基于輪軸測速輔助的列車衛(wèi)星定位壓制干擾檢測方法

劉 江，蔡伯根，王 劍，李健聰

(1．北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2．北京交通大學(xué) 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044；3．北京市軌道交通電磁兼容與衛(wèi)星導(dǎo)航工程技術(shù)研究中心，北京 100044)

當前，隨著人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)、云計算、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航(BDS)等新技術(shù)加速突破應(yīng)用，我國鐵路運輸系統(tǒng)已開始走向智能化發(fā)展階段[1]。 列車運行控制作為鐵路系統(tǒng)運行安全保障的關(guān)鍵核心，以車載中心化設(shè)計、自主狀態(tài)感知、基于IP的無線通信、自動閉塞等為特征的新一代列車運行控制系統(tǒng)，正在面臨新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其高精度、全天候、實時化的定位服務(wù)能力，已在軌道交通系統(tǒng)中得到多方面應(yīng)用，其中，基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運行控制模式，能夠運用車載定位系統(tǒng)完成列車測速定位計算，且極大降低對軌旁設(shè)備(如應(yīng)答器、軌道電路等)的依賴，具備突出的成本優(yōu)化效益。近年來，美、歐、日均在基于衛(wèi)星導(dǎo)航的下一代鐵路通信信號系統(tǒng)研制與示范方面開展了大量工作，隨著我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始提供全球化服務(wù)，基于北斗衛(wèi)星定位實現(xiàn)列車運行控制，在確保鐵路運輸服務(wù)的戰(zhàn)略安全方面具有重大意義。國內(nèi)研究機構(gòu)已開始在基于北斗衛(wèi)星定位的列車控制系統(tǒng)方案設(shè)計、組合定位計算、故障檢測診斷、信號觀測場景辨識及虛擬應(yīng)答器邏輯等方面開展前期技術(shù)研發(fā)與探索工作。

長期以來，在將衛(wèi)星導(dǎo)航用于列車測速定位過程中，由于衛(wèi)星信號在空間傳播過程受到遮擋、阻斷等導(dǎo)致的定位功能可用性受限問題，一直是其應(yīng)用于列車運行控制這一安全苛求系統(tǒng)面臨的主要難題，為此，采用多傳感器融合技術(shù)將其與輔助信息源組合，如慣性導(dǎo)航傳感器、輪軸速度傳感器、多普勒雷達等[2-3]，是補償衛(wèi)星定位服務(wù)中斷或性能降級、提升列車定位整體性能的重要途徑，旨在確保衛(wèi)星導(dǎo)航用于列車定位的可用性，使其與列控系統(tǒng)需求相適應(yīng)。然而，衛(wèi)星定位需從開闊空間獲取信號實現(xiàn)相應(yīng)功能，除了由鐵路線路環(huán)境條件、地形條件等引起的信號受限之外，還可能面臨線路周邊存在的無意或蓄意信號干擾，對列車衛(wèi)星定位性能產(chǎn)生不利影響，進而對列車控制決策等過程形成威脅。因此，如何在關(guān)注列車衛(wèi)星定位功能安全的過程中，同時兼顧其信息安全層面的主動防御能力，是應(yīng)對未來復(fù)雜形勢，進一步為新型列控系統(tǒng)提供定位感知層次安全加固的重要舉措。

近年來，導(dǎo)航衛(wèi)星信號干擾與抗干擾一直是衛(wèi)星導(dǎo)航方向研究與應(yīng)用中關(guān)注的重點，特別是在軍事裝備、戰(zhàn)場導(dǎo)航對抗等領(lǐng)域，針對GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)，是有效抵御外部干擾入侵、在對抗環(huán)境中實現(xiàn)精確目標打擊、人員與裝備快速輸送、高效戰(zhàn)場指揮控制等目標得以成功實現(xiàn)的關(guān)鍵保障條件。此外，隨著經(jīng)濟與社會信息化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的不斷深化，眾多工業(yè)領(lǐng)域均面臨愈發(fā)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)與信息安全態(tài)勢，衛(wèi)星導(dǎo)航干擾裝置的小型化、低成本化及應(yīng)用隱蔽化，也進一步降低了人為對衛(wèi)星定位實施干擾及蓄意入侵的門檻，世界范圍內(nèi)以軍事/非軍事目的針對無人機、道路車輛、船舶等運輸載體的導(dǎo)航干擾事件屢有發(fā)生。為此，研究人員在衛(wèi)星導(dǎo)航干擾檢測防御方面提出了多種措施，主要從衛(wèi)星導(dǎo)航空間段、控制段、用戶段三個層面提出了應(yīng)對策略[4]。其中，從用戶終端入手設(shè)計干擾檢測與防護策略是一種較為靈活且易于部署實現(xiàn)的途徑，已有研究人員提出了多種干擾檢測方法，有代表性的包括：基于天線陣布局優(yōu)化與空時自適應(yīng)處理的抗干擾方法[5]、基于局部狀態(tài)檢測的組合導(dǎo)航干擾檢測方法[6-7]、基于偽距信息的檢測方法[8]、基于能量的檢測方法[9]、基于Wigner-Hough變換的檢測方法[10]、基于載噪比統(tǒng)計特性偏差檢驗的干擾檢測方法[11-12]等。然而，直接面向列車運行控制等鐵路安全應(yīng)用的衛(wèi)星定位壓制干擾檢測方法尚未得到廣泛關(guān)注，亟需為鐵路專用衛(wèi)星定位終端提供有效的干擾防護措施。

