衛星導航可用性監測技術

張發祥,林利，殷贊,甄衛民

(1.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107；2.中國人民解放軍戰略支援部隊航天系統部信息網絡管理中心，北京 100094)

0 引 言

現有導航系統包括GPS,GLONASS,Galileo以及中國北斗衛星導航系統,統稱為全球衛星導航系統(GNSS),GNSS為導航應用帶來了革命性的變化,它在全球范圍內為軍民用戶提供精確的定位信息、速度信息和時間信息,衛星導航系統的四個主要性能指標包括:精度、完好性、連續性和可用性.其中,完好性是指,當GNSS出現故障而使定位誤差超過用戶允許限值時,系統能在一定時間內通知用戶.可用性是指,導航系統為服務區內用戶滿足要求的服務的時間概率.顧及用戶完好性要求,可用性分析需要以完好性參數是否滿足作為判定條件[1].

影響衛星導航系統不可用的因素主要分為三大類：第一類是衛星故障和衛星維護等導航系統自身異常引起的不可用;第二類是衛星信號到接收機接收鏈路上以電離層閃爍為主的空間電波傳播環境異常引起的不可用;第三類是接收機或衛星受到電磁環境干擾因素影響引起的不可用.

針對以上三種不可用因素,本文從衛星導航系統完好性監測、電離層閃爍監測和電磁環境干擾監測三個方面分別論述.

衛星導航系統完好性是指當導航系統出現故障或誤差超出了限定的范圍時,自動向用戶提供及時告警的能力[1].完好性直接關系到衛星導航定位服務的安全可靠性,對航空和航海等對安全系數高的領域尤為重要;服務的完好性得不到保障,將會導致用戶重大損失或者出現災難.

電離層閃爍是當電波通過電離層時,受電離層結構的不均勻性影響,引起信號幅度和相位等短周期不規則變化的現象.衛星導航系統的衛星信號到達用戶接收機端通過電離層時,不僅僅是總電子含量(TEC)對接收機測距精度有相影響,而且當發生電離層閃爍時,可引起衛星導航信號幅度和相位隨機起伏,使導航性能下降,嚴重時可引起信號中斷導致接收機失鎖等.

電磁環境干擾是指引起衛星導航用戶端甚至是衛星端的各種電磁干擾信號,包括無意干擾與有意干擾.由于導航衛星信號到達地面用戶時信號強度已非常小,很容易受到電磁環境干擾的影響.

1 衛星導航系統完好性監測技術

衛星導航系統完好性監測技術綜合起來分為兩類,一類是內部增強方法,即利用接收機內部的冗余信息或用戶端的其他輔助信息來實現衛星導航服務異常的判斷,另一類是外部增強方法,即在地面或衛星端設置監測設備,監測衛星狀況,然后廣播給用戶.

GNSS本身能夠進行衛星故障檢測,但是對于一些特殊場合時效性不能滿足需求,所以需要在用戶端進行完好性監測.本文主要針對地面固定站點完好性監測相關技術進行論述.對于固定站點,可以先依據衛星健康信息和星歷數據變化合理性,給出導航衛星星歷數據是否正常.如果正常,再依據導航定位結果與已知參考點位置比較的方法和精確參考點偽距測量值與偽距計算值的比較方法來具體判斷導航衛星的可用性.固定站點也可以利用導航衛星的星歷數據,進行收星檢查工作,并且根據歷書數據,依據導航衛星臨空預報原理,進行導航衛星臨空位置預報工作,預報未來一段時間的衛星可用性信息.

1.1 衛星健康信息監測

衛星導航電文中,給出了各個衛星的健康數據,在常規處理中,可以依據這些衛星健康信息,進行衛星可用性的初步判斷.

考慮到衛星信息的欺騙性,衛星導航電文發布的健康信息有可能延遲很長時間甚至虛假信息,所以不能單純依靠單站接收到的導航電文信息進行判斷.

