GPS干擾對空管通信導(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干擾對空管各系統(tǒng)時鐘模塊和ADS-B的影響，提出了應(yīng)對措施；對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，GPS干擾裝置、無人機(jī)壓制設(shè)備等干擾源干擾GPS信號的現(xiàn)象時有發(fā)生，對空管運(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，分析了其對空管通信、導(dǎo)航、監(jiān)視運(yùn)行保障的影響，特別是對空管各系統(tǒng)時鐘模塊和ADS-B的影響，并提出了應(yīng)對措施，最后針對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，通常包括我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國的GPS、俄羅斯的Glonass和歐洲的Galileo，及其增強(qiáng)系統(tǒng)。目前，國際民航組織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是由美國研制的星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時（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（衛(wèi)星星歷參數(shù)、精確的時間等信息）。地面監(jiān)控設(shè)施接收導(dǎo)航信號，計算衛(wèi)星星歷和時鐘的修正參數(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，根據(jù)衛(wèi)星星歷參數(shù)推算衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信息時刻的空間位置，計算衛(wèi)星時間與接收機(jī)時間的差值可得衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離（偽距），考慮到接收機(jī)與衛(wèi)星時鐘不完全同步，存在時鐘差，可得公式，其中為光速、為衛(wèi)星空間坐標(biāo)及時間、為接收機(jī)時間，由公式可知，接收機(jī)接收到4顆及以上衛(wèi)星的導(dǎo)航信號即可計算自身位置和時鐘差。影響GPS定位精度的因素主要有：衛(wèi)星時鐘誤差、星歷誤差、幾何分布、電離層延時、對流層延時、多路徑、接收機(jī)噪聲等，衛(wèi)星空間位置和時鐘精度對接收機(jī)位置和時間計算結(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《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》，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)驗證，待空中航行委員會審議通過并就標(biāo)準(zhǔn)草案征求各國意見后正式向全球發(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到的GPS信號可低至-158.5dBW。地面GPS信號強(qiáng)度弱的特點(diǎn)決定了GPS信號易受干擾。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)無法正常工作[2]。

針對GPS信號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GPS衛(wèi)星信號某些參量的干擾，使GPS接收機(jī)無法從接收到的電磁波中檢測出GPS信號，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GPS信號載波和帶寬范圍內(nèi)的強(qiáng)功率干擾，使一定區(qū)域內(nèi)干擾電平遠(yuǎn)強(qiáng)于正常信號導(dǎo)致接收機(jī)無法正常工作，是對一定區(qū)域內(nèi)所有的GPS信號的干擾；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)無法區(qū)分信號與干擾；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)制實施干擾。欺騙式干擾是干擾機(jī)發(fā)射一個虛假的GPS信號或改變正常信號傳播時延使接收機(jī)計算出錯誤的位置、時間信息，實現(xiàn)對接收機(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信號并重新發(fā)射，改變了傳播延時，構(gòu)成一個虛假的GPS衛(wèi)星信號，使接收機(jī)得出錯誤的位置、時間信息；產(chǎn)生式欺騙是干擾機(jī)自主產(chǎn)生假的導(dǎo)航信號并發(fā)射，接收機(jī)得到干擾機(jī)的假信號并得出錯誤的位置、時間信息，這需要掌握GPS信號結(jié)構(gòu)，僅對民用的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GPS干擾的分析主要是針對阻塞干擾。

3 GPS干擾對空管的影響

對民航空管來說，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、信號質(zhì)量差等問題，干擾管制指揮，影響飛行安全。

