用於gps幹擾系統中產生「加擾後數據碼流」的實現方法

2023-10-08 21:39:29

專利名稱：：用於gps幹擾系統中產生「加擾後數據碼流」的實現方法
技術領域：
：本發明涉及GPS通信導航中的數據信號幹擾技術，特別涉及用於GPS幹擾系統中獨立、不間斷產生多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"(即"加擾後數據碼流")的實現方法。
背景技術：
：GPS(GlobalPositioningSystem,全球定位導航系統)己被廣泛應用於世界各地的眾多領域。美國軍方也主要採用軍用GPS系統完成對目標的精確打擊。在現在GPS衛星無處不在、GPS衛星接收器被廣泛應用的情況下，如何實現反制GPS系統成為了一個重要課題。1994年9月，在美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室首次公開展示了一種煙盒大小的自製GPS幹擾機。該裝置可以幹擾半徑16公裡範圍內的任何採用CA編碼的GPS接收機。俄羅斯設計的廉價GPS幹擾機則重約3-10公斤(不含電池)，價格低於5萬美元，能對美國現有GPS系統的四個頻段實施有效幹擾。在GPS幹擾系統中的基帶處理部分，主要存在如何實現多路實際(或人為)GPS導航電文信息導入/存儲、多種衛星參數調整、檢測信息及時反饋、GPS導航電文的及時循環修正和更新、多路"加擾後數據碼流"的循環/不間斷/並行輸出等設計難題。為了解決以上GPS幹擾系統中的基帶處理部分的設計難題，本發明設計和提供了一套完整的、實用的GPS幹擾系統基帶信號的獲取辦法。
發明內容本發明的目的是提供一種用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法。該方法可以用於獨立、不間斷產生多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"，從而為GPS幹擾系統提供連續的仿GPS衛星基帶信號，可以用於實現局域範圍內對GPS信號的幹擾。該發明可廣泛應用於軍用、信息安全等領域。本發明所述的完整的技術方案如下所述用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法在硬體上基於現場可編程門陣列(FPGA)和單片機(MSP430等)，應用系統結構圖請參見附圖1。通過串口實現多路(或稱"多通道")GPS導航電文信息導入、參數配置和檢測信息反饋，再由單片機(MSP430等)自動完成對GPS導航電文的循環修正和更新(包括Z計數器和奇偶校驗)，最後通過現場可編程門陣列(FPGA)生成相應多路C/A碼(Coarse/AcqisitionCode)序列，同時完成對多路GPS導航電文加擾及數據碼流的循環、不間斷、並行輸出。上述過程涉及的可變參數包括衛星編號、C/A碼相位起點、C/A碼速率、導航電文起始坐標、導航電文啟動時間和Z計數器起點。該發明方法根據所能實現的不同技術效果具體還分為以下技術步驟(l)產生並行、多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"的步驟；該步驟包括步驟①通過串口實現多路GPS導航電文信息導入；由於多路GPS導航電文的信息量比較大(每顆衛星25幀"500bit)，為了更好的存儲和記錄原始導航電文信息，該步驟創新設計對導入的原始文件進行整合，將不同衛星(不同通道)的GPS導航電文採用十六進位0x000x000x000x000x000x000x000x000x000x000x000x000x000x000x000x0A進行隔離，其中最後的一個字節0x0A表示後續的GPS導航電文的衛星號(根據實際衛星號的不同可變)。由單片機(MSP430F149)完成對8路GPS導航電文的整幀區分和存儲。本發明設計的每個衛星的起始數據流圖樣參見附圖2。其中，00~90行110行00位元組，a0行最後一個字節表示衛星號(OxOA-表示衛星10)。步驟②完成單通道/多通道參數配置和檢測信息反饋；本方法中，和計算機串口命令交互的流程，參見附圖3。