GPS干扰系统的软件设计与硬件实现分析

庄 彤

(渤海大学信息科学与技术学院 辽宁 锦州 121000)

GPS干扰系统的软件设计与硬件实现分析

庄 彤

(渤海大学信息科学与技术学院 辽宁 锦州 121000)

随着科技的不断发展，GPS技术也有了相应的进步，技术的应用范围也进一步扩大。GPS系统的作用原理是通过无线电信号实现定位，在这个过程中，若定位系统受到一定的干扰，在定位的精确度上就会产生极大的偏差，因此近年来对GPS技术研究开始将重心放在了抗干扰技术的研究上。本文根据GPS干扰系统的作用原理、功能、特点等，对GPS干扰系统的软件和硬件设计进行了相应的分析。

GPS干扰系统；软件设计；硬件设计

本文著录格式：庄彤. GPS干扰系统的软件设计与硬件实现分析[J]. 软件，2016，37（11）：97-100

0 引言

GPS技术最初是应用于军事上一种技术，在上个世纪的70年代，美国研发出GPS技术来提高对军事目标的打击精确性。在研制的过程中，美国投入了大量的人力和物力，当时的海陆空三军都参与到了技术的研发和完善中，最终研制出了GPS系统，全称是全球卫星定位系统。GPS系统能够实现全球目标的实时监控，并且提供目标的精确三维坐标。GPS系统主要能够为用户提供两个方面的服务，一种是专门政府部门服务的精密定位服务，这种服务所提供的信息都需要经过加密处理；第二种是为普通的用户提供的标准定位服务。

1 GPS系统的组成

GPS系统主要可以分为三个部分。首先是空间部分。GPS的空间部分主要是由卫星组成的，通常在一个GPS系统中包含24个卫星，它们均匀的分布在独立的轨道上，每四个卫星分布在一个轨道平面上，并且所有的轨道之间的距离是一样的。每颗卫星运行轨迹的平均高度大致为200000千米，平均的运行周期为12小时。所有的卫星对地球进行全方位的观测，全球任何一个区域在每个时刻都会有至少4颗卫星对其进行实时的监测。卫星在运行时的频率是不变的，通常分为两个信号，其频率分别是1575HZ和1227HZ。信号都是经过调制处理和编码处理。要确定地球上某一目标物的精确精度、维度和高度只需要测量4颗卫星。

第二部分是地面监控系统。地面监控系统主要由主控站、监测站、注入站等几个部分组成，全球的主控站只有一个，位于美国。所有GPS系统的运行时间都以主控站的精妙时钟所显示的时间为准，而监测站和卫星的时间都要以主控站的时间为依据。全球的注入站总共有3个，分别位于太平洋、

大西洋和印度洋，都有美国管理。注入站的功能是辅助主控站进行相关数据的收集和计算，并将信息传输到卫星系统中，此外还需要对数据注入的整个过程进行监控，以提高数据的精确性。注入站的设备包括计算机、天线、发射机等、全球的监测站共有5个，监测站都采取自动化监控，不需要人工进行操作。监测站的作用是收集信息并将其传输给主控站。

最后是用户接收机。它主要在用户接收数据的过程中发挥作用。它的结构组成较为简单，是由主机、数据处理软件、天线、电源等几个部分组成。用户通过接收机接收到GPS发出的信号，并通过一定的处理和计算后得出目标物的精确三维信息。用户接收机有很多不同的类型，在具体的使用过程中需要根据用户自身的需求进行选择，例如在作战飞机上就需要使用多通道的接收机，在汽车上要使用单道或双道的接收机。

2 GPS系统的定位原理

GPS定位系统虽然属于一种高新技术，但其定位原理实际上是十分简单的。在定位时首先通过卫星获取某一时刻的坐标，根据卫星和用户接收机之间的距离就可以计算得出用户接收机所处的位置。GPS具体的定位方式有很多种，可以根据用户接收机的运行状态对其进行分类，也可以根据参考点的类型对其进行分类。最常使用的两种定位方式是静态定位和动态定位。静态定位就是指在定位的过程中，用户接收机的位置是不变的，这时只需要根据卫星得到的坐标数据就可以计算出用户的精确地理位置。这种定位方式具有精确度高的优势，并且还可以进行多次重复的测量来确保位置的精确性。这种测量方式主要用于工程的测量中，并且主要用于普通领域的测量。动态定位的方式是指在定位的过程中，用户的接收机是处于运动的状态的，这种检测方式的缺陷是检测精度较低，但需要测量的次数较少，可以减少工作量。

