北斗/GPS雙模導(dǎo)航測風(fēng)失效原因及應(yīng)對措施

李建程，張留成

(63601部隊(duì)，酒泉 732750)

0 引言

北斗/GPS雙模導(dǎo)航測風(fēng)，是一種與探空氣球、探空儀配合完成各高度風(fēng)向和風(fēng)速探測的方法。隨探空氣球升空的探空儀中安裝北斗/GPS雙模導(dǎo)航定位模塊，使用探空儀上的小型發(fā)射機(jī)將導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)發(fā)送到地面，由地面天線和接收機(jī)接收，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后刻畫出探空氣球的運(yùn)動(dòng)軌跡并計(jì)算得出各高度風(fēng)向和風(fēng)速，稱為導(dǎo)航測風(fēng)。探空儀中還可以增加氣溫、氣壓和濕度等傳感器，同步完成各高度氣溫、氣壓和濕度探測，稱為探空。與傳統(tǒng)探空雷達(dá)跟蹤體制相比，導(dǎo)航測風(fēng)具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際測風(fēng)實(shí)踐中會(huì)偶爾發(fā)生測風(fēng)失效問題。

1 頻點(diǎn)分布

1.1 導(dǎo)航定位頻點(diǎn)

根據(jù)公開信息和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，可以查詢到北斗、GPS、格洛納斯、伽利略等各種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)使用的頻點(diǎn)。國內(nèi)的導(dǎo)航測風(fēng)設(shè)備主要使用北斗和GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以使用其中一種，也可以同時(shí)使用兩種。

1.1.1 北斗導(dǎo)航

表1為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航[1-4]定位系統(tǒng)使用的頻點(diǎn)。

1.1.2 GPS導(dǎo)航

表2為GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)使用的頻點(diǎn)。

表1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻點(diǎn)分布

表2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)傳輸頻點(diǎn)

根據(jù)市場調(diào)研，國內(nèi)主流導(dǎo)航測風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸使用P波段中的400.00～406.00 MHz，個(gè)別產(chǎn)品定制化為L波段中的1，675.00～1，683.00 MHz，均為氣象設(shè)備占用的傳統(tǒng)頻段，但是發(fā)射功率均不大于200 mW。采用小功率發(fā)射機(jī)，一方面降低供電電池和發(fā)射機(jī)尺寸以降低成本；另一方面降低不同站點(diǎn)同時(shí)工作產(chǎn)生干擾的概率。每個(gè)探空儀生產(chǎn)時(shí)即在相應(yīng)頻段上選取1個(gè)固定頻點(diǎn)，出廠后一般不再變化，測風(fēng)前在地面軟件上選取與探空儀一致的接收頻點(diǎn)。

2 導(dǎo)航定位失效原因分析

在導(dǎo)航測風(fēng)過程中，探空儀的空間位置通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)直接得出。根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的原理和信息流向，常見的失效原因可以從系統(tǒng)硬件和通信鏈路進(jìn)行分析。作為普通用戶，一旦出現(xiàn)導(dǎo)航定位失效，一般難以自行處理，對導(dǎo)航測風(fēng)影響極大。

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)故障

2.1.1 衛(wèi)星、主站等關(guān)鍵設(shè)備受損

該失效模式極為罕見，一旦出現(xiàn)即導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)性能大幅劣化甚至停止服務(wù)，此種故障模式下，導(dǎo)航測風(fēng)將徹底失效。

2019年7月伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)生了嚴(yán)重的服務(wù)中斷事故，所有備份手段失效。根據(jù)事后發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，此次技術(shù)故障出現(xiàn)在伽利略系統(tǒng)的兩個(gè)地面控制中心，導(dǎo)致系統(tǒng)中斷服務(wù)數(shù)天[5]。

2.1.2 用戶導(dǎo)航定位模塊故障

該失效模式在實(shí)際測風(fēng)過程中較少出現(xiàn)，一般認(rèn)為是偶發(fā)問題?？煞譃閮煞N情況：一是測風(fēng)開始前的調(diào)試檢查階段；二是測風(fēng)開始后的空中飛行階段。第一種情況可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通過更換探空儀解決，不會(huì)對測風(fēng)造成影響。第二種情況一旦發(fā)生基本無法挽回，特別是數(shù)分鐘以上的定位失效時(shí)，相應(yīng)高度的測風(fēng)結(jié)果不可信或者直接導(dǎo)致測風(fēng)終止。在實(shí)際測風(fēng)實(shí)踐中，以上兩種情況均有發(fā)生。

2.2 5G基站干擾

北斗信號落地功率很低具有脆弱性，導(dǎo)致北斗系統(tǒng)鏈路受影響的事件經(jīng)常發(fā)生。由于北斗用于導(dǎo)航定位服務(wù)的信號位于L頻段與5G的FR1的某些頻段距離很近，且位于地面的5G信號功率很高，因此二者的兼容性問題應(yīng)當(dāng)引起重視。

