张启福，徐世成，王 章，王春雷，常 凯，李 昊
（甘肃酒泉十四支局，甘肃 酒泉 735018）
卫星导航定位技术以空间卫星为基准点，通过无线电信号测距实现地面、海上或空中目标的高精度实时导航、定位和授时，极大地拓展了人类生产、活动空间，为社会发展带来了巨大效益。为此，各国都十分重视全球导航卫星系统的发展和应用，目前成熟运行的卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的“北斗”和欧洲的GALILEO。卫星导航定位在建设之初就具备军事属性，直到现在，其军事应用一以贯之且不断加强，发挥了精确制导、协同指挥、精准打击等重要作用。纵观高技术下的诸多局部战争，加装卫星导航定位接收机的武器平台无不闪亮登场，可谓左右着战争的走向。但是近年来，随着一些人为干扰技术的出现，武器平台被干扰与欺骗的事件时有发生，卫星导航定位安全与对抗问题备受关注。干扰来自不同强度、不同频段、不同空间分布上的外部电磁辐射，主要包括自然电磁、装备电磁、人为干扰等，尤以人为干扰最为严重。当前的人为干扰样式主要有压制式干扰和欺骗式干扰2种。压制式是通过发射大功率的电磁辐射信号，将原本低功率的卫星信号进行淹没，破坏接收机搜索、跟踪环节，致使无法定位［1］。这种方式简单有效，但是容易暴露，易被反辐射武器定点清除。相比而言，欺骗式干扰是无缝“接管”，主要利用卫星信号频率、结构、参数等特征，“仿真”真实信号，凭借功率优势诱导接收机跟踪、锁定欺骗信号进行定位，以此控制接收机载体到达指定位置，完成诱捕或摧毁。欺骗式干扰充分利用了卫星导航定位的脆弱性进行攻击，对民用、军用接收机都有效，其危害性和欺骗性更强，军事伤害大，当前已成为作战中的主要样式。一些学者进行了对抗研究，抑制技术主要有阵列天线调零、惯导辅助定位、导航电文加密认证、接收机自主完好性检测等［2-3］。但是多天线调零的抗干扰自由度受限于阵元数，且不适合实时动态情况；
惯导辅助定位由于受制于高精度惯性测量单元的价格，应用上难以普及［3］；
电文加密认证对生成式有一定抑制作用，但对转发式效果不好，且需要改变信号体制；
自主完好性检测是比较理想的欺骗消除技术，但是当欺骗信号个数比较多时，该技术也束手无策。为此，结合欺骗式干扰的特点，开展针对性对抗研究十分必要。
卫星导航系统的信号频率、带宽、格式、参数、调制方式等关键信息基本都是公开透明的，目的是让研制厂家、用户能够根据信号特性进行接收机设计、生产，获得优良的卫星导航定位服务，但是这也给攻击者创造了入侵“窗口”和条件，攻击者将利用信号传输、解调、定位等环节漏洞进行欺骗式干扰。
欺骗式干扰根据干扰形成方式可分为生成式干扰、转发式干扰和混合式干扰等［2］，如图1所示。生成式干扰按照干扰发射方式分为单天线生成、多天线生成，可模拟生成单个或多个相互独立或交联的“伪”卫星信号；
转发式干扰按照干扰源数量分为单源转发、多源转发，单源转发是将单个或多个经过时间延迟的卫星信号通过一个天线发射出去，多源转发是将多个经过时间延迟的卫星信号通过多个天线发射出去；
混合式是生成式与转发式的组合、叠加，兼具两者的优势、特点，在技术上更加复杂，一般是先生成后转发，可组合出不同的样式，将更加难以检测和对抗。
图1 欺骗式干扰分类
21世纪10年代后，欺骗式干扰在军事领域的应用十分明显。2011年伊朗利用“汽车场”干扰系统修改GPS信号参数，诱获一架美军RQ⁃170“哨兵”无人机降落至指定地点，2012年又采用同样手段捕获一架美军“扫描鹰”无人侦察机［3］；
