全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法＊

陳谷倉(cāng)，劉承禹，杜黎明，武成鋒

（1.中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，北京100094；2.二炮裝備研究院，北京100085；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東 青島266107；4.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074）

0 引 言

復(fù)雜電磁環(huán)境是影響全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）安全性的關(guān)鍵因素之一，包括電磁干擾環(huán)境和空間電波環(huán)境。電磁干擾環(huán)境是指引起衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能降低的各種電磁干擾信號(hào)，包括各種非故意干擾信號(hào)與人為故意干擾信號(hào)；空間電波環(huán)境是指影響衛(wèi)星信號(hào)傳播環(huán)境要素的總稱，其中尤以電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星信號(hào)影響最為嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明：影響GNSS系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵因素之一是復(fù)雜電磁環(huán)境；“影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的因素包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段附近的各種直接輻射信號(hào)、諧波信號(hào)、交互調(diào)信號(hào)與空間天氣環(huán)境的電離層閃爍等[1]。

1 GNSS受復(fù)雜電磁環(huán)境影響分析

1.1 電磁干擾對(duì)GNSS系統(tǒng)的影響分析

世界各國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）受非故意干擾的事情時(shí)有發(fā)生。在歐洲，非故意干擾信號(hào)經(jīng)常干擾軍民機(jī)場(chǎng)附近GPS L1、L2信號(hào)接收，并且一些站點(diǎn)的L2信號(hào)還受到1240～1243.25MHz頻段內(nèi)的業(yè)余無(wú)線電信號(hào)的影響。在美國(guó)，GPS受干擾的事件經(jīng)常發(fā)生，美國(guó)政府與科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)多次公布了GPS重要基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)施受干擾的事件；此外，美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）與美國(guó)測(cè)地局（NGS）也多次報(bào)道了其GPS監(jiān)測(cè)站與GPS連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)（CORS）監(jiān)測(cè)站受干擾的事件；并且其廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）、局域增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS）站受干擾事件更是經(jīng)常發(fā)生。

美國(guó)非常重視GPS系統(tǒng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析工作，在關(guān)于未來(lái)2025年衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃建議第二條中提出：監(jiān)測(cè)“定位、導(dǎo)航、授時(shí)”（PNT）信號(hào)，監(jiān)測(cè)識(shí)別干擾信號(hào)，探測(cè)電磁環(huán)境效應(yīng)異常，以驗(yàn)證系統(tǒng)性能與服務(wù)水平，并近實(shí)時(shí)分發(fā)給用戶。

目前，美國(guó)已經(jīng)發(fā)起了“PNT干擾檢測(cè)消除計(jì)劃（Interference Detection and Mitigation Plan，IDM計(jì)劃）”。各組織機(jī)構(gòu)紛紛建立自己的GPS電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)保障系統(tǒng)，包括：NGA GPS電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)保障系統(tǒng)、美國(guó)GPS增強(qiáng)系統(tǒng)的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)保障計(jì)劃、美國(guó)民航局（FAA）GPS射頻干擾監(jiān)測(cè)減緩計(jì)劃、GPS戰(zhàn)場(chǎng)干擾定位系統(tǒng)（LOCO GPSI）、GPS CORS的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析保障計(jì)劃等。

歐洲在伽利略系統(tǒng)（Galileo）設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中對(duì)電磁環(huán)境問(wèn)題非常關(guān)注。為保障Galileo系統(tǒng)正常運(yùn)行，歐委會(huì)采取了多方面的措施：

1）建立Galileo信號(hào)特別工作組（STF），專門研究Galileo頻率結(jié)構(gòu)和信號(hào)設(shè)計(jì)方案，以降低電磁環(huán)境（電磁干擾與電離層）問(wèn)題對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。

2）確保Galileo系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的運(yùn)行，啟動(dòng)伽利略干擾管理及對(duì)策措施（MAGIC）項(xiàng)目，研究干擾監(jiān)測(cè)、查找和減緩技術(shù)。

