GPS干擾對(duì)空管通信導(dǎo)航監(jiān)視運(yùn)行保障的影響分析

◆孫粲

GPS干擾對(duì)空管通信導(dǎo)航監(jiān)視運(yùn)行保障的影響分析

◆孫粲

（民航山東空管分局 山東 250107）

GPS在民航空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視運(yùn)行保障中發(fā)揮了重要作用，GPS干擾的頻繁發(fā)生對(duì)空管運(yùn)行的影響也不容忽視。本文就GPS干擾的原理及其對(duì)空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視運(yùn)行保障的影響進(jìn)行分析，重點(diǎn)論述了GPS干擾對(duì)空管各系統(tǒng)時(shí)鐘模塊和ADS-B的影響，提出了應(yīng)對(duì)措施；對(duì)GPS干擾源排查也給出了建議。

GPS；GNSS；干擾；空管

隨著民航運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，空中交通流量不斷增加，對(duì)空管運(yùn)行保障提出了更高要求。空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視新技術(shù)的應(yīng)用大大提升了空中交通服務(wù)水平，提高了空域容量和飛行效率。GPS作為應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視運(yùn)行保障中發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，GPS干擾裝置、無(wú)人機(jī)壓制設(shè)備等干擾源干擾GPS信號(hào)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)空管運(yùn)行保障和飛行安全造成了一定影響。本文總結(jié)了GPS干擾的原理，分析了其對(duì)空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視運(yùn)行保障的影響，特別是對(duì)空管各系統(tǒng)時(shí)鐘模塊和ADS-B的影響，并提出了應(yīng)對(duì)措施，最后針對(duì)GPS干擾源排查給出了相應(yīng)建議。

1 GNSS與GPS

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)稱，通常包括我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass和歐洲的Galileo，及其增強(qiáng)系統(tǒng)。目前，國(guó)際民航組織ICAO標(biāo)準(zhǔn)的GNSS系統(tǒng)為GPS和Glonass，及其機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)（ABAS）、星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）和地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）[1]。

GPS是由美國(guó)研制的星基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）服務(wù)，是GNSS中應(yīng)用最廣泛的星座。GPS系統(tǒng)分為空間星座、地面監(jiān)控設(shè)施、用戶接收機(jī)三部分。GPS空間星座由24顆分布在約20200km高空的導(dǎo)航衛(wèi)星組成，導(dǎo)航衛(wèi)星搭載原子鐘并向地面監(jiān)控設(shè)施和用戶接收機(jī)廣播導(dǎo)航信號(hào)（衛(wèi)星星歷參數(shù)、精確的時(shí)間等信息）。地面監(jiān)控設(shè)施接收導(dǎo)航信號(hào)，計(jì)算衛(wèi)星星歷和時(shí)鐘的修正參數(shù)，廣播至空間供導(dǎo)航衛(wèi)星修正自身參數(shù)。用戶接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)，根據(jù)衛(wèi)星星歷參數(shù)推算衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信息時(shí)刻的空間位置，計(jì)算衛(wèi)星時(shí)間與接收機(jī)時(shí)間的差值可得衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離（偽距），考慮到接收機(jī)與衛(wèi)星時(shí)鐘不完全同步，存在時(shí)鐘差，可得公式，其中為光速、為衛(wèi)星空間坐標(biāo)及時(shí)間、為接收機(jī)時(shí)間，由公式可知，接收機(jī)接收到4顆及以上衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)即可計(jì)算自身位置和時(shí)鐘差。影響GPS定位精度的因素主要有：衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、星歷誤差、幾何分布、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)、多路徑、接收機(jī)噪聲等，衛(wèi)星空間位置和時(shí)鐘精度對(duì)接收機(jī)位置和時(shí)間計(jì)算結(jié)果影響極大。衡量GPS性能常用的指標(biāo)是：精度、完好性、連續(xù)性和有效性[2]。

為推進(jìn)民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)、民航高質(zhì)量發(fā)展及BDS在民航業(yè)的應(yīng)用，民航局制定了《中國(guó)民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖》，積極推進(jìn)BDS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，目前已完成ICAO規(guī)定的全部性能指標(biāo)的專家技術(shù)驗(yàn)證，待空中航行委員會(huì)審議通過(guò)并就標(biāo)準(zhǔn)草案征求各國(guó)意見(jiàn)后正式向全球發(fā)布，成為ICAO標(biāo)準(zhǔn)。

