长，捕获较难，保密 性好，但近年来Ｐ码的结构已被破译，美军则将Ｐ码加密使用（Ｙ码）。而Ｃ／Ａ码３０ＧＰＳ信号仿真及干扰研究结构简单并且码型公开，不保密，所以使用Ｃ／Ａ码的ＧＰＳ接收机尤其容易被干扰。４．２ＧＰＳ干扰信号的对象如３．１节中所讲，ＧＰＳ是由空间星座、地面监控站、用户接收机三部分组成， 因此针对ＧＰＳ的干扰大体可分为对这三个部分的干扰。 ４．２．１对空间ＧＰＳ星座的干扰 对星座的干扰有以下几种途径心¨： １）发射专用卫星对地面注入站发送的上行信号（Ｓ波段）进行截获分析，寻求对 导航星的有效干扰，使导航星不能正常工作或发射错误导航信息，从而使用户得 不到精确的导航信息甚至是得到错误的导航信息。 ２）扰乱导航星上的对日定向系统，使其太阳能电池帆板不能始终对准太阳， 致使整个卫星电子设备因缺乏能源而不能正常工作。 ３）扰乱卫星姿态三轴稳定系统或推进系统，使卫星天线的辐射不能对准地面，从而使地面接收不到ＧＰＳ下行的导航电文或使卫星偏离正确轨道位置，降低ＧＰＳ精度。 ４）通过干扰使卫星上的微处理器无法处理和存储数据，或使存储器产生溢出。 ５）通过干扰，降低卫星时钟校准参数的精度以及卫星星历中的有关卫星位置 数据的精度。 ４．２．２对中继的干扰 通过对ＧＰＳ地面监控系统的通信数据的截获和分析研究，寻求对其卫星中继 的有效干扰，可以使其地面站之间无法传递信息和数据，从而使ＧＰＳ卫星的导航 精度变差，甚至是误导对方的武器和作战人员。导致地面监控系统不能正常工作， 从而达到干扰的目的。 ４ｊ２．３对接收机的干扰 由于ＧＰＳ信号到达接收机时信号强度小，对接收机的干扰成为干扰ＧＰＳ的一 种主要手段。为获得较好的干扰效果，ＧＰＳ干扰方式可以采用直升机、专用电子 对抗飞机、无人驾驶飞机、热气球等实施升空干扰，升空高度应不低于一定值， 以保证干扰信号能够进入ＧＰＳ接收机的天线。如果要求干扰远距离空中目标的 ＧＰＳ接收机，普通的机载升空干扰方式己无能为力，这是因为干扰机的升空高度 难以达到有效干扰所需的理想高度，此时可采用星载ＧＰＳ干扰机进行有效干扰。第四章ＧＰＳ干扰３ｌ由于对卫星星座进行干扰设备复杂，实现起来难度较大．卫星地面监控系统 被严密保护，传递信息和数据使用专用波段，对其干扰也难于实现，目前对ＧＰＳ 干扰的研究主要是针对接收机的干扰。４．３ＧＰＳ接收机的干扰从卫星发出的ＧＰＳ信号到达ＧＰＳ接收机的电平是极低的，典型值为－１５８＂＂ 一１６３ｄＢＷ，有中等功率的干扰信号就能压制它。干扰ＧＰＳ系统的技术体制主要有 三种：压制式干扰、欺骗式干扰和摧毁式干扰，具体分类如图４．１所示乜∞。窄带（单频、 扫频）干扰 阻塞式干扰 宽带均匀谱 干扰蓊卜压巫式Ｉ 摧毁式干扰４．１ＧＰＳ干扰制式结构图４．３．１压制式干扰 压制式干扰是发射强功率干扰信号，迫使ＧＰＳ接收机饱和或以宽带均匀干扰 频谱全面阻塞其处于非工作状态啪１，使其接收不到ＧＰＳ卫星信号而无法定位，从 而达到干扰的目的。Ｐ（Ｙ）接收机的抗干扰能力约４３ｄＢ，当采用上述各种抗干扰措 施后，如自适应调零天线，自适应滤波及增加信号发射功率等，其抗干扰能力大 概可提高到１００ｄＢ左右，因此，噪声的强度在解扩前要比信号高出１００ｄＢ，干扰 才可能有效瞻舭。Ｐ（Ｙ）码信号，其到达地面的最大信号强度约为－１５５．５ｄＢＷ，那么 要求接收机输入端的噪声强度至少为一５５．５ｄＢＷ，如果干扰机在一百公里外，那么 所需的发射功率至少为３５．４ｋＷ，设干扰机天线的增益为２０ｄＢ，那么发射机的发 射功率要求为３．５５ｋＷ。这对于Ｌ频段来说，是非常困难的。 