卫星导航可用性监测技术

张发祥,林利，殷赞,甄卫民

(1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107；2.中国人民解放军战略支援部队航天系统部信息网络管理中心，北京 100094)

0 引 言

现有导航系统包括GPS,GLONASS,Galileo以及中国北斗卫星导航系统,统称为全球卫星导航系统(GNSS),GNSS为导航应用带来了革命性的变化,它在全球范围内为军民用户提供精确的定位信息、速度信息和时间信息,卫星导航系统的四个主要性能指标包括:精度、完好性、连续性和可用性.其中,完好性是指,当GNSS出现故障而使定位误差超过用户允许限值时,系统能在一定时间内通知用户.可用性是指,导航系统为服务区内用户满足要求的服务的时间概率.顾及用户完好性要求,可用性分析需要以完好性参数是否满足作为判定条件[1].

影响卫星导航系统不可用的因素主要分为三大类：第一类是卫星故障和卫星维护等导航系统自身异常引起的不可用;第二类是卫星信号到接收机接收链路上以电离层闪烁为主的空间电波传播环境异常引起的不可用;第三类是接收机或卫星受到电磁环境干扰因素影响引起的不可用.

针对以上三种不可用因素,本文从卫星导航系统完好性监测、电离层闪烁监测和电磁环境干扰监测三个方面分别论述.

卫星导航系统完好性是指当导航系统出现故障或误差超出了限定的范围时,自动向用户提供及时告警的能力[1].完好性直接关系到卫星导航定位服务的安全可靠性,对航空和航海等对安全系数高的领域尤为重要;服务的完好性得不到保障,将会导致用户重大损失或者出现灾难.

电离层闪烁是当电波通过电离层时,受电离层结构的不均匀性影响,引起信号幅度和相位等短周期不规则变化的现象.卫星导航系统的卫星信号到达用户接收机端通过电离层时,不仅仅是总电子含量(TEC)对接收机测距精度有相影响,而且当发生电离层闪烁时,可引起卫星导航信号幅度和相位随机起伏,使导航性能下降,严重时可引起信号中断导致接收机失锁等.

电磁环境干扰是指引起卫星导航用户端甚至是卫星端的各种电磁干扰信号,包括无意干扰与有意干扰.由于导航卫星信号到达地面用户时信号强度已非常小,很容易受到电磁环境干扰的影响.

1 卫星导航系统完好性监测技术

卫星导航系统完好性监测技术综合起来分为两类,一类是内部增强方法,即利用接收机内部的冗余信息或用户端的其他辅助信息来实现卫星导航服务异常的判断,另一类是外部增强方法,即在地面或卫星端设置监测设备,监测卫星状况,然后广播给用户.

GNSS本身能够进行卫星故障检测,但是对于一些特殊场合时效性不能满足需求,所以需要在用户端进行完好性监测.本文主要针对地面固定站点完好性监测相关技术进行论述.对于固定站点,可以先依据卫星健康信息和星历数据变化合理性,给出导航卫星星历数据是否正常.如果正常,再依据导航定位结果与已知参考点位置比较的方法和精确参考点伪距测量值与伪距计算值的比较方法来具体判断导航卫星的可用性.固定站点也可以利用导航卫星的星历数据,进行收星检查工作,并且根据历书数据,依据导航卫星临空预报原理,进行导航卫星临空位置预报工作,预报未来一段时间的卫星可用性信息.

1.1 卫星健康信息监测

卫星导航电文中,给出了各个卫星的健康数据,在常规处理中,可以依据这些卫星健康信息,进行卫星可用性的初步判断.

考虑到卫星信息的欺骗性,卫星导航电文发布的健康信息有可能延迟很长时间甚至虚假信息,所以不能单纯依靠单站接收到的导航电文信息进行判断.

1.2 星历数据监测

针对导航卫星被注入误差较大的星历或者历书参数等情况,可以使用历史的卫星星历参数或者历书参数,通过对历史星历数据的外推计算与当前星历数据作差,依据差值来判断导航卫星星历数据的变化的合理性,从而判断导航卫星的可用性.在具体实现时,也可以首先通过外推,计算当前接收到的卫星电文时刻的卫星位置,然后将当前接收到的星历参数或者历书参数作差,如果差值大于某个给定的阈值(对于星历参数和历书参数不同),则认为当前卫星的星历参数或者历书参数有问题,卫星不可用.

