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李 津，李鹏程，刘 博，何中翔
（电子信息控制重点实验室，四川 成都 610036）
随着无人机在民品和军品中的发展，且广泛应用于各类复杂的电磁环境中，特别是卫星导航干扰将逐渐成为无人机导航定位中的重要威胁。在卫星导航干扰的拒止环境下，压制干扰在一定范围内可以被调零天线去除[1]，比如：四阵元调零天线的抗单个压制干扰源有40 dB以上；
而欺骗干扰信号所携带的扩频码与真实卫星信号相同，欺骗干扰信号功率比真实信号略高，具有较强隐蔽性，从而诱使无人机上的卫星导航接收机错误地导航、定位和授时[2]。
由于军用无人机飞行中电磁环境复杂，美国DARPA早在2015年就开展了“拒止环境协同行动”（CODE）计划，具有该功能的无人机能在GPS长时间遭受电子攻击环境中继续自主导航定位，但主要是借助了其他导航手段，比如视觉导航、惯性导航和地图匹配等。国内外学者进行了一系列的研究，文献[3⁃5]分析常用的抗欺骗干扰种类，分别有绝对功率变化、功率监测和相对功率监测、L1和L2互相关监测、星历数据核实、残留信号分析、接收机自动完整性监测RAIM、到达时间监测、惯性监量单元一致性监测、电文加密等，并分析了每种抗干扰方式的优势和劣势。总的来讲，以上方法中，首先，有些所用到的抗欺骗干扰方法需要借助其他导航定位设备；
其次，有些只能应对压制或者欺骗干扰中的一种，无法达到同时抗压制和欺骗干扰；
最后，当欺骗干扰功率较大刚好淹没掉真实卫星信号时，接收机只能鉴别出欺骗干扰，但不能正常定位。
本文提出一种基于调零天线的无人机抗导航干扰方法，使用调零天线可降低压制干扰和欺骗干扰的功率，特别是使欺骗干扰的功率不会淹没真实卫星信号。借助无人机自身的机动性，通过无人机的特定运动，计算位移得到的多普勒和载波跟踪环得到的多普勒之差，观察差值的大小，选定门限判定是否存在欺骗干扰，标记并去除欺骗干扰信号，选择真实卫星信号定位解算；
最后通过模拟仿真试验场景验证该算法的有效性。该方法利用无人机与干扰机相对径向运动固有的多普勒变化，不需要额外加装惯性等其他导航器件，可达到卫星导航压制和欺骗干扰环境下导航定位的要求。
卫星导航定位原理具有一定的普遍性，以下以最具代表性且普遍使用的GPS的L1 CA为例进行分析。卫星导航干扰分为压制干扰和欺骗干扰，压制干扰在一定功率范围内可以被调零天线滤除，当单独欺骗干扰信号进入导航接收机后，用接收机自带的RAIM算法可以轻易剔除掉[6]，但当大部分GPS欺骗信号进入接收机后，接收机定位正常且有解，很难通过RAIM算法去除掉欺骗信号，这时RAIM算法反而会认为真实卫星信号是干扰信号，将真实信号剔除。欺骗干扰信号需要保证多颗卫星信号到达无人机接收机时延的准确性，因此欺骗干扰信号一般来自同一欺骗干扰机。由于无人机的运动特性和干扰探测设备的后验性，欺骗干扰机很难确定其精确的位置。欺骗干扰信号单颗卫星信号功率高于真实卫星信号，这时卫星导航接收机将可以捕获到两个信号的相关峰[7]。
因此，为了保证到达无人机的欺骗干扰信号尽量接近真实卫星信号，卫星导航欺骗干扰信号均来自同一干扰源，调零天线可以使单颗欺骗干扰信号的功率比真实信号不高于5 dB，此时接收机可以收到真实和欺骗干扰两种卫星信号，否则，欺骗干扰信号功率较大时会淹没真实卫星信号，接收机捕获跟踪欺骗干扰信号的可能性较大，大部分抗干扰算法[2⁃4]也只能鉴别，无法利用真实卫星信号定位，因此具备调零天线后，GPS接收机面临的主要问题是如何筛选出真实的卫星信号。
