基于一體化平臺(tái)的導(dǎo)航對(duì)抗系統(tǒng)

董喬忠，趙洪冰，王洪靜

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

綜合一體化電子戰(zhàn)系統(tǒng)的概念最初由美國(guó)海軍在20世紀(jì)80年代提出，其發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段，目前典型的先進(jìn)一體化電子戰(zhàn)系統(tǒng)是以美國(guó)“寶石臺(tái)”計(jì)劃和“先進(jìn)多功能射頻概念（AMRFC）”試驗(yàn)系統(tǒng)為代表，在第3代一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用統(tǒng)一電子網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)傳感器系統(tǒng)一體化，實(shí)現(xiàn)了不同物理位置模塊間的互聯(lián)和綜合。在信號(hào)處理方面，國(guó)外新一代的綜合一體化電子戰(zhàn)系統(tǒng)中基本實(shí)現(xiàn)了功能軟件模塊化，在通用的硬件平臺(tái)上，通過(guò)調(diào)用不同的軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，一體化程度較高。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是精確打擊武器的重要保障，如果能使戰(zhàn)區(qū)內(nèi)所有使用衛(wèi)星導(dǎo)航的敵作戰(zhàn)平臺(tái)、制導(dǎo)武器收到錯(cuò)誤的導(dǎo)航信號(hào)而引起自身定位錯(cuò)誤，將使導(dǎo)航制導(dǎo)武器精度下降，削弱敵軍在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)。目前，世界上各軍事強(qiáng)國(guó)均在大力開(kāi)展導(dǎo)航系統(tǒng)干擾技術(shù)的研究工作，以爭(zhēng)取未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的干擾，一般認(rèn)為分為硬殺傷和軟殺傷。國(guó)外對(duì)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)過(guò)5代，分別屬于以下4種類型：破壞發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電路／破壞跟蹤環(huán)路／不破壞跟蹤環(huán)路但人為加入誤差／干擾GPS系統(tǒng)。目前GPS 干擾機(jī)幾乎都是針對(duì)民用信號(hào)，即對(duì)C／A 碼進(jìn)行干擾，如果導(dǎo)航接收機(jī)是由C／A 碼引導(dǎo)捕獲P碼，該方式也能對(duì)軍用信號(hào)即P碼進(jìn)行干擾。

1 一體化信息對(duì)抗平臺(tái)

一體化信息對(duì)抗平臺(tái)強(qiáng)調(diào)硬件設(shè)備的通用性和軟件的靈活性，具備高性能、開(kāi)放性、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，通過(guò)軟件就可以方便、迅速地變換系統(tǒng)的工作體制和各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的功能，提高一體化信息對(duì)抗能力。

通用硬件平臺(tái)和多功能軟件系統(tǒng)是構(gòu)成一體化信息對(duì)抗系統(tǒng)的兩大要素，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）通用硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖1 一體化信息對(duì)抗平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 通用硬件平臺(tái)組成框圖

通用硬件平臺(tái)，主要由天線陣、射頻鏈路、A／D 與D／A、數(shù)字中頻處理單元、基帶信號(hào)處理終端、資源管理控制等環(huán)節(jié)組成，如圖2 所示。該硬件平臺(tái)的最大特點(diǎn)是具有通用性和可擴(kuò)展性，工作頻段寬，既支持窄帶（通信）應(yīng)用，又支持寬帶應(yīng)用（雷達(dá)或通信電子偵察／電子干擾）；既可形成發(fā)射波束，又可形成接收波束；適應(yīng)信號(hào)類型多（通信／雷達(dá)／導(dǎo)航／敵我識(shí)別）。

共用天線陣用于采集空間信號(hào)或者對(duì)外輻射微波信號(hào)，收發(fā)組件用于將天線采集信號(hào)變換為微波射頻信號(hào)，或者將微波信號(hào)進(jìn)行功率放大送至天線發(fā)射。模擬下變頻完成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻、濾波、放大，輸出標(biāo)準(zhǔn)的中頻信號(hào)；模擬上變頻器完成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行上變頻、濾波、放大，輸出放大的信號(hào)；多路高速A／D 采樣負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，D／A 負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變。采用多路A／D、D／A 的實(shí)現(xiàn)多通道的陣列信號(hào)空域處理。A／D 與D／A 之后的所有單元組件通過(guò)系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)互連。在數(shù)字中頻處理單元，高采樣速率的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖、一系列的數(shù)據(jù)預(yù)處理（數(shù)字變頻、抽取、濾波、波束形成等），形成正交基帶信號(hào)，然后通過(guò)系統(tǒng)總線進(jìn)入基帶信號(hào)處理模塊完成信號(hào)的分析識(shí)別，特征提取和參數(shù)測(cè)量；電子干擾模式下由基帶信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)干擾波形產(chǎn)生，經(jīng)波束形成、數(shù)字上變頻等處理環(huán)節(jié)送至多路D／A；系統(tǒng)資源管理控制單元負(fù)責(zé)對(duì)導(dǎo)航對(duì)抗平臺(tái)的工作模式、系統(tǒng)資源進(jìn)行管理控制。大容量存儲(chǔ)模塊用來(lái)完成可重構(gòu)控制程序及控制指令的存儲(chǔ)。此外其他擴(kuò)展模塊提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、通用性。