2 GPS干擾的原理

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)包含三種成分：導(dǎo)航電文、偽隨機(jī)碼和載波。導(dǎo)航電文包含衛(wèi)星星歷參數(shù)和時(shí)鐘等信息。偽隨機(jī)碼有C/A碼和P碼兩種，P碼為軍用碼，C/A碼為民用碼，C/A碼具有高自相關(guān)性和低互相關(guān)性，高自相關(guān)性用于測(cè)距，低互相關(guān)性則用于區(qū)分不同衛(wèi)星。導(dǎo)航電文和偽隨機(jī)碼調(diào)制在載波上，民用接收機(jī)通常使用L1波段，其頻率為1575.42MHz，帶寬為2.046MHz[2]。

GPS本質(zhì)上是基于碼分多址（CMDA）的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，CDMA的原理決定了GPS具備一定的抗干擾能力，但GPS衛(wèi)星分布在距離地面約20200km的高空，傳輸衰減大，地面?zhèn)蓽y(cè)到的GPS信號(hào)可低至-158.5dBW。地面GPS信號(hào)強(qiáng)度弱的特點(diǎn)決定了GPS信號(hào)易受干擾。相關(guān)研究表明：民用的C/A碼僅有25dB的抗干擾能力，1W功率的干擾源可使20Km范圍內(nèi)的民用接收機(jī)無(wú)法正常工作[2]。

針對(duì)GPS信號(hào)的干擾通常可分為兩類：壓制式干擾和欺騙式干擾[3-4]。壓制式干擾是干擾源針對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)某些參量的干擾，使GPS接收機(jī)無(wú)法從接收到的電磁波中檢測(cè)出GPS信號(hào)，致使GPS接收機(jī)工作能力降低或完全丟失；又可分為阻塞干擾、瞄準(zhǔn)干擾和相關(guān)干擾；阻塞干擾是對(duì)GPS信號(hào)載波和帶寬范圍內(nèi)的強(qiáng)功率干擾，使一定區(qū)域內(nèi)干擾電平遠(yuǎn)強(qiáng)于正常信號(hào)導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正常工作，是對(duì)一定區(qū)域內(nèi)所有的GPS信號(hào)的干擾；瞄準(zhǔn)干擾是干擾機(jī)產(chǎn)生與某顆衛(wèi)星相同的偽碼序列并進(jìn)行載波調(diào)制，使得GPS接收機(jī)無(wú)法區(qū)分信號(hào)與干擾；相關(guān)干擾是干擾機(jī)產(chǎn)生與某特定衛(wèi)星偽碼序列具有互相關(guān)性的偽碼序列并進(jìn)行載波調(diào)制實(shí)施干擾。欺騙式干擾是干擾機(jī)發(fā)射一個(gè)虛假的GPS信號(hào)或改變正常信號(hào)傳播時(shí)延使接收機(jī)計(jì)算出錯(cuò)誤的位置、時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)的欺騙；又可分為：轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙和產(chǎn)生式欺騙；轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙是干擾機(jī)接收GPS信號(hào)并重新發(fā)射，改變了傳播延時(shí)，構(gòu)成一個(gè)虛假的GPS衛(wèi)星信號(hào)，使接收機(jī)得出錯(cuò)誤的位置、時(shí)間信息；產(chǎn)生式欺騙是干擾機(jī)自主產(chǎn)生假的導(dǎo)航信號(hào)并發(fā)射，接收機(jī)得到干擾機(jī)的假信號(hào)并得出錯(cuò)誤的位置、時(shí)間信息，這需要掌握GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)，僅對(duì)民用的C/A碼可行。目前，民航空管系統(tǒng)遇到的GPS干擾通常是阻塞干擾，對(duì)GPS干擾的分析主要是針對(duì)阻塞干擾。

3 GPS干擾對(duì)空管的影響

對(duì)民航空管來(lái)說(shuō)，通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)通常有主用、備份和應(yīng)急手段，GPS干擾不會(huì)導(dǎo)致通信、導(dǎo)航、監(jiān)視手段的完全失效，但可能導(dǎo)致虛假告警、信號(hào)質(zhì)量差等問(wèn)題，干擾管制指揮，影響飛行安全。

3.1 對(duì)各系統(tǒng)時(shí)鐘模塊的影響

民航空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視各系統(tǒng)運(yùn)行均基于精確時(shí)間基準(zhǔn)，以保證系統(tǒng)內(nèi)各模塊時(shí)鐘同步，通常采用基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）的時(shí)鐘同步服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，也有少量系統(tǒng)直接使用GNSS時(shí)鐘作為時(shí)間基準(zhǔn)。NTP服務(wù)器通常工作在客戶端/服務(wù)器模式，客戶端T1時(shí)刻向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，服務(wù)器在T2時(shí)刻接收到請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，并于T3時(shí)刻向客戶端發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包，客戶端在T4時(shí)刻接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包，客戶端計(jì)算其與服務(wù)器的時(shí)鐘偏差和數(shù)據(jù)包傳播延時(shí)，修正自身時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。NTP協(xié)議支持多種時(shí)鐘源，如原子鐘、服務(wù)器自身晶振時(shí)鐘、GNSS時(shí)鐘和Internet時(shí)鐘等，目前空管所用NTP服務(wù)器大多采用GNSS作為時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步[5]。

