基于輪軸測速輔助的列車衛星定位壓制干擾檢測方法

劉 江，蔡伯根，王 劍，李健聰

(1．北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2．北京交通大學 計算機與信息技術學院，北京 100044；3．北京市軌道交通電磁兼容與衛星導航工程技術研究中心，北京 100044)

當前，隨著人工智能(AI)、大數據、云計算、北斗衛星導航(BDS)等新技術加速突破應用，我國鐵路運輸系統已開始走向智能化發展階段[1]。 列車運行控制作為鐵路系統運行安全保障的關鍵核心，以車載中心化設計、自主狀態感知、基于IP的無線通信、自動閉塞等為特征的新一代列車運行控制系統，正在面臨新的發展機遇與挑戰。衛星導航系統因其高精度、全天候、實時化的定位服務能力，已在軌道交通系統中得到多方面應用，其中，基于衛星導航的列車運行控制模式，能夠運用車載定位系統完成列車測速定位計算，且極大降低對軌旁設備(如應答器、軌道電路等)的依賴，具備突出的成本優化效益。近年來，美、歐、日均在基于衛星導航的下一代鐵路通信信號系統研制與示范方面開展了大量工作，隨著我國自主建設的北斗衛星導航系統開始提供全球化服務，基于北斗衛星定位實現列車運行控制，在確保鐵路運輸服務的戰略安全方面具有重大意義。國內研究機構已開始在基于北斗衛星定位的列車控制系統方案設計、組合定位計算、故障檢測診斷、信號觀測場景辨識及虛擬應答器邏輯等方面開展前期技術研發與探索工作。

長期以來，在將衛星導航用于列車測速定位過程中，由于衛星信號在空間傳播過程受到遮擋、阻斷等導致的定位功能可用性受限問題，一直是其應用于列車運行控制這一安全苛求系統面臨的主要難題，為此，采用多傳感器融合技術將其與輔助信息源組合，如慣性導航傳感器、輪軸速度傳感器、多普勒雷達等[2-3]，是補償衛星定位服務中斷或性能降級、提升列車定位整體性能的重要途徑，旨在確保衛星導航用于列車定位的可用性，使其與列控系統需求相適應。然而，衛星定位需從開闊空間獲取信號實現相應功能，除了由鐵路線路環境條件、地形條件等引起的信號受限之外，還可能面臨線路周邊存在的無意或蓄意信號干擾，對列車衛星定位性能產生不利影響，進而對列車控制決策等過程形成威脅。因此，如何在關注列車衛星定位功能安全的過程中，同時兼顧其信息安全層面的主動防御能力，是應對未來復雜形勢，進一步為新型列控系統提供定位感知層次安全加固的重要舉措。

近年來，導航衛星信號干擾與抗干擾一直是衛星導航方向研究與應用中關注的重點，特別是在軍事裝備、戰場導航對抗等領域，針對GPS、北斗等衛星導航系統的抗干擾技術，是有效抵御外部干擾入侵、在對抗環境中實現精確目標打擊、人員與裝備快速輸送、高效戰場指揮控制等目標得以成功實現的關鍵保障條件。此外，隨著經濟與社會信息化、網絡化發展的不斷深化，眾多工業領域均面臨愈發復雜的網絡與信息安全態勢，衛星導航干擾裝置的小型化、低成本化及應用隱蔽化，也進一步降低了人為對衛星定位實施干擾及蓄意入侵的門檻，世界范圍內以軍事/非軍事目的針對無人機、道路車輛、船舶等運輸載體的導航干擾事件屢有發生。為此，研究人員在衛星導航干擾檢測防御方面提出了多種措施，主要從衛星導航空間段、控制段、用戶段三個層面提出了應對策略[4]。其中，從用戶終端入手設計干擾檢測與防護策略是一種較為靈活且易于部署實現的途徑，已有研究人員提出了多種干擾檢測方法，有代表性的包括：基于天線陣布局優化與空時自適應處理的抗干擾方法[5]、基于局部狀態檢測的組合導航干擾檢測方法[6-7]、基于偽距信息的檢測方法[8]、基于能量的檢測方法[9]、基于Wigner-Hough變換的檢測方法[10]、基于載噪比統計特性偏差檢驗的干擾檢測方法[11-12]等。然而，直接面向列車運行控制等鐵路安全應用的衛星定位壓制干擾檢測方法尚未得到廣泛關注，亟需為鐵路專用衛星定位終端提供有效的干擾防護措施。

