基于RTKLIB和IGS實時數據的GPS干擾效果分析*

張 坤,曾芳玲,歐陽曉鳳,趙 元

(國防科技大學電子對抗學院, 合肥 230037)

0 引言

針對傳統的大地測量基準參考已不能滿足現代高精度長距離定位和信號實時監測的要求[1],常規的GPS信號干擾的模擬仿真未能充分考慮電離層、地形等一系列因素影響的缺陷,文中提出利用GPS精密基線解算軟件聯合IGS地面跟蹤站建立區域性的、與國際地球參考框架ITRF相一致的三維大地坐標參考基準[2],其靜態定位精度可達厘米級[3],通過對GPS地面跟蹤站連續的觀測實現對GPS信號受干擾情況實時準確的分析。

文中主要結合近期美英法對敘利亞首都大馬士革進行空襲這一戰爭實例,分析了空襲期間敘利亞3個典型地面跟蹤站的GPS信號變化情況,建立了用實時信噪比、可見衛星數、PDOP和定位誤差4個干擾效果評估指標對GPS信號的干擾效果進行評估的體系,解算出了3個地面跟蹤站上述4個指標在空襲當天的變化特點,為未來對敵方軍事行動的準確判斷和實時數據的分析提供了強大真實的數據支持[4]。

1 IGS數據格式及站點分布

IGS(international GNSS service)通過分布于全球的 360 多個 IGS 觀測站來監測全球板塊運動并實現全球數據的共享,為空間大地測量、地震監測、地殼形變和地球動力學研究提供時間和空間基準[5]。目前IGS跟蹤站由單臺接收機交換(RINEX)格式生成的日觀測和導航數據文件組成,這些數據經UNIX壓縮后傳送到相應的數據中心[6]。觀測值文件包括從00：00：00至23：59：59 GPS時段內所觀測的數據。采樣率都采用標準的30 s[7]。

RINEX格式命名規則為：SSSSdddf.yyt。其中：SSSS表示測站名；ddd表示年月日(從1月1日起算)；f表示一天內的文件序號(時段號0,1等)；yy表示年號,如98表示1998,00表示2000等；t表示文件類型,0表示觀測值,N表示星歷,M 表示氣象數據,G表示GLONASS星歷,H 表示同步衛星GPS載荷的導航電文[8]。圖1是對(.o)文件和(.n)文件經過處理得到的數據。

圖1 數據格式

選取敘利亞周邊3個跟蹤站,如圖2所示,其中BSHM站距大馬士革最近,約140 km,接收機品牌為JAVAD；DRAG站距大馬士革約220 km,接收機品牌為LEICA,RAMO站距大馬士革約350 km,接收機品牌為JAVAD。

圖2 地面站分布

2 RTKLIB軟件介紹及應用程序界面

RTKLIB是由日本東京海洋大學的Tomoji Takasu研發的開源軟件,是專門為GNSS打造的用于標準或者精密定位數據算法的程序包[9]。該軟件可以進行基線解算、實時定位、后處理分析和處理結果圖形化；支持多種衛星導航系統系統的定位算法；輔助衛星導航系統進行定位數據處理,例如精密單點定位同,輔助外部通信[10]。

文中主要利用RTKLIB軟件中的“rtkplot”和“rtkpost”應用程序對觀測數據進行數據處理,其應用程序界面如圖3和圖4所示。

圖3 “rtkplot”界面

圖4 “rtkpost”界面

3 數據處理與分析

對大馬士革附近3個地面跟蹤站觀測數據進行靜態精密單點定位分析,目前GPS的服務信號有L1C/A、L1C、L2C、L2P、L5C等,其中L1C/A應用范圍最廣[11]。下面利用從 IGS 網站下載當天的精密星歷和精密鐘差及收集到的BSHM、DRAG和RAMO 3個站的數據,將每天的數據切割成1～24 h不同的時段,利用“rtkplot”和“rtkpost”應用程序,得到3個站的信噪比、衛星可見數、PDOP和定位精度等數據。

3.1 信噪比

信噪比可以用來描述地面跟蹤站收到衛星信號的清晰程度或者質量好壞,圖5、圖6、圖7是3個地面跟蹤站在空襲當天L1C/A信號質量的實時變化情況。

觀察上述3個地面站空襲當天信噪比的變化圖,可以看出離大馬士革最近的BSHM站在UTC3:00和6:00左右圖形出現明顯的缺口,信噪比有明顯的下降；DRAG站和RAMO站在這當天信噪比正常,沒有大的異常。

