全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境監(jiān)測分析方法＊

陳谷倉，劉承禹，杜黎明，武成鋒

（1.中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室，北京100094；2.二炮裝備研究院，北京100085；3.中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東 青島266107；4.北京自動化控制設備研究所，北京100074）

0 引 言

復雜電磁環(huán)境是影響全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）安全性的關鍵因素之一，包括電磁干擾環(huán)境和空間電波環(huán)境。電磁干擾環(huán)境是指引起衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能降低的各種電磁干擾信號，包括各種非故意干擾信號與人為故意干擾信號；空間電波環(huán)境是指影響衛(wèi)星信號傳播環(huán)境要素的總稱，其中尤以電離層閃爍對衛(wèi)星信號影響最為嚴重。目前，國內外的研究結果表明：影響GNSS系統(tǒng)安全性的關鍵因素之一是復雜電磁環(huán)境；“影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)的因素包括衛(wèi)星導航系統(tǒng)工作頻段附近的各種直接輻射信號、諧波信號、交互調信號與空間天氣環(huán)境的電離層閃爍等[1]。

1 GNSS受復雜電磁環(huán)境影響分析

1.1 電磁干擾對GNSS系統(tǒng)的影響分析

世界各國全球定位系統(tǒng)（GPS）受非故意干擾的事情時有發(fā)生。在歐洲，非故意干擾信號經常干擾軍民機場附近GPS L1、L2信號接收，并且一些站點的L2信號還受到1240～1243.25MHz頻段內的業(yè)余無線電信號的影響。在美國，GPS受干擾的事件經常發(fā)生，美國政府與科研機構已經多次公布了GPS重要基礎應用設施受干擾的事件；此外，美國國家地理空間情報局（NGA）與美國測地局（NGS）也多次報道了其GPS監(jiān)測站與GPS連續(xù)運行參考系統(tǒng)（CORS）監(jiān)測站受干擾的事件；并且其廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、局域增強系統(tǒng)（LAAS）站受干擾事件更是經常發(fā)生。

美國非常重視GPS系統(tǒng)電磁環(huán)境監(jiān)測分析工作，在關于未來2025年衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃建議第二條中提出：監(jiān)測“定位、導航、授時”（PNT）信號，監(jiān)測識別干擾信號，探測電磁環(huán)境效應異常，以驗證系統(tǒng)性能與服務水平，并近實時分發(fā)給用戶。

目前，美國已經發(fā)起了“PNT干擾檢測消除計劃（Interference Detection and Mitigation Plan，IDM計劃）”。各組織機構紛紛建立自己的GPS電磁環(huán)境監(jiān)測保障系統(tǒng)，包括：NGA GPS電磁環(huán)境監(jiān)測保障系統(tǒng)、美國GPS增強系統(tǒng)的電磁環(huán)境監(jiān)測保障計劃、美國民航局（FAA）GPS射頻干擾監(jiān)測減緩計劃、GPS戰(zhàn)場干擾定位系統(tǒng)（LOCO GPSI）、GPS CORS的電磁環(huán)境監(jiān)測分析保障計劃等。

歐洲在伽利略系統(tǒng)（Galileo）設計和建設過程中對電磁環(huán)境問題非常關注。為保障Galileo系統(tǒng)正常運行，歐委會采取了多方面的措施：

1）建立Galileo信號特別工作組（STF），專門研究Galileo頻率結構和信號設計方案，以降低電磁環(huán)境（電磁干擾與電離層）問題對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的影響。

2）確保Galileo系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下的運行，啟動伽利略干擾管理及對策措施（MAGIC）項目，研究干擾監(jiān)測、查找和減緩技術。

3）啟動Galileo電磁環(huán)境測量計劃，對Galileo系統(tǒng)歐洲區(qū)域的電磁環(huán)境進行實地測量，并將數(shù)據(jù)進行分析整理與入庫。

1.2 電離層閃爍對GNSS系統(tǒng)的影響分析

基于多年GPS衛(wèi)星信號的電離層閃爍研究結果表明，電離層閃爍可導致我國尤其是低緯區(qū)域內衛(wèi)星導航系統(tǒng)出現(xiàn)信號幅度抖動、相位隨機起伏等情況，引起接收機產生測距和測速誤差、授時性能下降等，極端時甚至會導致多顆衛(wèi)星失鎖，無法提供導航信息。