压制式干扰可分为两种：一是暴露性干扰，即施放干扰时，敌方能发觉受到 人为干扰：另一种是隐蔽性干扰，即施放干扰时，ＧＰＳ信号遭到破坏，但敌方并 未察觉。一些研究机构的研究结果表明：在所有对ＧＰＳ信号的潜在威胁中，压制 式干扰是最大的威胁。ＧＰＳ信号的特点使压制式干扰具有一定的优势。由于Ｐ码 周期长约２６６．４天，且结构保密，所以对Ｐ码采取压制式干扰难度较大，通常对３２ＧＰＳ信号仿真及干扰研究Ｃ／Ａ码有效。 目前，干扰信号研究的热点是白噪声式的宽带干扰和根据ＧＰＳ接收信号特性 设计的单频或者扫频式干扰。压制式干扰又可分为３种：瞄准式干扰、阻塞式干 扰和相关干扰。 １）瞄准式（或连续波）干扰，是与ＧＰＳ信号载频同频的单尖峰干扰。这主要是 从ＧＰＳ信号有其独特的码型出发的，采用频率瞄准技术，使干扰载频精确对准 １５７５．４２ＭＨｚ的信号载频，针对特定码型的卫星信号实施干扰，使该信号在一定区 域内失效。瞄准式干扰是一部干扰机干扰一个卫星信号。如果能瞄准扩频信号的 载频，将极具破坏性，使ＧＰＳ接收机无法工作。２）阻塞式干扰（同频带宽带干扰），这种干扰是针对ＧＰＳ信号载频实施的，是一种与ＧＰＳ信号的扩频频谱有相同带宽的伪噪声调制信号。阻塞式干扰的特点 是采用一部干扰机来扰乱该地域内出现的所有Ｃ／Ａ卫星信号，有多种干扰体Ｎ－ 一是单频干扰（窄带）干扰，干扰机发出１５７５．４２ＭＨｚ的单频信号，单频干扰信 号到达ＧＰＳ接收机与以伪码调制的宽带本振混频后，产生宽带干扰信号输出。混 频后的宽带干扰信号仅有少部分能通过混频后窄带滤波器起干扰作用。二是宽带 均匀频谱干扰，干扰机采用锯齿波宽带调频和噪声窄带调频相结合的干扰技术， 保证阻塞式干扰能产生宽带均匀干扰频谱（梳状和连续状），并在时域上呈等幅 包络。干扰机产生的干扰信号大部分能够通过接收机窄带滤波器而不被过滤掉， 因而它是实施全面阻塞干扰的最佳技术。 ３）相关干扰。相关干扰是利用干扰信号的伪码序列与ＧＰＳ信号的伪码序列有 较大的相关性这一特点对ＧＰＳ实施干扰。与不相关干扰相比，它有较多的能量可 以通过接收机窄带滤波器，因此，可以以较小的功率实现与其他方式相当的有效 干扰。 ＧＰＳ系统因采用了直序扩频体制，且具有较高的扩频增益，对自然干扰和无 意干扰有较好的抗干扰性能，能保证全球范围全天候正常工作。但是采用有意干 扰即瞄准式干扰或阻塞式干扰，均能对ＧＰＳ实施地域性有效干扰，使该地区ＧＰＳ 无法发挥其定位和导航功能。 从干扰效果来看，前两类干扰主要影响接收机３Ｄ输出的噪声电平，相关式干 扰同时影响相关器的输出的噪声电平，并且随着干扰信号与伪码信号的互相关性 的增强，相关式干扰同时影响相关器的输出峰值与噪声电平。 ４．３．２欺骗式干扰 欺骗式干扰是指发射与ＧＰＳ干扰信号具有相同参数（只有信息码不同）的假 信号，干扰ＧＰＳ接收机，使其产生错误的定位信息。它的实质就是破坏ＧＰＳ接收ｔ第四章ＧＰＳ干扰３３机的码同步电路，使其捕获假信号。就ＧＰＳ的工作原理而言，对ＧＰＳ进行定位欺 骗可以从两方面入手：给出虚假导航信息或者增加信号传播时延。它们分别对应 于“产生式”和“转发式’’两种干扰体制。 １）产生式干扰。据侦察得到的码结构，产生与其相关性最大的伪随机码，然 后调制与导航电文格式完全相同的５０ｂｉｔ／ｓ虚假导航电文。修改某些星历、时钟等 数据，使接收方上当，但该方法必须要求知道ＧＰＳ伪码结构，以及卫星的电文数 据。Ｃ／Ａ码是公开的，Ｐ码也是处于半公开状态，对它们的干扰是有可能实现的。 但Ｙ码仍处于美国军方的严密控制下，要干扰保密的Ｙ码难度较大，需要进一步 地深入研究。 ２）转发式干扰。利用信号的自然延时，将干扰机接收到的ＧＰＳ导航信号，经 过一定的延时放大后，直接发送出去。