3.1 對各系統(tǒng)時鐘模塊的影響

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

使用GNSS作為時鐘源具有精度高、成本低、沒有誤差累計等優(yōu)點(diǎn)，但地面GNSS信號強(qiáng)度較弱、易受干擾。若GNSS信號受干擾可能導(dǎo)致NTP的GNSS時鐘鎖定失效，以NTP服務(wù)器自身晶振時鐘作為主時鐘源，長時間運(yùn)行將導(dǎo)致時間偏差累積，對空管設(shè)備運(yùn)行造成影響。GNSS干擾影響空管各系統(tǒng)時鐘源會導(dǎo)致的多種常見故障；如一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、場面監(jiān)視雷達(dá)、ADS-B、多點(diǎn)定位系統(tǒng)等監(jiān)視信息探測系統(tǒng)時間戳異常，空管自動化、先進(jìn)場面活動引導(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)航跡與飛行計劃關(guān)聯(lián)錯誤，自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)電報時間錯誤，多終端設(shè)備時間不同步等問題；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)配備的時鐘多基于GPS，近年來新建系統(tǒng)則大多同時支持GNSS BDS/GPS等多星座多頻點(diǎn)，抗干擾能力有所增強(qiáng)，但GNSS本身信號特點(diǎn)決定其仍然易受干擾。應(yīng)對GNSS干擾對NTP服務(wù)器的影響可采取的方法有：（1）升級GPS時鐘源為同時支持GNSS BDS/GPS等多星座多頻點(diǎn)時鐘源，多星座GNSS芯片可同時接收BDS、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號，提高了時鐘源的魯棒性；（2）升級GNSS（GPS）時鐘源芯片為支持單星授時模式的GNSS芯片，部分GNSS芯片用作授時時鐘源時支持單星授時模式，在GNSS芯片中配置精確測繪的經(jīng)緯度、高度，最少只需鎖定一顆可見衛(wèi)星即可保持可靠授時；（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)器同時被干擾。上述方法（1）、（2）同樣適用于直接使用GNSS（GPS）時鐘作為時間基準(zhǔn)的系統(tǒng)。

3.2 對ADS-B的影響

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是航空器、機(jī)場活動區(qū)車輛等以數(shù)據(jù)鏈的方式周期性自動向具備ADS-B數(shù)據(jù)接收功能的設(shè)備等廣播識別信息、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)，可實現(xiàn)空天地一體化協(xié)同監(jiān)視。相對于空管二次監(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)是位置信息過于依賴GNSS（GPS），存在安全性和可靠性問題，如果GPS被干擾導(dǎo)致無法正常定位或者計算出錯誤的位置，將嚴(yán)重影響ADS-B的信號質(zhì)量。

評估機(jī)載GPS信號質(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），實際使用時由機(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ADS-B信號質(zhì)量的影響。NUCp由機(jī)載GPS設(shè)備計算出的水平保護(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，并通過數(shù)據(jù)鏈廣播至ADS-B地面站。

筆者根據(jù)中國民航飛行品質(zhì)監(jiān)控基站通報的飛機(jī)GPS干擾數(shù)據(jù)，在ADS-B地面站回放對應(yīng)的錄像，發(fā)現(xiàn)：GPS信號未受干擾時，NUCp值通常大于等于7；當(dāng)飛機(jī)機(jī)載GPS信號短時間受干擾時，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時常伴有位置跳變；機(jī)載GPS信號長時間受干擾時，還會發(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，NUC值恢復(fù)到正常水平。

ADS-B通常以Asterix Cat021格式送空管自動化系統(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誤的信號會導(dǎo)致空管自動化系統(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I021/090（質(zhì)量指標(biāo)）包含NUC等指標(biāo)。實際運(yùn)行中，NUCp≥5時可認(rèn)為ADS-B信號質(zhì)量正常可以參與空管自動化系統(tǒng)融合，NUCp＜5的ADS-B信號將被丟棄不能參與融合。ADS-B還可以送至A-SMGCS系統(tǒng)，與場面監(jiān)視雷達(dá)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)等信號融合用于機(jī)場場面監(jiān)視，NUC值低（位置偏差大）或者位置錯誤的信號會導(dǎo)致A-SMGCS系統(tǒng)位置嚴(yán)重偏離或虛假目標(biāo)。

3.3 對導(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)航過渡，GNSS作為重要的導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施，對飛行安全和空管安全運(yùn)行至關(guān)重要。GPS干擾對飛機(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信號質(zhì)量差等問題，影響飛行安全和管制指揮。GPS干擾也將對未來空管將會應(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、無線電保護(hù)裝置、無人機(jī)壓制設(shè)備、電視廣播設(shè)備、移動基站等，通常是阻塞干擾。由于GPS信號弱，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)行保障部門需與地方無線電管理部門密切合作，利用全向、定向監(jiān)測設(shè)備和無人機(jī)等，同時結(jié)合地形因素，完成GPS干擾源排查。

5 結(jié)束語

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)對措施。我國正在大力推動BDS成為ICAO標(biāo)準(zhǔn)，這對于空管運(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干擾對當(dāng)前空管通信導(dǎo)航監(jiān)視運(yùn)行保障的影響對未來全面應(yīng)用BDS時分析BDS干擾具有一定的借鑒意義。

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