1.3 伪距测量与计算比较

接收机进行北斗、GPS、GLONASS组合定位,导航原始观测数据包括伪距、载波相位和多普勒频移.伪距指的是卫星到接收机之间的距离,由于该距离含有接收机卫星钟差等误差与噪声引起的偏差,所以称之为伪距.与载波相位观测量相比,伪距相对稳定可靠,因此伪距作为卫星异常监测的主要观测量,理论和实践均表明,伪距观测值的精度只有其码元长度的1%,达到亚米级精度,其精度可以完成卫星异常监测任务.

对于固定监测站,由于已知精确的位置参考点,因此通过伪距测量值与伪距计算值的差值来判断导航卫星的可用性.

利用卫星导航电文中的星历数据或者历书数据,计算卫星的空间位置,根据卫星空间位置和地面已知点的坐标,可以计算出地面已知点到卫星的距离值.卫星定位接收机测量的伪距值中,包含了多种误差,主要有电离层误差、对流层误差、卫星轨道误差、卫星钟差和相对论效应等多种误差[2],这些误差,大多数都可以按照严格的数学模型计算得到,从测量伪距值中扣除这些误差,就可以得到接收机(地面位置点)到卫星的测量距离.将计算得到的地面与卫星距离值和测量得到的距离值作差,根据差值绝对值的大小,可以来判断卫星导航信号的可用性.

对于固定站卫星异常监测,固定站坐标已知,卫星坐标和卫星钟差通过星历参数计算出来,对流层误差和电离层误差通过模型改正,只有接收机钟差作为未知数出现.可以对每个观测方程计算接收机钟差,如果卫星工作正常,解算出的接收机钟差应该大致相等,如果某个接收机钟差出现大的偏差,表示该卫星工作不健康.

接收机钟差包括广播星历误差、卫星钟差、对流层误差、电离层误差和伪距观测噪声.这些误差经过模型修正后,残差部分大约5 m左右.如果通过某个卫星观测方程计算出来的接收机钟差存在大于15 m的奇异值,表示该卫星伪距观测值存在异常.

1.4 接收机自主完好性监测原理

所谓接收机的自主完好性监测,就是接收机利用自身定位解算,通过冗余观测量完成对自主完备性的监测,从而为接收机实现可靠的高精度定位提供相关卫星和自身观测通道的可用性依据.

由于用户设备不是固定站点安装,不可能事先知道设备所在地点的精确位置,因此考虑两种可用性监测方法.一种是当设备架设在某个固定点后,连续定位,将各次的定位结果进行统计,给出定位结果的均值和方差.并且规定一个方差的范围,即给出方差的阈值.如果某个时间段的定位结果引起方差超过了阈值,则认为当时的导航卫星不可用.另一种是导航接收机具备自主完好性监测功能,能够给出较为准确的定位结果,然后使用与固定监测站同样的方法进行导航卫星可用性判断.

根据故障检测原理,通过不同观测量之间的冗余约束关系对最小二乘法定位结果的有效性进行判决.因此,接收机完好性监测技术是一种使用超定解来进行一致性检查的技术.可以实时利用一组同时收集的GNSS观测量,是基于观测量间的自身一致性的检查.常用的算法包括:伪距残差判决法、伪距比较、校验向量法和最大解分离法.

1.5 导航卫星临空预报原理

导航卫星临空预报是指针对用户指定的地域和时域进行卫星的临空数量、状态及DOP值估计等计算.

GNSS原始导航电文中包括了星历信息和所有导航卫星的历书数据,解析导航电文后,就可以得到某个卫星的星历数据或者所有卫星的历书数据.历书数据是导航卫星在某个时刻的等效位置数据.利用历书数据,按照一定的数学模型,就可以计算出某一段时间内的每颗导航卫星的空间位置,从而可以预知导航卫星在未来某时间段的位置分布,达到对导航卫星位置预报的目的.

2 电磁环境干扰监测技术

美国在2008年的《国家PNT结构研究最终报告》中提出了关于2025年PNT系统发展规划的19条建议,其中第二条就是:监测各种PNT信号[3],确认信号干扰并将有关干扰的信息近实时地分发.随后美国由国土安全部负责开展了GPS干扰监测与削弱(IDM)系统的建设,首先在海岸警卫队建设了IDM数据中心,收集处理和发布干扰监测信息[4].2007年8月20日,IDM计划正式获得布什总统批准,2008年1月,国土安全部签署IDM系统的执行计划.此外,欧洲和俄罗斯也正在规划各自的GNSS IDM系统[5],并已经开展了相关技术研究和大量的干扰监测试验,同时欧美之间已经实现了IDM数据中心之间的GNSS干扰信息交换.