本文在分析衛星定位干擾的主要類型及基本原理基礎上，從衛星定位壓制干擾在接收機終端測距域的作用出發，引入輪軸速度傳感器提供的一維觀測信息，在軌道地圖數據庫輔助下實現列車定位域參考信息的主動推算，并進一步生成導航衛星的參考觀測量，設計了基于偽距偏差檢驗的干擾檢測與排除策略，以防止受干擾觀測信息對列車測速定位性能產生不利影響。該方法的創新性主要體現在三個方面：①提出了衛星定位測距域信息處理層面的干擾檢測與排除策略，實現在線干擾識別與防護；②構建了輪軸測速與軌道空間信息融合的干擾特征表達機制，為描述并消解干擾影響創造了可行途徑；③設計了顯著偏差檢測、殘差統計檢驗兩級干擾檢測方法，有效確保識別與排除能力。基于實際列車運行場景的測試結果表明，該方法能夠有效確認壓制干擾信號對衛星觀測質量的作用程度，并通過對異常觀測量的排除確保定位解算性能免受干擾影響，提升列車衛星定位的可信性水平。

1 衛星定位干擾原理

基于衛星導航的列車測速定位系統利用衛星定位終端接收空間中播發的GPS、北斗衛星信號完成列車位置、速度等狀態參量解算。作為典型的無線電導航系統，GPS、北斗具有導航信號/數據格式公開、廣播信道無保護等顯著脆弱性特征，且衛星距離地面運行列車所搭載的天線非常遠，當衛星信號抵達衛星定位終端時，衛星信號強度非常微弱，導致衛星信號在開放環境中易于受到各類干擾的影響。根據干擾信號的性質，衛星定位干擾可以分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩類。欺騙式干擾通過發送與GPS、北斗衛星信號結構類似但攜帶虛假信息的信號，誤導接收機跟蹤虛假信號，以解算出錯誤的位置、速度結果，此類干擾極具威脅，但為了確保干擾成功且不觸發RAIM(接收機自主完好性監測)察覺及預警，需要跟蹤目標列車的運行軌跡并采用小誤差積累方式定制生成誘導信號，使衛星定位結果逐漸被拉偏至預定位置，且一般需先通過壓制干擾，令接收終端失鎖以確保欺騙信號能夠順利侵入，其實現過程相對較難。與之對應的是壓制式干擾，采用特定干擾源發射大功率信號，壓制阻塞正常的衛星信號，造成衛星定位終端工作能力減弱，進而降低衛星定位觀測質量、使定位性能趨于劣化甚至失去定位功能。由于其技術難度相對較小，易用于蓄意干擾入侵。

圖1 列車衛星定位壓制干擾場景

如圖1所示，干擾源在一定作用范圍內對列車定位施加影響，一般稱作有效壓制區，其干擾作用與干擾機配置、干擾機/列車相對空間關系、壓制區域射頻傳播環境等多個要素有關。衛星定位終端在t時刻接收到的衛星信號可用以下模型進行近似描述

( 1 )

式中：s(t)為接收到的衛星信號；ri(t)為第i顆衛星的期望正常信號；nt為t時刻可觀測的衛星數量；J(t)為干擾信號；e(t)為信號傳輸背景噪聲；σ為壓制干擾狀態標志，σ=0表示無信號干擾，σ=1表示所接收信號存在干擾。

