電子對抗手段干擾無人機GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)效能分析?

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264000）

1 引言

無人機具有隱蔽性強，探測困難和造價低廉，效費比高的優(yōu)勢，向當(dāng)前的防空作戰(zhàn)力量提出了巨大挑戰(zhàn)。無人機集群作戰(zhàn)是數(shù)量較多的無人機組成集群集體行動，具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化的特點。針對無人機集群，傳統(tǒng)的防空武器抗擊效果并不理想。一方面是因為無人機集群具有“低小慢”目標(biāo)特性，探測困難，而且對傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)制導(dǎo)跟蹤也提出了很大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)防空系統(tǒng)當(dāng)前處于“看不到”、“辨不清”、“打不了”的困難局面。而針對無人機集群這樣一個集成信息化作戰(zhàn)平臺，嚴(yán)重依賴于導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，軟殺傷具有明顯優(yōu)勢?，F(xiàn)有無人機多采用GPS/INS復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過壓制干擾GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，可以增大導(dǎo)航誤差，降低無人機作戰(zhàn)效能，成功起到抗擊效果。本文針對電子干擾壓制GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的影響進(jìn)行定量分析，為提高電子干擾無人機效能提出一些建議。

2 GPS系統(tǒng)組成及原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)采用碼分多址的通信體制實現(xiàn)導(dǎo)航信號的廣播。GPS衛(wèi)星星座由24顆導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成，在地球任何位置任何時間至少有4顆衛(wèi)星同時位于地平線以上，最多則可以達(dá)到11顆。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過兩種方法得到距離觀測量:一是測量偽距，即測量導(dǎo)航信號從GPS導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射到接收機的時間；二是測量載波相位，即測量GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號傳播過程中產(chǎn)生的相位差。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過對不同衛(wèi)星進(jìn)行偽距或相位測量，利用距離交會原理，聯(lián)立方程組，解算出接收機的空間位置［1～3］。

3 GPS天線方向圖

GPS接收機天線方向圖是向上的，具有抑制低空雜波信號和干擾信號的能力。GPS接收天線的方向圖如圖1所示。

圖1 典型的GPS接收天線方向圖

4 GPS干擾方程

對GPS導(dǎo)航系統(tǒng)實施壓制式干擾就是通過發(fā)射干擾信號使得進(jìn)入接收機的干擾信號強度高于GPS信號解擴的強度，使接收機無法截獲跟蹤GPS信號。

式中So為GPS接收機接收到的導(dǎo)航信號強度，Jo為GPS接收機接收到的干擾信號強度，Gk為GPS系統(tǒng)的擴頻處理增益，Kj為接收機的干擾容限。Ls為GPS信號在整個傳播過程中的系統(tǒng)損耗。

假設(shè)GPS干擾為全向天線，則GPS干擾方程為

式中Pj為干擾機發(fā)射的干擾信號功率Gj為干擾機發(fā)射干擾信號的天線增益，Grj為GPS接收機天線在干擾信號到來方向上的增益，Rt為GPS衛(wèi)星與GPS接收機之間的距離，Pt為GPS衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信號的功率，Gt為GPS衛(wèi)星天線在接收機方向上的增益，Grs為GPS接收機在GPS衛(wèi)星方向上的增益，Rj為GPS接收機與干擾機之間的距離［4］。

4.1 GPS/INS導(dǎo)航誤差分析

GPS系統(tǒng)定位精讀高，而且不會隨著時間造成導(dǎo)航誤差的積累，但是從衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號傳播到達(dá)接收機非常微弱，雖然采用了擴頻技術(shù)，但是抗干擾性還是很弱。INS系統(tǒng)短時間內(nèi)精讀較高，而且抗干擾性較強，但是存在積累誤差。即INS陀螺存在漂移誤差，而且系統(tǒng)導(dǎo)航誤差會隨飛行時間的增加而不斷增大。因此，人們通常將兩種導(dǎo)航方式結(jié)合起來進(jìn)而提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和抗干擾能力。GPS/INS導(dǎo)航是無人機常用的一種導(dǎo)航方式［4～5］。