使用GNSS作為時(shí)鐘源具有精度高、成本低、沒(méi)有誤差累計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但地面GNSS信號(hào)強(qiáng)度較弱、易受干擾。若GNSS信號(hào)受干擾可能導(dǎo)致NTP的GNSS時(shí)鐘鎖定失效，以NTP服務(wù)器自身晶振時(shí)鐘作為主時(shí)鐘源，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將導(dǎo)致時(shí)間偏差累積，對(duì)空管設(shè)備運(yùn)行造成影響。GNSS干擾影響空管各系統(tǒng)時(shí)鐘源會(huì)導(dǎo)致的多種常見(jiàn)故障；如一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)、ADS-B、多點(diǎn)定位系統(tǒng)等監(jiān)視信息探測(cè)系統(tǒng)時(shí)間戳異常，空管自動(dòng)化、先進(jìn)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（A-SMGCS）等監(jiān)視信息處理系統(tǒng)融合目標(biāo)分裂、雷達(dá)航跡與飛行計(jì)劃關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤，自動(dòng)轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)電報(bào)時(shí)間錯(cuò)誤，多終端設(shè)備時(shí)間不同步等問(wèn)題；產(chǎn)生虛假告警，干擾管制指揮，影響飛行安全。

早期空管各系統(tǒng)配備的時(shí)鐘多基于GPS，近年來(lái)新建系統(tǒng)則大多同時(shí)支持GNSS BDS/GPS等多星座多頻點(diǎn)，抗干擾能力有所增強(qiáng)，但GNSS本身信號(hào)特點(diǎn)決定其仍然易受干擾。應(yīng)對(duì)GNSS干擾對(duì)NTP服務(wù)器的影響可采取的方法有：（1）升級(jí)GPS時(shí)鐘源為同時(shí)支持GNSS BDS/GPS等多星座多頻點(diǎn)時(shí)鐘源，多星座GNSS芯片可同時(shí)接收BDS、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，提高了時(shí)鐘源的魯棒性；（2）升級(jí)GNSS（GPS）時(shí)鐘源芯片為支持單星授時(shí)模式的GNSS芯片，部分GNSS芯片用作授時(shí)時(shí)鐘源時(shí)支持單星授時(shí)模式，在GNSS芯片中配置精確測(cè)繪的經(jīng)緯度、高度，最少只需鎖定一顆可見(jiàn)衛(wèi)星即可保持可靠授時(shí)；（3）異地設(shè)置備份NTP服務(wù)器，通常GNSS（GPS）干擾范圍有限，異地設(shè)置NTP服務(wù)器可在一定程度上避免主備NTP服務(wù)器同時(shí)被干擾。上述方法（1）、（2）同樣適用于直接使用GNSS（GPS）時(shí)鐘作為時(shí)間基準(zhǔn)的系統(tǒng)。

3.2 對(duì)ADS-B的影響

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是航空器、機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)車(chē)輛等以數(shù)據(jù)鏈的方式周期性自動(dòng)向具備ADS-B數(shù)據(jù)接收功能的設(shè)備等廣播識(shí)別信息、位置、速度及導(dǎo)航不確定度等機(jī)載設(shè)備信息的新型空管監(jiān)視技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空天地一體化協(xié)同監(jiān)視。相對(duì)于空管二次監(jiān)視雷達(dá)，ADS-B可提供更豐富的目標(biāo)信息，具有定位精度高、更新率快、建設(shè)維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是位置信息過(guò)于依賴GNSS（GPS），存在安全性和可靠性問(wèn)題，如果GPS被干擾導(dǎo)致無(wú)法正常定位或者計(jì)算出錯(cuò)誤的位置，將嚴(yán)重影響ADS-B的信號(hào)質(zhì)量。

評(píng)估機(jī)載GPS信號(hào)質(zhì)量的指標(biāo)有：導(dǎo)航不確定性類別（NUC）、導(dǎo)航完好性類別（NIC）、導(dǎo)航精確度類別（NAC）、監(jiān)視完好性水平（SIL），實(shí)際使用時(shí)由機(jī)載設(shè)備支持的ADS-B標(biāo)準(zhǔn)（DO-260/DO-260A/DO-260B）決定，指標(biāo)之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系[6]。下面以位置導(dǎo)航不確定性類別（NUCp）為例分析GPS干擾對(duì)ADS-B信號(hào)質(zhì)量的影響。NUCp由機(jī)載GPS設(shè)備計(jì)算出的水平保護(hù)限制（HPL，衡量水平位置信息完好性的指標(biāo)）和水平品質(zhì)因數(shù)（HFOM，衡量水平位置數(shù)據(jù)精度的指標(biāo)）換算得出，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈廣播至ADS-B地面站。

