衛(wèi)星導(dǎo)航可用性監(jiān)測(cè)技術(shù)

張發(fā)祥,林利，殷贊,甄衛(wèi)民

(1.中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107；2.中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天系統(tǒng)部信息網(wǎng)絡(luò)管理中心，北京 100094)

0 引 言

現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)包括GPS,GLONASS,Galileo以及中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),統(tǒng)稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS),GNSS為導(dǎo)航應(yīng)用帶來(lái)了革命性的變化,它在全球范圍內(nèi)為軍民用戶提供精確的定位信息、速度信息和時(shí)間信息,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的四個(gè)主要性能指標(biāo)包括:精度、完好性、連續(xù)性和可用性.其中,完好性是指,當(dāng)GNSS出現(xiàn)故障而使定位誤差超過(guò)用戶允許限值時(shí),系統(tǒng)能在一定時(shí)間內(nèi)通知用戶.可用性是指,導(dǎo)航系統(tǒng)為服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶滿足要求的服務(wù)的時(shí)間概率.顧及用戶完好性要求,可用性分析需要以完好性參數(shù)是否滿足作為判定條件[1].

影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不可用的因素主要分為三大類：第一類是衛(wèi)星故障和衛(wèi)星維護(hù)等導(dǎo)航系統(tǒng)自身異常引起的不可用;第二類是衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)接收鏈路上以電離層閃爍為主的空間電波傳播環(huán)境異常引起的不可用;第三類是接收機(jī)或衛(wèi)星受到電磁環(huán)境干擾因素影響引起的不可用.

針對(duì)以上三種不可用因素,本文從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)、電離層閃爍監(jiān)測(cè)和電磁環(huán)境干擾監(jiān)測(cè)三個(gè)方面分別論述.

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性是指當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障或誤差超出了限定的范圍時(shí),自動(dòng)向用戶提供及時(shí)告警的能力[1].完好性直接關(guān)系到衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)的安全可靠性,對(duì)航空和航海等對(duì)安全系數(shù)高的領(lǐng)域尤為重要;服務(wù)的完好性得不到保障,將會(huì)導(dǎo)致用戶重大損失或者出現(xiàn)災(zāi)難.

電離層閃爍是當(dāng)電波通過(guò)電離層時(shí),受電離層結(jié)構(gòu)的不均勻性影響,引起信號(hào)幅度和相位等短周期不規(guī)則變化的現(xiàn)象.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)端通過(guò)電離層時(shí),不僅僅是總電子含量(TEC)對(duì)接收機(jī)測(cè)距精度有相影響,而且當(dāng)發(fā)生電離層閃爍時(shí),可引起衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)幅度和相位隨機(jī)起伏,使導(dǎo)航性能下降,嚴(yán)重時(shí)可引起信號(hào)中斷導(dǎo)致接收機(jī)失鎖等.

電磁環(huán)境干擾是指引起衛(wèi)星導(dǎo)航用戶端甚至是衛(wèi)星端的各種電磁干擾信號(hào),包括無(wú)意干擾與有意干擾.由于導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面用戶時(shí)信號(hào)強(qiáng)度已非常小,很容易受到電磁環(huán)境干擾的影響.

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)綜合起來(lái)分為兩類,一類是內(nèi)部增強(qiáng)方法,即利用接收機(jī)內(nèi)部的冗余信息或用戶端的其他輔助信息來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)異常的判斷,另一類是外部增強(qiáng)方法,即在地面或衛(wèi)星端設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)備,監(jiān)測(cè)衛(wèi)星狀況,然后廣播給用戶.