能夠用于實施壓制的干擾信號J(t)類型多樣，已成為衛星導航安全威脅的主要來源。根據干擾發射波形可以分為相干連續波、非相干連續波、脈沖連續波、調幅連續波、窄帶/寬帶調頻信號等，根據信號產生來源，可以分為無意、蓄意干擾兩種類別。以調幅(Amplitude Modulation)干擾為例，作為一類常見的非蓄意壓制干擾信號，其模型可以表示為[13]

( 2 )

式中：PJk為天線處干擾功率；fJk、θJk分別表示第k個干擾分量的載波頻率及相位，K=1、K>1分別代表了單音、多音干擾情況。

當衛星定位終端受到窄帶或寬帶干擾作用時，可理解為添加了不同帶寬的高斯噪聲，引起信號載波噪聲密度變化[14]。載波噪聲密度C/N0可以用來衡量衛星信號受到壓制干擾的嚴重程度，即1 Hz帶寬內載波與噪聲之間的功率比值，單位為dB-Hz，C/N0的降低將直接影響衛星定位測量精度[15]。受干擾而發生變化的等效[C/N0]eq為

( 3 )

式中：等式右側的C/N0表示未受干擾的載波噪聲密度；JSR為干信比；Q為擴頻處理增益調節因數；Rc為擴頻碼速率。

可以看出，干信比的增大將導致等效載波噪聲密度降低，進而導致衛星捕獲時間的增加，甚至造成完全失鎖。當進入衛星信號跟蹤階段，與衛星觀測量精度直接相關的碼相位抖動σtDLL也直接受信號載波噪聲密度的影響。碼相位抖動可定義為[14]

( 4 )

式中：BL為環路噪聲帶寬；D為前后相關器間距；Tcoh為相干積分時間。

如式( 4 )所示，碼相位抖動與信號載波噪聲密度呈反比關系，隨著C/N0因受干擾而降低，碼相位抖動增大，衛星觀測量(如觀測偽距)精度將發生降級。結合以上分析，可以對衛星定位終端受到干擾時可能的觀測性能特征做出以下推測：

(1)當受到干擾時，若干擾信號強度尚未使定位終端失鎖，載波噪聲密度C/N0將隨干信比的提升而降低，偽距、偽距率等觀測量誤差會隨之增大，導致定位出現偏差，使列車測速定位性能無法滿足相應需求。

(2)當干擾信號的強度持續增大，載波噪聲密度C/N0降低到衛星定位終端的衛星捕獲和跟蹤閾值以下，會導致失去從衛星信號獲得測量值的能力，使衛星定位功能中斷，衛星定位連續性與可用性受損。

對于后者所致衛星定位中斷的情況，其效果與列車經過隧道、車站頂棚遮擋區域類似，可將列車測速定位系統邏輯切換至非衛星導航測速定位模式，使測速定位功能得到無縫延續；而在干擾強度尚未引發失鎖的情況下，衛星觀測量精度將發生異變，且其程度因列車-干擾源間動態空間關系、干擾源模式配置等因素存在不確定性，若列車測速定位系統的定位計算與決策邏輯未能對干擾實施有效檢測并做出響應，則會使列車測速定位性能受限，導致其用于列車速度及運行間隔控制過程的安全風險增大。因此，如何在特定干擾條件下準確實施干擾檢測并隔離受擾異變衛星觀測信息，是確保列車測速定位性能的關鍵環節。