圖1為電離層閃爍事件對GPS定位精度影響的對應關系。圖中可以明顯看出電離層閃爍引起衛(wèi)星導航接收機接收信號的質量急劇下降，GPS接收機在經度、緯度、和高度上都出現(xiàn)極大的定位誤差，部分時間段內衛(wèi)星失鎖，定位精度嚴重下降。

圖1 出現(xiàn)電離層閃爍時GPS定位結果的變化情況

GNSS各個系統(tǒng)工作頻段相似，我國是全球電離層閃爍高發(fā)區(qū)之一，更需著重考慮電離層閃爍的影響。由于電離層對衛(wèi)星信號接收的影響與電磁干擾對衛(wèi)星信號接收的影響有一定的相似性。因此，目前美國與歐洲都在研究一體化監(jiān)測分析技術與設備，以準確的分析GNSS系統(tǒng)受電磁環(huán)境影響的準確原因。

2 國外GNSS電磁環(huán)境監(jiān)測分析技術與設備研究現(xiàn)狀

GPS系統(tǒng)的電磁環(huán)境影響問題是隨著GPS系統(tǒng)的逐步應用而逐漸顯現(xiàn)出來的，因此，國外GNSS系統(tǒng)電磁環(huán)境監(jiān)測分析技術與設備的發(fā)展是一個由簡單到復雜，由單一到綜合的階梯式的發(fā)展過程[2]。

1）頻譜分析儀

頻譜分析儀是最初采用的電磁環(huán)境監(jiān)測方式，頻譜儀直接連接于GNSS接收機天線的輸出端口，中間加一個直流供電裝置。

頻譜分析儀監(jiān)測方式的優(yōu)點是：組成簡單，容易實現(xiàn)；上半球各向同性，有利于信號的監(jiān)測接收；比較測量得到的干擾信號與給定的干擾門限值是合理的；幾乎所有的GNSS導航天線的形式可比較；電磁干擾信號可同時被GNSS衛(wèi)星導航接收機接收，方便進行聯(lián)合分析。

此監(jiān)測方式的缺點同樣也是無法解決的，包括：由于天線與低噪放的帶寬限制，無法實現(xiàn)帶外信號監(jiān)測識別；天線在低仰角時，增益較低，而大多數(shù)干擾信號是低仰角入射，無法實現(xiàn)干擾源的測向功能；頻譜分析儀掃描速度慢，當實現(xiàn)窄分析帶寬掃描時，掃描周期太長。

2）監(jiān)測接收機

面對上述方式存在的問題，大家逐步采用監(jiān)測接收機與寬頻段監(jiān)測天線。首先，采用寬頻段監(jiān)測天線與低噪放可以實現(xiàn)帶外干擾信號的準確識別，監(jiān)測天線是全向天線可以實現(xiàn)低仰角干擾信號的監(jiān)測接收；采用測向天線，可與監(jiān)測接收機相互結合實現(xiàn)干擾源的測向，進而可以實現(xiàn)干擾源定位；能夠實現(xiàn)更快的掃描速度。

但是采用頻譜分析儀與監(jiān)測接收機都無法解決電離層閃爍的監(jiān)測分析問題，在很多情況下無法準確的判斷衛(wèi)星信號質量下降是電磁干擾問題還是電離層閃爍問題。目前針對GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測問題的發(fā)展趨勢是研究一體化的電磁環(huán)境監(jiān)測分析技術與設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多元融合分析。

3）一體化電磁環(huán)境監(jiān)測分析設備

一體化電磁環(huán)境監(jiān)測分析設備通過實現(xiàn)衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號的共同監(jiān)測實現(xiàn)電磁干擾數(shù)據(jù)、電離層閃爍數(shù)據(jù)與衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)的多元融合分析，更全面的實現(xiàn)GNSS復雜電磁環(huán)境的監(jiān)測分析，從而更好的為GNSS系統(tǒng)自身及其應用系統(tǒng)服務。

3 一體化電磁環(huán)境監(jiān)測的關鍵技術分析

3.1 監(jiān)測設備監(jiān)測靈敏度分析

監(jiān)測設備的監(jiān)測靈敏度分析需要綜合考慮GNSS系統(tǒng)不同信號的干擾門限值、衛(wèi)星信號的影響、監(jiān)測設備實際可達到的監(jiān)測靈敏度值。

