GPS導航對抗數據質量特征實例分析

陳新東，蔡 鵬，高大遠，朱海榮，王 超

(海軍潛艇學院，山東 青島 266000)

0 引 言

導航對抗，旨在削弱或者破壞敵方無線電導航系統的使用效能和保護己方無線電導航系統的有效使用。從提出導航對抗開始，各方機構相繼展開對導航對抗的應用研究[1]。李正軍等人研究了GNSS框架下導航信息對抗方案和需要解決的關鍵技術問題[2]；郭強分析了美國等軍事強國導航戰的常用技術路線和作戰手段，研究了提升衛星導航系統地面監測站抗干擾能力的方法[3]。劉富等人提出包括導航戰進攻、防御和偵察在內的衛星導航對抗能力框架，以美國、俄羅斯和其他國家的導航對抗能力為例，分析導航對抗的發展趨勢[4]，這些研究都只是停留在概念定義層面，并未對導航對抗實測數據做出仿真分析，因此，文章利用美英法對敘利亞進行空襲的這一戰爭實例，通過實測數據仿真分析了空襲期間敘利亞周邊4個典型地面觀測站的GPS信號數據質量變化情況，通過信噪比、衛星可見數、精度衰減因子與定位誤差這4種評估指標對 GPS衛星信號的干擾進行了評估，分析出了4個地面觀測站觀測數據的四項指標在空襲期間的數據質量特征，以便為將來我軍導航戰提供數據分析方法。

1 評估內容和方法

1.1 精度衰減因子(DOP)值

衛星的空間幾何分布可通過衛星星座和觀測站的位置計算得到，一般可以用精度衰減因子來表示。DOP值與衛星星座的位置、衛星可見數、空間衛星的幾何分布有關，包括幾何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、高程精度因子(VDOP)、時間精度因子(TDOP)等，其中,GDOP是衡量一個定位系統精度的重要標準之一，一般情況下，GDOP的數值越大，所代表的單位矢量形體體積越小，此時的GDOP會導致定位精度變差。PDOP值直接反映衛星空間幾何分布對定位精度的影響，PDOP值越小，空間幾何分布強度越好，定位精度就越高[5]。PDOP值與衛星信號的強弱、接收機良好或者損壞無關[6]。通常，采用GPS衛星進行精確定位時，PDOP值≤4產生最佳位置，5～7可以接受[7]，表示衛星幾何分布良好。

1.2 信噪比(SNR)

信噪比是指接收的載波信號強度與噪聲強度的比值[8]。接收機載噪比通常可表示為C/N，即以1 Hz帶寬為參考的信噪比S/N。衛星導航信號為弱信號，當GPSC/A碼輸入功率為額定度功率-130 dB時，接收機載噪比約為44 dB/Hz，輸入功率小于額定度功率或衛星信號受到遮擋，信噪比值會相應降低，不利于信號檢測。信噪比可用于比較不同信道和衛星間的信號強度，評估環境干擾的影響。

1.3 衛星可見數

衛星可見數是指接收機在一定的高度角下能夠觀測到的衛星個數。衛星的可用性與空間分布直接影響定位的精度，對于單個定位系統而言，至少需要4顆可見的衛星才可以實現定位。研究衛星可見性，對于衛星導航對抗技術的研究有支撐作用。一般條件下，衛星可見數減少，就會影響導航定位解算，從而直接影響導航性能[9]。

1.4 定位誤差

定位誤差是接收機用戶最重要的定位指標，利用定位誤差可以直接分析出信號被干擾的效果。

2 實例分析

選取距離敘利亞最近的4個地面觀測站bshm、drag、ramo和nico，如圖1所示，從IGS(International GNSS Service)網站上下載這4個地面觀測站采樣間隔為30 s的GPS觀測文件等數據，采用2018年4月12日0時0分0秒～2018年4月15日24時0分0秒共4 d實驗數據進行偽距單點定位實驗分析，采用GPS的服務信號為L1C/A。基于日本東京海洋大學的TomojiTakasu研發的開源軟件RTKLIB，得到4個站的衛星可見數、信噪比、PDOP和定位精度等數據。

