转发式gps欺骗干扰机的仿真建模与实现-毕业论文.doc

杭州电子科技大学本科毕业设计本科毕业设计（2013届）题 目转发式GPS欺骗干扰机的仿真建模与实现学 院通信工程学院专 业信息对抗技术班 级09083511学 号09083132学生姓名张喜合指导教师孙闽红完成日期2012年12月摘 要 随着科学技术的进步，GPS系统得到了广泛的应用。有效地利用GPS干扰技术破坏对方的导航系统并实现对己方的有效隐蔽和保护，是GPS技术在军事领域的一个新应用。在众多干扰技术中，转发式干扰有着发射功率低，不需要了解GPS信号伪码结构，实现简单等优点。本文主要研究GPS转发式干扰原理。在分析了GPS定位原理的基础上，对转发式干扰进行了可行性分析，完成了转发式干扰原理样机的设计与实现，并着重对干扰机的射频电路进行了研究。转发式干扰主要是利用信号的自然延时来实施干扰。因此，干扰信号与导航信号完全相同，只是延迟时间有所不同。另外转发式干扰信号经过功率放大，信号的幅度大于导航信号的幅度，GPS接收机完全有可能捕获到转发后的信号。从而使GPS接收机获得错误的伪距，达不到精确的定位。本文在第一章和第二章中不仅详细叙述了GPS的发展历程和发展现状，还对它的发展前景做了大致的估计，并简要概括了GPS信号的基本组成。在第三章，主要对干扰机的各部分功能进行细化和进一步的模块化设计，将总体模型分为三个单元，包括：信号接收单元、干扰信号生成单元、干扰信号发送单元。第四章则着重于对仿真的结果进行简要分析和比较，验证理论依据的真实性。关键字：全球定位系统；转发式干扰；模块化设计，仿真AbstractWith the development of the technology, The Global Position System has been used widelyThe new application of GPS technology in the military field is how to destroy enemy Navigation system and enshroud effectively ourselves utilizing the GPS counter technologyIn the GPS interference technology, the retransmitted jamming has the advantages of low sending power, unawareness of the PRN code structure of GPS signal and simple implementationThe retransmitted jamming principle is studied in this dissertationBased on the analysis of the GPS position theory, the effect of jamming prototype is studied and every part of the jamming prototype is analyzedThe design and implementation of jamming prototype have been done tooThe retransmitted jamming method mainly makes use of signals natural delay, so the jamming signal is completely the same as navigating signal，except for the differently delay timeBesides，the power of retransmitted jamming signal is greater than the navigation signal，SO GPS receiver will probably receive the jamming signal，which results in its getting the false pseudo range and not being position preciselyAt the first and the second chapter ,I not only explain the development history and the developing situation of GPS in