圖5 BSHM站信噪比

圖7 RAMO站信噪比

3.2 可見衛星數

研究衛星可見性,對衛星系統對抗技術的研究有支撐作用。通常當可見衛星數下降,即參與導航定位解算的衛星數目也減少,導航性能就會受到直接影響[12]。圖8、圖9、圖10是3個地面跟蹤站在空襲當天可見衛星數的實時變化情況。

圖8 BSHM站可見衛星數

圖9 DRAG站可見衛星數

圖10 RAMO站可見衛星數

通過對可見衛星數的觀測,可知RAMO和DRAG跟蹤站在空襲發生前后衛星跟蹤正常,滿足定位要求,而距離最近的BSHM跟蹤站則在3:00和6:00左右,收到衛星數目較少,不能正常定位,此結論也可通過地面跟蹤站實時的“skyplot”更加清晰的顯示出來,例如圖11、圖12是BSHM跟蹤站兩個時刻的衛星跟蹤圖,在4月13日2:09時刻,共收到G01,G03,G22,G23 4顆衛星,且根據圖示下方信噪比及顏色的對應關系,4顆衛星僅有G23 信號良好,其余衛星信號信噪比均不夠理想；而在5:50時刻,僅收到G09一顆衛星,顯然基本已經造成了地面站對跟蹤衛星的完全失鎖。

圖11 02:09 時刻衛星天空視圖

3.3 PDOP

衛星導航系統中,幾何因子對接收機定位精度有很大影響,一般用精度因子(PDOP)這個概念來表示誤差的放大倍數,其完全取決于可見衛星個數及其相對于接收機的幾何分布,而與信號的強弱或接收機的好壞無關[13]。圖13、圖14、圖15是3個地面跟蹤站在空襲當天精度因子的實時變化情況。

圖12 05:50 時刻衛星天空視圖

圖13 BSHM站PDOP值

圖14 DRAG站PDOP值

通常利用GPS進行精確定位時,PDOP在6以下為最佳[14],表示衛星幾何分布較好。通過對3個地面跟蹤站PDOP值進行統計畫圖,可明顯看出在RAMO和DRAG兩個站的連續跟蹤過程中,PDOP值均在6以下,衛星跟蹤正常。而BSHM站在13日3:00和6:00左右,PDOP值較大,衛星幾何分布較差,即使收到衛星個數超過4顆,也不能實現有效的定位和測量。

3.4 定位誤差

定位誤差是用戶終端最重要的定位指標,能直接反映干擾對信號定位的影響,圖16、圖17、圖18是3個地面跟蹤站在空襲當天定位誤差的實時變化情況。

圖15 RAMO站PDOP值

圖16 BSHM站實時定位誤差

圖17 DRAG站實時定位誤差

圖18 RAMO站實時定位誤差

通過對3個地面跟蹤站東北天3個坐標系上的定位偏差分析,并計算仿真出其最終造成的空間位置中心偏差,可以看出定位誤差較大甚至造成無法定位的是BSHM站在13日3:00和6:00左右兩個時間段發生的,這個結果與上述關于信噪比、可見衛星數和PDOP的分析結果完全一致。

由以上對空襲當天敘利亞大馬士革附近3個地面跟蹤站的信噪比、可見衛星數、PDOP和定位誤差結果分析可知,距離大馬士革最近的BSHM地面跟蹤站收到了較強的干擾,在L1C/A定位中出現了異常；RAMO和DRAG地面跟蹤站衛星跟蹤基本正常,定位精度滿足要求,說明此次英美法聯軍對敘空襲非美方區域性的關閉在敘衛星導航服務,而且根據已知資料證實了GPS尚不具備在敘利亞如此小區域定點關閉信號的能力。美國此次的軍事行動中精確制導武器的應用在局部受到了嚴重的導航干擾,才導致的GPS信號信噪比降低,定位誤差的明顯增大,甚至造成一段時間的完全失鎖和無法定位。

4 結論

利用IGS實時數據和RTKLIB分析軟件對空襲期間敘利亞大馬士革附近3個地面跟蹤站GPS信號變化情況進行分析和處理,發現在空襲當天有兩個時間段GPS信號受到了嚴重的干擾,導致信噪比降低、可見衛星數減少、PDOP增大、定位誤差急劇變大,且證實了空襲過程非美國對敘利亞的GPS服務進行區域性的停用。通過此真實案例數據的研究,證實了以信噪比、可見衛星數、PDOP和定位誤差作為GPS信號干擾效果評估體系的可行性,以及基于RTKLIB分析軟件和IGS實時數據對干擾效果評估方法的合理性。