美伊沖突中的GPS信號增強分析

劉苗苗,焦文海,賈小林

(1. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安710054;2. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094;3. 西安測繪研究所,陜西 西安 710054)

0 引 言

全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國國防部為軍事目的而建立的,旨在徹底解決海上、空中和陸地運載工具的導(dǎo)航和定位問題的導(dǎo)航定位授時系統(tǒng)[1].1997年,美軍首次正式提出“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念,該概念的提出有效促進了美國導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展.目前美國已經(jīng)發(fā)展了星間鏈路技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、導(dǎo)航拒止技術(shù)、功率增強技術(shù)等,其中功率增強是通過增加衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航信號的播發(fā)功率,對抗敵方干擾,從而提供更加穩(wěn)健的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)能力的技術(shù)[2].2018年4月美國打擊敘利亞事件中,GPS信號受到干擾,隨后GPS進行了P(Y)碼即軍碼的功率增強技術(shù),保障了GPS在干擾區(qū)域的服務(wù)能力[3-5].

2019年6月美國伊朗沖突事件中,GPS P(Y)碼功率再次增強,由于不同廠家的接收機信噪比特征曲線(功率變化曲線)不一樣[6],故本文將從接收機類型這一因素,利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際服務(wù)協(xié)會(IGS)測站2019年6月19日至21日(DOY:170—172)共3天的數(shù)據(jù)對GPS功率增強進行分析.

1 信噪比及GPS碼介紹

信噪比(SNR)是指載波信號強度和噪聲強度的比值.它主要受天線的增益參數(shù)、接收機相關(guān)器狀態(tài)以及多路徑的影響,是反映載波相位觀測質(zhì)量的指標(biāo)之一[7].從觀測文件中可以直接獲取觀測衛(wèi)星相應(yīng)時段的SNR,其數(shù)值越大,表明信號強度越強.

目前,GPS SNR在L1、L2和L5三個頻點上播發(fā)信號,其中L1波段以1575.42 MHz發(fā)射C/A碼和P碼,L2波段以1227.6 MHz發(fā)射P碼,L5波段是用來加強L1的一種輔助民用頻率,L5=1176.45 MHz[8-9].此外,GPS正在研發(fā)實施的新一代“運行控制系統(tǒng)”(OCX)[10],已使GPS全面具備自主導(dǎo)航能力,其空間段已經(jīng)初步具備了播發(fā)M碼軍用信號,L2C和L5C民用信號和星上信號功率可調(diào)能力.

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

目前IGS在全球范圍內(nèi)約有400多個GNSS跟蹤站,其中各站采用的接收機和天線類型多種多樣,其中約34%的測站采用Trimble接收機,其次是Javad、Leica、Septentrio和Ashtech接收機,部分測站采用AOA、ITT、JPS等接收機.

本文實驗設(shè)計從以下三部分對本次GPS功率增強進行分析:1)GPS功率增強時段與范圍;2)不同接收機、天線類型對GPS功率增強的影響;3)不同衛(wèi)星類型對GPS功率增強的影響.

為最大程度排除測站位置、地理環(huán)境、可見衛(wèi)星數(shù)等因素的影響,較好地比較與分析不同類型接收機、天線對GPS功率增強的影響.本文選取多組IGS并址站進行分析.IGS并址站即距離較近,一般相距不超過十米的兩個IGS測站.圖1為采用的IGS并址測站分布圖.

限于篇幅,本文只列出了10組(接收機類型不同)+3組(天線類型不同)并址站的對比結(jié)果,表1為本文采用的部分IGS測站信息表.

圖1 IGS并址測站分布圖

表1 IGS測站基本信息

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 功率增強時段及范圍分析

根據(jù)各測站數(shù)據(jù)分析可知,本次功率增強是對P(Y)碼的增強,增強衛(wèi)星為19顆GPS IIRM和GPS IIF衛(wèi)星.功率增強開始及結(jié)束時刻如表2所示,由表2可知,GPS功率增強在6月20日15:19-17:49進行,持續(xù)時間2.5 h,功率恢復(fù)在6月21日05:50-10:43進行,持續(xù)時間4小時53分鐘.

表 2 GPS功率變化衛(wèi)星及時刻

GOLD站6月20日-6月21日信噪比變化曲線如圖2所示.從圖中可見,GOLD站觀測到信噪比增強約6 dB;且位于全球不同位置的觀測站,均能觀測到明顯的功率增強現(xiàn)象,說明本次GPS P(Y)碼功率增強是全球范圍的增強.

圖2 GOLD站6月20日-6月21日GPS P(Y)碼信噪比

3.2 GPS功率增強對接收機、天線類型的影響

表3所列各組測站均是天線類型相同,接收機類型不同的IGS并址站,由3.1節(jié)可知,GPS功率增強最早開始于6月20日15:19,最晚結(jié)束于21日10:43,則6月20日15:19:00—23:59:30為衛(wèi)星增強時段,截取6月19日相應(yīng)時段,對19顆增強衛(wèi)星在兩日內(nèi)相同時段的P(Y)碼SNR進行均值做差,求得各測站功率增強均值如表3所示.