1.2 星歷數據監測

針對導航衛星被注入誤差較大的星歷或者歷書參數等情況,可以使用歷史的衛星星歷參數或者歷書參數,通過對歷史星歷數據的外推計算與當前星歷數據作差,依據差值來判斷導航衛星星歷數據的變化的合理性,從而判斷導航衛星的可用性.在具體實現時,也可以首先通過外推,計算當前接收到的衛星電文時刻的衛星位置,然后將當前接收到的星歷參數或者歷書參數作差,如果差值大于某個給定的閾值(對于星歷參數和歷書參數不同),則認為當前衛星的星歷參數或者歷書參數有問題,衛星不可用.

1.3 偽距測量與計算比較

接收機進行北斗、GPS、GLONASS組合定位,導航原始觀測數據包括偽距、載波相位和多普勒頻移.偽距指的是衛星到接收機之間的距離,由于該距離含有接收機衛星鐘差等誤差與噪聲引起的偏差,所以稱之為偽距.與載波相位觀測量相比,偽距相對穩定可靠,因此偽距作為衛星異常監測的主要觀測量,理論和實踐均表明,偽距觀測值的精度只有其碼元長度的1%,達到亞米級精度,其精度可以完成衛星異常監測任務.

對于固定監測站,由于已知精確的位置參考點,因此通過偽距測量值與偽距計算值的差值來判斷導航衛星的可用性.

利用衛星導航電文中的星歷數據或者歷書數據,計算衛星的空間位置,根據衛星空間位置和地面已知點的坐標,可以計算出地面已知點到衛星的距離值.衛星定位接收機測量的偽距值中,包含了多種誤差,主要有電離層誤差、對流層誤差、衛星軌道誤差、衛星鐘差和相對論效應等多種誤差[2],這些誤差,大多數都可以按照嚴格的數學模型計算得到,從測量偽距值中扣除這些誤差,就可以得到接收機(地面位置點)到衛星的測量距離.將計算得到的地面與衛星距離值和測量得到的距離值作差,根據差值絕對值的大小,可以來判斷衛星導航信號的可用性.

對于固定站衛星異常監測,固定站坐標已知,衛星坐標和衛星鐘差通過星歷參數計算出來,對流層誤差和電離層誤差通過模型改正,只有接收機鐘差作為未知數出現.可以對每個觀測方程計算接收機鐘差,如果衛星工作正常,解算出的接收機鐘差應該大致相等,如果某個接收機鐘差出現大的偏差,表示該衛星工作不健康.

接收機鐘差包括廣播星歷誤差、衛星鐘差、對流層誤差、電離層誤差和偽距觀測噪聲.這些誤差經過模型修正后,殘差部分大約5 m左右.如果通過某個衛星觀測方程計算出來的接收機鐘差存在大于15 m的奇異值,表示該衛星偽距觀測值存在異常.

1.4 接收機自主完好性監測原理

所謂接收機的自主完好性監測,就是接收機利用自身定位解算,通過冗余觀測量完成對自主完備性的監測,從而為接收機實現可靠的高精度定位提供相關衛星和自身觀測通道的可用性依據.

由于用戶設備不是固定站點安裝,不可能事先知道設備所在地點的精確位置,因此考慮兩種可用性監測方法.一種是當設備架設在某個固定點后,連續定位,將各次的定位結果進行統計,給出定位結果的均值和方差.并且規定一個方差的范圍,即給出方差的閾值.如果某個時間段的定位結果引起方差超過了閾值,則認為當時的導航衛星不可用.另一種是導航接收機具備自主完好性監測功能,能夠給出較為準確的定位結果,然后使用與固定監測站同樣的方法進行導航衛星可用性判斷.

根據故障檢測原理,通過不同觀測量之間的冗余約束關系對最小二乘法定位結果的有效性進行判決.因此,接收機完好性監測技術是一種使用超定解來進行一致性檢查的技術.可以實時利用一組同時收集的GNSS觀測量,是基于觀測量間的自身一致性的檢查.常用的算法包括:偽距殘差判決法、偽距比較、校驗向量法和最大解分離法.