在国内,随着导航系统的普遍应用,各种故意和非故意的干扰案例层出不穷,例如我国的通信基站曾因GPS干扰,造成移动通信系统授时中断,通信网络大面积瘫痪.与GPS类似,北斗系统面临着同样的问题.北斗系统建设以来,其运控系统面临着一些复杂电磁环境的影响,信号被干扰和信号异常时有发生.

电磁干扰分为无意和有意干扰.无意干扰包括导航信号频段同频或者邻频的境内各种干扰信号,包括电视信号、地面移动通信信号、移动卫星通信信号、航空的TACAN(塔康)和DME(测距器)等系统的无线电信号,以及其他航空无线电导航、卫星地球探测、无线电定位和雷达、卫星移动、空间研究业务等与卫星导航信号等存在频谱共用问题的一切无线电信号[6].有意干扰是指敌方故意有针对性释放的各种干扰信号,包括宽带干扰、窄带干扰、脉冲干扰和欺骗式干扰等.

2.1 干扰监测技术

2.1.1 基于GNSS导航接收机的干扰监测技术

卫星导航信号弱,极易受到干扰,以GPS信号C/A码为例,落地功率-130 dBm.通常的接收机捕获要求载噪比(C/N0)在30 dBHz左右,因此要求噪声功率谱密度为-160 dBm/Hz,意味着高于-160 dBm/Hz的噪声就对信号的捕获有干扰,在弱干扰存在的情况下,当卫星信号落地功率大于-130 dBm时接收机就能捕获信号,因此,可以基于接收机检测弱干扰.

干扰发生时,信号载噪比,信号相干积分、码伪距测量误差、载波相位测量误差、捕获和跟踪性能都会发生较明显的变化,通过对这些信息的综合监测,可以实现弱信号的检测.弱信号具有很高的隐蔽性,但是对接收机的相干积分值会产生影响,干扰强度越强,相干积分值越小,并且随着相干积分时间的延长影响越发明显,所以可以根据相关积分值的变化来提取干扰;干扰对码跟踪的影响依赖于超前相关器和滞后相关器的差分,干扰影响大小不仅取决于信号和干扰的功率谱及预相关滤波器,也取决于鉴别器设计和码跟踪环路带宽,经试验验证,弱干扰信号对码伪距和载波相位造成的误差相对较小,可以采用伪距方差的差分值和载波相位方差的差分值进行高灵敏度的干扰检测.

通过估计干扰信号的特征(包括干扰功率、类型、中心频率和带宽)对导航接收机的影响,并通过比较相关器实际输出和理论值的差别、分析比较各通道的载噪比变化、以及对各种样式干扰的存在性及其特性进行评估,可以利用接收机的观测量来检测干扰是窄带还是宽带干扰,以及估计干扰功率大小等参数.

2.1.2 基于频谱监测接收机的干扰监测技术

利用导航接收机的普通观测量进行干扰监测直接依赖于接收机对卫星信号的捕获与跟踪,基于导航接收机的干扰检测处于失锁的临界状态时可以更好地进行干扰监测,这在一定程度上限制了基于接收机的干扰监测能力.基于频谱监测接收机的干扰监测技术可以弥补这方面的不足.

基于频谱监测接收机的干扰监测是采用干扰检测与干扰识别等算法对接收到的信号进行信号处理.干扰检测主要使用的是频谱分析的方法,该方法可以提取信号的频率和功率等,干扰识别采用判决理论和模式识别方法可以判别窄带、宽带、脉冲等干扰类型,并基于调制识别方法可以进一步提高干扰信号的调制方式的识别率.此外,构建干扰源数据库,研究电磁干扰源特征匹配算法,实现干扰源的匹配确认.

2.1.3 欺骗式干扰检测技术

1)多系统验证

不同的卫星导航系统(GPS/GLONASS/BDS),很难同时进行欺骗,因此通过对比和检验,对欺骗进行分析;

2)多站验证

由于地面干扰信号作用具有区域性,因此,各个单站有可能出现对卫星可用性判别出现不一致的情况,对各个单站的判别结果进行综合的多站验证,可以对导航信号欺骗信息进行全面的分析,甚至有可能给出干扰信号的可能区域.