GNSS本身能夠進(jìn)行衛(wèi)星故障檢測(cè),但是對(duì)于一些特殊場(chǎng)合時(shí)效性不能滿足需求,所以需要在用戶端進(jìn)行完好性監(jiān)測(cè).本文主要針對(duì)地面固定站點(diǎn)完好性監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行論述.對(duì)于固定站點(diǎn),可以先依據(jù)衛(wèi)星健康信息和星歷數(shù)據(jù)變化合理性,給出導(dǎo)航衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)是否正常.如果正常,再依據(jù)導(dǎo)航定位結(jié)果與已知參考點(diǎn)位置比較的方法和精確參考點(diǎn)偽距測(cè)量值與偽距計(jì)算值的比較方法來(lái)具體判斷導(dǎo)航衛(wèi)星的可用性.固定站點(diǎn)也可以利用導(dǎo)航衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù),進(jìn)行收星檢查工作,并且根據(jù)歷書數(shù)據(jù),依據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星臨空預(yù)報(bào)原理,進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星臨空位置預(yù)報(bào)工作,預(yù)報(bào)未來(lái)一段時(shí)間的衛(wèi)星可用性信息.

1.1 衛(wèi)星健康信息監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星導(dǎo)航電文中,給出了各個(gè)衛(wèi)星的健康數(shù)據(jù),在常規(guī)處理中,可以依據(jù)這些衛(wèi)星健康信息,進(jìn)行衛(wèi)星可用性的初步判斷.

考慮到衛(wèi)星信息的欺騙性,衛(wèi)星導(dǎo)航電文發(fā)布的健康信息有可能延遲很長(zhǎng)時(shí)間甚至虛假信息,所以不能單純依靠單站接收到的導(dǎo)航電文信息進(jìn)行判斷.

1.2 星歷數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星被注入誤差較大的星歷或者歷書參數(shù)等情況,可以使用歷史的衛(wèi)星星歷參數(shù)或者歷書參數(shù),通過(guò)對(duì)歷史星歷數(shù)據(jù)的外推計(jì)算與當(dāng)前星歷數(shù)據(jù)作差,依據(jù)差值來(lái)判斷導(dǎo)航衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)的變化的合理性,從而判斷導(dǎo)航衛(wèi)星的可用性.在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),也可以首先通過(guò)外推,計(jì)算當(dāng)前接收到的衛(wèi)星電文時(shí)刻的衛(wèi)星位置,然后將當(dāng)前接收到的星歷參數(shù)或者歷書參數(shù)作差,如果差值大于某個(gè)給定的閾值(對(duì)于星歷參數(shù)和歷書參數(shù)不同),則認(rèn)為當(dāng)前衛(wèi)星的星歷參數(shù)或者歷書參數(shù)有問(wèn)題,衛(wèi)星不可用.

1.3 偽距測(cè)量與計(jì)算比較

接收機(jī)進(jìn)行北斗、GPS、GLONASS組合定位,導(dǎo)航原始觀測(cè)數(shù)據(jù)包括偽距、載波相位和多普勒頻移.偽距指的是衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離,由于該距離含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘差等誤差與噪聲引起的偏差,所以稱之為偽距.與載波相位觀測(cè)量相比,偽距相對(duì)穩(wěn)定可靠,因此偽距作為衛(wèi)星異常監(jiān)測(cè)的主要觀測(cè)量,理論和實(shí)踐均表明,偽距觀測(cè)值的精度只有其碼元長(zhǎng)度的1%,達(dá)到亞米級(jí)精度,其精度可以完成衛(wèi)星異常監(jiān)測(cè)任務(wù).

對(duì)于固定監(jiān)測(cè)站,由于已知精確的位置參考點(diǎn),因此通過(guò)偽距測(cè)量值與偽距計(jì)算值的差值來(lái)判斷導(dǎo)航衛(wèi)星的可用性.

利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文中的星歷數(shù)據(jù)或者歷書數(shù)據(jù),計(jì)算衛(wèi)星的空間位置,根據(jù)衛(wèi)星空間位置和地面已知點(diǎn)的坐標(biāo),可以計(jì)算出地面已知點(diǎn)到衛(wèi)星的距離值.衛(wèi)星定位接收機(jī)測(cè)量的偽距值中,包含了多種誤差,主要有電離層誤差、對(duì)流層誤差、衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和相對(duì)論效應(yīng)等多種誤差[2],這些誤差,大多數(shù)都可以按照嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到,從測(cè)量偽距值中扣除這些誤差,就可以得到接收機(jī)(地面位置點(diǎn))到衛(wèi)星的測(cè)量距離.將計(jì)算得到的地面與衛(wèi)星距離值和測(cè)量得到的距離值作差,根據(jù)差值絕對(duì)值的大小,可以來(lái)判斷衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的可用性.