1.5 導航衛星臨空預報原理

導航衛星臨空預報是指針對用戶指定的地域和時域進行衛星的臨空數量、狀態及DOP值估計等計算.

GNSS原始導航電文中包括了星歷信息和所有導航衛星的歷書數據,解析導航電文后,就可以得到某個衛星的星歷數據或者所有衛星的歷書數據.歷書數據是導航衛星在某個時刻的等效位置數據.利用歷書數據,按照一定的數學模型,就可以計算出某一段時間內的每顆導航衛星的空間位置,從而可以預知導航衛星在未來某時間段的位置分布,達到對導航衛星位置預報的目的.

2 電磁環境干擾監測技術

美國在2008年的《國家PNT結構研究最終報告》中提出了關于2025年PNT系統發展規劃的19條建議,其中第二條就是:監測各種PNT信號[3],確認信號干擾并將有關干擾的信息近實時地分發.隨后美國由國土安全部負責開展了GPS干擾監測與削弱(IDM)系統的建設,首先在海岸警衛隊建設了IDM數據中心,收集處理和發布干擾監測信息[4].2007年8月20日,IDM計劃正式獲得布什總統批準,2008年1月,國土安全部簽署IDM系統的執行計劃.此外,歐洲和俄羅斯也正在規劃各自的GNSS IDM系統[5],并已經開展了相關技術研究和大量的干擾監測試驗,同時歐美之間已經實現了IDM數據中心之間的GNSS干擾信息交換.

在國內,隨著導航系統的普遍應用,各種故意和非故意的干擾案例層出不窮,例如我國的通信基站曾因GPS干擾,造成移動通信系統授時中斷,通信網絡大面積癱瘓.與GPS類似,北斗系統面臨著同樣的問題.北斗系統建設以來,其運控系統面臨著一些復雜電磁環境的影響,信號被干擾和信號異常時有發生.

電磁干擾分為無意和有意干擾.無意干擾包括導航信號頻段同頻或者鄰頻的境內各種干擾信號,包括電視信號、地面移動通信信號、移動衛星通信信號、航空的TACAN(塔康)和DME(測距器)等系統的無線電信號,以及其他航空無線電導航、衛星地球探測、無線電定位和雷達、衛星移動、空間研究業務等與衛星導航信號等存在頻譜共用問題的一切無線電信號[6].有意干擾是指敵方故意有針對性釋放的各種干擾信號,包括寬帶干擾、窄帶干擾、脈沖干擾和欺騙式干擾等.

2.1 干擾監測技術

2.1.1 基于GNSS導航接收機的干擾監測技術

衛星導航信號弱,極易受到干擾,以GPS信號C/A碼為例,落地功率-130 dBm.通常的接收機捕獲要求載噪比(C/N0)在30 dBHz左右,因此要求噪聲功率譜密度為-160 dBm/Hz,意味著高于-160 dBm/Hz的噪聲就對信號的捕獲有干擾,在弱干擾存在的情況下,當衛星信號落地功率大于-130 dBm時接收機就能捕獲信號,因此,可以基于接收機檢測弱干擾.

干擾發生時,信號載噪比,信號相干積分、碼偽距測量誤差、載波相位測量誤差、捕獲和跟蹤性能都會發生較明顯的變化,通過對這些信息的綜合監測,可以實現弱信號的檢測.弱信號具有很高的隱蔽性,但是對接收機的相干積分值會產生影響,干擾強度越強,相干積分值越小,并且隨著相干積分時間的延長影響越發明顯,所以可以根據相關積分值的變化來提取干擾;干擾對碼跟蹤的影響依賴于超前相關器和滯后相關器的差分,干擾影響大小不僅取決于信號和干擾的功率譜及預相關濾波器,也取決于鑒別器設計和碼跟蹤環路帶寬,經試驗驗證,弱干擾信號對碼偽距和載波相位造成的誤差相對較小,可以采用偽距方差的差分值和載波相位方差的差分值進行高靈敏度的干擾檢測.