2017年美国在黑海作业的20多艘船受到大规模诱骗攻击，船载设备显示定位精度和DOP值均正常，但是定位位置在25海里外的某机场，事后证明是船载GPS接收机被“接管”并错误定位；
2017年美国某研究团队对一艘高价值游艇进行欺骗干扰，通过只有一个公文包大小的干扰器转发欺骗信号，不断改变游艇航向，致使游艇严重偏离航道，但航迹显示还是一条直线。最近的俄乌冲突中，俄军电子战系统不仅压制了乌军GPS信号，而且通过欺骗接管无人机，“指挥”精确制导武器偏差投放。
分析归纳这些典型案例可知，有2种干扰途径：一种是首先利用大功率信号进行屏蔽，切断载体接收机与卫星的联系，迫使其失锁重捕，然后用欺骗信号诱导接收机跟踪，将其导航至指定地点；
另一种是直接利用大功率欺骗信号抢占接收机接收通道，“顶替”真实信号参与定位。
通过案例分析可见，欺骗式干扰主要依靠功率控制、同频入侵、修改信号参数等实施攻击，即通过信号“仿真”、直接制造“伪卫星”或者中继真实信号等方式，修改时钟参数、转发虚假导航电文、增加信号传播时延等，以此产生功率略高，且与真实信号同频、同格式的欺骗信号，使得接收机被欺骗“接管”。欺骗式干扰的过程并非一次性成行，而是渐进式的，可分为2种：一种是直接高功率控制，然后信号同步；
另一种是首先进行同步渗透，然后进行动态控制［4］。如图2所示。
图2 欺骗式干扰接管过程
生成式干扰预先接收卫星信号，解调伪码、导航电文、时钟参数等关键信息，然后生成相关性强的“仿真”伪码信号，并对星历、时钟等参数进行篡改，以此产生与真实信号同频、功率高且格式一致的欺骗信号，诱惑接收机捕获、跟踪。此种干扰对公开信号十分有效，但是对于军码无法应用。转发式是将接收到的卫星信号中继延迟，经功率放大后转播，或者直接转发某一时间、地点记录的卫星信号，接收机捕获、解调欺骗信号中的延时伪距、虚假参数进行定位，造成结果偏离［3，6］。该干扰无需知道信号结构，因此对于军码、民码信号都适用。混合式是直接利用信号模拟源人为制造同频虚假信号，并存储在干扰源内，然后通过功率放大、时延后播发虚假信号，引诱接收机捕获、跟踪。
综合可见，欺骗式干扰的第一关就是信号同频，只有实现频率相同，才能让虚假信号“混入”接收机通道，才能实施虚假解调和定位。这针对卫星信号是十分容易的，也是抗干扰要解决的根源问题。
宽窄巷组合是将多个单频信号按照一定的规则进行线性组合，人为创造出具有不同频率的虚拟信号［5］。这就可实现卫星信号的定频向变频的转换，破坏欺骗式干扰需要同频的首要条件。在此过程中，不仅可借助先验信息检测、识别欺骗式干扰信号，而且可利用虚拟频率产生虚拟测量值，在程序和人为参与下进行定位解算，进而对抗干扰。
线性组合是将不同频率的载波相位测量值进行线性运算，获取新的载波相位测量值。这个组合体现在2个方面，一是不同信号频率之间的合成，二是不同频率波形之间的叠加。以2个信号为例，假设2个信号的载波相位观测值分别为ϕ1、ϕ2，则对应的载波相位观测方程为：
式中，λ1、λ2表示 2个信号的载波波长，f1、f2表示信号频率，R表示接收机至“北斗”卫星之间的几何距离，δtu、δts、I、T、N、ε分别表示接收机钟差、卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、整周模糊度和测量噪声。
对2个信号进行线性组合，可得新载波相位测量值为：