本文在分析衛(wèi)星定位干擾的主要類型及基本原理基礎(chǔ)上，從衛(wèi)星定位壓制干擾在接收機終端測距域的作用出發(fā)，引入輪軸速度傳感器提供的一維觀測信息，在軌道地圖數(shù)據(jù)庫輔助下實現(xiàn)列車定位域參考信息的主動推算，并進一步生成導(dǎo)航衛(wèi)星的參考觀測量，設(shè)計了基于偽距偏差檢驗的干擾檢測與排除策略，以防止受干擾觀測信息對列車測速定位性能產(chǎn)生不利影響。該方法的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在三個方面：①提出了衛(wèi)星定位測距域信息處理層面的干擾檢測與排除策略，實現(xiàn)在線干擾識別與防護；②構(gòu)建了輪軸測速與軌道空間信息融合的干擾特征表達機制，為描述并消解干擾影響創(chuàng)造了可行途徑；③設(shè)計了顯著偏差檢測、殘差統(tǒng)計檢驗兩級干擾檢測方法，有效確保識別與排除能力?；趯嶋H列車運行場景的測試結(jié)果表明，該方法能夠有效確認壓制干擾信號對衛(wèi)星觀測質(zhì)量的作用程度，并通過對異常觀測量的排除確保定位解算性能免受干擾影響，提升列車衛(wèi)星定位的可信性水平。

1 衛(wèi)星定位干擾原理

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車測速定位系統(tǒng)利用衛(wèi)星定位終端接收空間中播發(fā)的GPS、北斗衛(wèi)星信號完成列車位置、速度等狀態(tài)參量解算。作為典型的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS、北斗具有導(dǎo)航信號/數(shù)據(jù)格式公開、廣播信道無保護等顯著脆弱性特征，且衛(wèi)星距離地面運行列車所搭載的天線非常遠，當衛(wèi)星信號抵達衛(wèi)星定位終端時，衛(wèi)星信號強度非常微弱，導(dǎo)致衛(wèi)星信號在開放環(huán)境中易于受到各類干擾的影響。根據(jù)干擾信號的性質(zhì)，衛(wèi)星定位干擾可以分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩類。欺騙式干擾通過發(fā)送與GPS、北斗衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)類似但攜帶虛假信息的信號，誤導(dǎo)接收機跟蹤虛假信號，以解算出錯誤的位置、速度結(jié)果，此類干擾極具威脅，但為了確保干擾成功且不觸發(fā)RAIM(接收機自主完好性監(jiān)測)察覺及預(yù)警，需要跟蹤目標列車的運行軌跡并采用小誤差積累方式定制生成誘導(dǎo)信號，使衛(wèi)星定位結(jié)果逐漸被拉偏至預(yù)定位置，且一般需先通過壓制干擾，令接收終端失鎖以確保欺騙信號能夠順利侵入，其實現(xiàn)過程相對較難。與之對應(yīng)的是壓制式干擾，采用特定干擾源發(fā)射大功率信號，壓制阻塞正常的衛(wèi)星信號，造成衛(wèi)星定位終端工作能力減弱，進而降低衛(wèi)星定位觀測質(zhì)量、使定位性能趨于劣化甚至失去定位功能。由于其技術(shù)難度相對較小，易用于蓄意干擾入侵。

圖1 列車衛(wèi)星定位壓制干擾場景

如圖1所示，干擾源在一定作用范圍內(nèi)對列車定位施加影響，一般稱作有效壓制區(qū)，其干擾作用與干擾機配置、干擾機/列車相對空間關(guān)系、壓制區(qū)域射頻傳播環(huán)境等多個要素有關(guān)。衛(wèi)星定位終端在t時刻接收到的衛(wèi)星信號可用以下模型進行近似描述

( 1 )

式中：s(t)為接收到的衛(wèi)星信號；ri(t)為第i顆衛(wèi)星的期望正常信號；nt為t時刻可觀測的衛(wèi)星數(shù)量；J(t)為干擾信號；e(t)為信號傳輸背景噪聲；σ為壓制干擾狀態(tài)標志，σ=0表示無信號干擾，σ=1表示所接收信號存在干擾。