2 基于輪軸測速的壓制干擾檢測方案設計

在多種列車測速定位方式中，輪軸測速測距是長久以來應用最為廣泛的一種途徑，在普速、高速及客貨運列車中均被采用。新型列車控制系統中引入衛星定位降低對軌旁應答器、軌道電路的依賴，但為了彌補導航衛星空間信號可用性受限、受阻等問題帶來的隱患，將衛星定位與輪軸速度傳感器進行組合，實現功能冗余及數據融合，是一種相對簡單且易于實現的方案。圖2虛線框中給出了一種典型的衛星定位/輪軸測速組合結構的系統方案：衛星定位接收機與輪軸傳感器接口單元作為感知源提供基礎信息，軌道地圖數據庫作為紐帶提供三維空間坐標與一維軌道空間的映射關系描述，定位計算處理單元實現數據融合邏輯運算、地圖匹配以及最終的決策輸出。為了能夠對衛星定位可能受到干擾的狀態進行檢測與判定，由于壓制干擾可能同時影響多個衛星定位接收機通道，單憑來自不同導航衛星的觀測量之間的冗余性入手已無法滿足檢測需求，為此，借助輪軸測速提供的額外觀測信息，由于其不受衛星導航干擾的影響，能夠基于軌道地圖數據庫為衛星定位觀測信息創建參考量，進而使準確識別干擾、明確干擾影響、隔離受擾觀測成為可能。如圖2所示，通過在常規列車測速定位系統中引入干擾檢測器，為定位計算處理單元提供干擾檢測與判別信息，能夠使定位計算處理單元有效防范干擾帶來的影響，提升定位系統干擾防護能力和魯棒性，確保定位決策輸出可信、安全。

圖2 列車測速定位系統干擾檢測結構

如圖2所示，在常規系統結構中嵌入干擾檢測器，干擾檢測與防護主要涉及三方面信息流關系：

(1)干擾檢測器信息獲取：通過輪軸傳感器接口單元提取輪軸傳感器信號處理所得的列車速度信息，實時從衛星定位接收機提取導航衛星星歷、衛星觀測量(如偽距)，并根據歷史定位結果加載列車當前所在區段范圍內的軌道空間數據。

(2)定位計算處理單元信息獲取：與干擾檢測器一致，提取輪軸傳感器接口單元提供的測速數據，并實時從衛星定位接收機獲得測距域或定位域信息，所需信息類型取決于衛星定位/輪軸傳感器的組合深度以及所采用的信息融合邏輯。

(3)干擾檢測器輸出：運用輪軸測速信息，在軌道地圖數據支持下構建干擾檢測所需參考量，對各衛星通道所得原始觀測量是否受壓制干擾影響進行判斷，在檢測出干擾存在的情況下進一步對各個衛星觀測量實施質量檢驗，進而形成干擾指示量、衛星觀測信息隔離標志，輸出至定位計算處理單元，為定位計算處理單元正確運用可用的衛星觀測信息、及時調整定位計算邏輯、生成可信位置報告信息提供支持。

3 干擾檢測與防護算法

輪軸傳感器通過記錄車輪在確定時間周期T內的累計轉數δr(t)，根據輪徑L計算車輪周長，進而確定列車沿軌道運行距離增量及速度，即

Δp(t)=|p(t)-p(t-T)|=πL·δr(t)

( 5 )

( 6 )

基于Δp(t)以及列車上/下行方向，能夠隨時間推移確定列車運行里程，雖存在車輪空滑、車輪磨耗等因素，導致一定計算誤差，但其均可采用一定手段予以補償，且這一過程不受導航衛星信號干擾影響。為了能夠給可能受到干擾的導航衛星觀測量提供干擾檢測所需參考基準，軌道地圖數據庫為將一維軌道坐標系下的軌道里程量轉換為衛星定位采用的三維空間坐標創造了關鍵條件。軌道地圖數據庫中記錄了軌道拓撲信息，并存儲了若干軌道特征點的三維空間坐標、一維里程及其他屬性信息。為此，可按如下思路推算輪軸測速等效定位坐標。

( 7 )

( 8 )

圖3 軌道地圖輔助輪軸測速位置推算原理

( 9 )

dodo,i(t)=

(10)

(1)可用性判斷：若當前可見衛星數量nt<4，且根據軌道地圖數據庫標記的環境及屬性信息，可以確定列車所處區域不存在地形遮蔽，則可判定接收機可能受到壓制干擾影響，且干擾信號強度超過了接收機工作閾值，在此情況下，通過干擾指示量指示定位計算處理單元切換至非衛導測速定位模式，并跟蹤指示量變化情況以在后續確定合適的衛導組合模式切入時機。

