转发式gps欺骗干扰机的仿真建模与实现.docx
《转发式gps欺骗干扰机的仿真建模与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转发式gps欺骗干扰机的仿真建模与实现.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
转发式gps欺骗干扰机的仿真建模与实现
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
Abstract
Withthedevelopmentofthetechnology,TheGlobalPositionSystemhasbeenusedwidely．ThenewapplicationofGPStechnologyinthemilitaryfieldishowtodestroyenemyNavigationsystemandenshroudeffectivelyourselvesutilizingtheGPScountertechnology．IntheGPSinterferencetechnology,theretransmittedjamminghastheadvantagesoflowsendingpower,unawarenessofthePRNcodestructureofGPSsignalandsimpleimplementation．
Theretransmittedjammingprincipleisstudiedinthisdissertation．BasedontheanalysisoftheGPSpositiontheory,theeffectofjammingprototypeisstudiedandeverypartofthejammingprototypeisanalyzed．Thedesignandimplementationofjammingprototypehavebeendonetoo．Theretransmittedjammingmethodmainlymakesuseofsignal’snaturaldelay,sothejammingsignaliscompletelythesameasnavigatingsignal，exceptforthedifferentlydelaytime．Besides，thepowerofretransmittedjammingsignalisgreaterthanthenavigationsignal，SOGPSreceiverwillprobablyreceivethejammingsignal，whichresultsinit’sgettingthefalsepseudorangeandnotbeingpositionprecisely．
Atthefirstandthesecondchapter,InotonlyexplainthedevelopmenthistoryandthedevelopingsituationofGPSindetail,butalsoestimateroughlyitsdevelopmentdirection,inaddition,thebasiccomponentsofGPSissimplysummarized．Atthethirdchapter,themaincontentisthatthefunctionofjammingprototypeisthemodularizationdesigned．Thewholemoduleisdividedintothreepartsincludingsignal-receivingunit，jammingsignalgenerationunitandjammingsignaltransmissionunit,andthefunctionofeachpartisdescribed．Thefourthchapteremphasizesanalyzingandcomparingdifferentsimulationresultinbrief,whichcanbeusedofcheckingtheauthenticityofthetheorybasis．
Keywords：
GPS，RetransmittedJamming，Modularizationdesigned，Simulation
目录
1引言1
2GPS简介及发展现状3
2.1GPS简介3
2.2GPS分类及应用特点3
2.3GPS发展现状4
2.4GPS发展前景4
2.5GPS信号5
3转发式GPS欺骗干扰机7
3.1干扰机7
3.2转发式干扰简介7
3.3转发式GPS欺骗干扰机课题的提出8
3.5转发式GPS欺骗干扰机设计要点10
3.6转发式GPS欺骗干扰机发展方向11
3.7建立转发式GPS欺骗干扰机动态模型12
3.7.1干扰信号接收单元的实现13
3.7.2干扰信号发送单元的实现16
3.7.3干扰信号生成单元的实现18
4仿真效果分析22
4.1GPS信号生成22
4.2GPS信号的延时转发23
4.3GPS转发信号的干扰25
5结论27
6致谢28
7参考文献29
1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GlobalPositioningSystem（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3—10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。
2GPS简介及发展现状
2.1GPS简介
全球定位系统（GlobalPositioningSystem）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。
2.2GPS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
2.3GPS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-SCDMA——3G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。
2.4GPS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。
2.5GPS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=1575．42MHz，L2载波的频率f2=1227．6MHz。
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10．23MHz，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3.1GPS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（GlobalPositioningSystem）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，GlisieS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3.2GPS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
升级会员 