一种简易GPS压制式高斯白噪声窄带干扰机设计

第21卷第6期航天电子对抗15

一种简易GPS压制式高斯白噪声窄带干扰机设计

*

周 颖,邹 斌,郝 冰,张庆源

(哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院,哈尔滨 150001)

摘要: 针对GPS信号的特点,分析了压制式干扰信号功率与干扰距离之间的关系。根

据这一理论,研究了GPS干扰机的设计方案,制作了干扰机并对其性能进行了分析。实验结

果表明文中所设计的干扰机可以在2km范围内实现对GPS的有效干扰。

关键词: GPS;C/A码;干扰机

中图分类号: TN972;TN967.1 文献标识码: A

DesignofasimpleGPSjammerusingGaussianwhitenoi

ZhouYing,ZouBin,HaoBing,ZhangQingyuan

(InstituteofElectronicandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,

Haerbin150001,China)

Abstract:AccordingtothecharacteristicsofGPSsignals,thejammingpowerandeffectivejammingrange

areanalyzed.Usingthetheory,aGPSjammerisdesignedandimplemented.Theexperimentresultsshowthat

thejammerdesignedcaneffectivelyjamtheGPSreceiverwithin2km.

Keywords:GPS;C/Acode;jammer

1 引言2 压制式干扰理论

GPS以其能够在全球范围内向各类用户全天候GPS信号采用两种伪码调制,即粗捕获码(C/A

不间断地提供高精度的三维位置、三维速度和时间基

准,而且通用性强,用户接收设备简单等优势,占据了

导航领域的核心地位,是目前世界上最先进的导航定

位系统,也是军用导航的首选定位系统。

现代战争已经进入了导航战的时代,谁能在战争

中拥有对导航定位的主导权,谁就多赢得一枚胜利的

筹码,因此研究GPS的干扰与抗干扰问题具有十分重

要的意义。目前,世界上不少国家都开展了GPS的干

扰研究,美国、英国、俄罗斯等国家的小型成品GPS干

扰机相继问世。有一种小型GPS干扰机以8W的发

射功率可以在无遮蔽情况下对不加抗干扰措施的民用

C/A码接收机达到上百千米的干扰效果。

本文设计了一种可干扰近距离民用GPS接收机

的小型压制式干扰机,干扰距离达到2km,具有成本

低、性能高、结构简单、携带方便等优点。

*哈尔滨工业大学校基金资助(HIT.2002.07)

收稿日期:2005-04-01;2005-07-13修回。

作者简介:周颖(1977-),女,硕士,研究方向为GPS干扰;邹斌

(1968-),男,副教授;郝冰(1976-),男,硕士。

码)和精密码(P(Y)码)。其中C/A码仅调制在L

1

(1575.42MHz)频段上,而P(Y)码同时调制在L和

1

L(1227.6MHz)两个频段上。由于GPS信号是由距

2

地面20200km处的卫星所发射出来的,到达地面时的

信号强度非常微弱,其中L频段上的C/A码到达地

1

面时的功率为-159.6dBW,因此可以考虑采用压制

式干扰。

压制式干扰是通过GPS干扰机发射同频率大功

率的噪声信号以阻塞GPS信号频带,使敌方GPS接

收机降低或完全失去正常工作能力。压制式干扰包括

连续波干扰、噪声带限干扰、相关干扰等多种方式,干

扰方式不同干扰效果也不尽相同。对于压制式干扰可

以采用宽带干扰也可以采用窄带干扰。窄带干扰只覆

盖GPS信号的带宽,对于C/A码而言,窄带干扰带宽

为1MHz。宽带干扰不仅覆盖GPS信号的频谱宽度,

而且覆盖了接收机的整个带宽,通常是GPS信号带宽

的2倍,对于C/A码而言,约为2~3MHz。

由于高斯白噪声窄带干扰产生设备简单,干扰效

果良好,是一种性价比很高的干扰方式,因此本文采用

16航天电子对抗2005(6)

高斯白噪声窄带干扰方式。噪声;信号合成部分产生稳定的载波,并将噪声信号调

制到载波上;合成后的干扰信号通过发射电路经天线压制式干扰机的干扰效果是由辐射信号功率决定

辐射出去;电源电路为上述各部分电路供电。压控振

荡器产生所需要的1575.42MHz载波频率,为了保证

频点的稳定,采用锁相环电路来调节频率。由噪声源

产生的窄带高斯白噪声以调频的方式被加载到锁相环

产生的载波上,通过调节噪声幅度来改变锁相环输出

频率的带宽,形成所需要的窄带干扰信号。但是锁相

环输出的信号功率很小,需要进行功率放大,放大后的

信号将通过全向或者定向天线辐射出去。下面将具体

介绍每一部分的设计过程。

3.1 信号合成电路

信号合成电路主要是指锁相环的设计。由于要设

计的窄带噪声干扰机的带宽与C/A码带宽相同,如果

中心频点不准确,就会使得通带内的干扰信号强度降

低。而且GPS采用了直接序列扩频技术,如果不能完

全阻塞GPS信号,将会使干扰效果大大减弱。为了避

免这一情况的发生,需要有稳定的载波频率,因此采用

锁相环电路,如图2所示。

的,接收机的抗干扰能力表现为干扰容限的大小,捕获

状态下接收机的干扰容限为:

M=G-(L+S/N)(1)

jps

式中,M为GPS接收机的干扰容限;G为接收机的

jp

处理增益;L为接收机相关器的处理损耗;S/N为接

S

收机相关器的输出信噪比。

GPS接收机的处理增益即伪码扩频序列的处理

增益,对C/A码来说,单位频率(Hz)上的处理增益G

p

=60dB。典型的接收机相关器损耗大约在1.5~2.5

dB范围内,采用不同码跟踪环结构的接收机会有不同

的S/N值。按照目前性能比较好的接收机来计算,

S/N约为14dB。将以上数值代入公式(1),可以得出

C/A码接收机的干扰容限为44dB。这个容限是在接

收机跟踪载波信号和码信号之前。当接收机的载波环

和码环进入锁定状态时,由于环路带宽的减小,会附加

6~7dB的增益,这样在跟踪状态下的干扰容限可以达

到50dB,甚至53dB。

当干扰信号衰落到刚好达到GPS接收机的干扰

容限时,干扰机与接收机之间的距离就是干扰机的最

大作用范围,可以通过下式来估算:

K

1

J

t

d=(2)

4P2S(S/N)

r

1/2

式中功率项单位为W,K为干扰信号波长(m);J为干

t

扰信号发射功率(dBW);S为GPS信号最低接收功

r

率(dBW)。

由式(2)可知,100mW的干扰距离就可以达到

2km,因此下面我们将具体设计一个100mW的小型

GPS干扰机。

图2 信号合成电路原理图

压控振荡器(VCO)应该选择频率带宽尽量小、信

噪比尽量高的器件。可以选用MINI公司生产的

ROS-1600PV集成芯片,输出信号稳定,噪声系数小。

如果从成本上考虑,也可以选择上海俊英科技的UM-

01,但是该芯片的载波输出频带过宽,而且信噪比低。

锁相环中所需的标准参考频率由一个10MHz的温补

晶振来提供。由于高频段的鉴相器大多价格昂贵,不

易采购,而且锁相精度难以达到要求,因此可以先将参

考频率和实际输出频率分别进行降频处理,使得最后

的鉴频过程可以在低频段内完成。低频鉴频器的选择

范围很大,只要精度能够保证即可。这里,我们选择具

有可编程分频功能的鉴频器)))Motorola公司生产

图1 干扰机原理框图

3 干扰机方案

根据GPS信号的干扰理论,干扰机的基本结构如

图1所示。

的MC145151频率合成芯片,该芯片不单具有精度较

高的鉴频功能,而且可以为参考频率和VCO提供分干扰机的组成主要有噪声源、信号合成电路、发射

频,如参考频率所需要的512分频和VCO输出频率电路、电源电路四部分。其中噪声源提供窄带高斯白

2005(6)周颖等:一种简易GPS压制式高斯白噪声窄带干扰机设计17

的第二次315分频,都可以由该芯片来实现,从而提高就可以实现2km左右的干扰目标。考虑到实际的衰

了整个电路的集成性。当输入频率高于参考频率时,减损耗,按照200mW进行设计,即23dBW。这部分的

鉴频器输出负脉冲;当输入频率低于参考频率时,鉴频电路原理如图4所示。

器输出正脉冲;当输入频率与参考频率同频同相时,鉴

频器输出高阻状态。

鉴频器的输出近似于方波信号,而VCO的调节

输入端则需要线性斜升信号,因此需要在鉴频器和

VCO的调节端之前加入波形变换电路。由方波变为

线性斜升波形,可以采用集成的波形变换芯片,也可以

利用电容充放电特性,搭建比较简单的积分电路。这

里利用电容充、放电特性产生的波形作为近似线性信

号:当鉴频器输出正脉冲时,电容充电,VCO调节输入

端的电平被线性拉升;反过来,当鉴频器输出负脉冲

时,VCO调节输入端的电平被线性降低。

由于分频后的输入频率与参考频率之间有5Hz

左右的偏差,这将使得VCO的实际输出频率产生

2MHz左右的偏差。为此,可以在温补晶振的两端各

串联一个十几皮法的小电容对温补晶振的震荡频率进

行微调,通过调整这两个小电容的容值,可以使VCO

的输出频率中心能够精确达到1575.42MHz。

3.2 噪声源的设计

高斯噪声的产生可以采用比较简单的方式,即利

用齐纳二极管的反偏特性。将耐压值为6.8V的齐纳

二极管反向偏置,使之雪崩击穿,就可以得到从音频到

100MHz的噪声。但是这样产生的噪声信号幅值很

小,如果要加到压控振荡器上,使压控振荡器的输出产