(2)顯著偏差檢測：對于因受干擾影響導致顯著偏差的衛星觀測量，根據預設閾值Ωρ按如下規則進行篩選，并為識別出顯著偏差的衛星PRN號設置衛星觀測信息隔離標志，從而指示定位計算處理單元在解算中排除受擾觀測量，防護濾波發散或性能劣化風險。

(11)

(3)殘差統計檢驗：考慮到基于閾值的檢測無法完備識別觀測偽距中具有潛在威脅的干擾分量，進一步引入統計檢驗思路，應對來自干擾且未能觸及閾值檢測邊界的情況。

根據式( 9 )所示偽距參考量模型可知，其與衛星偽距觀測模型之間的主要差別在于干擾分量、觀測噪聲分量，定義偽距殘差為觀測偽距與參考偽距差值，為

(12)

(13)

式中：qt=[q1(t)q2(t) …qmt(t)]T為殘差向量。

基于殘差形式可知統計檢驗量在無干擾條件下滿足中心化卡方分布，引入如下假設檢驗

(14)

(15)

式中：σNon為無干擾條件下偽距殘差的標準差；λ為非中心卡方分布的非中化參數。

給定可容忍誤警水平pfa，可求得檢測門限為

(16)

則可根據式(17)判定當前觀測集qt是否受到干擾分量造成的劣化影響。

γ(t)

(17)

若檢驗統計量未能滿足式(17)所示檢驗條件，需進一步檢查各衛星殘差，實施局域檢測，判定其中殘差絕對值最大的衛星偽距為待排除量，即

(18)

最終，匯總干擾指示量、衛星觀測信息隔離標志等信息，供定位計算處理單元據此調整定位模式及定位解算邏輯。通過上述處理過程，確保列車測速定位系統最終用于解算的觀測信息不受干擾影響，達到對干擾施加的不利作用進行有效防護的目的。

對于上述干擾檢測與防護算法對輪軸測速信息的運用，一方面，由于輪軸傳感器不需依賴外部信號即可實現測量與位置/速度計算，相對于衛星定位，其功能連續性、可用性更易于保障，能有效滿足干擾檢測對偽距參考集的構建需求；另一方面，輪軸測速性能是確保干擾檢測與防護有效實現的重要條件，利用上述干擾檢測與防護算法，圖2所示定位計算處理單元將綜合運用經過干擾排除的衛星定位觀測信息、輪軸測速信息實施組合定位計算，能夠對輪軸測速所致里程累積誤差、車輪空轉/滑行誤差等進行動態修正，使圖3所示位置推算的性能得到保障，并能夠確保每個干擾檢測周期(取衛星定位數據采集周期，一般不低于1 Hz)中輪軸測速的短時精度變化不會對干擾檢測性能產生影響。總體來看，本文提出的干擾檢測與排除算法是對常規衛星定位/輪軸測速組合定位方案的優化與增強，通過更加有效運用可信的觀測信息實現列車測速定位對復雜運行環境的適應性。

4 算法驗證與分析

4.1 試驗與測試環境構建

為了驗證所提出的壓制干擾檢測與防護方法，利用2019年于青藏鐵路進行實際搭載試驗所得數據構建測試場景。選用青藏線“底吾瑪—崗秀站—那曲”區段基于所開發列車測速定位單元采集的數據作為基礎場景(列車運行軌跡見圖4)，列車測速定位單元同步采集衛星定位及輪軸傳感器觀測數據。

圖4 現場試驗列車運行軌跡

為了在實驗室內構建干擾測試場景，采用Spirent GSS8000型衛星導航信號模擬器對列車衛星定位過程進行了復現，同時，利用Spirent GSS7765型衛星導航干擾模擬系統為GSS8000模擬器射頻輸出疊加干擾信號。將合路輸出的受干擾衛星導航模擬信號送至Ublox LEA/NEO-M8T型接收機實施解算，記錄原始觀測數據用于方法測試分析。所采用的衛星定位壓制干擾注入測試環境，見圖5，壓制干擾模擬系統(GSS7765)由衛星導航信號模擬器的操作軟件進行協同上位控制，按照所設置的干擾時段、干擾類型及相關參數控制信號發生部分產生預期的干擾信號，使合路信號體現預設的干擾影響。