具体原理如图４．２所示。图４．２转发干扰的原理图在实现方法上可以分为自然转发式干扰和智能转发式干扰２种方式嘲。自然 转发式干扰是通过对真实卫星信号的接收和自然时延，放大后再通过发射天线辐 射出去；智能转发式干扰则是通过对多颗卫星信号的分离处理，并按照一定算法 对不同的卫星信号进行选择性延时，达到构造伪导航星座和诱偏导航的目的。 对于某一台ＧＰＳ接收机来说，同时存在多个信号，接收机很容易被这种信号 欺骗，从而得到错误的伪距，影响定位精度。“转发式＂干扰利用信号的自然延 时，因此干扰信号与导航信号完全相同，只是延时不同，另外转发式干扰信号经 过放大，信号的幅度大于导航信号的幅度，ＧＰＳ接收机完全有可能将转发的干扰 信号捕获到。从而获得错误的伪距使ＧＰＳ接收机达不到精确的定位。而且“转发 式＂干扰利用信号的自然延时，不需要知道信号的形式和伪码结构，不需要产生 高逼真信号，技术上相对容易实现。显然，转发式干扰优于产生式干扰。 对于欺骗干扰，接收机惯性补偿滤波技术、自适应调零天线技术、伪卫星信 号识别技术都可能导致干扰的失败。因此应该考虑以下两个关键因素，首先，当 欺骗干扰的信号被敌方接收机收到时，其定位的错误位置应该在原来正确位置的 附近，即没有大范围的跳变，否则很容易被识别。其次，在干扰信号的产生、发 射过程中应尽量减少信号畸变，提高信号信噪比，做到干扰信号高度仿真，这样３４ＧＰＳ信号仿真及干扰研究既有利于干扰信号被接收并采用，而且不易被识别。 ３）欺骗式干扰效果的评估指标啪１ 对ＧＰＳ欺骗式干扰效果的评估，应考虑影响欺骗效果的各种因素。因此，需 要对ＧＰＳ接收机、欺骗式干扰信号、信号空间传播等影响进行综合分析研究。 （１）定位误差 用定位误差的变化来衡量干扰效果是最为直接的。受干扰的ＧＰＳ接收机的定 位误差越大，表明干扰效果越好。 （２）压制系数 压制系数的定义为：在规定的定位误差下，输入端所需的干扰一信号功率比。 对于各种欺骗式干扰，使同一ＧＰＳ接收机达到同等的欺骗效果，所需干信比越小， 则说明该类型的欺骗式干扰所需干信比越小，也就是该类型的欺骗式干扰所产生 的干扰信号品质越好。 （３）干扰有效概率 对于欺骗式干扰，其作用于被干扰ＧＰＳ接收机的直接结果只有两种状态：受 欺骗和不受欺骗，即干扰有效和干扰无效。在某种欺骗式干扰作用下，被干扰ＧＰＳ 接收机受欺骗的概率，称为干扰有效概率；被干扰ＧＰＳ接收机不受欺骗的概率， 称为干扰无效概率。干扰有效概率应考虑ＧＰＳ接收机的受欺骗概率，即通过分析 典型ＧＰＳ接收机的接收流程及其可能采取的抗干扰措施，确定该ＧＰＳ接收机的最 小受欺骗概率，进而求得某欺骗式干扰对典型ＧＰＳ接收机的有效干扰概率。 （４）干扰覆盖范围 干扰覆盖范围包括干扰作用距离和空间覆盖范围。在保证对某一典型的ＧＰＳ 接收机进行有效欺骗式干扰情况下，如果干扰机的干扰作用距离越远，干扰的空 间覆盖范围越大，则干扰机的干扰能力就越强。 从４．３．１到４．３．２节对ＧＰＳ干扰的分析可以看出，从可实现性出发，对采用 各种抗干扰措施的军用ＧＰＳ接收机的干扰应以转发式欺骗干扰为主，辅以相关压 制干扰。首先，用压制式干扰发射一个很短的时间，让干扰区内的ＧＰＳ接收机转 入搜索状态，然后，再切换到转发式欺骗干扰上，使要干扰的ＧＰＳ接收机锁定到 欺骗信号上，过一段时间，再重复这个过程。采用这种组合方式，可以较好地发 挥压制干扰和欺骗干扰的作用，达到较好的干扰效果，而且技术上相对容易实现。 ４．３．３摧毁式干扰：ＧＰＳ系统虽然采用中高度卫星、多星配置、卫星机动、航天飞机补充等措施 来增强其生存能力，但该系统本质上是一个信息集中系统，系统的主控站、注入 站、监测站均是整个系统的一个节点，节点一旦被摧毁，整个系统便会失效∞１。