能夠用于實施壓制的干擾信號J(t)類型多樣，已成為衛(wèi)星導(dǎo)航安全威脅的主要來源。根據(jù)干擾發(fā)射波形可以分為相干連續(xù)波、非相干連續(xù)波、脈沖連續(xù)波、調(diào)幅連續(xù)波、窄帶/寬帶調(diào)頻信號等，根據(jù)信號產(chǎn)生來源，可以分為無意、蓄意干擾兩種類別。以調(diào)幅(Amplitude Modulation)干擾為例，作為一類常見的非蓄意壓制干擾信號，其模型可以表示為[13]

( 2 )

式中：PJk為天線處干擾功率；fJk、θJk分別表示第k個干擾分量的載波頻率及相位，K=1、K>1分別代表了單音、多音干擾情況。

當衛(wèi)星定位終端受到窄帶或?qū)拵Ц蓴_作用時，可理解為添加了不同帶寬的高斯噪聲，引起信號載波噪聲密度變化[14]。載波噪聲密度C/N0可以用來衡量衛(wèi)星信號受到壓制干擾的嚴重程度，即1 Hz帶寬內(nèi)載波與噪聲之間的功率比值，單位為dB-Hz，C/N0的降低將直接影響衛(wèi)星定位測量精度[15]。受干擾而發(fā)生變化的等效[C/N0]eq為

( 3 )

式中：等式右側(cè)的C/N0表示未受干擾的載波噪聲密度；JSR為干信比；Q為擴頻處理增益調(diào)節(jié)因數(shù)；Rc為擴頻碼速率。

可以看出，干信比的增大將導(dǎo)致等效載波噪聲密度降低，進而導(dǎo)致衛(wèi)星捕獲時間的增加，甚至造成完全失鎖。當進入衛(wèi)星信號跟蹤階段，與衛(wèi)星觀測量精度直接相關(guān)的碼相位抖動σtDLL也直接受信號載波噪聲密度的影響。碼相位抖動可定義為[14]

( 4 )

式中：BL為環(huán)路噪聲帶寬；D為前后相關(guān)器間距；Tcoh為相干積分時間。

如式( 4 )所示，碼相位抖動與信號載波噪聲密度呈反比關(guān)系，隨著C/N0因受干擾而降低，碼相位抖動增大，衛(wèi)星觀測量(如觀測偽距)精度將發(fā)生降級。結(jié)合以上分析，可以對衛(wèi)星定位終端受到干擾時可能的觀測性能特征做出以下推測：

(1)當受到干擾時，若干擾信號強度尚未使定位終端失鎖，載波噪聲密度C/N0將隨干信比的提升而降低，偽距、偽距率等觀測量誤差會隨之增大，導(dǎo)致定位出現(xiàn)偏差，使列車測速定位性能無法滿足相應(yīng)需求。

(2)當干擾信號的強度持續(xù)增大，載波噪聲密度C/N0降低到衛(wèi)星定位終端的衛(wèi)星捕獲和跟蹤閾值以下，會導(dǎo)致失去從衛(wèi)星信號獲得測量值的能力，使衛(wèi)星定位功能中斷，衛(wèi)星定位連續(xù)性與可用性受損。

對于后者所致衛(wèi)星定位中斷的情況，其效果與列車經(jīng)過隧道、車站頂棚遮擋區(qū)域類似，可將列車測速定位系統(tǒng)邏輯切換至非衛(wèi)星導(dǎo)航測速定位模式，使測速定位功能得到無縫延續(xù)；而在干擾強度尚未引發(fā)失鎖的情況下，衛(wèi)星觀測量精度將發(fā)生異變，且其程度因列車-干擾源間動態(tài)空間關(guān)系、干擾源模式配置等因素存在不確定性，若列車測速定位系統(tǒng)的定位計算與決策邏輯未能對干擾實施有效檢測并做出響應(yīng)，則會使列車測速定位性能受限，導(dǎo)致其用于列車速度及運行間隔控制過程的安全風(fēng)險增大。因此，如何在特定干擾條件下準確實施干擾檢測并隔離受擾異變衛(wèi)星觀測信息，是確保列車測速定位性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 基于輪軸測速的壓制干擾檢測方案設(shè)計

