北斗/GPS雙模導航測風失效原因及應對措施

李建程，張留成

(63601部隊，酒泉 732750)

0 引言

北斗/GPS雙模導航測風，是一種與探空氣球、探空儀配合完成各高度風向和風速探測的方法。隨探空氣球升空的探空儀中安裝北斗/GPS雙模導航定位模塊，使用探空儀上的小型發射機將導航定位數據發送到地面，由地面天線和接收機接收，經計算機處理后刻畫出探空氣球的運動軌跡并計算得出各高度風向和風速，稱為導航測風。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。與傳統探空雷達跟蹤體制相比，導航測風具有結構簡單、集成度高和自動化程度高等優點，但在實際測風實踐中會偶爾發生測風失效問題。

1 頻點分布

1.1 導航定位頻點

根據公開信息和相關國家標準，可以查詢到北斗、GPS、格洛納斯、伽利略等各種衛星導航定位系統使用的頻點。國內的導航測風設備主要使用北斗和GPS衛星導航定位系統，可以使用其中一種，也可以同時使用兩種。

1.1.1 北斗導航

表1為北斗衛星導航[1-4]定位系統使用的頻點。

1.1.2 GPS導航

表2為GPS衛星導航定位系統使用的頻點。

表1 北斗衛星導航系統頻點分布

表2 GPS衛星導航系統頻點分布

1.2 數據傳輸頻點

根據市場調研，國內主流導航測風系統數據傳輸使用P波段中的400.00～406.00 MHz，個別產品定制化為L波段中的1，675.00～1，683.00 MHz，均為氣象設備占用的傳統頻段，但是發射功率均不大于200 mW。采用小功率發射機，一方面降低供電電池和發射機尺寸以降低成本；另一方面降低不同站點同時工作產生干擾的概率。每個探空儀生產時即在相應頻段上選取1個固定頻點，出廠后一般不再變化，測風前在地面軟件上選取與探空儀一致的接收頻點。

2 導航定位失效原因分析

在導航測風過程中，探空儀的空間位置通過衛星導航定位系統直接得出。根據衛星導航定位的原理和信息流向，常見的失效原因可以從系統硬件和通信鏈路進行分析。作為普通用戶，一旦出現導航定位失效，一般難以自行處理，對導航測風影響極大。

2.1 衛星導航定位系統故障

2.1.1 衛星、主站等關鍵設備受損

該失效模式極為罕見，一旦出現即導致衛星導航定位系統性能大幅劣化甚至停止服務，此種故障模式下，導航測風將徹底失效。

2019年7月伽利略衛星導航定位系統發生了嚴重的服務中斷事故，所有備份手段失效。根據事后發布的調查結果，此次技術故障出現在伽利略系統的兩個地面控制中心，導致系統中斷服務數天[5]。

2.1.2 用戶導航定位模塊故障

該失效模式在實際測風過程中較少出現，一般認為是偶發問題。可分為兩種情況：一是測風開始前的調試檢查階段；二是測風開始后的空中飛行階段。第一種情況可以及時發現并通過更換探空儀解決，不會對測風造成影響。第二種情況一旦發生基本無法挽回，特別是數分鐘以上的定位失效時，相應高度的測風結果不可信或者直接導致測風終止。在實際測風實踐中，以上兩種情況均有發生。

2.2 5G基站干擾

北斗信號落地功率很低具有脆弱性，導致北斗系統鏈路受影響的事件經常發生。由于北斗用于導航定位服務的信號位于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當引起重視。

西安電子科技大學張森豪針對北斗與5G的兼容性研究給出了如下結論：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，到達北斗接收機的5G信號會達到參考值-45 dBW及以上，導致兼容性問題產生[6]。測風過程中探空儀升速達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，如果放球點距離5G基站很近，在測風開始前的調試檢查階段容易因5G基站干擾誤判探空儀導航定位模塊故障。在實際測風實踐中，放球點旁邊有基站時，調試檢查階段經常發現探空儀收星數較少(一般收星20余個)，但探空儀放出后收星數立即恢復正常。

2.3 定位屏蔽器干擾

在信息時代，位置信息是敏感隱私信息，一些單位和個人選擇安裝定位屏蔽器以消除位置信息泄露隱患。定位屏蔽器會在所有定位頻點范圍內發射寬帶噪聲，相應區域內所有導航定位模塊均失效。各地無線電管理機構在執法中通報多起違規安裝定位屏蔽器案件[7，8]。

2022-05-12T19:15使用北斗/GPS雙模探空儀進行測風探空時，從2022-05-12T19:40起收星異常，回傳的導航定位數據為亂碼，溫度、濕度、氣壓正常，初步判斷為探空儀導航定位模塊故障。2022-05-13根據電磁兼容專業通報，該時段有1臺安裝了大功率定位屏蔽器的私家車停放在附近，導致周邊全部導航定位設備失效，據此判斷此次測風失敗原因為定位屏蔽器干擾[9]。