detail, but also estimate roughly its development direction, in addition, the basic components of GPS is simply summarizedAt the third chapter, the main content is that the function of jamming prototype is the modularization designedThe whole module is divided into three parts including signal-receiving unit，jamming signal generation unit and jamming signal transmission unit, and the function of each part is describedThe fourth chapter emphasizes analyzing and comparing different simulation result in brief, which can be used of checking the authenticity of the theory basisKey words：GPS，Retransmitted Jamming，Modularization designed，Simulation29 杭州电子科技大学本科毕业设计目 录1引言12 GPS简介及发展现状32.1 GPS简介32.2 GPS分类及应用特点32.3 GPS发展现状42.4 GPS发展前景42.5 GPS信号53 转发式GPS欺骗干扰机73.1 干扰机73.2 转发式干扰简介73.3 转发式GPS欺骗干扰机课题的提出83.5 转发式GPS欺骗干扰机设计要点103.6 转发式GPS欺骗干扰机发展方向113.7 建立转发式GPS欺骗干扰机动态模型123.7.1 干扰信号接收单元的实现133.7.2 干扰信号发送单元的实现163.7.3 干扰信号生成单元的实现184 仿真效果分析224.1 GPS信号生成224.2 GPS信号的延时转发234.3 GPS转发信号的干扰255 结论276 致谢287 参考文献291引言自1957年前苏联将世界第一颗人造卫星送入环地轨道以来，针对卫星信号的干扰与抗干扰技术的发展日新月异。GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。卫星导航系统最基本也最重要的功能，是在广达5.1亿平方公里的巨大地球表面，给任意一个物体定位，由此而来，衍生了测速、轨迹描绘、导航、防盗反劫、服务救援、远程监控等等重要的应用。目前，世界上主要的卫星导航系统包括：美国的GPS、欧盟的GALILEO、俄罗斯GLONASS和中国的北斗导航系统，其中美国的GPS应用最为广泛。卫星导航系统不仅在民用领域（如个人位置服务、气象应用、道路交通管理、铁路智能交通、海运和水运、航空运输、应急救援等）得到广泛应用并产生具大社会和经济效益，而且在军事领域更具重要性。卫星导航系统由于卫星信号功率较低，GPS信号的能量大约相当于在几千公里以外一盏家用电灯的能量，要比广播电视的信号要弱1,000,000,000倍，正是因为它过于微弱，因而极易受到多种形式的有意或无意干扰，导致接收机导航定位性能下降，甚至无法正常工作。在美国发动的第二次海湾战争中，由于伊拉克使用了据说是从俄罗斯购进的GPS干扰系统，使多枚美国精确制导导弹偏离了轨道，从而使得GPS干扰问题引起了世人广泛的关注。美国政府、工业部门和学术界对GPS受干扰的问题进行了大量研究和模拟，提出即使没有掌握先进技术的敌方也能容易、快速、廉价地制造和使用许多GPS干扰机，以摧毁依靠GPS制导的美国武器和其它平台。如1994年9月，在约翰霍普金斯大学应用物理实验室举行的一次航空航天工程师和其它专业人员的研讨会上，首次公开展示了一种得烟盒大小的自制干扰机，它采用12伏电池作动力，产生100毫瓦的输出功率，通过一根细小的全向天线发射信号。据设计者称，该装置足以干扰半径16公里范围内的任何采用CA编码的GPS接收机。俄罗斯设计的廉价GPS干扰机现在到处可以买到，甚至可通过因特网采购到这种装置。这种干扰机重310公斤(不含电池)。价格低于5万美元，能对美国现有GPS系统的四个频段实施有效干扰。