3）啟動(dòng)Galileo電磁環(huán)境測(cè)量計(jì)劃，對(duì)Galileo系統(tǒng)歐洲區(qū)域的電磁環(huán)境進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理與入庫(kù)。

1.2 電離層閃爍對(duì)GNSS系統(tǒng)的影響分析

基于多年GPS衛(wèi)星信號(hào)的電離層閃爍研究結(jié)果表明，電離層閃爍可導(dǎo)致我國(guó)尤其是低緯區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)信號(hào)幅度抖動(dòng)、相位隨機(jī)起伏等情況，引起接收機(jī)產(chǎn)生測(cè)距和測(cè)速誤差、授時(shí)性能下降等，極端時(shí)甚至?xí)?dǎo)致多顆衛(wèi)星失鎖，無(wú)法提供導(dǎo)航信息。

圖1為電離層閃爍事件對(duì)GPS定位精度影響的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖中可以明顯看出電離層閃爍引起衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收信號(hào)的質(zhì)量急劇下降，GPS接收機(jī)在經(jīng)度、緯度、和高度上都出現(xiàn)極大的定位誤差，部分時(shí)間段內(nèi)衛(wèi)星失鎖，定位精度嚴(yán)重下降。

圖1 出現(xiàn)電離層閃爍時(shí)GPS定位結(jié)果的變化情況

GNSS各個(gè)系統(tǒng)工作頻段相似，我國(guó)是全球電離層閃爍高發(fā)區(qū)之一，更需著重考慮電離層閃爍的影響。由于電離層對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收的影響與電磁干擾對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收的影響有一定的相似性。因此，目前美國(guó)與歐洲都在研究一體化監(jiān)測(cè)分析技術(shù)與設(shè)備，以準(zhǔn)確的分析GNSS系統(tǒng)受電磁環(huán)境影響的準(zhǔn)確原因。

2 國(guó)外GNSS電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析技術(shù)與設(shè)備研究現(xiàn)狀

GPS系統(tǒng)的電磁環(huán)境影響問(wèn)題是隨著GPS系統(tǒng)的逐步應(yīng)用而逐漸顯現(xiàn)出來(lái)的，因此，國(guó)外GNSS系統(tǒng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展是一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由單一到綜合的階梯式的發(fā)展過(guò)程[2]。

1）頻譜分析儀

頻譜分析儀是最初采用的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)方式，頻譜儀直接連接于GNSS接收機(jī)天線的輸出端口，中間加一個(gè)直流供電裝置。

頻譜分析儀監(jiān)測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是：組成簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；上半球各向同性，有利于信號(hào)的監(jiān)測(cè)接收；比較測(cè)量得到的干擾信號(hào)與給定的干擾門限值是合理的；幾乎所有的GNSS導(dǎo)航天線的形式可比較；電磁干擾信號(hào)可同時(shí)被GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收，方便進(jìn)行聯(lián)合分析。

此監(jiān)測(cè)方式的缺點(diǎn)同樣也是無(wú)法解決的，包括：由于天線與低噪放的帶寬限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)帶外信號(hào)監(jiān)測(cè)識(shí)別；天線在低仰角時(shí)，增益較低，而大多數(shù)干擾信號(hào)是低仰角入射，無(wú)法實(shí)現(xiàn)干擾源的測(cè)向功能；頻譜分析儀掃描速度慢，當(dāng)實(shí)現(xiàn)窄分析帶寬掃描時(shí)，掃描周期太長(zhǎng)。

2）監(jiān)測(cè)接收機(jī)

面對(duì)上述方式存在的問(wèn)題，大家逐步采用監(jiān)測(cè)接收機(jī)與寬頻段監(jiān)測(cè)天線。首先，采用寬頻段監(jiān)測(cè)天線與低噪放可以實(shí)現(xiàn)帶外干擾信號(hào)的準(zhǔn)確識(shí)別，監(jiān)測(cè)天線是全向天線可以實(shí)現(xiàn)低仰角干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)接收；采用測(cè)向天線，可與監(jiān)測(cè)接收機(jī)相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)干擾源的測(cè)向，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)干擾源定位；能夠?qū)崿F(xiàn)更快的掃描速度。