通過估計干擾信號的特征(包括干擾功率、類型、中心頻率和帶寬)對導航接收機的影響,并通過比較相關器實際輸出和理論值的差別、分析比較各通道的載噪比變化、以及對各種樣式干擾的存在性及其特性進行評估,可以利用接收機的觀測量來檢測干擾是窄帶還是寬帶干擾,以及估計干擾功率大小等參數.

2.1.2 基于頻譜監測接收機的干擾監測技術

利用導航接收機的普通觀測量進行干擾監測直接依賴于接收機對衛星信號的捕獲與跟蹤,基于導航接收機的干擾檢測處于失鎖的臨界狀態時可以更好地進行干擾監測,這在一定程度上限制了基于接收機的干擾監測能力.基于頻譜監測接收機的干擾監測技術可以彌補這方面的不足.

基于頻譜監測接收機的干擾監測是采用干擾檢測與干擾識別等算法對接收到的信號進行信號處理.干擾檢測主要使用的是頻譜分析的方法,該方法可以提取信號的頻率和功率等,干擾識別采用判決理論和模式識別方法可以判別窄帶、寬帶、脈沖等干擾類型,并基于調制識別方法可以進一步提高干擾信號的調制方式的識別率.此外,構建干擾源數據庫,研究電磁干擾源特征匹配算法,實現干擾源的匹配確認.

2.1.3 欺騙式干擾檢測技術

1)多系統驗證

不同的衛星導航系統(GPS/GLONASS/BDS),很難同時進行欺騙,因此通過對比和檢驗,對欺騙進行分析;

2)多站驗證

由于地面干擾信號作用具有區域性,因此,各個單站有可能出現對衛星可用性判別出現不一致的情況,對各個單站的判別結果進行綜合的多站驗證,可以對導航信號欺騙信息進行全面的分析,甚至有可能給出干擾信號的可能區域.

2.2 干擾測向技術

干擾源測向技術主要分為比幅法和比相法,比幅法又可分為最大信號法、最小信號法、幅度比較法和綜合法等,比相法又可分為干涉儀測向和相關干涉儀測向等.

根據目前測向技術的成熟度與工程化程度,并結合導航系統的實際需求,最大信號法具有靈敏度高的特點,但是測向精度低,相關干涉儀法測向精度高,但是靈敏度低,由于對地面站造成影響的干擾信號的臨界功率低,因此在干擾源查找與定位過程中需要將兩者結合在一起,各取所長,揚長補短.

2.2.1 最大信號法測向

最大信號法測向法是利用方向性天線進行測向,該天線方向圖的水平和垂直方向圖在某個角度上都有最大增益點,當來波方向正對這個角度時增益最大,在其它角度上增益變小,可利用這個特性進行測向.測向時,通過改變天線位置來改變天線的最大指向,比較天線在不同方向輸出的信號大小,當輸出信號幅度最大時,天線主波束中心軸與來波方向一致,即來波方向.

為了提高測向精度,并消除個別誤差測量的影響,需要采用同一點位的多次測向,然后進行誤差點的剔除和取平均值.剔除掉超過誤差門限值后,然后再對其他測向值取平均.而誤差門限值根據天線的方向圖特性進行設定.

2.2.2 相關干涉儀測向

與傳統比幅、比相測向方法相比,相關干涉儀體制的

優勢主要表現出高精度、高靈敏度和高抗擾度,從以下幾個方面進行說明:

1)相關干涉儀利用大孔徑天線陣,因而具有很強的抗多徑失真能力;2)天線陣的孔徑變大降低了白噪聲的干擾,采用相關算法進行數據處理有類似積分的效果,使在很寬的頻帶內提高了靈敏度;第三,大孔徑使相關曲線變得尖銳,這和強方向性天線避開帶內干擾的效果類似,所以提高了抗帶內干擾性能[7].

與空間譜估計等超分辨方法相比,相關干涉儀方法不需要對導向矢量進行遍歷搜索,大幅度減小了測向時間,特別適用于實時性高的場合,并且由于空間譜采用的超分辨方法[8]都是基于理想的信號和噪聲模型推導出來的,在實際應用環境中這些理想條件難以滿足,性價比不高.所以,相關干涉儀體制在實際應用中較多.

