電力系統(tǒng)GNSS授時接收機抗干擾技術研究

傅 寧，范金鋒，楊 芳，許大衛(wèi)

(1.國網(wǎng)思極神往位置服務(北京)有限公司，北京 102211；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

0 引言

高精度授時是電力系統(tǒng)正常運行的基礎，其正常與否關系著國計民生。基于GNSS授時終端設備實現(xiàn)電力系統(tǒng)的精確時間同步，對于電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性至關重要。電力系統(tǒng)是與時間頻率密切相關的大工業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)內的電壓、電流和相角等變化量，都與時間緊密相關。智能電網(wǎng)技術的不斷進步，使得對時間頻率的需求越來越廣泛，精度需求也越來越高。2009年以來，國家逐步確立了“天地互備，以北斗為主的電力授時體系”，并推動制定了系列電力系統(tǒng)北斗衛(wèi)星授時應用的相關標準。目前，全國已累計裝備數(shù)萬套基于北斗授時的時間同步設備，逐步取代了GPS成為電力系統(tǒng)主用的時間源[1]。然而衛(wèi)星信號具有先天的脆弱性，由于采用無線電傳播測距體制，導致其信號易受阻擋和干擾，甚至欺騙，一個價值29美元的設備就可以對GPS信號進行阻塞甚至欺騙[2]。2008年英國政府測試使用2個低成本干擾器阻塞了北海30 km范圍內的GPS信號[3]。因此，開展電力系統(tǒng)GNSS授時接收機的干擾技術研究，并提出針對性的處理策略，對于提升系統(tǒng)授時的安全性和可靠性，保障電網(wǎng)正常運行具有非常重要的作用。本文重點從技術角度分析了電力系統(tǒng)時間同步設備可能面臨的干擾威脅，包括壓制式干擾和欺騙式干擾，闡述了干擾原理和對授時精度的主要影響。提出了對GNSS授時干擾的應對手段，包括接收機抗干擾設計、自主時間保持能力提升以及彈性授時技術的引入。

1 電力系統(tǒng)GNSS授時應用現(xiàn)狀與特點分析

電力系統(tǒng)對時間頻率的需求主要包括以下幾個方面[4]：

① 系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測。通過相量測量裝置(PMU)測量相角，評估發(fā)電機是否失步；

② 故障定位與分析。基于行波故障測距方法，快速準確定位高壓線路的故障點，使故障及時得到處理；

③ 監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與SOE時間標記。電力系統(tǒng)通常采用時間順序記錄(SOE)來確定電力故障的先后，SOE系統(tǒng)時間正確性、準確度和分辨率是電力系統(tǒng)自動化的重要指標；

④ 電力通信網(wǎng)頻率同步。在電力通信網(wǎng)中，以頻率和相位同步的SDH數(shù)字同步網(wǎng)，已經(jīng)成為電力通信網(wǎng)的必要組成部分，其各級時鐘源是基于GNSS授時技術建立時間體系。

⑤ 電網(wǎng)對時間同步精度的需求如表1所示。

表1 電網(wǎng)對時間同步精度需求

Tab.1Requirementsfortimesynchronizationofpower

system

業(yè)務系統(tǒng)信號類型時鐘精度線路行波故障、測距裝置秒脈沖及時間報文1 μs雷電定位系統(tǒng)秒脈沖及時間報文1 μs功角測量系統(tǒng)秒脈沖及時間報文40 μs故障錄波器時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms事件順序記錄裝置時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms各級調度自動化系統(tǒng)時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms變電站監(jiān)控系統(tǒng)時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文1 ms自動記錄儀表時間編碼(IRIG-B)或秒脈沖及時間報文10 ms

從表1中可以分析出電力系統(tǒng)GNSS授時應用的主要特點：

① 時間頻率應用極為廣泛。在系統(tǒng)的監(jiān)視控制、故障分析及數(shù)據(jù)通信等等各個業(yè)務環(huán)節(jié)，都需要時間頻率系統(tǒng)和信號的支撐。

② 時間頻率精度需求較高。系統(tǒng)對時間頻率的精度需求最高達到了微秒量級，因此在電力系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)中必須依靠GNSS授時發(fā)揮骨干支撐作用。