式中，k1、k2为组合系数。
将式（1）、（2）代入式（3），可得：
可令：λ(k1，k2)=(k1/λ1+k2/λ2)-1，表示新载波相位ϕ(k1，k2)的组合波长。
可见，经过组合，信号波长发生了变化，频率也发生了变化，通过调整不同的系数k1、k2，就可获取不同的合成频率，以此规避欺骗式干扰的同频攻击，避免干扰信号影响解调解扩、定位解算等环节。
式（4）中新载波相位的组合波长具有诸多选择，随系数变化。为了达到优佳组合模式，避免频率间的互扰，可通过2种方式对频率进行组合，即宽巷组合和窄巷组合［5］。宽巷组合是长波长、小频率的组合，2个信号合成频率越小，其组合波长越长，宽巷特性越明显。窄巷组合是短波长、大频率的组合，2个信号合成频率越大，其组合波长越短，窄巷特性越明显。
对2个信号而言，令k1=1，k2=-1，则有：
则宽巷组合波长和合成频率分别为：
由此，可得以米为单位的宽巷组合表达式为：
令k1=1，k2=1，则有：
同理，可得窄巷组合波长和合成频率分别为：
则以米为单位的窄巷组合表达式为：
通过上述推导可知，宽巷信号的合成频率更小，窄巷信号的合成频率更大，完全避开了原有单信号频率，极大地增强了抗干扰裕度和效能。
通过上述分析可知，宽窄巷组合能对抗同频干扰的问题，但是欺骗式干扰还有另一个攻击点，即修改卫星信号参数，包括时钟参数、卫星星历等［7］。为此，本节在宽窄巷组合基础上，提出一种耦合差分思想的思路，进一步对抗欺骗式干扰。
将宽窄巷组合与载波相位差分进行耦合，通过宽巷、窄巷组合下的单差、双差等模式进行干扰检测、消除和定位解算，逐级增强抗干扰效能。利用宽窄巷组合生成新的虚拟观测量，大大降低单频测量中干扰信号参与定位解算的影响，通过冗余观测降低干扰信号权重。差分的目的在于消除测量自身和干扰引入的卫星钟差、接收机钟差、卫星星历误差、大气延迟误差等系统性和欺骗性信息，而这恰好是破坏欺骗式干扰实施的另一个必要条件。
基于宽窄巷组合的差分技术，立足设计层可分为四种架构和实施策略。第一种是基于卫星接收机自身：对同一卫星的多频信号进行宽窄巷组合，得到变频后的单差载波相位测量值，然后在2个历元上再进行一次差分，获取双差测量值，借助双差测量值随时间的变化率判别干扰、放弃跟踪，并利用剩余双差测量值进行定位。第二种是基于地面基准站的辅助：基准站与移动站同步观测同一卫星多频信号，利用宽窄巷组合，获取单站上信号间的单差载波相位测量值，同时通过空间数据链路，将移动站数据回传至基准站进行单差对比，获得双站间双差测量值，通过双差判别，剔除被干扰的宽窄巷组合；
然后基准站将此干扰预警信息上传至移动站，并附带上传已嵌入正确卫星钟差、星历参数及时延等信息的虚拟卫星信号，使得移动站鉴别干扰，并利用虚拟卫星信号定位。第三种是基于双天线的测量［9］：这是第一种架构的扩展演变，将单天线变成2个天线，且同属一个处理单元，天线间距离、方位精确标定，双天线同时接收同一卫星的多频信号，将双天线接收的多个不同频信号按照交叉频点进行宽窄巷组合，以此获取不同天线上交叉频点间的单差载波相位测量值，此种方法可以在单差中直接消除卫星钟差、接收机钟差、卫星星历误差等；
同时，借助天线间的固定距离、方位，获得信号载波相位差，以此判别、剔除干扰信号。第四种是基于不同卫星间多频信号：接收机同时接收2个以上卫星的多频信号，首先对每个卫星的多频信号进行宽窄巷组合，求得单差载波相位测量值，然后将不同卫星在同一时刻的单差进行组合，获得双差测量值，通过单差测量值对比判断有无干扰，借助双差判别放弃被干扰测量值，并利用剩余双差测量值进行定位。如图3所示。