但是采用頻譜分析儀與監(jiān)測(cè)接收機(jī)都無(wú)法解決電離層閃爍的監(jiān)測(cè)分析問(wèn)題，在很多情況下無(wú)法準(zhǔn)確的判斷衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量下降是電磁干擾問(wèn)題還是電離層閃爍問(wèn)題。目前針對(duì)GNSS復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)題的發(fā)展趨勢(shì)是研究一體化的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析技術(shù)與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多元融合分析。

3）一體化電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析設(shè)備

一體化電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析設(shè)備通過(guò)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和電磁干擾信號(hào)的共同監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)電磁干擾數(shù)據(jù)、電離層閃爍數(shù)據(jù)與衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)的多元融合分析，更全面的實(shí)現(xiàn)GNSS復(fù)雜電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)分析，從而更好的為GNSS系統(tǒng)自身及其應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)。

3 一體化電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)靈敏度分析

監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)靈敏度分析需要綜合考慮GNSS系統(tǒng)不同信號(hào)的干擾門限值、衛(wèi)星信號(hào)的影響、監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)際可達(dá)到的監(jiān)測(cè)靈敏度值。

3.1.1 GNSS系統(tǒng)不同信號(hào)干擾門限值分析

GNSS系統(tǒng)不同信號(hào)干擾門限值的確定需要考慮的因素有：不同衛(wèi)星信號(hào)的具體體制參數(shù)；不同干擾信號(hào)的具體體制參數(shù)；GNSS系統(tǒng)不同應(yīng)用目的與服務(wù)對(duì)象等。因此監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)靈敏度需要考慮GNSS系統(tǒng)不同信號(hào)的干擾門限值。

圖2（a）是GPS與GLONASS連續(xù)波干擾門限與頻率的關(guān)系圖，圖2（b）是帶限白噪聲干擾帶寬與干擾門限的關(guān)系圖[3]。

圖2 GPS與GLONASS干擾門限與頻率、帶寬的關(guān)系

3.1.2 衛(wèi)星信號(hào)的影響分析

衛(wèi)星信號(hào)的影響分析，可以GPS民碼為例進(jìn)行過(guò)程與方法的說(shuō)明。單個(gè)C／A碼衛(wèi)星信號(hào)在仰角5°時(shí)采用0dB的右旋圓極化天線接收，功率為－160dBW，仰角為40°時(shí)，此時(shí)功率為－153 dBW[4]。假定衛(wèi)星信號(hào)的平均功率為－154dBW，如果采用增益為4.5dB的天線，空中共有12顆衛(wèi)星，則信號(hào)的總功率為－138.7dBW.

表1 C／A碼信號(hào)功率與帶寬的關(guān)系

根據(jù)圖2（a）干擾門限值曲線可知，－150.5 dBW的干擾信號(hào)就會(huì)對(duì)GPS造成影響，而根據(jù)表1可知，100kHz的衛(wèi)星信號(hào)功率達(dá)到－148.8 dBW，因此，設(shè)備的監(jiān)測(cè)帶寬必須小于100kHz才可滿足要求。

3.1.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)能力分析

監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)能力分析就是分析監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)際可達(dá)到的監(jiān)測(cè)靈敏度值。

設(shè)備的總的基于天線口的噪聲功率密度N0，tot是天線噪聲功率密度N0，ant與設(shè)備噪聲功率密度N0，sys的和。設(shè)備噪聲功率密度包括低噪放，天線電纜和監(jiān)測(cè)接收設(shè)備等。

天線噪聲功率密度的計(jì)算公式為

式中：k是玻爾茲曼常數(shù)；Tant是天線的噪聲溫度。單位為.