在多種列車測速定位方式中，輪軸測速測距是長久以來應(yīng)用最為廣泛的一種途徑，在普速、高速及客貨運列車中均被采用。新型列車控制系統(tǒng)中引入衛(wèi)星定位降低對軌旁應(yīng)答器、軌道電路的依賴，但為了彌補導(dǎo)航衛(wèi)星空間信號可用性受限、受阻等問題帶來的隱患，將衛(wèi)星定位與輪軸速度傳感器進行組合，實現(xiàn)功能冗余及數(shù)據(jù)融合，是一種相對簡單且易于實現(xiàn)的方案。圖2虛線框中給出了一種典型的衛(wèi)星定位/輪軸測速組合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方案：衛(wèi)星定位接收機與輪軸傳感器接口單元作為感知源提供基礎(chǔ)信息，軌道地圖數(shù)據(jù)庫作為紐帶提供三維空間坐標與一維軌道空間的映射關(guān)系描述，定位計算處理單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合邏輯運算、地圖匹配以及最終的決策輸出。為了能夠?qū)πl(wèi)星定位可能受到干擾的狀態(tài)進行檢測與判定，由于壓制干擾可能同時影響多個衛(wèi)星定位接收機通道，單憑來自不同導(dǎo)航衛(wèi)星的觀測量之間的冗余性入手已無法滿足檢測需求，為此，借助輪軸測速提供的額外觀測信息，由于其不受衛(wèi)星導(dǎo)航干擾的影響，能夠基于軌道地圖數(shù)據(jù)庫為衛(wèi)星定位觀測信息創(chuàng)建參考量，進而使準確識別干擾、明確干擾影響、隔離受擾觀測成為可能。如圖2所示，通過在常規(guī)列車測速定位系統(tǒng)中引入干擾檢測器，為定位計算處理單元提供干擾檢測與判別信息，能夠使定位計算處理單元有效防范干擾帶來的影響，提升定位系統(tǒng)干擾防護能力和魯棒性，確保定位決策輸出可信、安全。

圖2 列車測速定位系統(tǒng)干擾檢測結(jié)構(gòu)

如圖2所示，在常規(guī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中嵌入干擾檢測器，干擾檢測與防護主要涉及三方面信息流關(guān)系：

(1)干擾檢測器信息獲?。和ㄟ^輪軸傳感器接口單元提取輪軸傳感器信號處理所得的列車速度信息，實時從衛(wèi)星定位接收機提取導(dǎo)航衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星觀測量(如偽距)，并根據(jù)歷史定位結(jié)果加載列車當前所在區(qū)段范圍內(nèi)的軌道空間數(shù)據(jù)。

(2)定位計算處理單元信息獲?。号c干擾檢測器一致，提取輪軸傳感器接口單元提供的測速數(shù)據(jù)，并實時從衛(wèi)星定位接收機獲得測距域或定位域信息，所需信息類型取決于衛(wèi)星定位/輪軸傳感器的組合深度以及所采用的信息融合邏輯。

(3)干擾檢測器輸出：運用輪軸測速信息，在軌道地圖數(shù)據(jù)支持下構(gòu)建干擾檢測所需參考量，對各衛(wèi)星通道所得原始觀測量是否受壓制干擾影響進行判斷，在檢測出干擾存在的情況下進一步對各個衛(wèi)星觀測量實施質(zhì)量檢驗，進而形成干擾指示量、衛(wèi)星觀測信息隔離標志，輸出至定位計算處理單元，為定位計算處理單元正確運用可用的衛(wèi)星觀測信息、及時調(diào)整定位計算邏輯、生成可信位置報告信息提供支持。

3 干擾檢測與防護算法

輪軸傳感器通過記錄車輪在確定時間周期T內(nèi)的累計轉(zhuǎn)數(shù)δr(t)，根據(jù)輪徑L計算車輪周長，進而確定列車沿軌道運行距離增量及速度，即

Δp(t)=|p(t)-p(t-T)|=πL·δr(t)

( 5 )

( 6 )

基于Δp(t)以及列車上/下行方向，能夠隨時間推移確定列車運行里程，雖存在車輪空滑、車輪磨耗等因素，導(dǎo)致一定計算誤差，但其均可采用一定手段予以補償，且這一過程不受導(dǎo)航衛(wèi)星信號干擾影響。為了能夠給可能受到干擾的導(dǎo)航衛(wèi)星觀測量提供干擾檢測所需參考基準，軌道地圖數(shù)據(jù)庫為將一維軌道坐標系下的軌道里程量轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星定位采用的三維空間坐標創(chuàng)造了關(guān)鍵條件。軌道地圖數(shù)據(jù)庫中記錄了軌道拓撲信息，并存儲了若干軌道特征點的三維空間坐標、一維里程及其他屬性信息。為此，可按如下思路推算輪軸測速等效定位坐標。

( 7 )

( 8 )

圖3 軌道地圖輔助輪軸測速位置推算原理

( 9 )

dodo,i(t)=

(10)

(1)可用性判斷：若當前可見衛(wèi)星數(shù)量nt<4，且根據(jù)軌道地圖數(shù)據(jù)庫標記的環(huán)境及屬性信息，可以確定列車所處區(qū)域不存在地形遮蔽，則可判定接收機可能受到壓制干擾影響，且干擾信號強度超過了接收機工作閾值，在此情況下，通過干擾指示量指示定位計算處理單元切換至非衛(wèi)導(dǎo)測速定位模式，并跟蹤指示量變化情況以在后續(xù)確定合適的衛(wèi)導(dǎo)組合模式切入時機。