图3 四种架构示意图
结合宽巷、窄巷组合特点，鉴于干扰抑制重点在于排除干扰、实现定位，可容忍一定容量的误差存在，但不能出现失锁现象。为此，宽巷组合更适合于第一、四架构，窄巷组合更适合于第二、三架构。
3.2.1 基于卫星接收机自身的宽巷双差
设接收机测量同一卫星的双频信号，单差宽巷载波相位测量值为Φ(1，-1)，对应的合成频率为f(1，-1)。设2个测量时刻为t1、t2，则双差宽巷载波相位测量值为：
式中，R12为2个时刻的双差几何距离，包含着接收机位置信息；
T12为双差对流层延迟；
I112为第一个信号双差电离层延迟；
N12为双差整周模糊度；
ε12(1，-1)(1，-1)为双差测量噪声。由于同属一个接收机，则双差消除了卫星钟差、接收机钟差，以及大部分的卫星星历误差；
同时，T12、I112也接近于零，代价是ε(1，-1)12增加到单信号的数倍，致使定位精度不高。
在这个过程中，通过双频信号之间的宽巷组合，获得虚拟波长和频率的拍频信号，以此得到新的单差测量值，可通过单差测量值随时间的平滑性分析，发现、查找干扰信号参与的宽巷组合，然后借助双差测量值时间变化率微小、稳定的特点，进行二次判别，以此识别并放弃干扰信号，利用剩余双差测量值进行定位。
3.2.2 地面基准站辅助的窄巷双差
利用基准站数据对移动站数据的正确性进行判别，并辅助移动站定位。基准站可解算出整周模糊度，而将移动站的整周模糊度与位置坐标作为未知参数共同解算。这样就可以利用窄巷组合噪声小、精密定位的优势。
设基准站J与移动站U同步观测同一卫星双频信号，可得单差窄巷载波相位测量值为Φ(1，1)J、Φ(1，1)U，对应合成频率为f(1，1)，单差不仅实现了变频，而且彻底消除了卫星钟差、接收机钟差。在2个测站之间，可得双差窄巷载波相位测量值为：
式中，RJU为2个测站间的双差几何距离，包含接收机位置参数；
TJU为双差对流层延迟，其大小取决于2个测站间的高差，在低空情况下可忽略不计；
I1JU为第一个信号双差电离层延迟，接近于零；
N(1，1)JU为双差整周模糊度；
ε(1，1)JU为双差测量噪声，其值降低至单信号的一半左右。
由此可见，通过双差，进一步消除了星历误差、大气延迟等，可将接收机位置坐标、整周模糊度作为未知参数进行解算。在此过程中，由于干扰具有指向性，而基准站数据无干扰，则以此为准，借助双差判别，剔除干扰，可提高抗干扰效能。
3.2.3 双天线测量的窄巷双差
设天线w1、w2同时测量同一卫星的s1、s2信号，可得不同天线上不同信号的载波相位测量值分别为、Φs2w1、Φs1w2、Φs2w2，将2个天线间不同信号通过交叉进行窄巷组合，可得2组窄巷载波相位测量值：
则可得双差窄巷载波相位测量值为：
将式（1）、（2）代入式（19），可得：
在式（20）中，N(1，1)w1w2与N(1，1)w2w1均属于双差窄巷整周模糊度，两者数值相等、符号相反，在公式中可直接抵消；
由于2个天线相距不远，则运算过程中同信号的卫星钟差、接收机钟差、星历误差、大气延迟、测量噪声等相互抵消。由此，式（20）只成为天线位置的函数。如果存在某个双差窄巷载波相位测量值突变，则预示着有干扰存在，可直接剔除此测量值。
3.2.4 不同卫星间多频信号的宽巷双差