設(shè)備的噪聲功率密度主要基于設(shè)備的噪聲系數(shù)：

式中：Fsys是設(shè)備噪聲系數(shù)。

根據(jù)研究分析，目前的監(jiān)測(cè)設(shè)備基本可以發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)的存在，但是對(duì)于某些調(diào)制方式的識(shí)別，監(jiān)測(cè)能力稍有不足。

3.2 干擾源測(cè)向定位技術(shù)研究

干擾源測(cè)向定位技術(shù)是GNSS復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，干擾源位置的確定是電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析工作必須要完成的任務(wù)，這是干擾減緩與消除的前提。

測(cè)向具體實(shí)現(xiàn)的方法有幅度測(cè)向、相位差－幅度測(cè)向、相位測(cè)向法和空間譜估計(jì)法等。定位可以多個(gè)不同測(cè)向系統(tǒng)的示向結(jié)果交會(huì)得到，也可以通過(guò)測(cè)量干擾信號(hào)到達(dá)不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的時(shí)間差（TDOA）來(lái)完成。

在復(fù)雜的無(wú)線信道環(huán)境下，由于多徑效應(yīng)、多址干擾、電波的非視距傳播以及各種噪聲和干擾的存在，對(duì)信號(hào)到達(dá)參數(shù)的估計(jì)往往存在偏差，從而使得估計(jì)出現(xiàn)誤差，嚴(yán)重影響定位精度。如何在復(fù)雜的無(wú)線通信環(huán)境下準(zhǔn)確地估計(jì)定位參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度定位的關(guān)鍵。

1）測(cè)向技術(shù)

目前測(cè)向技術(shù)中較為先進(jìn)的是空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)。空間譜估計(jì)測(cè)向是一種以天線陣輸出信號(hào)的空間相關(guān)特征為基礎(chǔ)的超分辨譜估計(jì)方法。MUSIC算法是基于特征結(jié)構(gòu)分析的空間譜估計(jì)方法，其測(cè)向原理是根據(jù)矩陣特征分解理論，對(duì)陣列輸出協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，將信號(hào)空間分解為衛(wèi)星信號(hào)空間和干擾信號(hào)空間，利用干擾信號(hào)空間與陣列的方向矩陣列矢量正交的性質(zhì)，構(gòu)造空間譜函數(shù)并進(jìn)行譜峰搜索，從而估計(jì)出波達(dá)方向信息。

2）定位技術(shù)

目前干擾定位技術(shù)的研究極其廣泛，而干擾定位的方法也極多，但由于GNSS復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析的特殊性，可考慮采用交叉定位的方式，原理簡(jiǎn)單而實(shí)用。對(duì)于固定點(diǎn)干擾信號(hào)可采用一個(gè)測(cè)向設(shè)備，通過(guò)多點(diǎn)分時(shí)測(cè)量實(shí)現(xiàn)；對(duì)于移動(dòng)點(diǎn)干擾信號(hào)由于其位置的變化性，需要采用多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)同時(shí)多點(diǎn)交叉定位獲得位置。

3.3 電磁環(huán)境多元信息融合分析技術(shù)

由于電離層閃爍與電磁干擾影響效果的相似性，因此針，對(duì)GNSS復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析需要進(jìn)行多元信息的融合分析，整個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)層次：?jiǎn)位亩嘣畔⑷诤霞夹g(shù)與多站的多元信息融合技術(shù)。

1）單基的多元信息融合技術(shù)

將單個(gè)設(shè)備監(jiān)測(cè)得到的電磁干擾信息，衛(wèi)星信號(hào)及其閃爍信息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多元信息融合，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法，實(shí)現(xiàn)多元信息的綜合分析處理從而為電磁環(huán)境影響效應(yīng)分析評(píng)估工作服務(wù)。主要工作內(nèi)容包括：判斷是否存在干擾信號(hào)、分析衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)、分析衛(wèi)星信號(hào)閃爍效應(yīng)、多元信息的融合分析與影響原因的分析。

2）多站信息的數(shù)據(jù)融合技術(shù)