各創新設計的命令格式，參見附表(1~12)和附圖2:1)清除MSP430導航電文存儲區命令格式，見附表l;命令含義命令標誌數據欄位(8位)清除導航電文存儲區Ox2222Ox88附表l2)清除成功響應格式，見附表2;命令含義命令標誌數據欄位(16位)清除成功Ox2222Ox88OF附表23)下載導航電文格式(需先發0x222288命令清除Flash，才可由PC機發送給MSP430)，見附圖2;4)下載導航電文成功響應格式，見附表3;命令含義命令標誌數據欄位(16位)下載導航電文成功Ox67880x88OF附表35)配置碼發生器命令格式，見附表4;命令標誌通道號衛星編號C/A碼相位起點C/A碼速率修正量導航電文起始坐標導航電文啟動時間Z計數起點16位0x8a338位8位16位8位24位8位24位附表46)配置碼發生器成功響應格式，見附表5;命令含義命令標誌數據欄位(16位)配置碼發生器成功0x8a330x00OF附表5tableseeoriginaldocumentpage9其中，命令標誌0x9bl1，可以順序連接8個衛星參數，通道排序可以交換，命令使用樣例(16進位)9b11000a00000001000000011AB8010B00000000000000013BEC0211000000000000000142C20312000000000000000142C20402000000000000000142C20516000000000000000142C206030000000000000001341C070400000000000000011AB88)同時配置8個通道命令成功響應格式，見附表7;tableseeoriginaldocumentpage10附表79)啟動碼發生器命令格式(8位表示8個通道，每bit置1表示啟動)，見附表8;tableseeoriginaldocumentpage10附表810)啟動碼發生器成功響應格式，見附表9;tableseeoriginaldocumentpage10附表911)停止碼發生器命令格式(8位表示8個通道，每bit置l表示停止)，見附表10;tableseeoriginaldocumentpage10附表1012)停止碼發生器成功響應格式，見附表ll;命令含義命令標誌通道號尾字節停止碼發生器成功Oxd4a18位XxxxxxxxOxOF附表ll13)輸出Flash中導航電文命令格式，見附表12;命令含義命令標誌數據欄位(8位)輸出Flash中導航電文命令0x7188OxOA(所需輸出導航電文的衛星號)附表12步驟③由單片機(MSP430F149)完成每個子幀讀取、每個欄位循環修正和更新(包括Z計數器和奇偶校驗等，具體修正算法請參見《NavstarGPSSpaceSegment/NavigationUserInterfaces(IS-GPS-200D)》(由SpaceandMissileSystemsCenter(SMC)和NavstarGPSJointProgramOffice(GP)編制，2004年11月)中關於GPS導航電文分析部分)，再將修正後的導航電文信息和配置參數通過SPI(SynchronousPeripheralInterface)口上傳給FPGA。步驟:FPGA根據配置參數生成相應多路C/A碼(Coarse/AcqisitionCode)序列，並完成對多路GPS導航電文加擾及並行輸出(C/A碼生成多項式和加擾算法請參見《GPS導航原理與應用》，王惠南編著，科學出版社)。採用該方法後，FPGA不用存儲過多的導航電文，直接通過和MSP之間定時(6秒)完成新的導航電文子幀(300bit)的交互(加擾後的導航電文的播送速率為50bit/s)，就可以實現按需輸出加擾後的GPS導航電文數據碼流。該方法中的FPGA設計結構圖參見附圖4。(2)產生"獨立"多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"的步驟；ii該步驟中創新設計將"實際或人為編制"的多路完整的導航電文(每顆衛星25頁，每頁5個子幀，每個子幀300bit。