在卫星和无人机的相对运动中，其多普勒频移可以认为是线性的，通过接收机的速度来计算多普勒频移的变化[8]。在跟踪过程中通过无人机自行运动进行多普勒频移量检测，对比通过伪距变化推算出的多普勒和通过多普勒频移得到的多普勒之差，检测是否存在无人机与欺骗干扰样机的相对运动所产生的多普勒，标记欺骗信号并重新进行捕获跟踪，无人机抗干扰场景如图1所示。
图1 无人机抗欺骗干扰场景图
A点的欺骗干扰机将收到的GPS信号延时处理后转发给C点的无人机，使C点的无人机产生位置为B点的错误定位。由于定位正常，欺骗干扰很难被接收机察觉。
以单颗卫星Sn为例，其坐标为（x1，y1，z1）；
A点的欺骗干扰机坐标为（xA，yA，zA），保持静止；
B点欺骗位置的坐标为（xB，yB，zB），通过单位时间内的位置变化量得到运动速度[9]为（vBx，vBy，vBz）；
C点的真实无人机的坐标为（xC，yC，zC），运动速度为（vCx，vCy，vCz）。
2.1 通过空间位置变化量计算无人机接收到欺骗干扰卫星信号的多普勒
利用卫星星历数据得到卫星Sn的速度[10]为images/P34_6601475.jpgimages/P34_6602475.jpg点到卫星Sn方向的余弦为：
通过卫星的星历测量出欺骗位置B点静止时卫星与B点径向运动的多普勒，通过B点的位置变化量来计算无人机的速度，则欺骗B点与卫星Sn的多普勒如式（2）所示：
无人机接收到的卫星信号，假设利用载波跟踪环获得的多普勒频移相对于中心频点多普勒偏差为dopplercarrier_n，对于卫星Sn发射的GPS信号，位移和多普勒两种计算方式的多普勒之差为：
2.2 A点与C点间的多普勒
无人机的运动先于目标探测设备，一方面，欺骗干扰机无法准确拟合无人机的运动轨迹；
另一方面，探测设备有一定的误差，因此很难精确计算出无人机与欺骗干扰设备之间的多普勒。当无人机接收到的为真实信号，与欺骗干扰机的径向运动不会产生多普勒；
如果无人机接收到的为欺骗干扰信号，定位解算的信号来自欺骗干扰机，无人机与欺骗干扰机的径向运动则会产生多普勒。因此，当无人机接收到的卫星为真实信号时，与该卫星对应的dopplererro_n值会接近于0；
而当无人机接收到的卫星为欺骗干扰信号时，与该卫星对应的dopplererro_n值会大于某个值，该值可以设置为判决是否为欺骗干扰的门限。下面计算A点与C点间的多普勒大小，来选择欺骗干扰的判决门限。
C点到A点的方向余弦为：
A点与C点径向运动产生的多普勒dopplerAC值如下所示：
可以看出当无人机接收到欺骗干扰信号后，所有卫星信号会统一增加一个dopplerAC的值，该值为欺骗干扰机与无人机相对运动造成的。控制无人机进行水平“L”形的运动，也就是直飞检测一次，垂直90°拐弯检测一次，该做法的目的是避免无人机正好与欺骗干扰机进行相切运动，从而无法检测出是否存在dopplerAC。
民用大疆无人机“御1”系列飞行速度均在20 m/s以上，如果存在欺骗干扰信号，无人机进行水平面二维运动，就是任意位置以“L”形状以20 m/s的速度运动一次，每次运动无人机自行鉴别一次，通过计算某一个维度的dopplererro_n值，如果存在欺骗干扰信号，则根据三维坐标计算至少有一次检测dopplererro_n在57.7 Hz，考虑到GPS定位有一定的误差，多普勒频移与载波相位的测量误差比伪距测量误差低1~2个数量级，因而GPS定速通常比GPS定位更精确[11]，GPS定位的误差在10 m以内，速度误差假设在1 m/s以下，多普勒鉴别门限可以取20 Hz。