通過(guò)多站獲得的信息可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面站電磁環(huán)境的更準(zhǔn)確分析，需要采用數(shù)據(jù)處理、融合和決策技術(shù)。首先，需要確定合理的數(shù)據(jù)融合優(yōu)化方案；其次，需要解決信息沖突情況下的數(shù)據(jù)融合問(wèn)題。

3.4 影響效應(yīng)分析評(píng)估技術(shù)

GNSS復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析需要對(duì)影響效應(yīng)進(jìn)行分析評(píng)估，以指導(dǎo)下一步應(yīng)該采取的措施。

1）建立影響效應(yīng)評(píng)估準(zhǔn)則

首先建立電磁干擾信號(hào)、電離層閃爍對(duì)GNSS導(dǎo)航影響效應(yīng)評(píng)估準(zhǔn)則，具體評(píng)估準(zhǔn)則參考國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）標(biāo)準(zhǔn)和GNSS各鏈路設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制定，但又要根據(jù)GNSS實(shí)際應(yīng)用的需要。例如可采用載干比準(zhǔn)則或誤碼率準(zhǔn)則等等。

GNSS應(yīng)用環(huán)境與應(yīng)用目的不同，對(duì)電磁環(huán)境的要求也不相同，因此評(píng)估準(zhǔn)則也有一定的差異，在這里需要根據(jù)不同的應(yīng)用需求，確定相對(duì)合理的影響效應(yīng)評(píng)估準(zhǔn)則體系。

2）影響效應(yīng)的理論計(jì)算

依據(jù)干擾信號(hào)的功率、帶寬、中心頻率與調(diào)制方式等參數(shù)，結(jié)合GNSS信號(hào)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)以及信號(hào)接收過(guò)程采用的典型抗干擾算法，依據(jù)電離層閃爍對(duì)衛(wèi)星信道影響效應(yīng)的理論分析結(jié)果，進(jìn)行電磁環(huán)境影響效果的理論計(jì)算。

3）影響效應(yīng)的仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了全面可靠的評(píng)估分析電磁環(huán)境對(duì)GNSS鏈路信號(hào)的不利影響，仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試是有效的手段。研究電磁環(huán)境（電磁干擾與電離層閃爍）造成的GNSS鏈路接收設(shè)備的性能指標(biāo)的變化，運(yùn)行中斷的可能性、信噪比的下降、誤碼率的增加、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量變化等，給出合理的影響判據(jù)，此判據(jù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。

此外，一體化電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)還包括一體化硬件平臺(tái)的研制，數(shù)據(jù)的綜合分析篩選與入庫(kù)，設(shè)備的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的兼容等。

4 結(jié) 論

隨著我國(guó)北斗二號(hào)系統(tǒng)的逐步投入使用，北斗二號(hào)面臨的電磁環(huán)境問(wèn)題會(huì)極其復(fù)雜，針對(duì)北斗二號(hào)系統(tǒng)的干擾監(jiān)測(cè)減緩計(jì)劃服務(wù)，未來(lái)將進(jìn)一步涉及到設(shè)備的應(yīng)用方式、服務(wù)對(duì)象與實(shí)施途徑等。

根據(jù)ICG（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)）第五次會(huì)議美國(guó) “檢測(cè)和消除對(duì)GNSS的干擾”[5]的專題，GNSS復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析將是外來(lái)影響整個(gè)GNSS系統(tǒng)發(fā)展的重要問(wèn)題，值得大家去做進(jìn)一步深入的研究。

[1]Deshpande S M.Study of interference effects on GPS signal acquisition[D].University of Calgary，2004.

[2]Felix Butsch.A concept for GNSS interference monitoring[C]∥International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation（ION GPS 1999），Nashville，TN，1999：125－136.

[3]RTCA Do－235.Assessment of radio frequency interference relevant to the GNSS[R].Radio Technical Commission for Aeronautics，1997.

[4]ARINC－Research Corporation.GPS－Interface Control Document（ICD200C）[R].The Interface Control Working Group（ICWG），1997.

[5]ICGWGB.Report of the Working Group on Enhancement of the Performance of Global Navigation Satellite Systems Services[R].UNOOSA.2010.