FPGA不存儲過多的導航電文，直接通過和MSP之間定時(6秒)完成準備輸出的"新的導航電文子幀(300bit)"的交互。)通過串口上傳給MSP430F149後(導入格式見附圖2)，再由MSP430F149完成多路信息整理、存放，並通過串口完成相關參數配置。由於單片機中存儲了多顆衛星的"完整"導航電文(全部24顆衛星的星曆)，所以完全可以"獨立"工作。只要配置相關參數信息後，系統上電啟動，即可"獨立"根據現存的GPS導航電文輸出"加擾後數據碼流"。這為最終實現"靈活、機動"的GPS幹擾源提供了完備的基帶處理信號。(3)產生"不間斷"多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"的步驟；導入及存儲在單片機裡的導航電文中的Z計數值是無效的(實際GPS衛星信號中的Z計數值是循環累加的)。本方法發明為了仿真真實情況，設計在導航電文輸出過程中，MSP430F149定時取到的第一個Z計數值由給定的Z計數器起點參數取代，其後各Z計數值均在前一個Z計數值的基礎上加1。同時，MSP430F149負責完成由於Z計數值的變化導致的相應欄位校驗碼的修正。這樣系統就能循環"不間斷的"正確輸出含有全部導航電文信息的數據碼流。另外，本發明還通過設計和配置6種系統可變參數來調整導航電文數據碼流。這樣做的目的是根據GPS衛星信號的實際情況通過參數調整可以更好的仿真真實GPS信號環境。其中所述的6種系統可變參數分別為衛星編號、C/A碼相位起點、C/A碼速率、導航電文起始坐標、導航電文啟動時間和Z計數起點。這些參數的技術特徵如下1)衛星編號8位編碼，用於指示C/A碼發生器生成對應衛星的C/A碼碼流；2)C/A碼相位起點16位編碼，0~1022，用於指示碼發生器的C/A碼輸出起點；3)C/A碼速率8位編碼，設計+/-修正100bps;4)導航電文起始坐標(X，Y):X行(1-125)8位編碼，Y列(1~300)16位編碼；5)導航電文啟動時間8位編碼，首bit導航電文輸出前C/A碼空轉時間；6)Z計數起點24位編碼，17位有效，每個子幀循環加l。以上參數具體使用和實現方法請參見《GPS導航原理與應用》，王惠南編著，科學出版社。除此以外，本發明的技術方案中還提供同時輸出GPS導航電文的"加擾後"和"加擾前"信息的方式，為數據檢測提供幫助。通過同時提供2個硬體接口，用於輸出"加擾後"和"加擾前"信息，這樣可以更好的實現數據檢測，並為GPS幹擾做準備。接口布局參見附圖l。本發明還創新設計了"O通道"串口自動反饋顯示"正在輸出的數據碼流對應的導航電文"的功能，可方便的用於數據碼流信息的檢測。通過在產生"加擾後數據碼流"的同時，針對"O通道"，由MSP430控制串口自動反饋顯示"正在輸出的數據碼流對應的導航電文"。這樣可以通過計算機直觀、有效的觀測和控制數據碼流的輸出過程。實際使用中，可以將不同的衛星配置到"O通道"，以觀測其數據碼流對應信息的輸出。本發明的有益效果如下1、獨立性"加擾後數據碼流"完全基於初始導入的GPS導航電文和相關參數，可以獨立完成工作，不依賴"實際"GPS信號。導入的GPS導航電文和相關參數可"人為"編制，從而可以成為GPS幹擾源的重要部分。該方法為此，創新設計了"單通道和多通道參數配置"、"清除、導入和存儲導航電文"、"啟動和停止輸出C/A碼流"、"輸出FLASH中存儲的導航電文"等的命令格式和工作流程。2、不間斷性該方法設計中完成了對已導入的多路GPS導航電文數據幀(每幀1500bit)的循環修正和更新(包括Z計數器和奇偶校驗)，從而可以依照標準GPS導航電文格式，實現"加擾後數據碼流"的不間斷輸出。3、並行性該方法可以"並行"輸出"多路"數據碼流。即可以同時仿製生成多顆衛星的虛假信息。4、可變性該方法設計"加擾後數據碼流"可以根據以下6種參數的不同而改變，包括衛星編號、C/A碼相位起點、C/A碼速率、導航電文起始坐標、導航電文啟動時間和Z計數起點。5、易檢測性該方法不僅可以輸出GPS導航電文的"加擾後"信息，還設計同時輸出"加擾前"信息，以用於信息檢測。此外，還創新設計了"o通道"串口自動反饋顯示"正在輸出的數據碼流對應的導航電文"的功能，可方便的用於"加擾後數據碼流"對應信息的檢測。