相關干涉儀測向的實質是,當干擾信號在到達固定間距的天線陣列時,由于天線陣中天線陣元之間的時間差所產生的相位關系來確定干擾信號的方位[9].由于干擾信號相對于天線陣參考方向的方向角與天線陣元間信號的相位分布有對應關系,利用這種對應關系,通過比較入射的干擾信號相位分布與事前在標準場地采集到的各方位和各頻率信號相位相似性得到來波方向,相似性最好的方向就是干擾源來波方向.

2.3 干擾源定位技術

干擾源定位技術主要包括:基于信號到達時間差(TDOA)測時差定位技術、基于信號到達角(AOA)測向定位技術和基于信號到達頻率差(FDOA)定位技術.

由于干擾信號源落入導航系統工作頻段的干擾信號大多是各種諧波、交互調與泄露信號,臨界干擾功率較低.并且干擾信號受地面起伏對信號傳播路徑造成影響.根據實際查找干擾源的工程經驗,并借鑒歐洲美國對衛星導航系統干擾源查找定位的方法,針對導航系統干擾源查找的需求,建議選擇AOA中的交叉定位算法來實現干擾源定位.

實際干擾源信號監測與查找過程中,由于信號的傳播路徑損耗影響因素很多,受地形影響更為嚴重,因此接收到場強的大小并不能反映測向點距離干擾源的遠近,可采用最小差距法進行多點數據的綜合分析.

在“GNSS干擾監測定位系統設計與實現”文中論述的GNSS干擾監測定位系統,采用了相關干涉儀測向定位系統的設計與實現方法,具備較好的性能指標,能夠滿足導航干擾監測領域的干擾監測與查找的需求[10],便于工程化應用推廣.

3 電離層閃爍監測技術

3.1 電離層閃爍對衛星導航接收機影響

當GNSS衛星信號傳播穿越電離層時,電離層中存在的不規則結構會引起衛星信號幅度和相位的快速隨機起伏變化,此種現象稱為電離層閃爍.電離層閃爍將引起接收機出現誤碼和信號畸變,影響導航定位精度,嚴重時可導致接收機失鎖[11].

電離層閃爍監測可通過以下幾種方式為衛星導航系統提供保障:

1)通過單站電離層閃爍監測,獲得電離層閃爍狀態信息,便于事后分析衛星導航系統服務性能下降的原因;

2)在多監測站數據聯網分析的基礎上,可以獲得區域電離層閃爍分布情況,為導航系統提供電離層閃爍預警服務.

3.2 電離層閃爍監測實現

電離層閃爍檢測主要是獲取電離層幅度閃爍指數和相位閃爍指數.幅度閃爍指數反應了信號振幅抖動的劇烈程度,相位閃爍指數反應了電離層閃爍引起的信號相位變化劇烈程度.電離層閃爍檢測算法流程主要包括接收機閃爍原始數據的預處理、閃爍指數的精確計算和閃爍數據后處理(包括閃爍事件識別、閃爍譜分析、閃爍事件幾何參數計算等).

閃爍數據預處理主要是對原始數據進行插值修正,為了減緩接收機噪聲和環境噪聲的影響,采用恒溫晶振為接收機提供頻率基準,降低相位噪聲對相位閃爍測量的影響,在計算閃爍指數的過程中,必然會存在環境噪聲,為了降低甚至消除環境中和接收機本身的噪聲影響,需要對電離層閃爍指數進行修正,從而得到更為準確的電離層閃爍指數.

4 結束語

在衛星導航系統的應用過程中,系統可用性將越來越重要,衛星導航系統可用性監測主要包括衛星系統自身完好性監測、電離層閃爍監測和電磁環境監測.通過分析發現,基于可用性技術研究大多是針對系統完好性、電離層閃爍、干擾監測技術進行研究,各自獨立,對衛星導航系統可用性綜合監測技術還處于起步階段,沒有形成自己獨立的體系,為了保障北斗系統的可靠性運行與使用,須加快這方面的研究與建設.