圖5 衛星定位壓制干擾注入測試環境結構

為了分析受測接收機在不同壓制干擾條件下采用本文所提出干擾檢測方法的實際性能，分別選取調幅干擾、相干連續波干擾兩種典型干擾信號類型，模擬列車定位過程所受無意、蓄意壓制干擾場景，用于驗證本文所提出的方法實施干擾檢測與防護的性能。

4.2 調幅干擾場景測試分析

首先構建調幅信號壓制干擾場景，測試本文提出的干擾檢測方法對此類典型無意干擾的防護能力。分別針對無干擾、50 dB調幅干擾、70 dB調幅干擾3種情況實施測試，干擾信號參數如表1所示，相應測試結果分別從干擾對接收機觀測性能的影響、干擾檢測防護能力驗證兩方面進行分析。

表1 調幅干擾參數配置

4.2.1 接收機觀測性能影響分析

從接收機觀測數據可以得出，隨著干擾的加入以及干擾強度的增加，原始觀測量中所含平均衛星數量逐步從11顆(無干擾、50 dB調幅干擾)降低至8顆(70 dB調幅干擾)，偽距殘差標準差從0.17 m(無干擾)增大至0.47 m(50 dB調幅干擾)、4.16 m(70 dB調幅干擾)。圖6～圖8分別給出了三種情況下6顆共視衛星(PRN-03,PRN-10,PRN-14,PRN-22,PRN-25,PRN-31)的偽距殘差隨時間變化情況，圖9對偽距殘差分布的統計結果進行了對比，可以明顯看出，隨著干擾信號強度的增大，衛星定位觀測質量所受影響愈發顯著，特別是在注入干擾水平達到70 dB時，偽距殘差方差發生極大變化，觀測性能劣化趨勢明顯。

載波噪聲密度C/N0一般作為一種顯性標志直觀表示所受干擾強度，圖10進一步總結了三種情況下各個可視衛星C/N0隨偽距殘差的分布情況。隨著干擾信號的注入，衛星載波噪聲密度均值從無干擾條件下的45 dB-Hz逐步降低至41.73 dB-Hz(50 dB調幅干擾)、27.43 dB-Hz(70 dB調幅干擾)，進一步反映了調幅干擾信號對衛星定位觀測質量的直接影響，凸顯了引入輪軸測速構建偽距殘差用于干擾檢測的重要潛力。

圖6 無干擾條件下偽距殘差時間分布情況

圖7 50 dB干擾條件下偽距殘差時間分布情況

圖8 70 dB干擾條件下偽距殘差時間分布情況

圖9 不同干擾場景下偽距殘差分布對比

圖10 不同干擾場景下殘差- C/N0關聯對比

4.2.2 干擾檢測防護能力驗證

考慮受干擾影響最為顯著的70 dB調幅干擾場景，測試干擾檢測方法的性能。采用閾值Ωρ=10 m實施顯著偏差檢測，設置可容忍誤警水平為pfa=1×10-5，圖11給出了經顯著偏差檢測及排除后的衛星偽距殘差分布情況，其縱軸為GPS衛星PRN號，圖中非0值區域表示對應的衛星通道在相應時刻無觀測信息。圖12、圖13顯示了統計檢測過程中受擾觀測偽距排除前后檢驗統計量與檢驗門限的對比結果。可以明顯看出：僅采用絕對閾值實施顯著偏差，尚無法完全識別偽距精度降級程度的差異性和不確定性，在持續20 min的測試時段內，圖12結果表明多達73.67%的時刻衛星偽距觀測集仍存在劣化；運用殘差統計檢驗方法進一步進行檢測與識別，檢測門限(圖13粗實線)隨觀測衛星數動態變化，對檢測出超限情況下的劣化觀測量實施隔離，使約簡后最終保留的觀測集滿足測距域觀測質量水平約束，能夠為定位解算提供可信數據支持。