③ 對時間頻率可靠性、連續(xù)性要求高。電網(wǎng)授時系統(tǒng)即使存在瞬時不同步，也將會對智能電網(wǎng)運行造成危害，甚至威脅生產安全，引發(fā)跳閘等嚴重后果。

2 電力系統(tǒng)GNSS授時干擾技術手段

考慮到電力系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中不可或缺的重要作用，在敵我對抗時容易成為敵方攻擊的首要目標。而實施攻擊的重要手段之一就是對電力系統(tǒng)的時頻信號進行攻擊。2012年美國在白沙導彈試驗場實施了針對智能電網(wǎng)的GNSS授時設備干擾試驗，在不需要與電網(wǎng)發(fā)生直接物理連接的情況下，攻擊者利用GPS信號欺騙器在10 min之內控制了PMU的授時單元，并且在30 min之內導致了系統(tǒng)時間出現(xiàn)1 μs偏差，且過程中未觸發(fā)系統(tǒng)報警[4]。

電力系統(tǒng)中時間頻率系統(tǒng)可能遭受到的干擾主要針對GNSS授時終端設備，根據(jù)干擾實施方式的不同，大致可分為壓制式干擾和欺騙式干擾2種。

2.1 壓制式干擾

壓制性干擾是指用干擾機發(fā)射某種干擾信號，以某種方式遮蔽敵方信號頻譜，使敵方接收機降低或完全失去正常工作能力。壓制式干擾又可分為3種[5-7]：

2.孵化器的核心競爭力集中表現(xiàn)在“專業(yè)的技術服務平臺”和“服務團隊整體素質高、能力強”。調查顯示，孵化器企業(yè)對自己的競爭力判斷，以專業(yè)的技術服務平臺作為核心競爭力的孵化器企業(yè)占92%，以服務團隊整體素質高、能力強為核心競爭力的占84%，有36%的孵化器企業(yè)以在孵企業(yè)凝聚力強和獨特的區(qū)域環(huán)境作為自身的核心競爭力，以先進的孵化器文化、優(yōu)秀的經(jīng)營者、其他等作為核心競爭力的分別占24%、16%、8%。

① 瞄準式干擾。瞄準式干擾通過采用頻率瞄準技術，使干擾載頻精確對準信號載頻，針對特定碼型的衛(wèi)星信號實施干擾，使該信號在一定區(qū)域內失效。

② 阻塞式干擾。阻塞式干擾的基本方式是采用一部干擾機擾亂該地域出現(xiàn)的所有GNSS衛(wèi)星信號。按照技術路線分為單頻干擾和寬帶均勻頻譜干擾等方式，其中效果較好的是寬帶均勻頻譜干擾體制[8]。在此體制下，干擾機產生的干擾信號大部分能夠通過接收機窄帶濾波器而不被過濾掉，因而可以產生較好的干擾效果。

③ 相關式干擾。通過設計產生與GNSS信號的偽碼序列有較大相關性的干擾信號，對導航信號實施干擾。與瞄準式和阻塞式干擾相比，它有較多的能量可以通過接收機窄帶濾波器，因此，可以以較小的功率實現(xiàn)與其他方式相當?shù)挠行Ц蓴_。

2.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾是采用與導航衛(wèi)星相似的虛假信號作為干擾信號，利用良好的隱蔽性特點，欺騙接收機捕獲并跟蹤虛假信號，并得到錯誤的解算結果。當接收機已經(jīng)跟蹤上正確的衛(wèi)星信號時，由偽隨機擴譜碼的性質可知，這時欺騙信號經(jīng)過碼同步后的擴譜解擴，幅度會被大大衰減，將難以跟蹤回路。因此，為了使接收機的跟蹤回路鎖定到欺騙信號上，必須將接收機原先建立的正確鎖定去除。

欺騙干擾可分為產生式干擾和轉發(fā)式干擾2種[9-10]：

① 產生式干擾即由干擾設備產生與GNSS系統(tǒng)相同的導航信號，達到欺騙接收機并產生錯誤解算結果的目的。產生式欺騙需要獲取目標信號的碼型及同步的衛(wèi)星星歷和廣播電文參數(shù)，對于特性未知的加密碼型信號的干擾難度較大。