上述技術優點本發明不僅可以有效產生獨立、不間斷多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"，並且還能提供多種檢測手段，可應用於GSP幹擾系統中。以下結合附圖和具體實施方式來進一步說明本發明。圖1為本發明所應用的系統結構示意圖。圖2為多路原始導航電文的整合後的每顆衛星的起始數據流圖樣示意圖。圖3為本發明所涉及的碼發生器與PC機的交互接口示意圖。圖4為本發明所涉及的FPGA設計結構圖。具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。根據上述
發明內容中的技術方案和原理，本發明方法在具體實現時通過導入由該方法所設計出的"C/A碼及導航電文發生器"來解決GPS幹擾系統中的基帶處理部分的難題。該實現步驟如下1.依據系統結構圖(參見附圖1)搭建應用系統，MSP430和FPGA由SPI接口互連；2.MSP430需設計串口與PC機互連以實現完整的導航電文導入和參數配置。同時需根據配置的參數完成相關指示和導航電文修正；3.FPGA通過SPI接口得到MSP430的參數指示，並根據指示配置C/A碼發生等相關參數；4.FPGA定時6秒發出中斷，得以循環、不間斷讀取MSP430給出的修正後的導航電文(l個子幀，300bit);的數據碼流)，每個子幀6秒。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。權利要求1、用於GPS幹擾系統中產生「加擾後數據碼流」的實現方法，該方法基於現場可編程門陣列和單片機，其特徵在於，通過串口實現多路GPS導航電文信息導入、參數配置和檢測信息反饋，再由單片機自動完成對GPS導航電文的循環修正和更新，最後通過現場可編程門陣列生成相應多路C/A碼序列，同時完成對多路GPS導航電文加擾及數據碼流的循環、不間斷、並行輸出。2、根據權利要求1的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，產生並行、多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"的技術步驟包括①通過串口實現多路GPS導航電文信息導入；②完成單通道/多通道參數配置和檢測信息反饋；③由單片機MSP430F149完成每個子幀讀取、每個欄位循環修正和更新，再將修正後的導航電文信息和配置參數通過SPI口上傳給FPGA;FPGA根據配置參數生成相應多路C/A碼序列，並完成對多路GPS導航電文加擾及並行輸出。3、根據權利要求2的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，所述步驟①具體是對導入的原始文件進行整合，將不同衛星/不同通道的GPS導航電文採用十六進位0x000x000x000x000x000x00個字節OxOA表示後續的GPS導航電文的衛星號；由單片機MSP430F149完成對8路GPS導航電文的整幀區分和存儲。4、根據權利要求2的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，步驟②所述完成單通道/多通道參數配置和檢測信息反饋具體是指和計算機串口命令交互的流程；這些命令格式包括1)清除MSP430導航電文存儲區命令格式；2)清除成功響應格式；3)下載導航電文格式；4)下載導航電文成功響應格式；5)配置碼發生器命令格式；6)配置碼發生器成功響應格式；7)同時配置8個通道命令格式；8)同時配置8個通道命令成功響應格式;9)啟動碼發生器命令格式；10)啟動碼發生器成功響應格式；11)停止碼發生器命令格式；12)停止碼發生器成功響應格式；13)輸出Flash中導航電文命令格式；5、根據權利要求1的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，產生"獨立"多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"的技術步驟具體是將"實際或人為編制"的多路完整的導航電文，通過串口上傳給MSP430F149後，再由MSP430F149完成多路信息整理、存放，並通過串口完成相關參數配置；等到單片機中存儲了多顆衛星的"完整"導航電文並配置相關參數信息後，系統上電啟動，就可以"獨立"根據現存的GPS導航電文輸出"加擾後數據碼流"，為最終實現"靈活、機動"的GPS幹擾源提供了完備的基帶處理信號。