筆者根據(jù)中國(guó)民航飛行品質(zhì)監(jiān)控基站通報(bào)的飛機(jī)GPS干擾數(shù)據(jù)，在ADS-B地面站回放對(duì)應(yīng)的錄像，發(fā)現(xiàn)：GPS信號(hào)未受干擾時(shí)，NUCp值通常大于等于7；當(dāng)飛機(jī)機(jī)載GPS信號(hào)短時(shí)間受干擾時(shí)，ADS-B地面站顯示飛機(jī)的NUCp值明顯變低（NUCp＜5），當(dāng)NUCp降至最低值0時(shí)常伴有位置跳變；機(jī)載GPS信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間受干擾時(shí)，還會(huì)發(fā)生丟點(diǎn)現(xiàn)象；當(dāng)GPS干擾消失（或飛機(jī)飛離GPS干擾區(qū)域）時(shí)，NUC值恢復(fù)到正常水平。

ADS-B通常以Asterix Cat021格式送空管自動(dòng)化系統(tǒng)與二次雷達(dá)數(shù)據(jù)融合后供管制員使用，位置偏差大或者位置錯(cuò)誤的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致空管自動(dòng)化系統(tǒng)目標(biāo)分裂或虛假目標(biāo)，干擾管制指揮，Cat021中數(shù)據(jù)項(xiàng)I021/090（質(zhì)量指標(biāo)）包含NUC等指標(biāo)。實(shí)際運(yùn)行中，NUCp≥5時(shí)可認(rèn)為ADS-B信號(hào)質(zhì)量正常可以參與空管自動(dòng)化系統(tǒng)融合，NUCp＜5的ADS-B信號(hào)將被丟棄不能參與融合。ADS-B還可以送至A-SMGCS系統(tǒng)，與場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)等信號(hào)融合用于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視，NUC值低（位置偏差大）或者位置錯(cuò)誤的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致A-SMGCS系統(tǒng)位置嚴(yán)重偏離或虛假目標(biāo)。

3.3 對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的影響

根據(jù)ICAO規(guī)劃，民航導(dǎo)航技術(shù)將由陸基導(dǎo)航向星基導(dǎo)航過(guò)渡，GNSS作為重要的導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)飛行安全和空管安全運(yùn)行至關(guān)重要。GPS干擾對(duì)飛機(jī)GPS接收機(jī)及其ABAS影響較大，致使GPS位置精度差、GPS信號(hào)丟失、完好性不能滿足要求，進(jìn)而導(dǎo)致地形告警、ADS-B信號(hào)質(zhì)量差等問(wèn)題，影響飛行安全和管制指揮。GPS干擾也將對(duì)未來(lái)空管將會(huì)應(yīng)用的GBAS等增強(qiáng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

4 GPS干擾排查

目前已查明的GPS地面干擾源主要有：專用GPS干擾裝置、無(wú)線電保護(hù)裝置、無(wú)人機(jī)壓制設(shè)備、電視廣播設(shè)備、移動(dòng)基站等，通常是阻塞干擾。由于GPS信號(hào)弱，小功率的干擾源即可干擾較大范圍的接收機(jī)，因此，空管運(yùn)行保障部門(mén)需與地方無(wú)線電管理部門(mén)密切合作，利用全向、定向監(jiān)測(cè)設(shè)備和無(wú)人機(jī)等，同時(shí)結(jié)合地形因素，完成GPS干擾源排查。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技進(jìn)步和航空技術(shù)的發(fā)展，民航導(dǎo)航技術(shù)將由陸基導(dǎo)航向星基導(dǎo)航轉(zhuǎn)變，GNSS將是未來(lái)民航運(yùn)行的關(guān)鍵因素，將在空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視中發(fā)揮更為重要的作用。本文分析了GPS干擾對(duì)空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視運(yùn)行保障的影響，并提出了應(yīng)對(duì)措施。我國(guó)正在大力推動(dòng)BDS成為ICAO標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于空管運(yùn)行自主可控、保障飛行安全具有重要意義。BDS具有與GPS類似的原理和用途，分析GPS干擾對(duì)當(dāng)前空管通信導(dǎo)航監(jiān)視運(yùn)行保障的影響對(duì)未來(lái)全面應(yīng)用BDS時(shí)分析BDS干擾具有一定的借鑒意義。

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