② 轉發(fā)式干擾如圖1所示，是干擾設備接收到GNSS信號后轉發(fā)出去，構成一個虛假信號。這種方式主要利用信號的附加時延，不需要產生高逼真信號，技術上相對容易實現(xiàn)，難點主要在于從較低信噪比的原始導航信號中提取解析出信號并進行放大，同時要減少信號畸變。

圖1 轉發(fā)式干擾實施原理圖Fig.1 Principle of implement of forwarding interference

各類干擾手段對GNSS授時的影響具有顯著的差異。壓制式干擾若程度較輕，對授時精度的影響較小，可以忽略；若信號強度極大，導致GNSS失鎖，則GNSS授時直接中斷，用戶無法獲得外部時間。而欺騙式干擾則比較復雜，采用轉發(fā)式干擾時，由于引入了附加時延，直接導致偽距觀測量增大，時差解算結果出現(xiàn)偏差，并導致用戶獲取時間出現(xiàn)明顯跳躍。采用產生式干擾，除了時延的變化，也可修改導航電文，導致傳播時延修正計算錯誤，影響用戶定時結果。

3 GNSS授時抗干擾技術

(1) 對授時設備進行抗干擾設計

① 在硬件上進行改進：通過采用陣列天線技術，通過對信號源進行到達角度的測定，根據(jù)角度變化特征確定是否接收到干擾信號，也可采用聯(lián)合時空自適應技術[11-12]，在陣元數(shù)固定的前提下，增加陣列自由度，通過調整天線陣元的空域和時域響應，補償中頻和射頻，加深零點深度和增強寬帶抗干擾能力。

② 對授時設備的模型和算法進一步優(yōu)化：可通過增強授時設備自主完好性監(jiān)測技術的研究設計和實現(xiàn)[13]。授時設備自主完好性監(jiān)測的主要判據(jù)可以采用衛(wèi)星鐘、地面時標變化特征，傳播環(huán)境時延變化特征等，建立基于已知觀測量的時變數(shù)學模型，開展實時觀測分析評估。進一步升級信號解析算法。根據(jù)信號的強度、衛(wèi)星鐘時差、信號傳播時延等等觀測量，通過構建冗余觀測量矩陣，基于算法實現(xiàn)對真實信號與干擾信號的甄別；

(2) 提高授時設備的自主時間保持能力

① 由于GNSS本身具有脆弱性，不能完全依賴外部時間信號，例如GNSS授時作為唯一的時間獲取手段。因此應當根據(jù)節(jié)點的時間精度需求，在授時設備中配備GNSS馴服的銫原子鐘、銣原子鐘或者芯片原子鐘，在GNSS系統(tǒng)信號受到壓制中斷時，利用本地時鐘源進行自主的時間保持。

② 對授時設備的自主保持能力研究重點還需關注原子鐘的頻率駕馭策略、原子鐘實時信號切換算法。在沒有外界干擾和存在外界干擾2種工作模式下，原子鐘的控制策略存在顯著差別：沒有外界干擾時，系統(tǒng)通過GNSS時間對本地時鐘源進行連續(xù)的頻率駕馭，保證時鐘的時間偏差穩(wěn)定；一旦識別到外界干擾后，系統(tǒng)能夠進行快速、無縫切換，確保輸出時間和頻率信號的可靠、穩(wěn)定。

(3) 采用彈性授時技術[14-16]

目前，除了GNSS授時以外，還可以通過長短波、網(wǎng)絡NTP和PTP等方式獲得精確時間，因此，可以綜合利用GNSS衛(wèi)星授時、長短波授時以及地面網(wǎng)(NTP或PTP)等手段，實現(xiàn)星基與地基授時相結合、有線與無線相結合的多層次授時網(wǎng)，確保授時信號的多源、冗余。而接收機在獲取多源授時結果，并與本地時鐘進行數(shù)據(jù)融合，利用卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡等算法判定授時結果的可信性，給出融合授時結果。

4 結束語

電力系統(tǒng)對于時間的要求不僅僅是準確，更要連續(xù)、穩(wěn)定和可靠，因此單純依靠普通的GNSS授時設備越來越難以滿足用時安全性的要求，必須通過抗干擾授時設備的研制，配備新型抗干擾天線和具備干擾解析判別能力的處理芯片，采用彈性授時策略提高系統(tǒng)時間源冗余度，解決系統(tǒng)自身的抗干擾防欺騙問題，提高系統(tǒng)用時的安全性。