(2)顯著偏差檢測：對于因受干擾影響導(dǎo)致顯著偏差的衛(wèi)星觀測量，根據(jù)預(yù)設(shè)閾值Ωρ按如下規(guī)則進行篩選，并為識別出顯著偏差的衛(wèi)星PRN號設(shè)置衛(wèi)星觀測信息隔離標志，從而指示定位計算處理單元在解算中排除受擾觀測量，防護濾波發(fā)散或性能劣化風(fēng)險。

(11)

(3)殘差統(tǒng)計檢驗：考慮到基于閾值的檢測無法完備識別觀測偽距中具有潛在威脅的干擾分量，進一步引入統(tǒng)計檢驗思路，應(yīng)對來自干擾且未能觸及閾值檢測邊界的情況。

根據(jù)式( 9 )所示偽距參考量模型可知，其與衛(wèi)星偽距觀測模型之間的主要差別在于干擾分量、觀測噪聲分量，定義偽距殘差為觀測偽距與參考偽距差值，為

(12)

(13)

式中：qt=[q1(t)q2(t) …qmt(t)]T為殘差向量。

基于殘差形式可知統(tǒng)計檢驗量在無干擾條件下滿足中心化卡方分布，引入如下假設(shè)檢驗

(14)

(15)

式中：σNon為無干擾條件下偽距殘差的標準差；λ為非中心卡方分布的非中化參數(shù)。

給定可容忍誤警水平pfa，可求得檢測門限為

(16)

則可根據(jù)式(17)判定當前觀測集qt是否受到干擾分量造成的劣化影響。

γ(t)

(17)

若檢驗統(tǒng)計量未能滿足式(17)所示檢驗條件，需進一步檢查各衛(wèi)星殘差，實施局域檢測，判定其中殘差絕對值最大的衛(wèi)星偽距為待排除量，即

(18)

最終，匯總干擾指示量、衛(wèi)星觀測信息隔離標志等信息，供定位計算處理單元據(jù)此調(diào)整定位模式及定位解算邏輯。通過上述處理過程，確保列車測速定位系統(tǒng)最終用于解算的觀測信息不受干擾影響，達到對干擾施加的不利作用進行有效防護的目的。

對于上述干擾檢測與防護算法對輪軸測速信息的運用，一方面，由于輪軸傳感器不需依賴外部信號即可實現(xiàn)測量與位置/速度計算，相對于衛(wèi)星定位，其功能連續(xù)性、可用性更易于保障，能有效滿足干擾檢測對偽距參考集的構(gòu)建需求；另一方面，輪軸測速性能是確保干擾檢測與防護有效實現(xiàn)的重要條件，利用上述干擾檢測與防護算法，圖2所示定位計算處理單元將綜合運用經(jīng)過干擾排除的衛(wèi)星定位觀測信息、輪軸測速信息實施組合定位計算，能夠?qū)嗇S測速所致里程累積誤差、車輪空轉(zhuǎn)/滑行誤差等進行動態(tài)修正，使圖3所示位置推算的性能得到保障，并能夠確保每個干擾檢測周期(取衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采集周期，一般不低于1 Hz)中輪軸測速的短時精度變化不會對干擾檢測性能產(chǎn)生影響?？傮w來看，本文提出的干擾檢測與排除算法是對常規(guī)衛(wèi)星定位/輪軸測速組合定位方案的優(yōu)化與增強，通過更加有效運用可信的觀測信息實現(xiàn)列車測速定位對復(fù)雜運行環(huán)境的適應(yīng)性。

4 算法驗證與分析

4.1 試驗與測試環(huán)境構(gòu)建

為了驗證所提出的壓制干擾檢測與防護方法，利用2019年于青藏鐵路進行實際搭載試驗所得數(shù)據(jù)構(gòu)建測試場景。選用青藏線“底吾瑪—崗秀站—那曲”區(qū)段基于所開發(fā)列車測速定位單元采集的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)場景(列車運行軌跡見圖4)，列車測速定位單元同步采集衛(wèi)星定位及輪軸傳感器觀測數(shù)據(jù)。

圖4 現(xiàn)場試驗列車運行軌跡

為了在實驗室內(nèi)構(gòu)建干擾測試場景，采用Spirent GSS8000型衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器對列車衛(wèi)星定位過程進行了復(fù)現(xiàn)，同時，利用Spirent GSS7765型衛(wèi)星導(dǎo)航干擾模擬系統(tǒng)為GSS8000模擬器射頻輸出疊加干擾信號。將合路輸出的受干擾衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號送至Ublox LEA/NEO-M8T型接收機實施解算，記錄原始觀測數(shù)據(jù)用于方法測試分析。所采用的衛(wèi)星定位壓制干擾注入測試環(huán)境，見圖5，壓制干擾模擬系統(tǒng)(GSS7765)由衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的操作軟件進行協(xié)同上位控制，按照所設(shè)置的干擾時段、干擾類型及相關(guān)參數(shù)控制信號發(fā)生部分產(chǎn)生預(yù)期的干擾信號，使合路信號體現(xiàn)預(yù)設(shè)的干擾影響。