鉴于空间卫星系统在导航、通信、探测、预警、侦察等领域的广泛军事应用，为在空间信息的通信对抗中获得优势，美军率先提出并建立了“反空间通信系统”，其目的在于利用无线电频率干扰空间链路，阻碍敌方的卫星通信。该系统已于2004年1月开始装备。为此，我们也应开展空间通信干扰技术的研究，期望通过先进的技术、方法、手段和策略，实现对信息有效传输保证的卫星通信链路的干扰，进一步获得空间优势。但是GPS 卫星信号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。通过发射与GPS信号相类似的干扰信号，误导GPS接收机偏离准确的导航和定位，这个过程就是GPS欺骗干扰。本文主要概括转发式GPS欺骗式干扰的发展与应用。2 GPS简介及发展现状2.1 GPS简介全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。24颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。2.2 GPS分类及应用特点 GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。GPS的应用都是基于两个基本服务，其一为空间位置服务，分为：定位：如汽车防盗、地面车辆跟踪和紧急救生；导航：如船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、智能交通、汽车自主导航及导弹制导；测量：主要用于测量时间、速度、及大地测绘，如水下地形测量、地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测及浮动车数据，利用GPS定期记录车辆的位置和速度信息。从而计算道路的拥堵情况；另外还有时间服务，分为：系统同步：如CDMA通信系统和电力系统授时：准确时间的授入、准确频率的授入2.3 GPS发展现状中国GPS导航的市场潜力巨大。截至到2005年底，中国拥有车载导航设备的车辆不足10万辆，相对于3000万辆的汽车总数来说，普及率不到1%。而日本的汽车车载导航安装率高达59%，欧美约占25%。2006年便携导航市场应该有近5亿元的规模，而随着市场的高速发展及新品牌的层出不穷，预计2009年中国汽车GPS导航系统终端的销售额将接近100亿元。2008年，被人们称为中国的“3G元年”。众所周知，目前在国内通信领域，最火的就是正在试运行的TD-SCDMA3G标准。作为新一代的通信技术，3G带给人们非常多的期许。3G牌照的全面发放，也成了人们共同关注的焦点。其实在国内的GPS导航领域也在经历着一场蜕变，第三代PND类导航产品的应运而生，已经把人们带进了全新的导航时代。卫星导航应用产业在国民经济中发挥着越来越重要的作用，将成为“十一五”发展的亮点。在“十一五”期间，卫星导航在其它领域如航空、海路、铁路、建筑、电信、电力等方面的应用都会有很大的发展空间。卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面：一是卫星导航的多系统并存，使系统可用性得以提高，应用领域将更广阔；二是多元组合导航技术正在得到推广应用，主要有GPS与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用；三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如GPS接收机嵌入到蜂窝电话、便携式PC、PDA和手表等通信、安全和消费类电子产品中，从根本上促进了IT技术的整体发展。2.4 GPS发展前景中国目前正在成为全球卫星定位导航系统（GPS）产业增长最快的市场之一。“十一五”期间，GPS在多个领域将会拥有更大的发展空间。然而，由于GPS在我国尚处于起步阶段，与产业发展相配套的环境还不完善，制约了企业的创新和发展。致力于GPS产业发展的有识之士时刻关注着这些问题，并亲自实践探索其发展和突破之道。北京东方联星科技有限公司总经理张峻林是众多探索者中的一员。有了更多这样的有识之士，中国GPS产业的明天值得期待。与GPS产业发达的国家相比，我国的GPS产业尚处于起步阶段，与之配套的大环境还没有形成，企业发展相对较难。目前，虽然我国企业自主研制的GPS核心技术产品已经达到国际水平，甚至直接卖给国外的公司，但由于没有适合产业发展的大环境，产业链没有形成，许多相关配套产品都没有企业提供。特别是能够研发核心技术的企业太少，只有东方联星、西安华讯、北京星科联通等少数几家，势单力孤。在政策环境方面，虽然国家已经认识到发展GPS的重要性，但支持力度远远不够。