表3 接收機類型對GPS P(Y)碼功率增強的影響

從表3可以看出,第1組中,GODE測站功率變化值為-0.33 dB,結(jié)合圖3 GODE站6月20日-6月21日P(Y)碼信噪比變化曲線可知,該測站無明顯功率增強現(xiàn)象;第2～4組中,采用ASHTECH UZ-12接收機的GOL2、TIDB、KOKB測站功率增強值明顯低于對應(yīng)的GOLD、TID1和KOKV測站,其中GOLD測站采用JPS EGGDT接收機,TID1、KOKV測站分別采用SEPT POLARX5和JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機;第5～7組中,采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機的MADR、WTZZ、OHI2測站功率增強值高于對應(yīng)的MAD2、WTZR和OHI3測站,其中MAD2測站采用ASHTECH Z-XII3T接收機,WTZR測站采用LEICA GR50接收機,OHI3測站采用LEICA GR25接收機;第8組中,采用TRIMBLE NETR9接收機的TABL測站與采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機的TABV測站功率增強值相差不大,前者略大于后者;第9組中采用TRIMBLE NETR9接收機的GOP6測站比采用LEICA GRX1200+GNSS接收機的GOP7測站功率增強值大0.50 dB;第10組中,采用TPS ODYSSEY-E接收機的TIXG測站與采用JPS EGGDT接收機的TIXI測站功率增強值相差不大,前者略大于后者.

圖3 GODE站6月20日-6月21日GPS P(Y)碼SNR

此外,不同測站相同類型接收機功率增強值基本相當(dāng),其中,采用JPS EGGDT接收機的測站,功率增強約7.90 dB,采用ASHTECH UZ-12接收機的測站,功率增強約3.90 dB,采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機的測站,功率增強約6.57 dB,采用TRIMBLE NETR9接收機的測站,功率增強約8.28 dB.

表4 天線類型對GPS P(Y)碼功率增強影響

表4所列各組測站為接收機類型相同,天線類型不同的IGS并址站,和表3計算方式相同,則由表4可知,接收機類型相同情況下,各組采用不同天線測站的功率增強值均相差不大,其中第1組采用TRM59800.00天線的TSK2測站比采用AOAD/M_T天線的TSKB測站功率增強值大0.15 dB;第2組采用LEIAT504天線的YARR測站比采用LEIAR25天線的YAR3測站功率增強值大0.21 dB;第3組采用TRM29659.00天線的ZIMM測站比采用TRM59800.00天線的ZIM2測站功率增強值大0.18 dB.

結(jié)合表3、4可知,采用不同類型接收機的測站其功率增強值明顯不同,而采用不同類型天線的測站其功率增強值相差不大,由此可知,相對于天線類型,接收機類型的不同對功率增強的影響更為明顯.

3.3 不同GPS衛(wèi)星類型的功率增強分析

由3.1節(jié)可知,本次GPS功率增強主要作用在19顆衛(wèi)星上,其中包括7顆GPS IIRM衛(wèi)星和12顆GPS IIF衛(wèi)星.在3.2節(jié)的基礎(chǔ)上對功率增強衛(wèi)星進行分類,求得各類型衛(wèi)星在相應(yīng)測站的功率增強均值,限于篇幅,僅給出部分并址站的計算結(jié)果.圖4、5分別為接收機類型相同和天線類型相同時并址站的功率增強均值對比圖.

圖4 接收機類型相同的IGS并址站

圖5 天線類型相同的IGS并址站

由圖4可知,在接收機類型相同情況下,前五組并址站中,其功率增強值均是同種類型衛(wèi)星大于另一類型衛(wèi)星,如GOLD與GOL2測站:GPS IIRM衛(wèi)星>GPS IIF衛(wèi)星,第六組OHI2與OHI3測站例外.由圖5可知,在天線類型相同情況下,同組測站功率增強值表現(xiàn)出相同的趨勢,如第一組的YAR3與YARR測站,第二組的TSK2與TSKB測站,均是GPS IIRM衛(wèi)星

4 結(jié) 論

本文對2019年6月美伊沖突事件中的GPS功率增強進行了分析,主要得出以下結(jié)論:

1) 本次功率增強是對GPS P(Y)碼的全球范圍的增強,增強衛(wèi)星為GPS IIRM和GPS IIF衛(wèi)星.GPS功率增強在6月20日15:19-17:49進行,持續(xù)時間2.5 h,功率恢復(fù)在6月21日05:50-10:43進行,持續(xù)時間4小時53 分鐘.

2) 采用不同類型接收機的測站其功率增強值明顯不同,而采用不同類型天線的測站其功率增強值相差不大,由此可知,相對于天線類型,功率增強對不同接收機類型的影響更為明顯.典型類型接收機的功率增強值對比結(jié)果為:TRIMBLE NETR9>JPS EGGDT>JAVAD TRE-G3TH DELTA>ASHTECH UZ-12.

3) 在接收機類型或天線類型相同情況下,同組并址站的功率增強值基本是同種類型衛(wèi)星大于另一類型衛(wèi)星,如GOLD與GOL2并址站的功率增強值對比結(jié)果為:GPS IIRM衛(wèi)星>GPS IIF衛(wèi)星.