设接收机同一时刻测量卫星M1、M2的双频信号s1、s2，可得单差宽巷载波相位测量值为Φ(1，-1)M1、，对应合成频率为f(1，-1)，则对卫星M1、M2 的单差进行组合，可得双差宽巷载波相位测量值为：
在单差中消除了卫星钟差、星历误差，在双差中消除了接收机钟差、对流层延迟。但是这个过程中整周模糊度、电离层延迟、测量噪声没有消除，整周模糊度需要参与解算，电离层延迟需要进行改正，测量噪声有明显的增强。在实际应用中，可能存在运算量较大、误差影响大的情况。
本节提出的四种架构立足四个角度、场景进行策略应用。基于卫星接收机自身的宽巷双差，具有良好的战场自适应性和应用灵活性，适合独立编队、深入敌方区域、需要自主导航的武器平台。从自我检测、识别，到抑制，可形成一套内循环，实现武器平台独立抗干扰［8］；
宽巷组合后的长波、窄频在数据处理和定位解算上具有一定优势，双差对各类测量误差的消除彻底，在工程化实现上相对便捷，但是其无法获得外界信息的辅助判别，可能出现一定的漏警率。
基于地面基准站辅助的窄巷双差，这个过程相对复杂，一是基准站要具备一定的分析、研判、信号重组、预警指令发射功能，二是移动站和基准站之间信息传输要求时间同步；
这个策略更适合于具备一定地面技术力量支撑的武器平台，且要保证武器平台与基准站的互联互通，适用范围一般在110 km之内，由于基准信息的辅助决策，在一定程度上降低了虚警率，提高了可靠性和安全性，军事价值比较明显，尤其是在战场环境下，可借助卫星中继，将极大提升作战效能。
双天线测量的窄巷双差，借鉴了天线阵技术，兼顾了第一、二架构，既有基于接收机自身的对抗，又增加了一定的约束条件，以双天线互为参考，提高了干扰识别的预警率，使得对抗可靠性、稳定性更好，适合于异地远程或编队协同执行任务的武器平台。
不同卫星间多频信号的宽巷双差，在单一卫星系统的应用上存在解算参数多、复杂度高的情况，但是其可兼容不同卫星系统，以此获取不同卫星信号的组合，增加抗干扰的鲁棒性，如果单一卫星系统受到干扰，则可利用多系统兼容的特点在时域、空域上扩大抗干扰自由度［9］。
上述四种架构可在信号、时间、卫星数上自由扩展，对于三个及以上不同卫星信号的线性组合同样适用，获取的宽窄巷组合将会更加稳健，但会存在计算量大、核心处理功耗大、对接收机性能要求高、多源数据归一化难等问题［10］。因此，需要兼顾平衡，突出重点，结合具体实际优选。
抗欺骗式干扰受到了广泛关注，其在战场上的应用研究更是一个热点问题。本文结合欺骗式干扰演真扮像、同频干扰、诱骗接管等特点，提出了借助变频抑制干扰的宽窄巷组合载波相位差分思路。首先，结合欺骗式干扰案例分析，论证欺骗式干扰实现的技术途径，指出同频入侵、修改信号参数是其实施攻击的2个必然要素；
然后，针对同频入侵，创新引入宽窄巷组合技术，为定频向变频的转换提供条件，创造出具有不同频率的拍频信号，以此规避干扰影响；
同时，针对修改信号参数的攻击点，提出在宽窄巷组合基础上耦合差分思想的思路，设计了基于卫星接收机自身、地面基准站辅助、双天线测量、不同卫星间多频信号等四种架构的总体技术路线，并对四种实施策略进行了理论推导，对应用场景和效能进行了分析评估。本文的研究可为欺骗式干扰对抗提供一种新颖的思路，但相关策略只是基于理论推导，对一些技术细节、工程化途径等还需深入研究，以便理论结合实践，进一步优化、完善架构和策略，提高工程化应用成效。
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