转发式gps欺骗干扰机的仿真建模与实现所有专业(编辑修改稿)

转发式gps欺骗干扰机的仿真建模与实现所有专业(编辑修改稿)内容摘要：

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杭州电子科技大学本科毕业设计 8 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。 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。 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 制导武器占整杭州电子科技大学本科毕业设计 9 个精确制导武器的比例由海湾战争的 10％急增至 2020 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。 2020 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 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。 接 收机卫 星干 扰机d 1d 2d 3 图 GPS 干扰示意图 2020 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。 2020 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。 2020 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 , 接收机很杭州电子科技大学本科毕业设计 10 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 2020年至 2020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， 2020 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。 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 2020 年，为解决这个问题， Rabbany[6]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 所示： 星 载 转发 式 干扰 机功 率 放大本 振3 G H z本 振 3 G H z带 通 滤波1 5 7 5 .4 2 M H z1 5 7 5 .4 2 M H z 图 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 L[7]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。 杭州电子科技大学本科毕业设计 11 1999 年， Braasch M[8]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。 ① 伪码串行、载波串行 ② 伪码串行、载波并行 ③ 伪码并行、载波串行 ④ 伪码并行、载波并行 2020 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。 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。 杭州电子科技大学本科毕业设计 12 下 变 频L N AF I F O时钟控制D A CA D C上 变 频放 大 器信 号 接 收 单 元干 扰 发 送 单 元干扰生成单元 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 所示 ： G P S 卫星 导 航信 号 生成 模 块干 扰机G P S接 收天 线G P S接 收机 图 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 ： 图 GPS欺骗干扰机流程图 典型的转发式干扰 机 结构框图如图 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；干扰信号发送单杭州电子科技大学本科毕业设计 13 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。