“主要还是国家卫星导航的人才太少，制定发展卫星导航产业的框架战略不清晰，导致国家对未来卫星导航产业的认识不足，投入谨慎，对企业的支持力度不够。”业内人士表示。此外，目前高校中没有教授GPS知识的人，更谈不上培养下一代GPS人才。据国外专家预测，到2030年，世界GPS市场将进入到平缓发展阶段，市场趋于平稳，应用范围虽十分广泛，但随着产业规模的扩大，单位利润会逐渐降低。由于事关中国卫星导航产业的发展，多年来一直致力于此的业内人士对以上情况看在眼里急在心里，其中就包括东方联星科技公司总经理张峻林。他说：“目前，卫星导航在国内外都是不成熟的，但是如果再等5年，国外技术完全成熟的时候，我们的机会就更少了，就像现在去做PC操作系统，谈何容易？”目前，东方联星虽然在某些领域已经走在了世界GPS事业的前列，但是缺乏大的环境支持，难免曲高和寡。目前，国家已经认识到发展GPS的重要性，特别是对某些国有企业动辄支持几千万甚至上亿元。但这些国有企业并没有自己的核心技术，而是斥巨资购买国外的技术产品。如果这些企业能转而利用国内企业的核心技术，让他们分一杯羹，不仅可以保证国内企业的生存，还能打开GPS发展的大环境，推动我国卫星导航事业的发展。2.5 GPS信号GPS信号是扩频调制信号，这种扩频调制信号具有低截获概率特性，系统为了区分各卫星信号，通常采用码分多址形式。目前GPS系统是部分公开的，采用的伪码有C/A码、P（Y）码等。GPS卫星信号包括三种信号分量：载波，两个伪随机噪声码(C/A码和P码)和数据码(D码)。随着GPS现代化建设的发展，伪码中将增设新的军用M码。GPS测距的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号。GPS卫星距离地面约两万公里。紧张的电能不足以将上述数据率很低的信号传输到地面。解决这一难题的办法就是另外发射一种高频信号作为载波将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，构成一个高频的调制波发射给地面。GPS卫星采用L频带的两种不同频率的电磁波作为高频信号，分别称为L1载波和L2载波。其中：L1载波的频率fl=157542MHz，L2载波的频率f2=12276MHz。GPS卫星发射信号的频率，都要受卫星上原子钟的基准频率的控制，GPS卫星原子种基准频率为1023MHz，P码产生采用基准频率，C/A码产生采用基准频率的1/10，而L1载波的频率n为基准频率的154倍，L2载波的频率Q为基准频率的120倍。3 转发式GPS欺骗干扰机3.1 干扰机对GPS导航系统的下行信号进行干扰，主要是针对用户接收机的干扰对抗，从技术上考虑，主要有压制式干扰和欺骗式干扰，如图3.1所示图3.1 GPS干扰方式分类图3.2 转发式干扰简介所谓欺骗式干扰是指发射与GPS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，使其产生错误定位信息，其功效相当于伪GPS卫星。根据伪距定位原理，由于GPS用户设备不配带原子钟，用户至卫星的伪距测量结果会包括钟差等引入误差，因此对GPS进行定位欺骗可从两方面着手，即给出虚假导航信息或增加信号传播时延，从而使测得的伪距产生偏差。这种欺骗式干扰有产生式和转发式两种体制。转发式干扰就是将接收到的GPS卫星信号重新广播出去，从而构成一个虚假的GPS卫星信号，使接收机出现错误解码，导致测距误差，发生错误定位。就空间GPS干扰技术而言，我们首要研究重点是具有最佳干扰效果的相关干扰技术，其研究的最终目的在于通过产生的最大互相关伪码匹配序列进行虚假导航电文的扩频，实现GPS产生式欺骗干扰。由于转发式欺骗干扰不需要对所接收的真实GPS信号进行分析，而直接通过延迟调节发射达到欺骗目的，因而从理论上可以认为是一种与代码无关的干扰，因此进行该方式的研究也具有一定的实际指导意义。阻塞式压制干扰实际上是一种非常有效的干扰手段，其缺点在于功率过高，但就战时GPS信号可能发生的变化而言，该方式在一定条件下还是可以达到干扰目的的。随着GPS系统抗干扰能力的增加，及其覆盖范围和精度的提高，单一效能的干扰手段很难达到预期效果。3.3 转发式GPS欺骗干扰机课题的提出现今社会，各个国家相继开展了以携带各类有效载荷的航天器及其星座为核心体的相关资源利用和组网等技术的研究，期望通过空间优势获得信息优势，其目的是夺取制天权。而信息能力已成为现代作战的核心能力，未来空间攻防对抗的实质也将是一场空间信息对抗，其目的在于夺取控制信息权。