GPS導(dǎo)航對(duì)抗數(shù)據(jù)質(zhì)量特征實(shí)例分析

陳新東，蔡 鵬，高大遠(yuǎn)，朱海榮，王 超

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266000)

0 引 言

導(dǎo)航對(duì)抗，旨在削弱或者破壞敵方無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的使用效能和保護(hù)己方無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的有效使用。從提出導(dǎo)航對(duì)抗開始，各方機(jī)構(gòu)相繼展開對(duì)導(dǎo)航對(duì)抗的應(yīng)用研究[1]。李正軍等人研究了GNSS框架下導(dǎo)航信息對(duì)抗方案和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[2]；郭強(qiáng)分析了美國(guó)等軍事強(qiáng)國(guó)導(dǎo)航戰(zhàn)的常用技術(shù)路線和作戰(zhàn)手段，研究了提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)站抗干擾能力的方法[3]。劉富等人提出包括導(dǎo)航戰(zhàn)進(jìn)攻、防御和偵察在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗能力框架，以美國(guó)、俄羅斯和其他國(guó)家的導(dǎo)航對(duì)抗能力為例，分析導(dǎo)航對(duì)抗的發(fā)展趨勢(shì)[4]，這些研究都只是停留在概念定義層面，并未對(duì)導(dǎo)航對(duì)抗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做出仿真分析，因此，文章利用美英法對(duì)敘利亞進(jìn)行空襲的這一戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)例，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真分析了空襲期間敘利亞周邊4個(gè)典型地面觀測(cè)站的GPS信號(hào)數(shù)據(jù)質(zhì)量變化情況，通過信噪比、衛(wèi)星可見數(shù)、精度衰減因子與定位誤差這4種評(píng)估指標(biāo)對(duì) GPS衛(wèi)星信號(hào)的干擾進(jìn)行了評(píng)估，分析出了4個(gè)地面觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的四項(xiàng)指標(biāo)在空襲期間的數(shù)據(jù)質(zhì)量特征，以便為將來我軍導(dǎo)航戰(zhàn)提供數(shù)據(jù)分析方法。

1 評(píng)估內(nèi)容和方法

1.1 精度衰減因子(DOP)值

衛(wèi)星的空間幾何分布可通過衛(wèi)星星座和觀測(cè)站的位置計(jì)算得到，一般可以用精度衰減因子來表示。DOP值與衛(wèi)星星座的位置、衛(wèi)星可見數(shù)、空間衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)，包括幾何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、高程精度因子(VDOP)、時(shí)間精度因子(TDOP)等，其中,GDOP是衡量一個(gè)定位系統(tǒng)精度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，一般情況下，GDOP的數(shù)值越大，所代表的單位矢量形體體積越小，此時(shí)的GDOP會(huì)導(dǎo)致定位精度變差。PDOP值直接反映衛(wèi)星空間幾何分布對(duì)定位精度的影響，PDOP值越小，空間幾何分布強(qiáng)度越好，定位精度就越高[5]。PDOP值與衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱、接收機(jī)良好或者損壞無關(guān)[6]。通常，采用GPS衛(wèi)星進(jìn)行精確定位時(shí)，PDOP值≤4產(chǎn)生最佳位置，5～7可以接受[7]，表示衛(wèi)星幾何分布良好。

1.2 信噪比(SNR)

信噪比是指接收的載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值[8]。接收機(jī)載噪比通常可表示為C/N，即以1 Hz帶寬為參考的信噪比S/N。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)為弱信號(hào)，當(dāng)GPSC/A碼輸入功率為額定度功率-130 dB時(shí)，接收機(jī)載噪比約為44 dB/Hz，輸入功率小于額定度功率或衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋，信噪比值會(huì)相應(yīng)降低，不利于信號(hào)檢測(cè)。信噪比可用于比較不同信道和衛(wèi)星間的信號(hào)強(qiáng)度，評(píng)估環(huán)境干擾的影響。

1.3 衛(wèi)星可見數(shù)