對(duì)于固定站衛(wèi)星異常監(jiān)測(cè),固定站坐標(biāo)已知,衛(wèi)星坐標(biāo)和衛(wèi)星鐘差通過(guò)星歷參數(shù)計(jì)算出來(lái),對(duì)流層誤差和電離層誤差通過(guò)模型改正,只有接收機(jī)鐘差作為未知數(shù)出現(xiàn).可以對(duì)每個(gè)觀測(cè)方程計(jì)算接收機(jī)鐘差,如果衛(wèi)星工作正常,解算出的接收機(jī)鐘差應(yīng)該大致相等,如果某個(gè)接收機(jī)鐘差出現(xiàn)大的偏差,表示該衛(wèi)星工作不健康.

接收機(jī)鐘差包括廣播星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、對(duì)流層誤差、電離層誤差和偽距觀測(cè)噪聲.這些誤差經(jīng)過(guò)模型修正后,殘差部分大約5 m左右.如果通過(guò)某個(gè)衛(wèi)星觀測(cè)方程計(jì)算出來(lái)的接收機(jī)鐘差存在大于15 m的奇異值,表示該衛(wèi)星偽距觀測(cè)值存在異常.

1.4 接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)原理

所謂接收機(jī)的自主完好性監(jiān)測(cè),就是接收機(jī)利用自身定位解算,通過(guò)冗余觀測(cè)量完成對(duì)自主完備性的監(jiān)測(cè),從而為接收機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠的高精度定位提供相關(guān)衛(wèi)星和自身觀測(cè)通道的可用性依據(jù).

由于用戶設(shè)備不是固定站點(diǎn)安裝,不可能事先知道設(shè)備所在地點(diǎn)的精確位置,因此考慮兩種可用性監(jiān)測(cè)方法.一種是當(dāng)設(shè)備架設(shè)在某個(gè)固定點(diǎn)后,連續(xù)定位,將各次的定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),給出定位結(jié)果的均值和方差.并且規(guī)定一個(gè)方差的范圍,即給出方差的閾值.如果某個(gè)時(shí)間段的定位結(jié)果引起方差超過(guò)了閾值,則認(rèn)為當(dāng)時(shí)的導(dǎo)航衛(wèi)星不可用.另一種是導(dǎo)航接收機(jī)具備自主完好性監(jiān)測(cè)功能,能夠給出較為準(zhǔn)確的定位結(jié)果,然后使用與固定監(jiān)測(cè)站同樣的方法進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星可用性判斷.

根據(jù)故障檢測(cè)原理,通過(guò)不同觀測(cè)量之間的冗余約束關(guān)系對(duì)最小二乘法定位結(jié)果的有效性進(jìn)行判決.因此,接收機(jī)完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種使用超定解來(lái)進(jìn)行一致性檢查的技術(shù).可以實(shí)時(shí)利用一組同時(shí)收集的GNSS觀測(cè)量,是基于觀測(cè)量間的自身一致性的檢查.常用的算法包括:偽距殘差判決法、偽距比較、校驗(yàn)向量法和最大解分離法.

1.5 導(dǎo)航衛(wèi)星臨空預(yù)報(bào)原理

導(dǎo)航衛(wèi)星臨空預(yù)報(bào)是指針對(duì)用戶指定的地域和時(shí)域進(jìn)行衛(wèi)星的臨空數(shù)量、狀態(tài)及DOP值估計(jì)等計(jì)算.