圖5 衛(wèi)星定位壓制干擾注入測試環(huán)境結(jié)構(gòu)

為了分析受測接收機在不同壓制干擾條件下采用本文所提出干擾檢測方法的實際性能，分別選取調(diào)幅干擾、相干連續(xù)波干擾兩種典型干擾信號類型，模擬列車定位過程所受無意、蓄意壓制干擾場景，用于驗證本文所提出的方法實施干擾檢測與防護的性能。

4.2 調(diào)幅干擾場景測試分析

首先構(gòu)建調(diào)幅信號壓制干擾場景，測試本文提出的干擾檢測方法對此類典型無意干擾的防護能力。分別針對無干擾、50 dB調(diào)幅干擾、70 dB調(diào)幅干擾3種情況實施測試，干擾信號參數(shù)如表1所示，相應(yīng)測試結(jié)果分別從干擾對接收機觀測性能的影響、干擾檢測防護能力驗證兩方面進行分析。

表1 調(diào)幅干擾參數(shù)配置

4.2.1 接收機觀測性能影響分析

從接收機觀測數(shù)據(jù)可以得出，隨著干擾的加入以及干擾強度的增加，原始觀測量中所含平均衛(wèi)星數(shù)量逐步從11顆(無干擾、50 dB調(diào)幅干擾)降低至8顆(70 dB調(diào)幅干擾)，偽距殘差標準差從0.17 m(無干擾)增大至0.47 m(50 dB調(diào)幅干擾)、4.16 m(70 dB調(diào)幅干擾)。圖6～圖8分別給出了三種情況下6顆共視衛(wèi)星(PRN-03,PRN-10,PRN-14,PRN-22,PRN-25,PRN-31)的偽距殘差隨時間變化情況，圖9對偽距殘差分布的統(tǒng)計結(jié)果進行了對比，可以明顯看出，隨著干擾信號強度的增大，衛(wèi)星定位觀測質(zhì)量所受影響愈發(fā)顯著，特別是在注入干擾水平達到70 dB時，偽距殘差方差發(fā)生極大變化，觀測性能劣化趨勢明顯。

載波噪聲密度C/N0一般作為一種顯性標志直觀表示所受干擾強度，圖10進一步總結(jié)了三種情況下各個可視衛(wèi)星C/N0隨偽距殘差的分布情況。隨著干擾信號的注入，衛(wèi)星載波噪聲密度均值從無干擾條件下的45 dB-Hz逐步降低至41.73 dB-Hz(50 dB調(diào)幅干擾)、27.43 dB-Hz(70 dB調(diào)幅干擾)，進一步反映了調(diào)幅干擾信號對衛(wèi)星定位觀測質(zhì)量的直接影響，凸顯了引入輪軸測速構(gòu)建偽距殘差用于干擾檢測的重要潛力。

圖6 無干擾條件下偽距殘差時間分布情況

圖7 50 dB干擾條件下偽距殘差時間分布情況

圖8 70 dB干擾條件下偽距殘差時間分布情況

圖9 不同干擾場景下偽距殘差分布對比

圖10 不同干擾場景下殘差- C/N0關(guān)聯(lián)對比

4.2.2 干擾檢測防護能力驗證

考慮受干擾影響最為顯著的70 dB調(diào)幅干擾場景，測試干擾檢測方法的性能。采用閾值Ωρ=10 m實施顯著偏差檢測，設(shè)置可容忍誤警水平為pfa=1×10-5，圖11給出了經(jīng)顯著偏差檢測及排除后的衛(wèi)星偽距殘差分布情況，其縱軸為GPS衛(wèi)星PRN號，圖中非0值區(qū)域表示對應(yīng)的衛(wèi)星通道在相應(yīng)時刻無觀測信息。圖12、圖13顯示了統(tǒng)計檢測過程中受擾觀測偽距排除前后檢驗統(tǒng)計量與檢驗門限的對比結(jié)果?？梢悦黠@看出：僅采用絕對閾值實施顯著偏差，尚無法完全識別偽距精度降級程度的差異性和不確定性，在持續(xù)20 min的測試時段內(nèi)，圖12結(jié)果表明多達73.67%的時刻衛(wèi)星偽距觀測集仍存在劣化；運用殘差統(tǒng)計檢驗方法進一步進行檢測與識別，檢測門限(圖13粗實線)隨觀測衛(wèi)星數(shù)動態(tài)變化，對檢測出超限情況下的劣化觀測量實施隔離，使約簡后最終保留的觀測集滿足測距域觀測質(zhì)量水平約束，能夠為定位解算提供可信數(shù)據(jù)支持。