衛(wèi)星可見數(shù)是指接收機(jī)在一定的高度角下能夠觀測(cè)到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)。衛(wèi)星的可用性與空間分布直接影響定位的精度，對(duì)于單個(gè)定位系統(tǒng)而言，至少需要4顆可見的衛(wèi)星才可以實(shí)現(xiàn)定位。研究衛(wèi)星可見性，對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗技術(shù)的研究有支撐作用。一般條件下，衛(wèi)星可見數(shù)減少，就會(huì)影響導(dǎo)航定位解算，從而直接影響導(dǎo)航性能[9]。

1.4 定位誤差

定位誤差是接收機(jī)用戶最重要的定位指標(biāo)，利用定位誤差可以直接分析出信號(hào)被干擾的效果。

2 實(shí)例分析

選取距離敘利亞最近的4個(gè)地面觀測(cè)站bshm、drag、ramo和nico，如圖1所示，從IGS(International GNSS Service)網(wǎng)站上下載這4個(gè)地面觀測(cè)站采樣間隔為30 s的GPS觀測(cè)文件等數(shù)據(jù)，采用2018年4月12日0時(shí)0分0秒～2018年4月15日24時(shí)0分0秒共4 d實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)分析，采用GPS的服務(wù)信號(hào)為L(zhǎng)1C/A。基于日本東京海洋大學(xué)的TomojiTakasu研發(fā)的開源軟件RTKLIB，得到4個(gè)站的衛(wèi)星可見數(shù)、信噪比、PDOP和定位精度等數(shù)據(jù)。

圖1 地面觀測(cè)站分布

圖2、圖3、圖4和圖5是4個(gè)地面跟蹤站在空襲這幾天GDOP值和PDOP值的變化特征。

圖2 bshm觀測(cè)站

圖3 drag觀測(cè)站

圖4 ramo觀測(cè)站

圖5 nico觀測(cè)站

從圖2可以看出，BSHM站在12日20∶00點(diǎn)左右，13日3∶00和6∶00左右，15日19∶00左右，GDOP值和PDOP值異常突變，衛(wèi)星幾何分布不佳，即使收到超過四顆以上衛(wèi)星數(shù)，也不能有效的進(jìn)行定位。從圖3、圖4和圖5中可以看出drag、ramo和nico 3個(gè)地面觀測(cè)站在觀測(cè)期間，GDOP值和PDOP值均小于6，但是drag地面觀測(cè)站在12日9∶00和14號(hào)6∶00前后DOP值缺失，其他兩觀測(cè)站數(shù)據(jù)無缺失，衛(wèi)星跟蹤比較正常。

圖6～圖9是4個(gè)地面觀測(cè)站在敘利亞被空襲期間L1C/A信號(hào)質(zhì)量的變化特征。通過觀察上述4個(gè)地面觀測(cè)站空襲前后時(shí)間段信噪比的特征圖，可以得到bshm觀測(cè)站在12日8∶30前后和13日03∶00與06∶00時(shí)間前后仿真圖形存在明顯的缺口，信噪比有顯著的降低，表明這個(gè)時(shí)間段受到了比較強(qiáng)的干擾，其他時(shí)間段信噪比也有細(xì)微的下降，表明此時(shí)也有比較弱的干擾;drag觀測(cè)站在12日9∶10和14號(hào)6∶00前后信噪比仿真圖形有缺失，表明GPS信號(hào)出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象；ramo觀測(cè)站及nico觀測(cè)站在這幾天信噪比相對(duì)來說比較正常，沒有明顯的異常。

圖6 bshm觀測(cè)站L1頻段信噪比

圖7 drag觀測(cè)站L1頻段信噪比

圖8 ramo觀測(cè)站L1頻段信噪比

圖9 nico觀測(cè)站L1頻段信噪比

圖10、圖11、圖12和圖13是4個(gè)地面觀測(cè)站在空襲期間衛(wèi)星可見數(shù)的變化特征。圖14和圖15分別是bshm觀測(cè)站在12日20點(diǎn)27分30秒和13號(hào)的05點(diǎn)52分30秒的天空視圖。