GNSS原始導(dǎo)航電文中包括了星歷信息和所有導(dǎo)航衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù),解析導(dǎo)航電文后,就可以得到某個(gè)衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)或者所有衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù).歷書數(shù)據(jù)是導(dǎo)航衛(wèi)星在某個(gè)時(shí)刻的等效位置數(shù)據(jù).利用歷書數(shù)據(jù),按照一定的數(shù)學(xué)模型,就可以計(jì)算出某一段時(shí)間內(nèi)的每顆導(dǎo)航衛(wèi)星的空間位置,從而可以預(yù)知導(dǎo)航衛(wèi)星在未來(lái)某時(shí)間段的位置分布,達(dá)到對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星位置預(yù)報(bào)的目的.

2 電磁環(huán)境干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)

美國(guó)在2008年的《國(guó)家PNT結(jié)構(gòu)研究最終報(bào)告》中提出了關(guān)于2025年P(guān)NT系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的19條建議,其中第二條就是:監(jiān)測(cè)各種PNT信號(hào)[3],確認(rèn)信號(hào)干擾并將有關(guān)干擾的信息近實(shí)時(shí)地分發(fā).隨后美國(guó)由國(guó)土安全部負(fù)責(zé)開展了GPS干擾監(jiān)測(cè)與削弱(IDM)系統(tǒng)的建設(shè),首先在海岸警衛(wèi)隊(duì)建設(shè)了IDM數(shù)據(jù)中心,收集處理和發(fā)布干擾監(jiān)測(cè)信息[4].2007年8月20日,IDM計(jì)劃正式獲得布什總統(tǒng)批準(zhǔn),2008年1月,國(guó)土安全部簽署IDM系統(tǒng)的執(zhí)行計(jì)劃.此外,歐洲和俄羅斯也正在規(guī)劃各自的GNSS IDM系統(tǒng)[5],并已經(jīng)開展了相關(guān)技術(shù)研究和大量的干擾監(jiān)測(cè)試驗(yàn),同時(shí)歐美之間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了IDM數(shù)據(jù)中心之間的GNSS干擾信息交換.

在國(guó)內(nèi),隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的普遍應(yīng)用,各種故意和非故意的干擾案例層出不窮,例如我國(guó)的通信基站曾因GPS干擾,造成移動(dòng)通信系統(tǒng)授時(shí)中斷,通信網(wǎng)絡(luò)大面積癱瘓.與GPS類似,北斗系統(tǒng)面臨著同樣的問(wèn)題.北斗系統(tǒng)建設(shè)以來(lái),其運(yùn)控系統(tǒng)面臨著一些復(fù)雜電磁環(huán)境的影響,信號(hào)被干擾和信號(hào)異常時(shí)有發(fā)生.

電磁干擾分為無(wú)意和有意干擾.無(wú)意干擾包括導(dǎo)航信號(hào)頻段同頻或者鄰頻的境內(nèi)各種干擾信號(hào),包括電視信號(hào)、地面移動(dòng)通信信號(hào)、移動(dòng)衛(wèi)星通信信號(hào)、航空的TACAN(塔康)和DME(測(cè)距器)等系統(tǒng)的無(wú)線電信號(hào),以及其他航空無(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星地球探測(cè)、無(wú)線電定位和雷達(dá)、衛(wèi)星移動(dòng)、空間研究業(yè)務(wù)等與衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)等存在頻譜共用問(wèn)題的一切無(wú)線電信號(hào)[6].有意干擾是指敵方故意有針對(duì)性釋放的各種干擾信號(hào),包括寬帶干擾、窄帶干擾、脈沖干擾和欺騙式干擾等.

2.1 干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1.1 基于GNSS導(dǎo)航接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)弱,極易受到干擾,以GPS信號(hào)C/A碼為例,落地功率-130 dBm.通常的接收機(jī)捕獲要求載噪比(C/N0)在30 dBHz左右,因此要求噪聲功率譜密度為-160 dBm/Hz,意味著高于-160 dBm/Hz的噪聲就對(duì)信號(hào)的捕獲有干擾,在弱干擾存在的情況下,當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)落地功率大于-130 dBm時(shí)接收機(jī)就能捕獲信號(hào),因此,可以基于接收機(jī)檢測(cè)弱干擾.