圖11 基于顯著偏差檢測與排除的偽距殘差分布情況(單位：m)

圖12 基于全部原始觀測量的檢驗統(tǒng)計量

圖13 排除檢測超限觀測量的檢驗統(tǒng)計量

為了進一步確認干擾檢測與排除對定位性能的影響，圖14對比了直接采用原始觀測信息實施定位解算和實施干擾檢測與排除所得定位解的精度水平差異，同步分析了北向、東向二維定位誤差隨時間的分布。

圖14 不同觀測集運用策略下定位誤差對比

表2 不同觀測集運用策略定位誤差標準差對比 m

表2列出了不同策略下二維定位誤差標準差的對比結(jié)果，定位精度水平的對比清楚體現(xiàn)了實施干擾檢測并剔除劣化觀測量對定位性能的直接作用,相對于直接采用全部原始觀測量實施解算，經(jīng)干擾檢測與排除后的約簡觀測集使東向、北向定位誤差標準差分別降低了34.49%、41.90%，干擾檢測與防護方法的運用，隔離了干擾導(dǎo)致的性能劣化風(fēng)險，有效保障了定位精確性和可信性。

4.2.3 檢測性能對比分析

常用的壓制干擾檢測方法主要分為接收機相關(guān)前檢測、相關(guān)后檢測兩類，代表性方案包括能量檢測、高階累積量、時頻特性分析等[16]。這些方法多面向?qū)Ｓ酶蓴_監(jiān)測站設(shè)計與應(yīng)用，對系統(tǒng)軟硬件有特定需求。結(jié)合本文所提出方案直接面向在途列車運行過程且引入輪軸測速這一輔助信息的結(jié)構(gòu)特性，重點分析載波噪聲密度C/N0統(tǒng)計特性檢測、定位偏差超限檢測這兩種同類方法與本文所述方法的區(qū)別，其中：

(1)載波噪聲密度C/N0統(tǒng)計特性檢測[17]相對于常規(guī)C/N0檢測方案[11-12]進一步考慮將觀測環(huán)境因素導(dǎo)致的C/N0降級與干擾的作用進行分離。對比中采用該方案，將測試線路按100 m為間隔進行分段，運用無干擾場景數(shù)據(jù)建立各段C/N0統(tǒng)計模板(含段內(nèi)均值mpr(l)、標準差σpr(l)，l為段編號)，運用70 dB調(diào)幅干擾場景中C/N0均值msnr(t)按msnr(t)

(2)組合定位模式下，非衛(wèi)導(dǎo)定位源解算結(jié)果不受壓制干擾影響，運用慣性導(dǎo)航等輔助定位信息與衛(wèi)星定位的偏差能夠構(gòu)建直接檢測參考量[18]。為此，運用輪軸測速定位偏差超限檢測進行組合定位模式下的對比驗證，定位偏差檢測閾值ΔP取值范圍為[1,50]。

圖15給出了兩組對比方法與本文所述方法所得檢測率的對比結(jié)果，其中，本文提出的顯著偏差檢測/殘差統(tǒng)計檢驗兩級干擾檢測所得聯(lián)合檢測率為86.71%。圖16對比了不同方法所得水平定位精度的對比結(jié)果，其中，C/N0統(tǒng)計檢測方法在低kd取值取得100%檢測率情況下，由于定位解完全排除無法統(tǒng)計誤差結(jié)果。

圖15 不同干擾檢測方法檢測率對比

圖16 不同干擾檢測方法定位誤差標準差對比

通過與兩種檢測策略的對比，可得以下結(jié)論：

(1)在實現(xiàn)形式方面：兩種參考方法與本文所提出方法類似，均可基于圖2所示結(jié)構(gòu)在定位解算中增設(shè)檢測處理邏輯，即可運用衛(wèi)星定位自身或輪軸測速輔助信息實現(xiàn)在途動態(tài)干擾檢測。

(2)在檢測性能方面：兩種參考方法干擾檢測性能受到檢測參數(shù)、檢測閾值的顯著影響，在干擾信號強度、干擾源距離等因素難以準確確認的情況下，如何有效設(shè)置合理的參數(shù)是決定其檢測性能的關(guān)鍵，而本文提出的方法從測距域質(zhì)量劣化特征入手，具有更優(yōu)的條件適應(yīng)性。