2.4 其他設備干擾

為驗證北斗/GPS雙模導航測風系統的準確性，文章使用GFE(L)-1型高空氣象探測雷達(工作頻率為1669～1681 MHz，以下簡稱L波段雷達)搭配GTS1型數字探空儀同時進行測風。當L波段雷達發射主瓣正對北斗/GPS雙模探空儀或GTS1型數字探空儀小發射機天線距離北斗/GPS雙模探空儀距離小于1 m時，收星質量明顯下降。為完成驗證工作，根據探空儀生產廠家建議，將2個探空儀分開，系掛在同一個探空氣球上，相互之間的兼容性問題得到解決。

3 數據傳輸失效原因分析

在導航測風過程中，探空儀將導航定位模塊輸出的定位信息和其他探空數據、必要標識代碼經過調制之后使用小型發射機發射出來，一般每秒發射1組數據，位于地面的全向天線、接收機以及計算機接收到探空儀下傳的代碼，經處理后記錄、存儲，進一步處理得到風場廓線和其他廓線。在數據傳輸環節可能發生多種失效模式，因此持續時間較短，或者能夠及時發現進行處理，一般不會導致測風探空失敗，但會造成個別高度層數據可信度下降或者缺測。

3.1 探空儀供電、調制、發射故障

探空儀飛行至高空后，環境條件變化劇烈，一般情況下溫差可達140 ℃，承受最大風速可達80 m/s。這對探空儀內部器件的環境適應性和部件之間連接可靠性提出了嚴苛要求。在巨大溫差、劇烈振動之下可能發生器件失效、連接松動等問題，導致數據傳輸中斷。

該故障模式的發生可分為兩個階段，即調試檢查階段和空中飛行階段。

3.2 地面接收處理設備故障

地面設備由全向天線、接收機和計算機組成，沒有活動機械部件和高壓發射部件，這種技術體制可靠性極高，一般不會出現不可恢復的硬件故障。不過，接收機與計算機之間通過TCP/IP協議通信，接收機內部的單片機作為關鍵部件可能出現死機故障。實際使用過程中發生過高溫天氣下因散熱不暢導致接收機死機，之后通過改善工作環境予以解決。

3.3 對講機等通信設備干擾

對講機是常用的短距離通信設備，主要工作在400～470 MHz頻段。在實際測風過程中，用于基測、充球、放球之間溝通的對講機頻點設置為429.125 MHz，當打開虛擬掃頻軟件查看周邊電磁環境時，探空儀發射信號為明顯的1 Hz窄脈沖，對講機發射信號除了在429.125 MHz處有一個較寬的極大值外，在兩側較大范圍內還有明顯的信號波動。當探空儀距離地面接收天線很近時，對講機泄露的信號波動無法掩蓋探空儀的脈沖信號；當探空儀釋放后，信號非常微弱，此時會被對講機的泄露信號掩蓋[10]。

3.4 其他設備干擾

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

在使用導航測風初期，經常出現不明原因的數據獲取率較低(90%以下)的情況，存在測風失敗的隱患。經過多次試驗，排除了探空儀和地面設備故障的可能性。將頻譜儀連接到低噪聲放大器后，移動監測機房周圍電磁環境，當距離機房小于20 m時，在探空儀正常脈沖信號兩側出現了跳動的寬帶弱噪聲，當距離機房大于20 m時，該噪聲消失，各方向情況相同，且距離機房越近噪聲電平越高。據此判斷機房內存在未知的噪聲干擾。由于該噪聲在數據傳輸頻段內，增加濾波器會嚴重影響接收機靈敏度并縮短數據傳輸距離，因此通過改變天線位置解決。

4 失效原因分析及應對

文章從導航測風原理出發，結合實際使用經驗，對造成導航測風失效的常見原因進行了分析，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，其發生概率及影響程度分析見表3、表4。

表3 導航定位失效發生概率、影響程度分析及應對措施

表4 數據傳輸失效發生概率、影響程度分析及應對措施

由表可知，導航定位失效對導航測風的影響嚴重，且發生概率較高，相比傳統探空雷達體制為新增的失效模式；而數據傳輸失效的原因與傳統探空雷達體制基本相同，發生概率和影響程度也可類比。從實際使用經驗來看，導航測風操作簡單、自動化程度高，但存在相對較高的失敗風險；傳統探空雷達操作稍顯復雜，但沿用數十年，技術非常成熟，各類風險已經充分暴露并有成熟的應對機制[11]。

5 結束語

導航測風技術先進，從原理上相比傳統探空雷達能夠獲取更高精度的測風數據，并且結構簡單，但對衛星導航定位系統存在較深的依賴。同時，隨著無線通信快速發展，頻譜管理越來越復雜，頻譜開發、頻譜重耕、智能管理等新的管理理念正在逐步實現。在實際工作中，應當密切關注周圍電磁環境變化，充分發揮導航測風的技術先進性，更好地服務于氣象事業。