全球定位系统(Global Positioning System)是美国从上世纪70年代开始研制，历时20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。为了实现空间电子对抗，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。硬摧毁武器从研制、部署到使用的成本比较昂贵。因此，不到万不得已，不应轻易采用硬摧毁的手段。以GPS为代表的卫星导航系统而言，它已经成为精确制导武器的重要手段，美军使用的精确制导弹药占全部使用量的90以上，而绝大多数精确制导弹药均装备了GPS导航定位装置将打击精度提升到数米量级。它分为空间部分、地面控制部分和地面控制部分三个部分。对空间部分、地面控制部分和由地面控制部分发往空间卫星的上行链路信号进行“软干扰攻击的难度也非常大，而从卫星反馈到用户定位设备的下行信号比较微弱，其开放性的特点，容易受到干扰，因此GPS的下行星地通信链路信号便是其“软肋。对导航系统的卫星通信下行链路进行“软干扰”主要是对用户接收机的干扰对抗，从技术上考虑，主要有压制式干扰和欺骗式干扰。转发式干扰是GPS干扰技术中欺骗式干扰的一个分支。其最大的优势是发射功率低，不易被探测器材发现，因而具有很强的战场生存能力。同时，它不需要对所接收的真实GPS信号进行分析，而直接通过信号的延迟达到欺骗目的，因而从理论上可以认为是一种与代码无关的干扰，因此进行该方式的研究具有一定的实际指导意义。本课题研究的就是GPS转发式干扰原理样机的设计与实现。3.4 转发式GPS欺骗干扰机的发展本世纪，出于其军事利益、经济利益、国家安全等方面的考虑，世界上有能力的国家都在纷纷建设自己的或与其他国家联合的卫星导航系统。现今，世界上的卫星导航系统主要有：美国的GPS系统，欧洲的Galileo系统，俄罗斯的GLONASS系统，中国的北斗卫星导航系统。卫星导航已成为现代化战争“信息战”、“导航战的重要组成部分，海湾战争以来精确制导武器使用量与总投弹量比逐年提升，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年自由伊拉克战争的98。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。 在不断的应用探索的过程中，各国科学家及学者展开了针对GPS干扰机的研究及讨论，并取得了一系列的研究成果。1997年，Glisie S等1提出了GPS系统采用典型的CDMA体制，这种扩频调制信号具有低截获概率特性，系统以码分多址形式区分各卫星信号。2000年，周义，王自焰2在论文中概括出了转发式GPS干扰系统图，如图3.2所示。并提到，对GPS 进行欺骗性干扰可从两方面入手: 给出虚假导航信息或增加信号延时时间, 可分别采用产生式和转发式干扰。文中预测，对欺骗式干扰而言, 干扰机的趋势是智能化。即能准确估算目标所接收到的卫星测量值大小, 并随机给这些测量信号加上适当的不可检测的偏差值, 以较小的偏差值实施有效干扰。图3.2 GPS干扰示意图2001年，孙智信3在其论文中提出，转发式干扰利用信号的自然时延容易实现, 关键在于解决收发隔离问题。转发式干扰还要从- 20 -30dB 的信噪比中提取、放大信号, 以保证信号不产生畸变或较少畸变, 并提高输出信噪比。2005年，范俊辉等4指出，转发式干扰是通过利用信号的自然延迟,对敌方的GPS接收机进行干扰, 这种方法不需要知道信号的形式和伪码结构，实现简单。显然，转发式干扰优于产生式干扰,欺骗式干扰的研究的重点应该放在转发式干扰上。2006年，张翰林等5在论文中提出，对现代化GPS实施有效干扰难度越来越大,随着新频段和新码的使用, 从信噪比中提取高保真有用信号时, 接收机很容易被欺骗信号所欺骗。在使用了新频段和新代码的现代化GPS中, 干扰技术相对比较容易实现。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在中国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。3.5 转发式GPS欺骗干扰机设计要点 为实现GPS转发式欺骗干扰，有以下几个关键问题：(1)收发隔离问题 2002年，为解决这个问题，Rabbany6首次给出经典的双星协同的二级转发机制，但是它比较复杂如图3.3所示：图3.3 二星转发示意图(2)降低信号畸变和提高信噪比 为降低信号畸变、提高信噪比，应考虑使用具有较宽天线波束的天线，并在带通滤波器后面加装低噪放大器。