全球导航卫星系统复杂电磁环境监测分析方法＊

陈谷仓，刘承禹，杜黎明，武成锋

（1.中国卫星导航系统管理办公室，北京100094；2.二炮装备研究院，北京100085；3.中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东 青岛266107；4.北京自动化控制设备研究所，北京100074）

0 引 言

复杂电磁环境是影响全球导航卫星系统（GNSS）安全性的关键因素之一，包括电磁干扰环境和空间电波环境。电磁干扰环境是指引起卫星导航系统性能降低的各种电磁干扰信号，包括各种非故意干扰信号与人为故意干扰信号；空间电波环境是指影响卫星信号传播环境要素的总称，其中尤以电离层闪烁对卫星信号影响最为严重。目前，国内外的研究结果表明：影响GNSS系统安全性的关键因素之一是复杂电磁环境；“影响卫星导航系统的因素包括卫星导航系统工作频段附近的各种直接辐射信号、谐波信号、交互调信号与空间天气环境的电离层闪烁等[1]。

1 GNSS受复杂电磁环境影响分析

1.1 电磁干扰对GNSS系统的影响分析

世界各国全球定位系统（GPS）受非故意干扰的事情时有发生。在欧洲，非故意干扰信号经常干扰军民机场附近GPS L1、L2信号接收，并且一些站点的L2信号还受到1240～1243.25MHz频段内的业余无线电信号的影响。在美国，GPS受干扰的事件经常发生，美国政府与科研机构已经多次公布了GPS重要基础应用设施受干扰的事件；此外，美国国家地理空间情报局（NGA）与美国测地局（NGS）也多次报道了其GPS监测站与GPS连续运行参考系统（CORS）监测站受干扰的事件；并且其广域增强系统（WAAS）、局域增强系统（LAAS）站受干扰事件更是经常发生。

美国非常重视GPS系统电磁环境监测分析工作，在关于未来2025年卫星导航系统发展规划建议第二条中提出：监测“定位、导航、授时”（PNT）信号，监测识别干扰信号，探测电磁环境效应异常，以验证系统性能与服务水平，并近实时分发给用户。

目前，美国已经发起了“PNT干扰检测消除计划（Interference Detection and Mitigation Plan，IDM计划）”。各组织机构纷纷建立自己的GPS电磁环境监测保障系统，包括：NGA GPS电磁环境监测保障系统、美国GPS增强系统的电磁环境监测保障计划、美国民航局（FAA）GPS射频干扰监测减缓计划、GPS战场干扰定位系统（LOCO GPSI）、GPS CORS的电磁环境监测分析保障计划等。

欧洲在伽利略系统（Galileo）设计和建设过程中对电磁环境问题非常关注。为保障Galileo系统正常运行，欧委会采取了多方面的措施：

1）建立Galileo信号特别工作组（STF），专门研究Galileo频率结构和信号设计方案，以降低电磁环境（电磁干扰与电离层）问题对卫星导航系统的影响。

2）确保Galileo系统在复杂电磁环境下的运行，启动伽利略干扰管理及对策措施（MAGIC）项目，研究干扰监测、查找和减缓技术。

3）启动Galileo电磁环境测量计划，对Galileo系统欧洲区域的电磁环境进行实地测量，并将数据进行分析整理与入库。

1.2 电离层闪烁对GNSS系统的影响分析

基于多年GPS卫星信号的电离层闪烁研究结果表明，电离层闪烁可导致我国尤其是低纬区域内卫星导航系统出现信号幅度抖动、相位随机起伏等情况，引起接收机产生测距和测速误差、授时性能下降等，极端时甚至会导致多颗卫星失锁，无法提供导航信息。

图1为电离层闪烁事件对GPS定位精度影响的对应关系。图中可以明显看出电离层闪烁引起卫星导航接收机接收信号的质量急剧下降，GPS接收机在经度、纬度、和高度上都出现极大的定位误差，部分时间段内卫星失锁，定位精度严重下降。

图1 出现电离层闪烁时GPS定位结果的变化情况

GNSS各个系统工作频段相似，我国是全球电离层闪烁高发区之一，更需着重考虑电离层闪烁的影响。由于电离层对卫星信号接收的影响与电磁干扰对卫星信号接收的影响有一定的相似性。因此，目前美国与欧洲都在研究一体化监测分析技术与设备，以准确的分析GNSS系统受电磁环境影响的准确原因。

2 国外GNSS电磁环境监测分析技术与设备研究现状

GPS系统的电磁环境影响问题是随着GPS系统的逐步应用而逐渐显现出来的，因此，国外GNSS系统电磁环境监测分析技术与设备的发展是一个由简单到复杂，由单一到综合的阶梯式的发展过程[2]。