3.1.1 GNSS系統(tǒng)不同信號干擾門限值分析

GNSS系統(tǒng)不同信號干擾門限值的確定需要考慮的因素有：不同衛(wèi)星信號的具體體制參數(shù)；不同干擾信號的具體體制參數(shù)；GNSS系統(tǒng)不同應用目的與服務對象等。因此監(jiān)測設備監(jiān)測靈敏度需要考慮GNSS系統(tǒng)不同信號的干擾門限值。

圖2（a）是GPS與GLONASS連續(xù)波干擾門限與頻率的關系圖，圖2（b）是帶限白噪聲干擾帶寬與干擾門限的關系圖[3]。

圖2 GPS與GLONASS干擾門限與頻率、帶寬的關系

3.1.2 衛(wèi)星信號的影響分析

衛(wèi)星信號的影響分析，可以GPS民碼為例進行過程與方法的說明。單個C／A碼衛(wèi)星信號在仰角5°時采用0dB的右旋圓極化天線接收，功率為－160dBW，仰角為40°時，此時功率為－153 dBW[4]。假定衛(wèi)星信號的平均功率為－154dBW，如果采用增益為4.5dB的天線，空中共有12顆衛(wèi)星，則信號的總功率為－138.7dBW.

表1 C／A碼信號功率與帶寬的關系

根據(jù)圖2（a）干擾門限值曲線可知，－150.5 dBW的干擾信號就會對GPS造成影響，而根據(jù)表1可知，100kHz的衛(wèi)星信號功率達到－148.8 dBW，因此，設備的監(jiān)測帶寬必須小于100kHz才可滿足要求。

3.1.3 監(jiān)測設備監(jiān)測能力分析

監(jiān)測設備監(jiān)測能力分析就是分析監(jiān)測設備實際可達到的監(jiān)測靈敏度值。

設備的總的基于天線口的噪聲功率密度N0，tot是天線噪聲功率密度N0，ant與設備噪聲功率密度N0，sys的和。設備噪聲功率密度包括低噪放，天線電纜和監(jiān)測接收設備等。

天線噪聲功率密度的計算公式為

式中：k是玻爾茲曼常數(shù)；Tant是天線的噪聲溫度。單位為.

設備的噪聲功率密度主要基于設備的噪聲系數(shù)：

式中：Fsys是設備噪聲系數(shù)。

根據(jù)研究分析，目前的監(jiān)測設備基本可以發(fā)現(xiàn)干擾信號的存在，但是對于某些調制方式的識別，監(jiān)測能力稍有不足。

3.2 干擾源測向定位技術研究

干擾源測向定位技術是GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測分析工作的關鍵技術之一，干擾源位置的確定是電磁環(huán)境監(jiān)測分析工作必須要完成的任務，這是干擾減緩與消除的前提。

測向具體實現(xiàn)的方法有幅度測向、相位差－幅度測向、相位測向法和空間譜估計法等。定位可以多個不同測向系統(tǒng)的示向結果交會得到，也可以通過測量干擾信號到達不同監(jiān)測站點的時間差（TDOA）來完成。

在復雜的無線信道環(huán)境下，由于多徑效應、多址干擾、電波的非視距傳播以及各種噪聲和干擾的存在，對信號到達參數(shù)的估計往往存在偏差，從而使得估計出現(xiàn)誤差，嚴重影響定位精度。如何在復雜的無線通信環(huán)境下準確地估計定位參數(shù)是實現(xiàn)高精度定位的關鍵。

1）測向技術

目前測向技術中較為先進的是空間譜估計測向技術。空間譜估計測向是一種以天線陣輸出信號的空間相關特征為基礎的超分辨譜估計方法。MUSIC算法是基于特征結構分析的空間譜估計方法，其測向原理是根據(jù)矩陣特征分解理論，對陣列輸出協(xié)方差矩陣進行特征分解，將信號空間分解為衛(wèi)星信號空間和干擾信號空間，利用干擾信號空間與陣列的方向矩陣列矢量正交的性質，構造空間譜函數(shù)并進行譜峰搜索，從而估計出波達方向信息。

2）定位技術

目前干擾定位技術的研究極其廣泛，而干擾定位的方法也極多，但由于GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測分析的特殊性，可考慮采用交叉定位的方式，原理簡單而實用。對于固定點干擾信號可采用一個測向設備，通過多點分時測量實現(xiàn)；對于移動點干擾信號由于其位置的變化性，需要采用多個設備實現(xiàn)同時多點交叉定位獲得位置。