圖10 bshm觀測(cè)站衛(wèi)星可見數(shù)

圖11 drag觀測(cè)站衛(wèi)星可見數(shù)

圖12 ramo觀測(cè)站衛(wèi)星可見數(shù)

圖13 nico觀測(cè)站衛(wèi)星可見數(shù)

圖14 bshm觀測(cè)站(20點(diǎn)27分30秒)天空視圖

圖15 bshm觀測(cè)站(05點(diǎn)52分30秒)天空視圖

根據(jù)衛(wèi)星可見數(shù)的觀測(cè)情況可以看出，ramo觀測(cè)站和nico觀測(cè)站在空襲期間衛(wèi)星信號(hào)比較正常，能夠滿足定位要求，而bshm觀測(cè)站則在12日20∶30分左右和13號(hào)06∶00左右，跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)目很少，無法進(jìn)行定位，從圖14和圖15也能夠清楚地觀察到，在4月12號(hào)20點(diǎn)27分30秒，共收到G27和G10共2顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星;而在13號(hào)05點(diǎn)52分30秒時(shí)刻，僅收到G09 1顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，說明此時(shí)受到了比較強(qiáng)烈的導(dǎo)航干擾，地面觀測(cè)站已經(jīng)無法正常跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。drag觀測(cè)站在12日09∶10和14號(hào)06∶00前后直接無法接收到衛(wèi)星信號(hào)，說明導(dǎo)航干擾對(duì)GPS信號(hào)定位產(chǎn)生了影響。

圖16、圖17、圖18和圖19是4個(gè)地面觀測(cè)站在空襲期間東、北、天3個(gè)方向定位誤差的變化特征。

圖16 bshm觀測(cè)站

圖17 drag觀測(cè)站

圖18 ramo觀測(cè)站

圖19 nico觀測(cè)站

從定位誤差圖中可以看出bshm觀測(cè)站在12日03∶30前后GPS信號(hào)出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象，20∶30前后、13日3∶00和6∶00前后等時(shí)間段定位誤差較大，無法進(jìn)行定位。而drag觀測(cè)站、ramo觀測(cè)站和nico觀測(cè)站也出現(xiàn)了數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。例如，drag觀測(cè)站在12日09∶10和14號(hào)06∶00前后出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象，但是衛(wèi)星信號(hào)基本正常。

3 結(jié) 論

通過在IGS網(wǎng)站下載觀測(cè)站數(shù)據(jù)，利用RTKLIB軟件對(duì)空襲期間敘利亞附近四個(gè)地面觀測(cè)站GPS信號(hào)變化特征進(jìn)行分析和處理，可以得到以下結(jié)論：

(1) 敘利亞周邊的bshm觀測(cè)站受到了明顯的導(dǎo)航干擾；drag觀測(cè)站、ramo觀測(cè)站和nico觀測(cè)站在某些時(shí)間段也受到了導(dǎo)航干擾，造成數(shù)據(jù)丟失，由此可以推測(cè)美對(duì)敘利亞空襲期間，GPS導(dǎo)航信號(hào)在局部地區(qū)受到干擾，導(dǎo)致敘利亞地區(qū)部分時(shí)段和部分區(qū)域的GPS信號(hào)無法正常使用。

(2) 空襲期間有多個(gè)時(shí)間段GPS信號(hào)受到了嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致信噪比降低，衛(wèi)星可見數(shù)減少，DOP增大，定位誤差增大，定位精度降低。

(3) 通過對(duì)GPS導(dǎo)航對(duì)抗數(shù)據(jù)質(zhì)量特征實(shí)例分析研究，可以得出利用信噪比、衛(wèi)星可見數(shù)、精度衰減因子和定位誤差等評(píng)價(jià)指標(biāo)來分析GPS導(dǎo)航對(duì)抗數(shù)據(jù)質(zhì)量特征的可行性。此評(píng)估內(nèi)容和方法可以為未來導(dǎo)航對(duì)抗提供參考標(biāo)準(zhǔn)。