1）频谱分析仪

频谱分析仪是最初采用的电磁环境监测方式，频谱仪直接连接于GNSS接收机天线的输出端口，中间加一个直流供电装置。

频谱分析仪监测方式的优点是：组成简单，容易实现；上半球各向同性，有利于信号的监测接收；比较测量得到的干扰信号与给定的干扰门限值是合理的；几乎所有的GNSS导航天线的形式可比较；电磁干扰信号可同时被GNSS卫星导航接收机接收，方便进行联合分析。

此监测方式的缺点同样也是无法解决的，包括：由于天线与低噪放的带宽限制，无法实现带外信号监测识别；天线在低仰角时，增益较低，而大多数干扰信号是低仰角入射，无法实现干扰源的测向功能；频谱分析仪扫描速度慢，当实现窄分析带宽扫描时，扫描周期太长。

2）监测接收机

面对上述方式存在的问题，大家逐步采用监测接收机与宽频段监测天线。首先，采用宽频段监测天线与低噪放可以实现带外干扰信号的准确识别，监测天线是全向天线可以实现低仰角干扰信号的监测接收；采用测向天线，可与监测接收机相互结合实现干扰源的测向，进而可以实现干扰源定位；能够实现更快的扫描速度。

但是采用频谱分析仪与监测接收机都无法解决电离层闪烁的监测分析问题，在很多情况下无法准确的判断卫星信号质量下降是电磁干扰问题还是电离层闪烁问题。目前针对GNSS复杂电磁环境监测问题的发展趋势是研究一体化的电磁环境监测分析技术与设备，实现数据的多元融合分析。

3）一体化电磁环境监测分析设备

一体化电磁环境监测分析设备通过实现卫星导航信号和电磁干扰信号的共同监测实现电磁干扰数据、电离层闪烁数据与卫星导航数据的多元融合分析，更全面的实现GNSS复杂电磁环境的监测分析，从而更好的为GNSS系统自身及其应用系统服务。

3 一体化电磁环境监测的关键技术分析

3.1 监测设备监测灵敏度分析

监测设备的监测灵敏度分析需要综合考虑GNSS系统不同信号的干扰门限值、卫星信号的影响、监测设备实际可达到的监测灵敏度值。

3.1.1 GNSS系统不同信号干扰门限值分析

GNSS系统不同信号干扰门限值的确定需要考虑的因素有：不同卫星信号的具体体制参数；不同干扰信号的具体体制参数；GNSS系统不同应用目的与服务对象等。因此监测设备监测灵敏度需要考虑GNSS系统不同信号的干扰门限值。

图2（a）是GPS与GLONASS连续波干扰门限与频率的关系图，图2（b）是带限白噪声干扰带宽与干扰门限的关系图[3]。

图2 GPS与GLONASS干扰门限与频率、带宽的关系

3.1.2 卫星信号的影响分析

卫星信号的影响分析，可以GPS民码为例进行过程与方法的说明。单个C／A码卫星信号在仰角5°时采用0dB的右旋圆极化天线接收，功率为－160dBW，仰角为40°时，此时功率为－153 dBW[4]。假定卫星信号的平均功率为－154dBW，如果采用增益为4.5dB的天线，空中共有12颗卫星，则信号的总功率为－138.7dBW.

表1 C／A码信号功率与带宽的关系

根据图2（a）干扰门限值曲线可知，－150.5 dBW的干扰信号就会对GPS造成影响，而根据表1可知，100kHz的卫星信号功率达到－148.8 dBW，因此，设备的监测带宽必须小于100kHz才可满足要求。

3.1.3 监测设备监测能力分析

监测设备监测能力分析就是分析监测设备实际可达到的监测灵敏度值。

设备的总的基于天线口的噪声功率密度N0，tot是天线噪声功率密度N0，ant与设备噪声功率密度N0，sys的和。设备噪声功率密度包括低噪放，天线电缆和监测接收设备等。

天线噪声功率密度的计算公式为

式中：k是玻尔兹曼常数；Tant是天线的噪声温度。单位为.