干擾發(fā)生時(shí),信號(hào)載噪比,信號(hào)相干積分、碼偽距測(cè)量誤差、載波相位測(cè)量誤差、捕獲和跟蹤性能都會(huì)發(fā)生較明顯的變化,通過(guò)對(duì)這些信息的綜合監(jiān)測(cè),可以實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的檢測(cè).弱信號(hào)具有很高的隱蔽性,但是對(duì)接收機(jī)的相干積分值會(huì)產(chǎn)生影響,干擾強(qiáng)度越強(qiáng),相干積分值越小,并且隨著相干積分時(shí)間的延長(zhǎng)影響越發(fā)明顯,所以可以根據(jù)相關(guān)積分值的變化來(lái)提取干擾;干擾對(duì)碼跟蹤的影響依賴于超前相關(guān)器和滯后相關(guān)器的差分,干擾影響大小不僅取決于信號(hào)和干擾的功率譜及預(yù)相關(guān)濾波器,也取決于鑒別器設(shè)計(jì)和碼跟蹤環(huán)路帶寬,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,弱干擾信號(hào)對(duì)碼偽距和載波相位造成的誤差相對(duì)較小,可以采用偽距方差的差分值和載波相位方差的差分值進(jìn)行高靈敏度的干擾檢測(cè).

通過(guò)估計(jì)干擾信號(hào)的特征(包括干擾功率、類型、中心頻率和帶寬)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的影響,并通過(guò)比較相關(guān)器實(shí)際輸出和理論值的差別、分析比較各通道的載噪比變化、以及對(duì)各種樣式干擾的存在性及其特性進(jìn)行評(píng)估,可以利用接收機(jī)的觀測(cè)量來(lái)檢測(cè)干擾是窄帶還是寬帶干擾,以及估計(jì)干擾功率大小等參數(shù).

2.1.2 基于頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)

利用導(dǎo)航接收機(jī)的普通觀測(cè)量進(jìn)行干擾監(jiān)測(cè)直接依賴于接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲與跟蹤,基于導(dǎo)航接收機(jī)的干擾檢測(cè)處于失鎖的臨界狀態(tài)時(shí)可以更好地進(jìn)行干擾監(jiān)測(cè),這在一定程度上限制了基于接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)能力.基于頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)可以彌補(bǔ)這方面的不足.

基于頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)是采用干擾檢測(cè)與干擾識(shí)別等算法對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理.干擾檢測(cè)主要使用的是頻譜分析的方法,該方法可以提取信號(hào)的頻率和功率等,干擾識(shí)別采用判決理論和模式識(shí)別方法可以判別窄帶、寬帶、脈沖等干擾類型,并基于調(diào)制識(shí)別方法可以進(jìn)一步提高干擾信號(hào)的調(diào)制方式的識(shí)別率.此外,構(gòu)建干擾源數(shù)據(jù)庫(kù),研究電磁干擾源特征匹配算法,實(shí)現(xiàn)干擾源的匹配確認(rèn).

2.1.3 欺騙式干擾檢測(cè)技術(shù)

1)多系統(tǒng)驗(yàn)證

不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS/GLONASS/BDS),很難同時(shí)進(jìn)行欺騙,因此通過(guò)對(duì)比和檢驗(yàn),對(duì)欺騙進(jìn)行分析;

2)多站驗(yàn)證

由于地面干擾信號(hào)作用具有區(qū)域性,因此,各個(gè)單站有可能出現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星可用性判別出現(xiàn)不一致的情況,對(duì)各個(gè)單站的判別結(jié)果進(jìn)行綜合的多站驗(yàn)證,可以對(duì)導(dǎo)航信號(hào)欺騙信息進(jìn)行全面的分析,甚至有可能給出干擾信號(hào)的可能區(qū)域.

2.2 干擾測(cè)向技術(shù)

干擾源測(cè)向技術(shù)主要分為比幅法和比相法,比幅法又可分為最大信號(hào)法、最小信號(hào)法、幅度比較法和綜合法等,比相法又可分為干涉儀測(cè)向和相關(guān)干涉儀測(cè)向等.