(3)动态时延控制先通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，然后采用多抽头可控数字延迟线来实现数字信号的动态时延，最后再通过D/A转换还原为模拟信号。1994年，Sally L7等认为，对于GPS卫星信号的捕获是一个二维捕获过程。捕获结果是使本地参考码和接收码相位差值小于一个码元宽度，且收发码时钟频率基本一致，同时使载波相互对准，从而实现输入信号与本地信号的粗同步。1999年，Braasch M8在论文中认为，作为GPS接收机的处理核心，由捕获和跟踪组成的同步过程是尤为关键的。GPS卫星信号在到达接收机后，经天线前端处理(低噪放、下变频、采样等)后，随即进入信号的同步阶段。第二年，Brown A等9认为，为捕获到GPS卫星信号，需要同时复现卫星的码相位和载波频率，对GPS信号的搜索和捕获，并给出了四种方法。伪码串行、载波串行伪码串行、载波并行伪码并行、载波串行伪码并行、载波并行2010年，刘慧越10利用多径估计理论，提出了一种新的基于最大似然估计的GPS转发式干扰信号估计技术。阐述了转发式干扰的原理，建立了GPS接收机对转发式干扰信号相干积分累加的数学模型，推导了转发式干扰最大似然估计的计算公式。仿真实验表明：该技术可以在有色噪声条件下，对多个转发式信号进行较精确的估计。在众多国家中，俄罗斯对GPS干扰技术的研究是最为深入的，成果也最为显著，先后提出了五代GPS干扰机理论。目前比较流行的主动干扰机是在复制导航信号的基础上形成干扰信号，优点是既可实现“硬”抑制，也可实现“软抑制，坐标的测量过程中，在导航接收器中可以引用可控误差，干扰效率高，可形成任何前面探讨的干扰信号，暴露性非常小；而缺点是复杂性增大，功耗大。目前，除俄罗斯和美国外，能制造GPS干扰机的国家还有法国、德国、意大利、朝鲜等。就国内而言，GPS干扰技术的理论研究及干扰装置的研制起步较早，取得了一定的进展。但随着技术的发展，迫切需要在现有干扰体制的基础上提出更合理，更有效的干扰方法。3.6 转发式GPS欺骗干扰机发展方向结合上述认知转发式GPS欺骗干扰机的现状，预计认知转发式GPS欺骗干扰机会沿着以下几个方面发展：1，基础理论和相关应用的研究。包括：GPS基本运行机制，常见干扰计算与抗干扰方法，以及GPS信息传输基础理论等。2，解决转发式GPS欺骗干扰的关键问题，例如收发隔离机制的简化。3，民用GPS信息编码加密防热为恶意干扰，以及军用GPS加密编码的研发，并不断改进GPS的测算精度。4，干扰机智能化，能准确估算目标所接收到的卫星测量值大小, 并随机给这些测量信号加上适当的不可检测的偏差值, 以较小的偏差值进行有效干扰。3.7 建立转发式GPS欺骗干扰机动态模型在GPS系统被干扰的过程中，干扰机将信号进行转发式欺骗干扰处理后，在将虚假信号与真实信号相结合，由GPS接收天线进行接收，从而达到干扰的目的，整个系统基本模型如图3.4所示：图3.4 GPS干扰系统基本模型“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，不需要产生高逼真信号，技术上相对容易实现。系统将原理样机各部分功能细化，进行模块化的设计，各模块既具有相对独立的功能，相互之间又有信息和数据的传递与交换，工作时相互制约，相互协调。基于FPGA控制的模拟信号可控延迟技术，实现了在一定存贮约束条件下的可控信号延迟转发。我们将对干扰机模块进行重点模拟，转发式GPS欺骗干扰机框图如图3.5：图3.5转发式GPS欺骗干扰机流程图典型的转发式干扰机结构框图如图3.5所示，其中信号接收单元接收GPS卫星信号，进行相应处理，将模拟信号转换为中频数字信号；干扰生成信号单元产生延迟干扰信号，根据控制单元输出的控制指令，由FPGA控制的FIFO进行延时控制，将经过延时的数据经DAC转换后，生成干扰信号；干扰信号发送单元发送干扰信号，由微处理控制单元输入控制指令，进行相应处理后发送出去。从图3中可以看出，转发式干扰机的主要器件包括：低噪声放大器、滤波器、混频器、晶体振荡器、模数转换器、数模转换器、时钟控制和FIFO等。需要分别对这些主要器件对干扰信号产生的细微影响进行分析并建模。其中涉及到的部分重要元件主要有以下几种：低噪声放大器用来增加接收机输入端的微弱信号的幅度，使之能够达到接收机的检波器的可用范围。滤波器用来选择性地通过或抑制某频段信号。