對采用GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航的無人機而言，通過對其GPS導(dǎo)航系統(tǒng)實施壓制式干擾，那么GPS導(dǎo)航系統(tǒng)將無法提供正常導(dǎo)航，無人機只能通過INS獨立進(jìn)行導(dǎo)航。整個導(dǎo)航系統(tǒng)只有INS發(fā)揮作用，其漂移誤差無法得到修正，會隨著時間不斷積累［7～9］。由于INS系統(tǒng)的漂移誤差是隨機的，隨著時間積累，無人機的實際飛行航線會相對于計劃航線產(chǎn)生偏移，最終實際到達(dá)點相對于計劃到達(dá)點會有一個圓概率偏差，即實際攻擊位置不一定是計劃攻擊位置，不一定能夠命中目標(biāo)［10～12］。無人機的速度為v，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)受干擾的飛行航線長度為Rd，INS系統(tǒng)的角誤差漂移速度為σ°/s，則無人機實際飛行航線的角度的偏差為

無人機的圓概率誤差CEP為

4.2 干擾條件下的實際航路

假設(shè)自無人機進(jìn)入干擾范圍開始實施干擾，實施干擾的起始時刻為tS，終止時刻為tT。突防階段無人機保持勻速v飛行，若無人機飛至預(yù)定攻擊目標(biāo)位置Ri過程中，累計受干擾時長為ti，則最終到達(dá)攻擊目標(biāo)位置Ri的圓概率誤差可表示為

假設(shè)αi服從 [0,2π]上的均勻分布，r在[0,σCEPi]，[σCEPi，2σCEPi]，[2σCEPi，3σCEPi]區(qū)間內(nèi)均服從均勻分布，則αi可表示為

ri可表示為

式中rand是在［0，1］上均勻分布的隨機數(shù)，即rand的概率密度函數(shù)可以表示為

向量B滿足表1所示分布律。

表1 向量B的分布律

現(xiàn)在以無人機集群預(yù)定的攻擊目標(biāo)位置作為坐標(biāo)原點，建立直角坐標(biāo)系，那么xi=0,yi=0，實際攻擊位置坐標(biāo)為

5 算例及分析

某型要地防空武器系統(tǒng)具備電子干擾功能，可壓制來襲目標(biāo)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，要地重要防護(hù)目標(biāo)范圍直徑1km；來襲無人機集群為二類無人機，無人機飛行速度為300km/h，采用GPS/INS復(fù)合制導(dǎo)，INS系統(tǒng)角誤差偏移速度為1°/h。

通過Matlab進(jìn)行仿真計算，用蒙特卡洛法模擬無人機攻擊情況，模擬次數(shù)為2000次。

將無人機實際到達(dá)位置為以原點為中心的直徑為1km的圓內(nèi)則算作攻擊成功，那么通過統(tǒng)計，無人機最終攻擊成功概率P=0.4005；則電子干擾抗擊無人機成功概率Pr=1-P=0.5995。

無人機實際到達(dá)位置散布如圖2所示。

圖2 壓制距離為90km時無人機實際到達(dá)位置散布

當(dāng)壓制距離降低到60km時，無人機最終攻擊成功概率P=0.4150。則電子干擾抗擊無人機成功概率Pr=1-P=0.5850。

無人機實際到達(dá)位置散布如圖3所示。

圖3 壓制距離為60km時無人機實際到達(dá)位置散布

當(dāng)壓制距離降低到30km時，無人機最終攻擊成功概率P=0.4165。則電子干擾抗擊無人機成功概率Pr=1-P=0.5835。

無人機實際到達(dá)位置散布如圖4。

圖4 壓制距離為30km時無人機實際到達(dá)位置散布

最終在對GPS干擾距離分別為90km，60km，30km時，經(jīng)過蒙特卡洛仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，干擾成功的概率見表2。

表2 GPS干擾設(shè)備不同壓制距離下的干擾成功概率

通過仿真結(jié)果可知，當(dāng)GPS壓制干擾作用距離增大時，會增大GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航誤差，使得到達(dá)預(yù)定位置的偏差增大，壓制作用距離越大，干擾成功概率越大。

6 結(jié)語

根據(jù)仿真情況，為提高電子干擾武器干擾無人機集群GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)效能，應(yīng)該合理配置，充分提高干擾作用距離。一方面可以通過合理配置，充分發(fā)揮電子干擾武器效能，盡可能擴大壓制干擾作用范圍；另一方面盡量通過前期偵察觀測，確定來襲無人機集群方向，實施定向干擾，提高干擾作用距離。