通过dopplererro矩阵中的各个元素dopplererro_n的大小来判断是否接收到了欺骗干扰信号。当dopplererro矩阵中的某颗卫星信号的dopplererro_n大于等于20 Hz，则可以认为该卫星信号为欺骗干扰信号，标记并剔除，进行重新捕获，得到两个相关峰后，排除标记的卫星信号的相关峰，跟踪另外一个相关峰；
如果dopplererro_n小于20 Hz，则认为是真实信号。
搭建基于Matlab的GPS接收机半物理仿真平台，模拟真实欺骗干扰环境，通过国产HWA⁃GNSS⁃8000卫星导航信号模拟器产生欺骗干扰信号，四阵元调零天线接收信号，采集器使用东方联星公司的210A设备，如图2所示。
图2 HWA⁃GNSS⁃8000卫星导航信号模拟器、四阵元调零天线和210A采集器
用HWA⁃GNSS⁃8000卫星导航信号模拟器产生欺骗干扰信号，为了通过试验验证该方法的适用性，针对不同调零天线的启动门限，调零天线对于该功率会启动调零天线的零陷算法，将单颗欺骗干扰与真实信号功率比保持在5~10 dB之间。
使用采集器210A采集欺骗干扰信号和真实卫星信号，存储为.dat数据，将该数据发送给基于Matlab的GPS软件接收机解算，如图3所示。此时真实卫星信号收到4颗卫星，为了实现场景卫星一致，欺骗干扰机也输出4颗欺骗干扰卫星信号，真实信号定位在一个固定的点，经纬高是（30°41′41″，103°0′6″，533），试验框图如图3所示。
图3 基于调零天线的拒止环境下无人机导航定位方法验证框图
在跟踪中，通过Matlab的GPS软件接收机，由于无人机与干扰机的相对运动，会使无人机收到的所有欺骗干扰信号的多普勒增加[12]，在Matlab的所有欺骗干扰信号中统一增加1个多普勒值50 Hz，模拟欺骗干扰机与无人机的dopplerAC，dopplerAC在GPS软件接收机的多普勒跟踪范围以内并不影响定位解算。GPS软件接收机通过对欺骗干扰信号和真实卫星信号同时采集的数据进行捕获、跟踪和解调，定位结果如图4a）所示，可以看出定位已经被引偏，经纬高都在变化。
图4 同时解算欺骗干扰信号和真实卫星信号定位结果和正常定位结果
重新载入上组.dat数据文件，使用抗欺骗干扰算法，当dopplererro大于20 Hz以上时，认为收到了欺骗干扰信号，标记并剔除，重新选择其他信号进行捕获、跟踪、解调和定位，定位结果如图4b）所示，目标回到了正常的定位状态，可以看出4颗卫星的位置均未变化，在有欺骗干扰信号的同时，依然可以保证利用真实卫星信号定位。当压制干扰存在时，调零天线会将在一定范围内的压制干扰功率降低到噪声附近[13]，这里不再叙述。
通过以上数据可以看出，该抗干扰方法对欺骗干扰信号具有较好的剔除效果，配备调零天线后，在具有压制或欺骗干扰信号的环境中也可以不依赖其他类型的导航设备实现卫星导航定位，实际应用中可以根据无人机的最大速度调整判决门限。
根据无人机在卫星导航压制和欺骗干扰环境下的导航定位需求，本文提出一种基于调零天线的无人机抗导航干扰方法，利用了无人机的机动性，理论分析、计算和半物理仿真验证该方法对欺骗干扰抑制的有效性。该方法不需要额外加装惯性等其他导航器件，即可达到抗压制和欺骗干扰的效果，本文所得结论为无人机在导航拒止环境下的正常定位提供了一种可行的方法，可应用于民用和军用卫星导航压制和欺骗干扰中。
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