(3)在對定位性能的作用方面：兩種參考方法分別從觀測域、定位域確定檢測判定依據(jù)，反映了每個時刻所有衛(wèi)星觀測的組合效應(yīng)，無法在檢測出干擾的情況下準確定位干擾對哪些觀測量產(chǎn)生了影響，故而無法實施準確的干擾排除，圖16所示誤差方差水平較低的結(jié)果(對應(yīng)ΔP<6 m)來源于對相應(yīng)時刻觀測集的剔除，C/N0統(tǒng)計檢測在kd<6未繪制標準差的情況，對應(yīng)了100%認定檢測情況下對所有時刻觀測集的完全剔除，換言之，是以定位連續(xù)性為代價取得了較優(yōu)的整體平均性能水平；相對地，本文提出的方法在檢出干擾的情況下具體識別存在降級的觀測量，實現(xiàn)了針對性排除，能夠在確保消除干擾影響的基礎(chǔ)上充分運用可用觀測信息，實現(xiàn)定位解算，其靈活性、動態(tài)響應(yīng)能力能夠確保更優(yōu)的反饋調(diào)整及應(yīng)用融合。

4.3 相干連續(xù)波干擾場景測試分析

為了進一步分析不同類型的壓制干擾條件，采用相同的列車運行場景數(shù)據(jù)實施仿真測試，注入相干連續(xù)波干擾信號，檢驗論文提出的方法在這一典型蓄意干擾條件下的檢測與防護性能。所注入相干連續(xù)波干擾信號參數(shù)如表3所示。

表3 相干連續(xù)波干擾參數(shù)配置

采用與調(diào)幅干擾場景相同的方式進行干擾檢測防護能力檢驗。圖17、圖18顯示了運用輪軸測速信息構(gòu)建偽距殘差并進行統(tǒng)計檢驗過程中，實施干擾檢測與排除前后，檢驗統(tǒng)計量與檢測門限的對比結(jié)果。

圖17 基于全部原始觀測量的檢驗統(tǒng)計量

圖18 排除檢測超限觀測量的檢驗統(tǒng)計量

與調(diào)幅干擾場景相比，相干連續(xù)波干擾條件下基于原始觀測量所得檢驗統(tǒng)計量超限特征明顯，超限比例達52.24%，檢驗統(tǒng)計量最大值(92.95 m)達到調(diào)幅干擾場景下最大值(23.82 m)的3.9倍，表明所注入干擾信號使觀測質(zhì)量發(fā)生了顯著降級。圖18所示結(jié)果表明本文提出的檢測與排除方法能夠有效防止受干擾影響導(dǎo)致劣化的觀測信息進入定位計算過程，其防護效果在圖19所示定位精度對比中可得到充分體現(xiàn)。

表4進一步總結(jié)了不同策略下誤差標準差的對比情況。與調(diào)幅干擾場景不同之處在于，相干連續(xù)波干擾能夠造成更為顯著的定位精度不確定性，若不實施干擾檢測與排除，僅依靠衛(wèi)星定位所得誤差最高可達91.44 m，遠超過可容忍精度水平；通過對已檢測出存在性能劣化的觀測量進行排除，雖測試末段出現(xiàn)經(jīng)干擾排除的可用觀測量不足導(dǎo)致衛(wèi)星定位短時中斷，但可用時段內(nèi)東向、北向誤差標準差分別降低了70.65%、82.86%，干擾檢測與排除為準確識別衛(wèi)星定位觀測質(zhì)量水平、及時調(diào)整定位融合邏輯提供了依據(jù)，同時也在衛(wèi)星定位可用條件下顯著降低了蓄意干擾入侵導(dǎo)致解算性能降級的風(fēng)險，提升了列車定位性能的穩(wěn)健性。

圖19 不同觀測集運用策略下定位誤差對比

m

5 結(jié)論

(1)輪軸測速信息在軌道地圖數(shù)據(jù)庫輔助下，能夠在列車運行過程中用于動態(tài)構(gòu)建獨立的衛(wèi)星定位觀測信息參考量，在列車進入壓制干擾區(qū)時，能夠為實現(xiàn)對壓制干擾作用特征的量化描述創(chuàng)造有利條件。

(2)與傳統(tǒng)的壓制干擾檢測方法相比，本文提出的方案具有易實現(xiàn)、動態(tài)化、應(yīng)用銜接緊密等典型特點，即：僅運用輪軸測速這一既有感知條件，不需額外增設(shè)器件，實現(xiàn)相對簡便；從測距域入手進行殘差統(tǒng)計檢驗判決，能夠嵌入既有列車定位計算邏輯，實現(xiàn)實時動態(tài)檢測與響應(yīng)；干擾檢測結(jié)果可直接反饋至定位計算處理單元用于對列車定位計算邏輯實施調(diào)整，其作用可直接延伸至列車定位信息的上層應(yīng)用環(huán)節(jié)。

(3)該方案在典型無意、蓄意壓制干擾條件下均可實現(xiàn)干擾檢測與防護，給定測試場景中，實施干擾排除后定位誤差標準差最多可降低41.90%、82.86%，對于防御干擾入侵、確保列車定位性能作用顯著。