6、根據權利要求5的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，所述"實際或人為編制"的多路完整的導航電文的數據為每顆衛星25頁，每頁5個子幀，每個子幀300比特。FPGA不存儲過多的導航電文，直接通過和MSP之間定時(6秒)完成準備輸出的"新的導航電文子幀(300bit)"的交互。7、根據權利要求1的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，產生"不間斷"多路"C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流"的技術步驟具體是在導航電文輸出過程中，MSP430F149定時取到的第一個Z計數值由給定的Z計數器起點參數取代，然後各Z計數值均在前一個Z計數值的基礎上加1;同時MSP430F149負責完成由於Z計數值的變化導致的相應欄位校驗碼的修正；這樣系統就能循環"不間斷的"正確輸出含有全部導航電文信息的數據碼流。8、根據權利要求1的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，本發明為了調整導航電文數據碼流還設計和配置6種系統可變參數；這些參數的技術特徵如下1)衛星編號8位編碼，用於指示C/A碼發生器生成對應衛星的C/A碼碼流；2)C/A碼相位起點16位編碼，0-1022，用於指示碼發生器的C/A碼輸出起點；3)C/A碼速率8位編碼，設計+/-修正100bps;4)導航電文起始坐標(X，Y):X行(1~125)8位編碼，Y列(1~300)16位編碼；5)導航電文啟動時間8位編碼，首bit導航電文輸出前C/A碼空轉時間；6)Z計數起點24位編碼，17位有效，每個子幀循環加l。9、根據權利要求1的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，本發明的技術方案中還提供同時輸出GPS導航電文的"加擾後"和"加擾前"信息的方式；通過同時提供2個硬體接口，用於輸出"加擾後"和"加擾前"信息，這樣可以更好的實現數據檢測，並為GPS幹擾做準備。10、根據權利要求1的用於GPS幹擾系統中產生"加擾後數據碼流"的實現方法，其特徵在於，本發明還設計了"O通道"串口自動反饋顯示"正在輸出的數據碼流對應的導航電文"的功能；通過在產生"加擾後數據碼流"的同時，針對"0通道"，由MSP430控制串口自動反饋顯示"正在輸出的數據碼流對應的導航電文"；以便可以通過計算機直觀、有效的觀測和控制數據碼流的輸出過程；實際使用中，可以將不同的衛星配置到"O通道"，以觀測其數據碼流對應信息的輸出。全文摘要本發明公開了一種用於GPS幹擾系統中產生「加擾後數據碼流」的實現方法。該方法可以獨立、不間斷產生多路「C/A碼加擾後GPS導航電文數據碼流」，可用於產生多路GPS定位幹擾信號。該方法發明主要基於現場可編程門陣列(FPGA)和單片機(MSP430等)搭建的系統，實現多路GPS導航電文信息導入、參數配置和檢測信息反饋，並對已導入的多路GPS導航電文數據幀(每幀1500bit)循環修正和更新(包括Z計數器和奇偶校驗)，進而實現多路「C/A碼加擾前/後GPS導航電文數據碼流」的獨立、不間斷、並行輸出。該方法具有獨立性、不間斷性、並行性、可變性和易檢測性等特點。可以用於實現局域範圍內對GPS信號的幹擾。該發明可廣泛應用於軍用、信息安全等領域。文檔編號H04L1/00GK101246207SQ20071017249公開日2008年8月20日申請日期2007年12月18日優先權日2007年12月18日發明者曾夢琪,峻楊,淦克奇申請人:上海復控華龍微系統技術有限公司