西安電子科技大學(xué)張森豪針對北斗與5G的兼容性研究給出了如下結(jié)論：在特殊條件下，即距離小型基站小于4 m或距離中等基站小于20 m、基站輻射功率又很高時(shí)，到達(dá)北斗接收機(jī)的5G信號會(huì)達(dá)到參考值-45 dBW及以上，導(dǎo)致兼容性問題產(chǎn)生[6]。測風(fēng)過程中探空儀升速達(dá)340～400 m/min，釋放后很快就超出了5G基站影響范圍，一般不存在干擾問題。但是，如果放球點(diǎn)距離5G基站很近，在測風(fēng)開始前的調(diào)試檢查階段容易因5G基站干擾誤判探空儀導(dǎo)航定位模塊故障。在實(shí)際測風(fēng)實(shí)踐中，放球點(diǎn)旁邊有基站時(shí)，調(diào)試檢查階段經(jīng)常發(fā)現(xiàn)探空儀收星數(shù)較少(一般收星20余個(gè))，但探空儀放出后收星數(shù)立即恢復(fù)正常。

2.3 定位屏蔽器干擾

在信息時(shí)代，位置信息是敏感隱私信息，一些單位和個(gè)人選擇安裝定位屏蔽器以消除位置信息泄露隱患。定位屏蔽器會(huì)在所有定位頻點(diǎn)范圍內(nèi)發(fā)射寬帶噪聲，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)航定位模塊均失效。各地?zé)o線電管理機(jī)構(gòu)在執(zhí)法中通報(bào)多起違規(guī)安裝定位屏蔽器案件[7，8]。

2022-05-12T19:15使用北斗/GPS雙模探空儀進(jìn)行測風(fēng)探空時(shí)，從2022-05-12T19:40起收星異常，回傳的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)為亂碼，溫度、濕度、氣壓正常，初步判斷為探空儀導(dǎo)航定位模塊故障。2022-05-13根據(jù)電磁兼容專業(yè)通報(bào)，該時(shí)段有1臺安裝了大功率定位屏蔽器的私家車停放在附近，導(dǎo)致周邊全部導(dǎo)航定位設(shè)備失效，據(jù)此判斷此次測風(fēng)失敗原因?yàn)槎ㄎ黄帘纹鞲蓴_[9]。

2.4 其他設(shè)備干擾

為驗(yàn)證北斗/GPS雙模導(dǎo)航測風(fēng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，文章使用GFE(L)-1型高空氣象探測雷達(dá)(工作頻率為1669～1681 MHz，以下簡稱L波段雷達(dá))搭配GTS1型數(shù)字探空儀同時(shí)進(jìn)行測風(fēng)。當(dāng)L波段雷達(dá)發(fā)射主瓣正對北斗/GPS雙模探空儀或GTS1型數(shù)字探空儀小發(fā)射機(jī)天線距離北斗/GPS雙模探空儀距離小于1 m時(shí)，收星質(zhì)量明顯下降。為完成驗(yàn)證工作，根據(jù)探空儀生產(chǎn)廠家建議，將2個(gè)探空儀分開，系掛在同一個(gè)探空氣球上，相互之間的兼容性問題得到解決。

3 數(shù)據(jù)傳輸失效原因分析

在導(dǎo)航測風(fēng)過程中，探空儀將導(dǎo)航定位模塊輸出的定位信息和其他探空數(shù)據(jù)、必要標(biāo)識代碼經(jīng)過調(diào)制之后使用小型發(fā)射機(jī)發(fā)射出來，一般每秒發(fā)射1組數(shù)據(jù)，位于地面的全向天線、接收機(jī)以及計(jì)算機(jī)接收到探空儀下傳的代碼，經(jīng)處理后記錄、存儲，進(jìn)一步處理得到風(fēng)場廓線和其他廓線。在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)可能發(fā)生多種失效模式，因此持續(xù)時(shí)間較短，或者能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行處理，一般不會(huì)導(dǎo)致測風(fēng)探空失敗，但會(huì)造成個(gè)別高度層數(shù)據(jù)可信度下降或者缺測。

3.1 探空儀供電、調(diào)制、發(fā)射故障

探空儀飛行至高空后，環(huán)境條件變化劇烈，一般情況下溫差可達(dá)140 ℃，承受最大風(fēng)速可達(dá)80 m/s。這對探空儀內(nèi)部器件的環(huán)境適應(yīng)性和部件之間連接可靠性提出了嚴(yán)苛要求。在巨大溫差、劇烈振動(dòng)之下可能發(fā)生器件失效、連接松動(dòng)等問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷。