圖11 基于顯著偏差檢測與排除的偽距殘差分布情況(單位：m)

圖12 基于全部原始觀測量的檢驗統計量

圖13 排除檢測超限觀測量的檢驗統計量

為了進一步確認干擾檢測與排除對定位性能的影響，圖14對比了直接采用原始觀測信息實施定位解算和實施干擾檢測與排除所得定位解的精度水平差異，同步分析了北向、東向二維定位誤差隨時間的分布。

圖14 不同觀測集運用策略下定位誤差對比

表2 不同觀測集運用策略定位誤差標準差對比 m

表2列出了不同策略下二維定位誤差標準差的對比結果，定位精度水平的對比清楚體現了實施干擾檢測并剔除劣化觀測量對定位性能的直接作用,相對于直接采用全部原始觀測量實施解算，經干擾檢測與排除后的約簡觀測集使東向、北向定位誤差標準差分別降低了34.49%、41.90%，干擾檢測與防護方法的運用，隔離了干擾導致的性能劣化風險，有效保障了定位精確性和可信性。

4.2.3 檢測性能對比分析

常用的壓制干擾檢測方法主要分為接收機相關前檢測、相關后檢測兩類，代表性方案包括能量檢測、高階累積量、時頻特性分析等[16]。這些方法多面向專用干擾監測站設計與應用，對系統軟硬件有特定需求。結合本文所提出方案直接面向在途列車運行過程且引入輪軸測速這一輔助信息的結構特性，重點分析載波噪聲密度C/N0統計特性檢測、定位偏差超限檢測這兩種同類方法與本文所述方法的區別，其中：

(1)載波噪聲密度C/N0統計特性檢測[17]相對于常規C/N0檢測方案[11-12]進一步考慮將觀測環境因素導致的C/N0降級與干擾的作用進行分離。對比中采用該方案，將測試線路按100 m為間隔進行分段，運用無干擾場景數據建立各段C/N0統計模板(含段內均值mpr(l)、標準差σpr(l)，l為段編號)，運用70 dB調幅干擾場景中C/N0均值msnr(t)按msnr(t)

(2)組合定位模式下，非衛導定位源解算結果不受壓制干擾影響，運用慣性導航等輔助定位信息與衛星定位的偏差能夠構建直接檢測參考量[18]。為此，運用輪軸測速定位偏差超限檢測進行組合定位模式下的對比驗證，定位偏差檢測閾值ΔP取值范圍為[1,50]。

圖15給出了兩組對比方法與本文所述方法所得檢測率的對比結果，其中，本文提出的顯著偏差檢測/殘差統計檢驗兩級干擾檢測所得聯合檢測率為86.71%。圖16對比了不同方法所得水平定位精度的對比結果，其中，C/N0統計檢測方法在低kd取值取得100%檢測率情況下，由于定位解完全排除無法統計誤差結果。

圖15 不同干擾檢測方法檢測率對比

圖16 不同干擾檢測方法定位誤差標準差對比

通過與兩種檢測策略的對比，可得以下結論：

(1)在實現形式方面：兩種參考方法與本文所提出方法類似，均可基于圖2所示結構在定位解算中增設檢測處理邏輯，即可運用衛星定位自身或輪軸測速輔助信息實現在途動態干擾檢測。

(2)在檢測性能方面：兩種參考方法干擾檢測性能受到檢測參數、檢測閾值的顯著影響，在干擾信號強度、干擾源距離等因素難以準確確認的情況下，如何有效設置合理的參數是決定其檢測性能的關鍵，而本文提出的方法從測距域質量劣化特征入手，具有更優的條件適應性。