第四章ＧＰＳ干扰３５为提高整个系统的可靠性，系统中设置了２个注入站，甚至也设置了备份主控站。 即使如此，这种信息集中系统依然易被敌方破坏，在战争中如何生存仍成问题。 不断发展的反卫星武器、激光和粒子束武器，将是ＧＰＳ系统的致命克星。４．４ＧＰＳ干扰途径４．４．１升空干扰 为获得较好的干扰效果，减少干扰路径损耗，ＧＰＳ干扰可以实施升空干扰技 术对ＧＰＳ实施更有效的干扰。升空干扰可以采用直升机、专用电子对抗飞机、无 人驾驶飞机、系留气球等，升空高度应不低于一定值，以保证干扰信号能够进入 ＧＰＳ接收机的天线汹１。主要的升空作战平台有以下几种： １）机载（无人）干扰机。机载干扰机动灵活，可获得独特的地理位置优势，甚 至可让干扰信号以ＧＰＳ信号方向到达接收机。升空干扰也使干扰信号传播损耗减 小，取得相当的升空增益。机载ＧＰＳ干扰还使远距离干扰成为可能，并使干扰不 会秧及己方武器设备。其中，无人干扰机具有很强的突防和战场生存能力，可进 入敌纵深地带，贴近目标完成干扰任务。另外，无人机生产成本低、机动性好，”可以很好地支持分布式干扰的实施。 ２）平流层飞艇载ＧＰＳ干扰。平流层离地面１０ｋｍ－＇－＇５０ｋｍ，基本恒温，风向水 平且稳定。平流层平台视野开阔，控制范围大，从平流层平台发射的干扰信号通 过电离层的路径短，大气衰减也小，可以获得可观的升空增益，能实现对远距离 ＧＰＳ平台的干扰。平流层飞艇遥控方便，可回收维护，使用寿命长，与地面移动 系统比较，投入也不高。 ３）气球载ＧＰＳ干扰。气球载ＧＰＳ干扰的使用方便灵活，价格低廉，可以辅助 组成严密的干扰辐射网，支持重点目标的防护和国土防空任务的完成，如运用同 温层气球平台可建立导弹的干扰平台防御体系。在探空技术中，同温层气球是指 升空高度在１ｌｋｍ＇，－５０ｋｍ的自由气球。一般采用飞机升空定位校正等手段来完成 气球的空中定位调整，在指挥控制中心调控和维护措施下实施对敌空袭武器上的 ＧＰＳ设备的干扰。 ４．４．２星载干扰 如果要求对远距离敌方空中目标的ＧＰＳ接收机实施干扰，普通的机载升空方 式干扰已无能为力，这是因为干扰机的升空高度难以达到有效干扰所需的理想高 度，此时可采用星载ＧＰＳ干扰机进行有效干扰。为减少干扰信号传播路径损耗的 因素，卫星应采用低轨，干扰可采用欺骗与压制相结合，组成干扰辐射网。由计３６ＧＰＳ信号仿真及干扰研究算可知，在干扰距离为５０ｋｍ，－－一２００ｋｍ时，对于敌方地面目标，干扰机升空高度一 般为５０００ｍ－２００００ｍ；而对于空中目标，干扰机需要升得更高。 ４．４．３地面干扰 对ＧＰＳ接收机的干扰也可采用地面干扰技术晒１。地面ＧＰＳ干扰可以采用空间 功率合成技术汇聚足够的干扰功率，是组成强干扰压制的基础，并可确保重点攻 防方向干扰任务的完成，使敌前沿作战飞机和超低空飞行的导弹不能正确定位。 １）车载式机动ＧＰＳ干扰。车载机动式干扰是指将干扰机放置于轮式或履带式 车辆上。车载式干扰一般功率较大，也比较易于机动灵活地开设，一旦暴露目标 可以随时转移阵地。因此，车载式干扰也就成为地面ＧＰＳ对抗的主要手段和方式。 ２）固定式ＧＰＳ干扰。固定式干扰是在我重点保护区域内建立的永久式固定干 扰站。这种干扰一般功率较强，体积较大。其干扰信号很强，可以形成强压制， 可确保重点方向重点区域干扰任务完成，对超低空飞行的导弹的ＧＰＳ形成压制。 这类干扰要避免遭敌打击，应尽可能地靠后方建立，如被保护目标或被保护区域 的后侧。 ３）背负式ＧＰＳ干扰。背负式干扰是指由ＧＰＳ对抗作战人员背负携