2）軟件層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同用途軟件模塊的可移植性和可重用性，一體化平臺(tái)需要定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的、可互操作的軟件操作系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用軟件模塊構(gòu)成復(fù)雜，還要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件與硬件的隔離，充分保證硬件設(shè)備的通用性和長(zhǎng)期有效性。一體化平臺(tái)采用分層軟件架構(gòu)，支持軟件開(kāi)發(fā)、部署及移植過(guò)程中的靈活性。其層次架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件層次架構(gòu)示意圖

圖3所示分層結(jié)構(gòu)中，給出了軟件架構(gòu)各組成部分及其層次關(guān)系。軟件應(yīng)用與低層操作環(huán)境是分離的，提高了軟件應(yīng)用的可移植性；在應(yīng)用接口層，采用了軟件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口POSIX，提高了層次結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性；在硬件層次上增加了硬件抽象層，為不同硬件提供共同的接口定義。軟件層次架構(gòu)中需要定義的是對(duì)抗API和硬件抽象層API。對(duì)抗API為應(yīng)用提供了訪問(wèn)平臺(tái)資源等的接口，硬件抽象層API提供了硬件模塊之間及其內(nèi)部的物理和邏輯的接口。

軟件層次架構(gòu)中的API是保持相互協(xié)調(diào)和相對(duì)穩(wěn)定的，保證軟件應(yīng)用在不同平臺(tái)上的可移植性和應(yīng)用間的互操作性。

采用分層式軟件體系結(jié)構(gòu)，可以在很大程度上簡(jiǎn)化模塊之間的接口關(guān)系，有效降低模塊之間的耦合度，可以合理地分配系統(tǒng)資源，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步提高軟／硬件的可重用性。

2 導(dǎo)航對(duì)抗設(shè)計(jì)

導(dǎo)航系統(tǒng)主要由空間星座、地面測(cè)控站和用戶終端三部分組成，其中存在兩條信道：一條是地面站到衛(wèi)星的上行信道，一條是從衛(wèi)星到用戶的下行信道。因此，干擾對(duì)象主要是這兩條信道和三個(gè)源。對(duì)源的干擾主要通過(guò)動(dòng)能武器等硬殺傷手段進(jìn)行毀壞，地面測(cè)控站和注入站分布在全球各個(gè)地方，即使破壞一處，依靠星上的空間鏈路，系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作。而對(duì)信道進(jìn)行軟打擊較為簡(jiǎn)單、可控。上行鏈路平時(shí)是不打開(kāi)的，只有在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)本土主控站上方時(shí)，上行鏈路才打開(kāi)注入衛(wèi)星星歷，上行鏈路中的加密措施也很完備，星對(duì)星的捕捉跟蹤在未知衛(wèi)星星歷時(shí)也有相當(dāng)難度。而下行鏈路的用戶接收機(jī)靈敏度很高，且下行頻率可以偵測(cè)得到，因此對(duì)下行鏈路實(shí)施攻擊是現(xiàn)實(shí)可行的。

導(dǎo)航對(duì)抗首先根據(jù)信號(hào)偵察的引導(dǎo)參數(shù)產(chǎn)生最佳壓制干擾信號(hào)，對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行短時(shí)間的壓制，迫使導(dǎo)航接收機(jī)從跟蹤轉(zhuǎn)入搜索；然后通過(guò)利用可重構(gòu)技術(shù)，發(fā)射欺騙干擾信號(hào)，使其不能使用幾何位置最佳的幾顆衛(wèi)星信號(hào)，從而大大降低導(dǎo)航接收機(jī)的定位精度，迫使高精度導(dǎo)航接收機(jī)不能進(jìn)行定位。

導(dǎo)航對(duì)抗最有效的方法便是對(duì)敵導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)施信息層干擾，即使敵導(dǎo)航系統(tǒng)接收虛假導(dǎo)航信號(hào)，造成作戰(zhàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤定位，武器系統(tǒng)虛假導(dǎo)航，大大降低敵武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行信息層無(wú)線攻擊技術(shù)主要采用產(chǎn)生式欺騙干擾技術(shù)。產(chǎn)生式欺騙干擾技術(shù)根據(jù)偵察得到的碼結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生與其相關(guān)性最大的偽隨機(jī)碼，然后調(diào)制與導(dǎo)航電文格式完全相同的虛假導(dǎo)航電文。修改某些星歷、時(shí)鐘等數(shù)據(jù)，使導(dǎo)航接收機(jī)接收錯(cuò)誤的電文信息，從而對(duì)敵導(dǎo)航接收機(jī)形成干擾。

