電力系統(tǒng)GNSS授時接收機(jī)抗干擾技術(shù)研究

傅 寧，范金鋒，楊 芳，許大衛(wèi)

(1.國網(wǎng)思極神往位置服務(wù)(北京)有限公司，北京 102211；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

0 引言

高精度授時是電力系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)，其正常與否關(guān)系著國計民生?；贕NSS授時終端設(shè)備實現(xiàn)電力系統(tǒng)的精確時間同步，對于電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性至關(guān)重要。電力系統(tǒng)是與時間頻率密切相關(guān)的大工業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的電壓、電流和相角等變化量，都與時間緊密相關(guān)。智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得對時間頻率的需求越來越廣泛，精度需求也越來越高。2009年以來，國家逐步確立了“天地互備，以北斗為主的電力授時體系”，并推動制定了系列電力系統(tǒng)北斗衛(wèi)星授時應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，全國已累計裝備數(shù)萬套基于北斗授時的時間同步設(shè)備，逐步取代了GPS成為電力系統(tǒng)主用的時間源[1]。然而衛(wèi)星信號具有先天的脆弱性，由于采用無線電傳播測距體制，導(dǎo)致其信號易受阻擋和干擾，甚至欺騙，一個價值29美元的設(shè)備就可以對GPS信號進(jìn)行阻塞甚至欺騙[2]。2008年英國政府測試使用2個低成本干擾器阻塞了北海30 km范圍內(nèi)的GPS信號[3]。因此，開展電力系統(tǒng)GNSS授時接收機(jī)的干擾技術(shù)研究，并提出針對性的處理策略，對于提升系統(tǒng)授時的安全性和可靠性，保障電網(wǎng)正常運行具有非常重要的作用。本文重點從技術(shù)角度分析了電力系統(tǒng)時間同步設(shè)備可能面臨的干擾威脅，包括壓制式干擾和欺騙式干擾，闡述了干擾原理和對授時精度的主要影響。提出了對GNSS授時干擾的應(yīng)對手段，包括接收機(jī)抗干擾設(shè)計、自主時間保持能力提升以及彈性授時技術(shù)的引入。

1 電力系統(tǒng)GNSS授時應(yīng)用現(xiàn)狀與特點分析

電力系統(tǒng)對時間頻率的需求主要包括以下幾個方面[4]：

① 系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測。通過相量測量裝置(PMU)測量相角，評估發(fā)電機(jī)是否失步；

② 故障定位與分析?；谛胁ü收蠝y距方法，快速準(zhǔn)確定位高壓線路的故障點，使故障及時得到處理；

③ 監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與SOE時間標(biāo)記。電力系統(tǒng)通常采用時間順序記錄(SOE)來確定電力故障的先后，SOE系統(tǒng)時間正確性、準(zhǔn)確度和分辨率是電力系統(tǒng)自動化的重要指標(biāo)；

④ 電力通信網(wǎng)頻率同步。在電力通信網(wǎng)中，以頻率和相位同步的SDH數(shù)字同步網(wǎng)，已經(jīng)成為電力通信網(wǎng)的必要組成部分，其各級時鐘源是基于GNSS授時技術(shù)建立時間體系。

⑤ 電網(wǎng)對時間同步精度的需求如表1所示。

表1 電網(wǎng)對時間同步精度需求

Tab.1Requirementsfortimesynchronizationofpower

system

業(yè)務(wù)系統(tǒng)信號類型時鐘精度線路行波故障、測距裝置秒脈沖及時間報文1 μs雷電定位系統(tǒng)秒脈沖及時間報文1 μs功角測量系統(tǒng)秒脈沖及時間報文40 μs故障錄波器時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms事件順序記錄裝置時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms各級調(diào)度自動化系統(tǒng)時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms變電站監(jiān)控系統(tǒng)時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms自動記錄儀表時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文10 ms

從表1中可以分析出電力系統(tǒng)GNSS授時應(yīng)用的主要特點：

① 時間頻率應(yīng)用極為廣泛。在系統(tǒng)的監(jiān)視控制、故障分析及數(shù)據(jù)通信等等各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，都需要時間頻率系統(tǒng)和信號的支撐。

② 時間頻率精度需求較高。系統(tǒng)對時間頻率的精度需求最高達(dá)到了微秒量級，因此在電力系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)中必須依靠GNSS授時發(fā)揮骨干支撐作用。

③ 對時間頻率可靠性、連續(xù)性要求高。電網(wǎng)授時系統(tǒng)即使存在瞬時不同步，也將會對智能電網(wǎng)運行造成危害，甚至威脅生產(chǎn)安全，引發(fā)跳閘等嚴(yán)重后果。