设备的噪声功率密度主要基于设备的噪声系数：

式中：Fsys是设备噪声系数。

根据研究分析，目前的监测设备基本可以发现干扰信号的存在，但是对于某些调制方式的识别，监测能力稍有不足。

3.2 干扰源测向定位技术研究

干扰源测向定位技术是GNSS复杂电磁环境监测分析工作的关键技术之一，干扰源位置的确定是电磁环境监测分析工作必须要完成的任务，这是干扰减缓与消除的前提。

测向具体实现的方法有幅度测向、相位差－幅度测向、相位测向法和空间谱估计法等。定位可以多个不同测向系统的示向结果交会得到，也可以通过测量干扰信号到达不同监测站点的时间差（TDOA）来完成。

在复杂的无线信道环境下，由于多径效应、多址干扰、电波的非视距传播以及各种噪声和干扰的存在，对信号到达参数的估计往往存在偏差，从而使得估计出现误差，严重影响定位精度。如何在复杂的无线通信环境下准确地估计定位参数是实现高精度定位的关键。

1）测向技术

目前测向技术中较为先进的是空间谱估计测向技术。空间谱估计测向是一种以天线阵输出信号的空间相关特征为基础的超分辨谱估计方法。MUSIC算法是基于特征结构分析的空间谱估计方法，其测向原理是根据矩阵特征分解理论，对阵列输出协方差矩阵进行特征分解，将信号空间分解为卫星信号空间和干扰信号空间，利用干扰信号空间与阵列的方向矩阵列矢量正交的性质，构造空间谱函数并进行谱峰搜索，从而估计出波达方向信息。

2）定位技术

目前干扰定位技术的研究极其广泛，而干扰定位的方法也极多，但由于GNSS复杂电磁环境监测分析的特殊性，可考虑采用交叉定位的方式，原理简单而实用。对于固定点干扰信号可采用一个测向设备，通过多点分时测量实现；对于移动点干扰信号由于其位置的变化性，需要采用多个设备实现同时多点交叉定位获得位置。

3.3 电磁环境多元信息融合分析技术

由于电离层闪烁与电磁干扰影响效果的相似性，因此针，对GNSS复杂电磁环境监测分析需要进行多元信息的融合分析，整个过程分为两个层次：单基的多元信息融合技术与多站的多元信息融合技术。

1）单基的多元信息融合技术

将单个设备监测得到的电磁干扰信息，卫星信号及其闪烁信息实现数据的多元信息融合，通过数据融合算法，实现多元信息的综合分析处理从而为电磁环境影响效应分析评估工作服务。主要工作内容包括：判断是否存在干扰信号、分析卫星信号状态、分析卫星信号闪烁效应、多元信息的融合分析与影响原因的分析。

2）多站信息的数据融合技术

通过多站获得的信息可以实现对地面站电磁环境的更准确分析，需要采用数据处理、融合和决策技术。首先，需要确定合理的数据融合优化方案；其次，需要解决信息冲突情况下的数据融合问题。

3.4 影响效应分析评估技术

GNSS复杂电磁环境监测分析需要对影响效应进行分析评估，以指导下一步应该采取的措施。

1）建立影响效应评估准则

首先建立电磁干扰信号、电离层闪烁对GNSS导航影响效应评估准则，具体评估准则参考国际电信联盟（ITU）标准和GNSS各链路设计准则制定，但又要根据GNSS实际应用的需要。例如可采用载干比准则或误码率准则等等。

GNSS应用环境与应用目的不同，对电磁环境的要求也不相同，因此评估准则也有一定的差异，在这里需要根据不同的应用需求，确定相对合理的影响效应评估准则体系。

2）影响效应的理论计算

依据干扰信号的功率、带宽、中心频率与调制方式等参数，结合GNSS信号的相关设计参数以及信号接收过程采用的典型抗干扰算法，依据电离层闪烁对卫星信道影响效应的理论分析结果，进行电磁环境影响效果的理论计算。

3）影响效应的仿真分析与实验测试

为了全面可靠的评估分析电磁环境对GNSS链路信号的不利影响，仿真分析与实验测试是有效的手段。研究电磁环境（电磁干扰与电离层闪烁）造成的GNSS链路接收设备的性能指标的变化，运行中断的可能性、信噪比的下降、误码率的增加、观测数据质量变化等，给出合理的影响判据，此判据可根据实际情况进行修正。

此外，一体化电磁环境监测的关键技术还包括一体化硬件平台的研制，数据的综合分析筛选与入库，设备的实验验证与应用服务系统的兼容等。

4 结 论

随着我国北斗二号系统的逐步投入使用，北斗二号面临的电磁环境问题会极其复杂，针对北斗二号系统的干扰监测减缓计划服务，未来将进一步涉及到设备的应用方式、服务对象与实施途径等。

根据ICG（全球卫星导航系统国际委员会）第五次会议美国 “检测和消除对GNSS的干扰”[5]的专题，GNSS复杂电磁环境监测分析将是外来影响整个GNSS系统发展的重要问题，值得大家去做进一步深入的研究。

[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.