3 GPS干扰产生的原理

产生GPS干扰现象的原因有很多，不同干扰信号产生的原因也有所不同。下面将对几种常见的干扰信号进行介绍和分析。

3.1 GPS干扰信号的特征

首先，GPS干扰信号有一定的频率特性。在一般领域中进行应用的GPS无线电信号是没有经过加密处理的，因此在环境中存在很多会对信号产生干扰的因素；其次是能量特性。GPS系统的卫星都位于距离地面20000千米的高空上，卫星发射信号的功率又小，当信号传输到地面上的接收器上时已经非常微弱了，根据检测数据得知，卫星发射到地面上信号的强度只相当于一个25瓦的灯泡在16000千米以外发出的光的强度。GPS传输的无线电信号如此微弱是因为在卫星上发射信号的设备是采用太阳能供电的方式运行的，能够提供的电能是十分有限的。由于GPS在传输信号上的这一特性，干扰信号主要是通过能量干扰的形式实现的。第三是时域特性。卫星是处于24小时运行的状态的，因此会向接收器持续发送信号，但在实际接收的过程中，很多用户端的接收器都是安装在一些高速运转的设备上的，也就是说接收机的时间域是随机的，这也会影响信号的稳定性。

3.2 GPS干扰信号对象

GPS系统中的不同组成部分受到的干扰类型是不同的，GPS系统的组成主要 可以分为空间部分、地面部分和用户接收器部分。当系统处于正常的运行状态时是由地面的控制系统进行监控的，地面控制中心将任务发送到相应的卫星，卫星受到指令后就会开始执行相关的任务。但这个过程中信号受到干扰时，就会导致整个信息传输的过程无法有效的完成，系统会陷入瘫痪的状态。一些恶意破坏GPS定位系统功能的组织和人员会通过对卫星和星座的干扰来阻碍电子侦察的过程。干扰卫星和星座的方式主要包括两种类型，一种是干扰卫星的传感器，例如采用高频发射机向卫星发射一些虚假的信息，从而阻碍卫星接收正确的信息；另一种方式是对卫星接收的信号进行干扰，破坏信号的完整性或真实性，例如通过无线控制来干扰用户接收机的正常运行。这主要是利用了GPS信号较为微弱的这一缺陷，正如上文中所提到的那样，由于卫星与用户接收器之间的距离大，且发送信号的设备电量有限，因此发射的信号十分微弱，十分容易受到干扰。也正是由于这一原因，干扰用户接收机这一方式是最容易实现的干扰模式。

3.3 GPS干扰信号的不同类型干扰

本文主要研究的是针对用户接收机的干扰。用户接收机受到的干扰主要分为两种类型，分别是无意干扰和人为干扰。无意干扰是指一些无法避免的客观环境因素、带内射频干扰等；人为干扰是指人

为有意的阻碍信号的正常传输，这通常是为了窃取一定的用户信息。人为干扰的形式主要有三种，首先是压制式干扰，即发射比原先信号更强的干扰信号来阻碍用户接收机接收正常的信号；第二种是欺骗式的干扰，就是发射与卫星信号频率相同的虚假信号，使得用户接收机受到错误的信息；最后是分布式立体干扰，即通过多台干扰机的使用对用户接收机实现全方位的干扰，这种干扰模式的功效是最好的，也是最难防范的。

4 GPS干扰系统

GPS干扰系统主要分为两种类别，分别是卫星上行链路上的干扰系统和卫星下行链路上的干扰系统。这两种干扰系统从理论上来看都是具有可操作性的，但是由于卫星上行链路上的通信都是在美国领域内实现的，要对其进行干扰是很困难的，因此在实际操作过程中通常都是采用后者。卫星下行链路干扰系统的设计包括发射系统设计、接受系统设计、通信系统设计等。本文将着重介绍GPS软件和硬件接收机系统的设计与实现。