3.3 電磁環(huán)境多元信息融合分析技術

由于電離層閃爍與電磁干擾影響效果的相似性，因此針，對GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測分析需要進行多元信息的融合分析，整個過程分為兩個層次：單基的多元信息融合技術與多站的多元信息融合技術。

1）單基的多元信息融合技術

將單個設備監(jiān)測得到的電磁干擾信息，衛(wèi)星信號及其閃爍信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多元信息融合，通過數(shù)據(jù)融合算法，實現(xiàn)多元信息的綜合分析處理從而為電磁環(huán)境影響效應分析評估工作服務。主要工作內容包括：判斷是否存在干擾信號、分析衛(wèi)星信號狀態(tài)、分析衛(wèi)星信號閃爍效應、多元信息的融合分析與影響原因的分析。

2）多站信息的數(shù)據(jù)融合技術

通過多站獲得的信息可以實現(xiàn)對地面站電磁環(huán)境的更準確分析，需要采用數(shù)據(jù)處理、融合和決策技術。首先，需要確定合理的數(shù)據(jù)融合優(yōu)化方案；其次，需要解決信息沖突情況下的數(shù)據(jù)融合問題。

3.4 影響效應分析評估技術

GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測分析需要對影響效應進行分析評估，以指導下一步應該采取的措施。

1）建立影響效應評估準則

首先建立電磁干擾信號、電離層閃爍對GNSS導航影響效應評估準則，具體評估準則參考國際電信聯(lián)盟（ITU）標準和GNSS各鏈路設計準則制定，但又要根據(jù)GNSS實際應用的需要。例如可采用載干比準則或誤碼率準則等等。

GNSS應用環(huán)境與應用目的不同，對電磁環(huán)境的要求也不相同，因此評估準則也有一定的差異，在這里需要根據(jù)不同的應用需求，確定相對合理的影響效應評估準則體系。

2）影響效應的理論計算

依據(jù)干擾信號的功率、帶寬、中心頻率與調制方式等參數(shù)，結合GNSS信號的相關設計參數(shù)以及信號接收過程采用的典型抗干擾算法，依據(jù)電離層閃爍對衛(wèi)星信道影響效應的理論分析結果，進行電磁環(huán)境影響效果的理論計算。

3）影響效應的仿真分析與實驗測試

為了全面可靠的評估分析電磁環(huán)境對GNSS鏈路信號的不利影響，仿真分析與實驗測試是有效的手段。研究電磁環(huán)境（電磁干擾與電離層閃爍）造成的GNSS鏈路接收設備的性能指標的變化，運行中斷的可能性、信噪比的下降、誤碼率的增加、觀測數(shù)據(jù)質量變化等，給出合理的影響判據(jù)，此判據(jù)可根據(jù)實際情況進行修正。

此外，一體化電磁環(huán)境監(jiān)測的關鍵技術還包括一體化硬件平臺的研制，數(shù)據(jù)的綜合分析篩選與入庫，設備的實驗驗證與應用服務系統(tǒng)的兼容等。

4 結 論

隨著我國北斗二號系統(tǒng)的逐步投入使用，北斗二號面臨的電磁環(huán)境問題會極其復雜，針對北斗二號系統(tǒng)的干擾監(jiān)測減緩計劃服務，未來將進一步涉及到設備的應用方式、服務對象與實施途徑等。

根據(jù)ICG（全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會）第五次會議美國 “檢測和消除對GNSS的干擾”[5]的專題，GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測分析將是外來影響整個GNSS系統(tǒng)發(fā)展的重要問題，值得大家去做進一步深入的研究。

[1]Deshpande S M.Study of interference effects on GPS signal acquisition[D].University of Calgary，2004.

[2]Felix Butsch.A concept for GNSS interference monitoring[C]∥International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation（ION GPS 1999），Nashville，TN，1999：125－136.

[3]RTCA Do－235.Assessment of radio frequency interference relevant to the GNSS[R].Radio Technical Commission for Aeronautics，1997.

[4]ARINC－Research Corporation.GPS－Interface Control Document（ICD200C）[R].The Interface Control Working Group（ICWG），1997.

[5]ICGWGB.Report of the Working Group on Enhancement of the Performance of Global Navigation Satellite Systems Services[R].UNOOSA.2010.