理想特性为：允许某一频率段通过，而抑制其余频率段；滤波器对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行反射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。混频器是三端口的有源或无源器件。如果在两个输入端口分别输入不同频率的两个信号，在唯一的输出端口将产生一个和频和一个差频信号，这个过程叫做频率变换。信号接收单元中必须使用这种频率较低的信号，因为它很容易用中频级进行有效放大和滤波，并且很容易使频段得到优化，从而使信号接收单元的增益和选择性得到提高。晶体振荡器是性能最好的振荡器，如果在晶体两端加上同频交变信号，那么它就在自己的固有谐振频率上振荡，其功能基本上和超高Q值的串联谐振电路一样。对所有的振荡电路来说，最重要的一个参数是Q。高Q反馈振荡器的输出频率比LC振荡器的输出频率要稳定得多。3.7.1 干扰信号接收单元的实现信号接收单元原理图如图3.6所示：图3.6信号接收单元原理框图信号接收单元运行特点是：接收单元接收信号远大于单元工作时的内部噪声，由于输出为数字信号，接收单元应具有较高的模数转换速率。图中带通滤波器l可以选出GPS信号频带，排除信号频带外信号。接收单元中，大部分噪声系数是在低噪放大器产生的。低噪放大器提供15dB的前端增益，同时也产生了小于15dB的噪声。而带通滤波器2不仅可以衰减所有谐波分量，而且还可以消减由LNA自身引起的镜像噪声。在带有单一滤波器的接收机中，带通滤波器1使天线与LNA的输入端相匹配，减少信号频带外信号的幅度，以防止LNA过载，并提供一定的镜像滤波。为减少带通滤波器l预选器的插入损耗（LNA前面的滤波器插入损耗可直接影响噪声系数），通常在LNA与第一混频器之间接入带通滤波器2。二次滤波可以减少噪声系数，有助于预选器排除镜像信号以及其他干扰信号。混频器1的输入信号幅度一般较大，为减少混频产生的互调失真，需要一个高压缩点。为了减少互调失真的产生，输入混频器的射频信号应至少比输入到混频器本振端口的信号低10dB。为了滤除所需要的信号之外的其他信号，混频器1的输出端链接天线分离滤波器。采用设计完善、品质因数较高的晶体振荡器可以减小误比特率，并使缓冲相邻信道灵敏度降低。接收机的增益特性包括：由放大器提供的增益、由滤波器造成的损耗、衰减和混频。对整个接收机而言，从接收机的前端对天线的输入到最后一级中频输出，整个射频和中频增益通常在125dB左右。具体参数设计如下信号接收单元包括带通滤波器、混频器、本振器等器件，当中频输出3069MHz时，参数设计指标如下所示：带通滤波器1，2：1滤波器中心频率为1575.42MHz；23dB带宽为12MHz；3中心插入损耗小于1.2dB；4带内驻波VSWR小于1.5:1；5带外抑制不小于35dBc；6输入与输出阻抗皆为50。低噪声放大器：1输入阻抗50；2工作频段为1400-1600MHz；3噪声系数不大于0.65dB；4增益大于25dB，当输入功率电平大于0001W时应进入过载；5增益平坦度为0.2 dB；6输出阻抗50。第一本振：1产生频率1205.42MHz；2输出幅度7dBm；3杂波抑制小于-70dBc；4频率稳定度10-8ppm：5谐波失真-40dBc。带通滤波器3：1滤波器中心频率为1205.42MHz：23dB带宽为12MHz；3中心插入损耗小于1.2dB； ，4带内驻波VSWR小于1.5：1；5带外抑制不小于35dBc；6输入与输出阻抗皆为50。混频器l：1输入阻抗50；2插入损耗小于8dB；31dB压缩射频输入功率不小于2dBm：4输出阻抗50；5隔离度LO/RF大于40dB；LO/IF大于30dB；LO/IF大于20dB。第一中频处理：第一中频处理包括第一中频的带通滤波器，中频放大器等；对应第一中频的带通滤波器：1中心频率370MHz；2输入阻抗50：33dB带宽为12MHz；4带内损耗小于-2dB，5输出阻抗50。对应第一中频的中频放大器：1输入阻抗50；2噪声系数不大于2dB；3260MHz处增益大于40dB；4输出阻抗50。第二本振：1产生频率400.69MHz；2输出幅度7dBm；3杂波抑制小于-70dBc：4频率稳定度10-8ppm；5谐波失真-40dBc。带通滤波器4：1滤波器中心频率为400.69MHz；23dB带宽为12MHz；3带内损耗小于l dB；4带外抑制不小于35dBc；5输入与输出阻抗皆为50。混频器2：1输入阻抗50；2插入损耗小于8dB；31dB压缩射频输入功率不小于2dBm；4输出阻抗50；5隔离度LO/RF大于40dB，LO/IF大于30 dB，LO/IF大于20 dB。第二中频处理：第二中频处理包括第