在硬件方面，GPD接收机的硬件系统主要分为射频前端、中频数据采集两个部分。硬件系统的具体设计方式见图1其中，射频前端是整个系统中最为重要的部分，其作用主要有两个方面，首先是接收卫星发出的信号，并将处理之后的信号传输回卫星上；第二个功能是输出中频数据。在这个过程中，射频前端的运行效率对系统整体的运行效果会产生极大的影响，后续步骤的完成、定位的精度、跟踪环路性能等都会受到射频前端的影响。射频前端主要是由滤波器、天线、射频处理芯片等几个部分组成。天线设置成半球的形状，这主要是为了更好的控制噪音对系统运行效果的影响。天线的材料通常选用有源天线。滤波器一般选择声表面滤波器，主要是由于这一滤波器的抗干扰能力较强。在中频采样前，需要对信号进行一定的处理，使其成为能够被中频接收的格式。在中频的数据采集过程中，为了提高数据处理的便捷性，通常采用PC作为用户接收机的软件平台。在实际的采集过程中，需要使用一定的硬件将中频数据收集起来，并对数据进行一定的验证，并将处理完成后的数据储存在PC的硬件系统中。当需要使用这些数据时，再将其从硬件设备中读取出来，并用软件进行一定的处理。数据的采集一般通过数据采集控制器。数据采集控制器也分为很多类型，最常用的是FPGA。这种控制器对平台的要求较低，并能够对采集到的数据进行实时的处理和调整，但数据采集控制器不能对返回GPS的数据进行控制。

图1 GPS系统硬件实现方案

GPS接收机系统的软件实现基本都是在PC上完成的，软件的作用就是对GPS信号进行一定的处理，如信号的获取、监测、分析等，其中最为关键的环节是对信号的获取和监测。在使用软件处理GPS信号前，要先对信号进行初始化处理，这个过程中需要使用到各种与信号相关的参数，其中几个关键的数据包括通道数量、信号频率、采样频率等。此外，还要对信号进行预处理，也就是对原始数据进行简单的加工。信号的获取是GPS信号处理过程中的第一步也是决定信号处理效果的关键环节，在获取信号的过程中，有几个参数较为重要，如数据长度、搜索数量等。信号的跟踪方式主要有两个，分别是伪码跟踪和载波跟踪，必要时两种方式可以结合使用。

5 结语

本文对GPS系统的定位原理，干扰信号类型、特点，干扰系统的软件与硬件的设计与实现等进行了介绍，希望能够为GPS系统功能的完善提供一定的参考。在信息化时代的今天，GPS定位系统的应用范围将进一步扩大，GPS干扰系统软硬件的设计与实现研究具有深刻的现实意义。

[1] 刘佳, 胡中豫, 游苑. 短波战术电台同步授时及时钟保持技术研究[J]. 现代电子技术, 2011(09): 18-19.

[2] 杜晓辉, 施浒立, 张丽荣. 一种转发式卫星授时新方法[J].天文研究与技术, 2012(01): 21-23.

[3] 温静, 汪大明, 孟月玥. 北斗卫星导航系统在地质调查领域应用综述[J]. 地质力学学报, 2012(03): 33-35.

[4] 陈夕松, 杨俊, 郭聪, 等. 基于干扰观测器的模型预测控制实验研究[J]. 新型工业化, 2011, 1(6): 15-21.

[5] 肖伸平, 曾钰, 赵培哲. 改进干扰观测法在光伏发电系统MPPT中的应用[J]. 新型工业化, 2014, 4(4): 44-50, 57.

[6] 马文辉, 郭云川, 张会兵, 等. 安全多执行机制的无干扰性研究[J]. 软件, 2015, 36(6): 83-87.

[7] 张引强, 王岩, 吴海燕. 机载数据采集系统抗干扰技术研究[J]. 软件, 2012, 33(3): 67-68.

[8] 李淑玲, 张衡原. 中国象棋对弈软件设计[J]. 软件, 2012, 33(12): 22-25.

[9] 白杨, 别红霞. 无线传感网数据回收管理软件设计[J]. 软件, 2013, 34(1): 26-29.

[10] 何锐, 张刚, 田甜. 基于TMS320DM6446的嵌入式视频系统硬件设计及算法优化[J]. 新型工业化, 2011, 1(2): 13-19.

[11] 谢晓楠, 郑红党. 基于GM8180的管道机器人视频控制器硬件设计[J]. 软件, 2012, 33(1): 63-65.

[12] 张朋, 周公博, 蔡志雄, 等. 双射频无线传感器网络节点硬件设计[J]. 新型工业化, 2013, 3(11): 21-26.

GPS Jamming System Software Design and Hardware Implementation is Analyzed

ZHUANG Tong
(Bohai university college of information science and technology Jinzhou city, liaoning province 121000)

With the continuous development of science and technology, GPS technology also has the corresponding improvement, Also to further expand the application scope of technology. The role of the GPS system principle is through the radio signal positioning, In the process, if positioning system by certain interference, on the accuracy of positioning can produce great deviation, So in recent years, research on GPS technology began to focus on the anti-jamming technology research. This paper, based on the principle of GPS jamming system, function, characteristics, hardware and software design of GPS jamming system has carried on the corresponding analysis

GPS jamming system; The software design; The hardware des

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.021