圖1 地面觀測站分布

圖2、圖3、圖4和圖5是4個地面跟蹤站在空襲這幾天GDOP值和PDOP值的變化特征。

圖2 bshm觀測站

圖3 drag觀測站

圖4 ramo觀測站

圖5 nico觀測站

從圖2可以看出，BSHM站在12日20∶00點左右，13日3∶00和6∶00左右，15日19∶00左右，GDOP值和PDOP值異常突變，衛星幾何分布不佳，即使收到超過四顆以上衛星數，也不能有效的進行定位。從圖3、圖4和圖5中可以看出drag、ramo和nico 3個地面觀測站在觀測期間，GDOP值和PDOP值均小于6，但是drag地面觀測站在12日9∶00和14號6∶00前后DOP值缺失，其他兩觀測站數據無缺失，衛星跟蹤比較正常。

圖6～圖9是4個地面觀測站在敘利亞被空襲期間L1C/A信號質量的變化特征。通過觀察上述4個地面觀測站空襲前后時間段信噪比的特征圖，可以得到bshm觀測站在12日8∶30前后和13日03∶00與06∶00時間前后仿真圖形存在明顯的缺口，信噪比有顯著的降低，表明這個時間段受到了比較強的干擾，其他時間段信噪比也有細微的下降，表明此時也有比較弱的干擾;drag觀測站在12日9∶10和14號6∶00前后信噪比仿真圖形有缺失，表明GPS信號出現數據中斷現象；ramo觀測站及nico觀測站在這幾天信噪比相對來說比較正常，沒有明顯的異常。

圖6 bshm觀測站L1頻段信噪比

圖7 drag觀測站L1頻段信噪比

圖8 ramo觀測站L1頻段信噪比

圖9 nico觀測站L1頻段信噪比

圖10、圖11、圖12和圖13是4個地面觀測站在空襲期間衛星可見數的變化特征。圖14和圖15分別是bshm觀測站在12日20點27分30秒和13號的05點52分30秒的天空視圖。

圖10 bshm觀測站衛星可見數

圖11 drag觀測站衛星可見數

圖12 ramo觀測站衛星可見數

圖13 nico觀測站衛星可見數

圖14 bshm觀測站(20點27分30秒)天空視圖

圖15 bshm觀測站(05點52分30秒)天空視圖

根據衛星可見數的觀測情況可以看出，ramo觀測站和nico觀測站在空襲期間衛星信號比較正常，能夠滿足定位要求，而bshm觀測站則在12日20∶30分左右和13號06∶00左右，跟蹤到的衛星數目很少，無法進行定位，從圖14和圖15也能夠清楚地觀察到，在4月12號20點27分30秒，共收到G27和G10共2顆GPS導航衛星;而在13號05點52分30秒時刻，僅收到G09 1顆GPS導航衛星，說明此時受到了比較強烈的導航干擾，地面觀測站已經無法正常跟蹤衛星信號。drag觀測站在12日09∶10和14號06∶00前后直接無法接收到衛星信號，說明導航干擾對GPS信號定位產生了影響。

圖16、圖17、圖18和圖19是4個地面觀測站在空襲期間東、北、天3個方向定位誤差的變化特征。

圖16 bshm觀測站

圖17 drag觀測站

圖18 ramo觀測站

圖19 nico觀測站

從定位誤差圖中可以看出bshm觀測站在12日03∶30前后GPS信號出現數據中斷現象，20∶30前后、13日3∶00和6∶00前后等時間段定位誤差較大，無法進行定位。而drag觀測站、ramo觀測站和nico觀測站也出現了數據中斷現象。例如，drag觀測站在12日09∶10和14號06∶00前后出現數據中斷現象，但是衛星信號基本正常。

3 結 論

通過在IGS網站下載觀測站數據，利用RTKLIB軟件對空襲期間敘利亞附近四個地面觀測站GPS信號變化特征進行分析和處理，可以得到以下結論：

(1) 敘利亞周邊的bshm觀測站受到了明顯的導航干擾；drag觀測站、ramo觀測站和nico觀測站在某些時間段也受到了導航干擾，造成數據丟失，由此可以推測美對敘利亞空襲期間，GPS導航信號在局部地區受到干擾，導致敘利亞地區部分時段和部分區域的GPS信號無法正常使用。

(2) 空襲期間有多個時間段GPS信號受到了嚴重的干擾，導致信噪比降低，衛星可見數減少，DOP增大，定位誤差增大，定位精度降低。

(3) 通過對GPS導航對抗數據質量特征實例分析研究，可以得出利用信噪比、衛星可見數、精度衰減因子和定位誤差等評價指標來分析GPS導航對抗數據質量特征的可行性。此評估內容和方法可以為未來導航對抗提供參考標準。