根據(jù)目前測(cè)向技術(shù)的成熟度與工程化程度,并結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際需求,最大信號(hào)法具有靈敏度高的特點(diǎn),但是測(cè)向精度低,相關(guān)干涉儀法測(cè)向精度高,但是靈敏度低,由于對(duì)地面站造成影響的干擾信號(hào)的臨界功率低,因此在干擾源查找與定位過(guò)程中需要將兩者結(jié)合在一起,各取所長(zhǎng),揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短.

2.2.1 最大信號(hào)法測(cè)向

最大信號(hào)法測(cè)向法是利用方向性天線進(jìn)行測(cè)向,該天線方向圖的水平和垂直方向圖在某個(gè)角度上都有最大增益點(diǎn),當(dāng)來(lái)波方向正對(duì)這個(gè)角度時(shí)增益最大,在其它角度上增益變小,可利用這個(gè)特性進(jìn)行測(cè)向.測(cè)向時(shí),通過(guò)改變天線位置來(lái)改變天線的最大指向,比較天線在不同方向輸出的信號(hào)大小,當(dāng)輸出信號(hào)幅度最大時(shí),天線主波束中心軸與來(lái)波方向一致,即來(lái)波方向.

為了提高測(cè)向精度,并消除個(gè)別誤差測(cè)量的影響,需要采用同一點(diǎn)位的多次測(cè)向,然后進(jìn)行誤差點(diǎn)的剔除和取平均值.剔除掉超過(guò)誤差門限值后,然后再對(duì)其他測(cè)向值取平均.而誤差門限值根據(jù)天線的方向圖特性進(jìn)行設(shè)定.

2.2.2 相關(guān)干涉儀測(cè)向

與傳統(tǒng)比幅、比相測(cè)向方法相比,相關(guān)干涉儀體制的

優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)出高精度、高靈敏度和高抗擾度,從以下幾個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明:

1)相關(guān)干涉儀利用大孔徑天線陣,因而具有很強(qiáng)的抗多徑失真能力;2)天線陣的孔徑變大降低了白噪聲的干擾,采用相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理有類似積分的效果,使在很寬的頻帶內(nèi)提高了靈敏度;第三,大孔徑使相關(guān)曲線變得尖銳,這和強(qiáng)方向性天線避開帶內(nèi)干擾的效果類似,所以提高了抗帶內(nèi)干擾性能[7].

與空間譜估計(jì)等超分辨方法相比,相關(guān)干涉儀方法不需要對(duì)導(dǎo)向矢量進(jìn)行遍歷搜索,大幅度減小了測(cè)向時(shí)間,特別適用于實(shí)時(shí)性高的場(chǎng)合,并且由于空間譜采用的超分辨方法[8]都是基于理想的信號(hào)和噪聲模型推導(dǎo)出來(lái)的,在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中這些理想條件難以滿足,性價(jià)比不高.所以,相關(guān)干涉儀體制在實(shí)際應(yīng)用中較多.

相關(guān)干涉儀測(cè)向的實(shí)質(zhì)是,當(dāng)干擾信號(hào)在到達(dá)固定間距的天線陣列時(shí),由于天線陣中天線陣元之間的時(shí)間差所產(chǎn)生的相位關(guān)系來(lái)確定干擾信號(hào)的方位[9].由于干擾信號(hào)相對(duì)于天線陣參考方向的方向角與天線陣元間信號(hào)的相位分布有對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用這種對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)比較入射的干擾信號(hào)相位分布與事前在標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地采集到的各方位和各頻率信號(hào)相位相似性得到來(lái)波方向,相似性最好的方向就是干擾源來(lái)波方向.

2.3 干擾源定位技術(shù)

干擾源定位技術(shù)主要包括:基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)測(cè)時(shí)差定位技術(shù)、基于信號(hào)到達(dá)角(AOA)測(cè)向定位技術(shù)和基于信號(hào)到達(dá)頻率差(FDOA)定位技術(shù).