生相应的噪声波形,还必须经过放大处理,同时考虑到

压控振荡器调节端的输入要求,要对噪声信号的频率

进行一定限制。为此可以采用LM386音频功率放大

器,该芯片不但可以对噪声进行放大,同时具有低通滤

波的功能,其实际输出噪声带宽约为300kHz,可以达

到压控振荡器的输入要求范围,其原理如图3所示。

图4 发射电路原理

为了使发射电路部分工作稳定,并能获得较高增

益,我们采用两级推动。第一级为缓冲放大,为减轻

VCO的负担,可以选择增益较低的小信号放大器,在

为VCO提供508匹配电阻的同时,还可以作为隔离

器件,减小后级对前级的影响。在高频电路中,电阻匹

配是非常重要的,如果电阻不匹配,将引起驻波,阻塞

信号的传输。这里采用Sirenza公司的高频放大器

SGA-6289,可以得到大约5dBm的输出信号,而且信

号畸变较小。末级应采用增益比较高的放大器,主要

参考值为P1压缩点值。可以使用WJ公司的

AH101,增益13dB,P1压缩点为+27dBm(约为

500mW)。替代芯片可以选用WJ公司的AH1和

AH102。这样最终所得到的发射信号强度为20~

25dBm,完全可以达到200mW的发射功率。

在天线的选择上,可以使用全向天线,其优点是信

号辐射能量各向分布均匀,缺点是能量过于分散。当

已知敌方接收机方位时,可以采用定向天线进行集中

干扰。

3.4 电源选择

根据上面的设计,电路中对电流的需求不高,总计

不超过600mA,对电压的要求为5V和9V两种,因此

可以用12V充电电池作为电源,然后通过稳压可以得

到+5V和+9V的直流电压。电源稳压芯片可以选

择线性电源芯片,也可以选择开关型电源芯片。这里

采用开关型电源芯片LM2576S和LM2941S,开关型

芯片虽然外围电路比线性芯片复杂,但是转换效率高、

发热量低、便于集成。

图3 噪声源电路原理

4 干扰机的测试

按照前文所述的干扰机方案可以制造出一台小型由于最后得到的干扰信号带宽是由噪声幅度进行

GPS干扰机,如图5所示。经过测试,VCO输出信号调节的,因此要在噪声电路输出端增加一个电位器,用

频谱如图6所示。可以看出,干扰机输出频点准确,噪以调节噪声幅值。

声干扰很小。3.3 发射电路

图7给出干扰机最终输出信号的频谱。从图中可根据前面的分析,可以确定100mW的发射功率

18航天电子对抗2005(6)

以看出,加入噪声后,信号频谱被展宽,峰顶带宽约0.8RTK4000双频GPS测量系统。该系统能够通过L1/

MHz,20dBm处带宽为1MHz,最大带宽4MHz。最L2频段上的C/A码和P码进行静态或动态定位,定

位精度达到厘米级。测试地点尽量避开楼群密集的环

境,干扰机放置于距地面约35m的十楼室内,天线水

平指向窗外。RTK4000测量系统置于地面。测试数

据如表1所示。

从测试数据可以看出,本干扰机最佳作用范围为

2km,有效影响范围2.8km,完全达到了预期指标。

表1 干扰机测试数据

干扰效果距离/km

RTK完全失锁<2

RTK间断性失锁2~2.2

2.2~2.8RTK解算数据有较大偏差

>2.8RTK可以正常工作

图5 小型干扰机实物图

5 结论

本文从分析压制式干扰理论入手,讨论了干扰功

率与干扰距离之间的关系,确定了在预期要求的干扰

范围内所需要的干扰信号强度,并按照这个要求,设计

出一款简单实用的小型GPS干扰机。本文介绍了干

图6 VCO输出信号频谱

扰机的整体构成,给出了各部分的具体设计过程及器

件选择,并作了整机测试。实验结果表明,本文所设计

的干扰机完全达到了预期指标,对设计大功率压制式

C/A码GPS干扰机具有参考意义。u

参考文献:

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图7 干扰机输出信号频谱

高信号功率约为22dBm,有效信号功率(1MHz带宽

处)20dBm,即100mW,完全达到了设计要求。

经过48h不间断运行观察,当内部温度在0~

70e之间变化时,观察不到干扰机有频率漂移现象,证

明锁相环电路工作稳定,干扰机性能可靠。

实际测试使用因泰克计算机技术有限公司生产的