該故障模式的發(fā)生可分為兩個(gè)階段，即調(diào)試檢查階段和空中飛行階段。

3.2 地面接收處理設(shè)備故障

地面設(shè)備由全向天線、接收機(jī)和計(jì)算機(jī)組成，沒有活動(dòng)機(jī)械部件和高壓發(fā)射部件，這種技術(shù)體制可靠性極高，一般不會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的硬件故障。不過，接收機(jī)與計(jì)算機(jī)之間通過TCP/IP協(xié)議通信，接收機(jī)內(nèi)部的單片機(jī)作為關(guān)鍵部件可能出現(xiàn)死機(jī)故障。實(shí)際使用過程中發(fā)生過高溫天氣下因散熱不暢導(dǎo)致接收機(jī)死機(jī)，之后通過改善工作環(huán)境予以解決。

3.3 對講機(jī)等通信設(shè)備干擾

對講機(jī)是常用的短距離通信設(shè)備，主要工作在400～470 MHz頻段。在實(shí)際測風(fēng)過程中，用于基測、充球、放球之間溝通的對講機(jī)頻點(diǎn)設(shè)置為429.125 MHz，當(dāng)打開虛擬掃頻軟件查看周邊電磁環(huán)境時(shí)，探空儀發(fā)射信號為明顯的1 Hz窄脈沖，對講機(jī)發(fā)射信號除了在429.125 MHz處有一個(gè)較寬的極大值外，在兩側(cè)較大范圍內(nèi)還有明顯的信號波動(dòng)。當(dāng)探空儀距離地面接收天線很近時(shí)，對講機(jī)泄露的信號波動(dòng)無法掩蓋探空儀的脈沖信號；當(dāng)探空儀釋放后，信號非常微弱，此時(shí)會(huì)被對講機(jī)的泄露信號掩蓋[10]。

3.4 其他設(shè)備干擾

由于地面接收設(shè)備靈敏度很高(-115 dBm)，微弱的噪聲信號即可對數(shù)據(jù)傳輸造成影響。

在使用導(dǎo)航測風(fēng)初期，經(jīng)常出現(xiàn)不明原因的數(shù)據(jù)獲取率較低(90%以下)的情況，存在測風(fēng)失敗的隱患。經(jīng)過多次試驗(yàn)，排除了探空儀和地面設(shè)備故障的可能性。將頻譜儀連接到低噪聲放大器后，移動(dòng)監(jiān)測機(jī)房周圍電磁環(huán)境，當(dāng)距離機(jī)房小于20 m時(shí)，在探空儀正常脈沖信號兩側(cè)出現(xiàn)了跳動(dòng)的寬帶弱噪聲，當(dāng)距離機(jī)房大于20 m時(shí)，該噪聲消失，各方向情況相同，且距離機(jī)房越近噪聲電平越高。據(jù)此判斷機(jī)房內(nèi)存在未知的噪聲干擾。由于該噪聲在數(shù)據(jù)傳輸頻段內(nèi)，增加濾波器會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)靈敏度并縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，因此通過改變天線位置解決。

4 失效原因分析及應(yīng)對

文章從導(dǎo)航測風(fēng)原理出發(fā)，結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，對造成導(dǎo)航測風(fēng)失效的常見原因進(jìn)行了分析，既存在概率低、影響大的黑天鵝事件，又存在概率高、影響弱的灰犀牛事件，其發(fā)生概率及影響程度分析見表3、表4。

表3 導(dǎo)航定位失效發(fā)生概率、影響程度分析及應(yīng)對措施

表4 數(shù)據(jù)傳輸失效發(fā)生概率、影響程度分析及應(yīng)對措施

由表可知，導(dǎo)航定位失效對導(dǎo)航測風(fēng)的影響嚴(yán)重，且發(fā)生概率較高，相比傳統(tǒng)探空雷達(dá)體制為新增的失效模式；而數(shù)據(jù)傳輸失效的原因與傳統(tǒng)探空雷達(dá)體制基本相同，發(fā)生概率和影響程度也可類比。從實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來看，導(dǎo)航測風(fēng)操作簡單、自動(dòng)化程度高，但存在相對較高的失敗風(fēng)險(xiǎn)；傳統(tǒng)探空雷達(dá)操作稍顯復(fù)雜，但沿用數(shù)十年，技術(shù)非常成熟，各類風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)充分暴露并有成熟的應(yīng)對機(jī)制[11]。

5 結(jié)束語

導(dǎo)航測風(fēng)技術(shù)先進(jìn)，從原理上相比傳統(tǒng)探空雷達(dá)能夠獲取更高精度的測風(fēng)數(shù)據(jù)，并且結(jié)構(gòu)簡單，但對衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)存在較深的依賴。同時(shí)，隨著無線通信快速發(fā)展，頻譜管理越來越復(fù)雜，頻譜開發(fā)、頻譜重耕、智能管理等新的管理理念正在逐步實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注周圍電磁環(huán)境變化，充分發(fā)揮導(dǎo)航測風(fēng)的技術(shù)先進(jìn)性，更好地服務(wù)于氣象事業(yè)。