由于干擾信號(hào)源落入導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段的干擾信號(hào)大多是各種諧波、交互調(diào)與泄露信號(hào),臨界干擾功率較低.并且干擾信號(hào)受地面起伏對(duì)信號(hào)傳播路徑造成影響.根據(jù)實(shí)際查找干擾源的工程經(jīng)驗(yàn),并借鑒歐洲美國(guó)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾源查找定位的方法,針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)干擾源查找的需求,建議選擇AOA中的交叉定位算法來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾源定位.

實(shí)際干擾源信號(hào)監(jiān)測(cè)與查找過(guò)程中,由于信號(hào)的傳播路徑損耗影響因素很多,受地形影響更為嚴(yán)重,因此接收到場(chǎng)強(qiáng)的大小并不能反映測(cè)向點(diǎn)距離干擾源的遠(yuǎn)近,可采用最小差距法進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)的綜合分析.

在“GNSS干擾監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”文中論述的GNSS干擾監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng),采用了相關(guān)干涉儀測(cè)向定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,具備較好的性能指標(biāo),能夠滿足導(dǎo)航干擾監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的干擾監(jiān)測(cè)與查找的需求[10],便于工程化應(yīng)用推廣.

3 電離層閃爍監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)影響

當(dāng)GNSS衛(wèi)星信號(hào)傳播穿越電離層時(shí),電離層中存在的不規(guī)則結(jié)構(gòu)會(huì)引起衛(wèi)星信號(hào)幅度和相位的快速隨機(jī)起伏變化,此種現(xiàn)象稱為電離層閃爍.電離層閃爍將引起接收機(jī)出現(xiàn)誤碼和信號(hào)畸變,影響導(dǎo)航定位精度,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致接收機(jī)失鎖[11].

電離層閃爍監(jiān)測(cè)可通過(guò)以下幾種方式為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供保障:

1)通過(guò)單站電離層閃爍監(jiān)測(cè),獲得電離層閃爍狀態(tài)信息,便于事后分析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能下降的原因;

2)在多監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)分析的基礎(chǔ)上,可以獲得區(qū)域電離層閃爍分布情況,為導(dǎo)航系統(tǒng)提供電離層閃爍預(yù)警服務(wù).

3.2 電離層閃爍監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

電離層閃爍檢測(cè)主要是獲取電離層幅度閃爍指數(shù)和相位閃爍指數(shù).幅度閃爍指數(shù)反應(yīng)了信號(hào)振幅抖動(dòng)的劇烈程度,相位閃爍指數(shù)反應(yīng)了電離層閃爍引起的信號(hào)相位變化劇烈程度.電離層閃爍檢測(cè)算法流程主要包括接收機(jī)閃爍原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理、閃爍指數(shù)的精確計(jì)算和閃爍數(shù)據(jù)后處理(包括閃爍事件識(shí)別、閃爍譜分析、閃爍事件幾何參數(shù)計(jì)算等).

閃爍數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值修正,為了減緩接收機(jī)噪聲和環(huán)境噪聲的影響,采用恒溫晶振為接收機(jī)提供頻率基準(zhǔn),降低相位噪聲對(duì)相位閃爍測(cè)量的影響,在計(jì)算閃爍指數(shù)的過(guò)程中,必然會(huì)存在環(huán)境噪聲,為了降低甚至消除環(huán)境中和接收機(jī)本身的噪聲影響,需要對(duì)電離層閃爍指數(shù)進(jìn)行修正,從而得到更為準(zhǔn)確的電離層閃爍指數(shù).

4 結(jié)束語(yǔ)

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中,系統(tǒng)可用性將越來(lái)越重要,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性監(jiān)測(cè)主要包括衛(wèi)星系統(tǒng)自身完好性監(jiān)測(cè)、電離層閃爍監(jiān)測(cè)和電磁環(huán)境監(jiān)測(cè).通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),基于可用性技術(shù)研究大多是針對(duì)系統(tǒng)完好性、電離層閃爍、干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究,各自獨(dú)立,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)還處于起步階段,沒有形成自己獨(dú)立的體系,為了保障北斗系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行與使用,須加快這方面的研究與建設(shè).