2 電力系統(tǒng)GNSS授時干擾技術(shù)手段

考慮到電力系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中不可或缺的重要作用，在敵我對抗時容易成為敵方攻擊的首要目標(biāo)。而實施攻擊的重要手段之一就是對電力系統(tǒng)的時頻信號進(jìn)行攻擊。2012年美國在白沙導(dǎo)彈試驗場實施了針對智能電網(wǎng)的GNSS授時設(shè)備干擾試驗，在不需要與電網(wǎng)發(fā)生直接物理連接的情況下，攻擊者利用GPS信號欺騙器在10 min之內(nèi)控制了PMU的授時單元，并且在30 min之內(nèi)導(dǎo)致了系統(tǒng)時間出現(xiàn)1 μs偏差，且過程中未觸發(fā)系統(tǒng)報警[4]。

電力系統(tǒng)中時間頻率系統(tǒng)可能遭受到的干擾主要針對GNSS授時終端設(shè)備，根據(jù)干擾實施方式的不同，大致可分為壓制式干擾和欺騙式干擾2種。

2.1 壓制式干擾

壓制性干擾是指用干擾機(jī)發(fā)射某種干擾信號，以某種方式遮蔽敵方信號頻譜，使敵方接收機(jī)降低或完全失去正常工作能力。壓制式干擾又可分為3種[5-7]：

2.孵化器的核心競爭力集中表現(xiàn)在“專業(yè)的技術(shù)服務(wù)平臺”和“服務(wù)團(tuán)隊整體素質(zhì)高、能力強(qiáng)”。調(diào)查顯示，孵化器企業(yè)對自己的競爭力判斷，以專業(yè)的技術(shù)服務(wù)平臺作為核心競爭力的孵化器企業(yè)占92%，以服務(wù)團(tuán)隊整體素質(zhì)高、能力強(qiáng)為核心競爭力的占84%，有36%的孵化器企業(yè)以在孵企業(yè)凝聚力強(qiáng)和獨特的區(qū)域環(huán)境作為自身的核心競爭力，以先進(jìn)的孵化器文化、優(yōu)秀的經(jīng)營者、其他等作為核心競爭力的分別占24%、16%、8%。

① 瞄準(zhǔn)式干擾。瞄準(zhǔn)式干擾通過采用頻率瞄準(zhǔn)技術(shù)，使干擾載頻精確對準(zhǔn)信號載頻，針對特定碼型的衛(wèi)星信號實施干擾，使該信號在一定區(qū)域內(nèi)失效。

② 阻塞式干擾。阻塞式干擾的基本方式是采用一部干擾機(jī)擾亂該地域出現(xiàn)的所有GNSS衛(wèi)星信號。按照技術(shù)路線分為單頻干擾和寬帶均勻頻譜干擾等方式，其中效果較好的是寬帶均勻頻譜干擾體制[8]。在此體制下，干擾機(jī)產(chǎn)生的干擾信號大部分能夠通過接收機(jī)窄帶濾波器而不被過濾掉，因而可以產(chǎn)生較好的干擾效果。

③ 相關(guān)式干擾。通過設(shè)計產(chǎn)生與GNSS信號的偽碼序列有較大相關(guān)性的干擾信號，對導(dǎo)航信號實施干擾。與瞄準(zhǔn)式和阻塞式干擾相比，它有較多的能量可以通過接收機(jī)窄帶濾波器，因此，可以以較小的功率實現(xiàn)與其他方式相當(dāng)?shù)挠行Ц蓴_。

2.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾是采用與導(dǎo)航衛(wèi)星相似的虛假信號作為干擾信號，利用良好的隱蔽性特點，欺騙接收機(jī)捕獲并跟蹤虛假信號，并得到錯誤的解算結(jié)果。當(dāng)接收機(jī)已經(jīng)跟蹤上正確的衛(wèi)星信號時，由偽隨機(jī)擴(kuò)譜碼的性質(zhì)可知，這時欺騙信號經(jīng)過碼同步后的擴(kuò)譜解擴(kuò)，幅度會被大大衰減，將難以跟蹤回路。因此，為了使接收機(jī)的跟蹤回路鎖定到欺騙信號上，必須將接收機(jī)原先建立的正確鎖定去除。

欺騙干擾可分為產(chǎn)生式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾2種[9-10]：

① 產(chǎn)生式干擾即由干擾設(shè)備產(chǎn)生與GNSS系統(tǒng)相同的導(dǎo)航信號，達(dá)到欺騙接收機(jī)并產(chǎn)生錯誤解算結(jié)果的目的。產(chǎn)生式欺騙需要獲取目標(biāo)信號的碼型及同步的衛(wèi)星星歷和廣播電文參數(shù)，對于特性未知的加密碼型信號的干擾難度較大。