通過(guò)信號(hào)偵察和碼型識(shí)別技術(shù)，獲得偽碼生成方法（生成多項(xiàng)式）和外部調(diào)制參數(shù)（載頻、碼速率）后，就可以產(chǎn)生出與導(dǎo)航信號(hào)具有相同參數(shù)、但是加載錯(cuò)誤星歷電文的假信號(hào)，并且這種假信號(hào)也可以可控實(shí)現(xiàn)比真實(shí)信號(hào)提前一點(diǎn)產(chǎn)生或落后一點(diǎn)產(chǎn)生。這種星歷電文數(shù)據(jù)可控、發(fā)射偽碼相位可控的方法將會(huì)使得接收機(jī)產(chǎn)生可控的衛(wèi)星位置的錯(cuò)誤信息（錯(cuò)誤的星歷電文給出），和可控的信號(hào)傳播延遲（錯(cuò)誤的偽碼相位給出），這樣在導(dǎo)航接收機(jī)端便會(huì)產(chǎn)生可控的錯(cuò)誤信息。實(shí)際操作中，通過(guò)慢慢地修改錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，能使得導(dǎo)航接收機(jī)在不知不覺(jué)中慢慢地偏離預(yù)定航跡。

導(dǎo)航對(duì)抗軟件的功能組成如圖4所示，主要包括信號(hào)的偵察捕獲功能和攻擊功能。攻擊的層次分為物理層、信號(hào)層和信息層。物理層攻擊針對(duì)導(dǎo)航信號(hào)使用的電磁頻譜，信號(hào)層攻擊針對(duì)導(dǎo)航的信號(hào)空間，信息層攻擊針對(duì)導(dǎo)航電文攜帶的信息。

3 導(dǎo)航對(duì)抗軟件

1）導(dǎo)航對(duì)抗應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

導(dǎo)航對(duì)抗應(yīng)用軟件采用參數(shù)化、模塊化的構(gòu)成，配合其它專用軟件模塊，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)偵察、干擾等多種不同功能。導(dǎo)航對(duì)抗軟件的組成設(shè)計(jì)如圖5所示。

2）導(dǎo)航對(duì)抗應(yīng)用軟件與平臺(tái)的集成

圖4 導(dǎo)航對(duì)抗軟件的功能組成

圖5 導(dǎo)航對(duì)抗重構(gòu)軟件體系架構(gòu)

導(dǎo)航對(duì)抗應(yīng)用軟件按照信號(hào)的接收處理流程，劃分為AD 采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)字下變頻和抽取、信號(hào)傳輸、信號(hào)延時(shí)及疊加處理、數(shù)字上變頻、發(fā)射波束形成、D／A 變換、干擾樣本生成、干擾決策等模塊。各個(gè)模塊分別映射至平臺(tái)中FPGA、DSP、高速存儲(chǔ)器、GPU等不同的硬件資源，實(shí)現(xiàn)分布式部署和處理。部署后的模塊連接關(guān)系如圖6所示，使用硬件描述接口定義模塊間的互連，與平臺(tái)中的硬件組件進(jìn)行交互，使用配置文件提供平臺(tái)的信息和應(yīng)用的部署信息。

圖6 應(yīng)用部署示意圖

一體化導(dǎo)航對(duì)抗軟件與一體化平臺(tái)的集成設(shè)計(jì)如圖7所示。將AD 采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)字下變頻、抽取等功能模塊映射到采取預(yù)處理硬件中，完成信號(hào)的接收和檢測(cè)；將干擾樣本配置、數(shù)據(jù)延時(shí)、數(shù)字上變頻、發(fā)射波束形成分別映射到綜合處理模塊和DA 干擾模塊中，實(shí)現(xiàn)干擾。軟件的主控及顯示，映射到控制計(jì)算機(jī)。通過(guò)軟件模塊劃分和映射，充分利用硬件平臺(tái)的資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

信息化條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)上的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，以往那種彼此分立、功能單一的電子戰(zhàn)裝備已遠(yuǎn)不能適應(yīng)作戰(zhàn)需求，一體化和通用化已成為當(dāng)前電子戰(zhàn)裝備發(fā)展的重點(diǎn)和未來(lái)電子戰(zhàn)裝備總的發(fā)展方向。利用一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航對(duì)抗，可以充分發(fā)揮一體化平臺(tái)的綜合信息對(duì)抗能力，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)制信息權(quán)及主動(dòng)權(quán)有重要的意義?！?/p>

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