(3)在對定位性能的作用方面：兩種參考方法分別從觀測域、定位域確定檢測判定依據，反映了每個時刻所有衛星觀測的組合效應，無法在檢測出干擾的情況下準確定位干擾對哪些觀測量產生了影響，故而無法實施準確的干擾排除，圖16所示誤差方差水平較低的結果(對應ΔP<6 m)來源于對相應時刻觀測集的剔除，C/N0統計檢測在kd<6未繪制標準差的情況，對應了100%認定檢測情況下對所有時刻觀測集的完全剔除，換言之，是以定位連續性為代價取得了較優的整體平均性能水平；相對地，本文提出的方法在檢出干擾的情況下具體識別存在降級的觀測量，實現了針對性排除，能夠在確保消除干擾影響的基礎上充分運用可用觀測信息，實現定位解算，其靈活性、動態響應能力能夠確保更優的反饋調整及應用融合。

4.3 相干連續波干擾場景測試分析

為了進一步分析不同類型的壓制干擾條件，采用相同的列車運行場景數據實施仿真測試，注入相干連續波干擾信號，檢驗論文提出的方法在這一典型蓄意干擾條件下的檢測與防護性能。所注入相干連續波干擾信號參數如表3所示。

表3 相干連續波干擾參數配置

采用與調幅干擾場景相同的方式進行干擾檢測防護能力檢驗。圖17、圖18顯示了運用輪軸測速信息構建偽距殘差并進行統計檢驗過程中，實施干擾檢測與排除前后，檢驗統計量與檢測門限的對比結果。

圖17 基于全部原始觀測量的檢驗統計量

圖18 排除檢測超限觀測量的檢驗統計量

與調幅干擾場景相比，相干連續波干擾條件下基于原始觀測量所得檢驗統計量超限特征明顯，超限比例達52.24%，檢驗統計量最大值(92.95 m)達到調幅干擾場景下最大值(23.82 m)的3.9倍，表明所注入干擾信號使觀測質量發生了顯著降級。圖18所示結果表明本文提出的檢測與排除方法能夠有效防止受干擾影響導致劣化的觀測信息進入定位計算過程，其防護效果在圖19所示定位精度對比中可得到充分體現。

表4進一步總結了不同策略下誤差標準差的對比情況。與調幅干擾場景不同之處在于，相干連續波干擾能夠造成更為顯著的定位精度不確定性，若不實施干擾檢測與排除，僅依靠衛星定位所得誤差最高可達91.44 m，遠超過可容忍精度水平；通過對已檢測出存在性能劣化的觀測量進行排除，雖測試末段出現經干擾排除的可用觀測量不足導致衛星定位短時中斷，但可用時段內東向、北向誤差標準差分別降低了70.65%、82.86%，干擾檢測與排除為準確識別衛星定位觀測質量水平、及時調整定位融合邏輯提供了依據，同時也在衛星定位可用條件下顯著降低了蓄意干擾入侵導致解算性能降級的風險，提升了列車定位性能的穩健性。

圖19 不同觀測集運用策略下定位誤差對比

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5 結論

(1)輪軸測速信息在軌道地圖數據庫輔助下，能夠在列車運行過程中用于動態構建獨立的衛星定位觀測信息參考量，在列車進入壓制干擾區時，能夠為實現對壓制干擾作用特征的量化描述創造有利條件。

(2)與傳統的壓制干擾檢測方法相比，本文提出的方案具有易實現、動態化、應用銜接緊密等典型特點，即：僅運用輪軸測速這一既有感知條件，不需額外增設器件，實現相對簡便；從測距域入手進行殘差統計檢驗判決，能夠嵌入既有列車定位計算邏輯，實現實時動態檢測與響應；干擾檢測結果可直接反饋至定位計算處理單元用于對列車定位計算邏輯實施調整，其作用可直接延伸至列車定位信息的上層應用環節。

(3)該方案在典型無意、蓄意壓制干擾條件下均可實現干擾檢測與防護，給定測試場景中，實施干擾排除后定位誤差標準差最多可降低41.90%、82.86%，對于防御干擾入侵、確保列車定位性能作用顯著。