② 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾如圖1所示，是干擾設(shè)備接收到GNSS信號后轉(zhuǎn)發(fā)出去，構(gòu)成一個虛假信號。這種方式主要利用信號的附加時延，不需要產(chǎn)生高逼真信號，技術(shù)上相對容易實現(xiàn)，難點主要在于從較低信噪比的原始導(dǎo)航信號中提取解析出信號并進(jìn)行放大，同時要減少信號畸變。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾實施原理圖Fig.1 Principle of implement of forwarding interference

各類干擾手段對GNSS授時的影響具有顯著的差異。壓制式干擾若程度較輕，對授時精度的影響較小，可以忽略；若信號強(qiáng)度極大，導(dǎo)致GNSS失鎖，則GNSS授時直接中斷，用戶無法獲得外部時間。而欺騙式干擾則比較復(fù)雜，采用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾時，由于引入了附加時延，直接導(dǎo)致偽距觀測量增大，時差解算結(jié)果出現(xiàn)偏差，并導(dǎo)致用戶獲取時間出現(xiàn)明顯跳躍。采用產(chǎn)生式干擾，除了時延的變化，也可修改導(dǎo)航電文，導(dǎo)致傳播時延修正計算錯誤，影響用戶定時結(jié)果。

3 GNSS授時抗干擾技術(shù)

(1) 對授時設(shè)備進(jìn)行抗干擾設(shè)計

① 在硬件上進(jìn)行改進(jìn)：通過采用陣列天線技術(shù)，通過對信號源進(jìn)行到達(dá)角度的測定，根據(jù)角度變化特征確定是否接收到干擾信號，也可采用聯(lián)合時空自適應(yīng)技術(shù)[11-12]，在陣元數(shù)固定的前提下，增加陣列自由度，通過調(diào)整天線陣元的空域和時域響應(yīng)，補(bǔ)償中頻和射頻，加深零點深度和增強(qiáng)寬帶抗干擾能力。

② 對授時設(shè)備的模型和算法進(jìn)一步優(yōu)化：可通過增強(qiáng)授時設(shè)備自主完好性監(jiān)測技術(shù)的研究設(shè)計和實現(xiàn)[13]。授時設(shè)備自主完好性監(jiān)測的主要判據(jù)可以采用衛(wèi)星鐘、地面時標(biāo)變化特征，傳播環(huán)境時延變化特征等，建立基于已知觀測量的時變數(shù)學(xué)模型，開展實時觀測分析評估。進(jìn)一步升級信號解析算法。根據(jù)信號的強(qiáng)度、衛(wèi)星鐘時差、信號傳播時延等等觀測量，通過構(gòu)建冗余觀測量矩陣，基于算法實現(xiàn)對真實信號與干擾信號的甄別；

(2) 提高授時設(shè)備的自主時間保持能力

① 由于GNSS本身具有脆弱性，不能完全依賴外部時間信號，例如GNSS授時作為唯一的時間獲取手段。因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)節(jié)點的時間精度需求，在授時設(shè)備中配備GNSS馴服的銫原子鐘、銣原子鐘或者芯片原子鐘，在GNSS系統(tǒng)信號受到壓制中斷時，利用本地時鐘源進(jìn)行自主的時間保持。

② 對授時設(shè)備的自主保持能力研究重點還需關(guān)注原子鐘的頻率駕馭策略、原子鐘實時信號切換算法。在沒有外界干擾和存在外界干擾2種工作模式下，原子鐘的控制策略存在顯著差別：沒有外界干擾時，系統(tǒng)通過GNSS時間對本地時鐘源進(jìn)行連續(xù)的頻率駕馭，保證時鐘的時間偏差穩(wěn)定；一旦識別到外界干擾后，系統(tǒng)能夠進(jìn)行快速、無縫切換，確保輸出時間和頻率信號的可靠、穩(wěn)定。

(3) 采用彈性授時技術(shù)[14-16]

目前，除了GNSS授時以外，還可以通過長短波、網(wǎng)絡(luò)NTP和PTP等方式獲得精確時間，因此，可以綜合利用GNSS衛(wèi)星授時、長短波授時以及地面網(wǎng)(NTP或PTP)等手段，實現(xiàn)星基與地基授時相結(jié)合、有線與無線相結(jié)合的多層次授時網(wǎng)，確保授時信號的多源、冗余。而接收機(jī)在獲取多源授時結(jié)果，并與本地時鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，利用卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法判定授時結(jié)果的可信性，給出融合授時結(jié)果。

4 結(jié)束語

電力系統(tǒng)對于時間的要求不僅僅是準(zhǔn)確，更要連續(xù)、穩(wěn)定和可靠，因此單純依靠普通的GNSS授時設(shè)備越來越難以滿足用時安全性的要求，必須通過抗干擾授時設(shè)備的研制，配備新型抗干擾天線和具備干擾解析判別能力的處理芯片，采用彈性授時策略提高系統(tǒng)時間源冗余度，解決系統(tǒng)自身的抗干擾防欺騙問題，提高系統(tǒng)用時的安全性。