2.2 干扰测向技术

干扰源测向技术主要分为比幅法和比相法,比幅法又可分为最大信号法、最小信号法、幅度比较法和综合法等,比相法又可分为干涉仪测向和相关干涉仪测向等.

根据目前测向技术的成熟度与工程化程度,并结合导航系统的实际需求,最大信号法具有灵敏度高的特点,但是测向精度低,相关干涉仪法测向精度高,但是灵敏度低,由于对地面站造成影响的干扰信号的临界功率低,因此在干扰源查找与定位过程中需要将两者结合在一起,各取所长,扬长补短.

2.2.1 最大信号法测向

最大信号法测向法是利用方向性天线进行测向,该天线方向图的水平和垂直方向图在某个角度上都有最大增益点,当来波方向正对这个角度时增益最大,在其它角度上增益变小,可利用这个特性进行测向.测向时,通过改变天线位置来改变天线的最大指向,比较天线在不同方向输出的信号大小,当输出信号幅度最大时,天线主波束中心轴与来波方向一致,即来波方向.

为了提高测向精度,并消除个别误差测量的影响,需要采用同一点位的多次测向,然后进行误差点的剔除和取平均值.剔除掉超过误差门限值后,然后再对其他测向值取平均.而误差门限值根据天线的方向图特性进行设定.

2.2.2 相关干涉仪测向

与传统比幅、比相测向方法相比,相关干涉仪体制的

优势主要表现出高精度、高灵敏度和高抗扰度,从以下几个方面进行说明:

1)相关干涉仪利用大孔径天线阵,因而具有很强的抗多径失真能力;2)天线阵的孔径变大降低了白噪声的干扰,采用相关算法进行数据处理有类似积分的效果,使在很宽的频带内提高了灵敏度;第三,大孔径使相关曲线变得尖锐,这和强方向性天线避开带内干扰的效果类似,所以提高了抗带内干扰性能[7].

与空间谱估计等超分辨方法相比,相关干涉仪方法不需要对导向矢量进行遍历搜索,大幅度减小了测向时间,特别适用于实时性高的场合,并且由于空间谱采用的超分辨方法[8]都是基于理想的信号和噪声模型推导出来的,在实际应用环境中这些理想条件难以满足,性价比不高.所以,相关干涉仪体制在实际应用中较多.

相关干涉仪测向的实质是,当干扰信号在到达固定间距的天线阵列时,由于天线阵中天线阵元之间的时间差所产生的相位关系来确定干扰信号的方位[9].由于干扰信号相对于天线阵参考方向的方向角与天线阵元间信号的相位分布有对应关系,利用这种对应关系,通过比较入射的干扰信号相位分布与事前在标准场地采集到的各方位和各频率信号相位相似性得到来波方向,相似性最好的方向就是干扰源来波方向.

2.3 干扰源定位技术

干扰源定位技术主要包括:基于信号到达时间差(TDOA)测时差定位技术、基于信号到达角(AOA)测向定位技术和基于信号到达频率差(FDOA)定位技术.

由于干扰信号源落入导航系统工作频段的干扰信号大多是各种谐波、交互调与泄露信号,临界干扰功率较低.并且干扰信号受地面起伏对信号传播路径造成影响.根据实际查找干扰源的工程经验,并借鉴欧洲美国对卫星导航系统干扰源查找定位的方法,针对导航系统干扰源查找的需求,建议选择AOA中的交叉定位算法来实现干扰源定位.

实际干扰源信号监测与查找过程中,由于信号的传播路径损耗影响因素很多,受地形影响更为严重,因此接收到场强的大小并不能反映测向点距离干扰源的远近,可采用最小差距法进行多点数据的综合分析.

在“GNSS干扰监测定位系统设计与实现”文中论述的GNSS干扰监测定位系统,采用了相关干涉仪测向定位系统的设计与实现方法,具备较好的性能指标,能够满足导航干扰监测领域的干扰监测与查找的需求[10],便于工程化应用推广.

3 电离层闪烁监测技术

3.1 电离层闪烁对卫星导航接收机影响

当GNSS卫星信号传播穿越电离层时,电离层中存在的不规则结构会引起卫星信号幅度和相位的快速随机起伏变化,此种现象称为电离层闪烁.电离层闪烁将引起接收机出现误码和信号畸变,影响导航定位精度,严重时可导致接收机失锁[11].

电离层闪烁监测可通过以下几种方式为卫星导航系统提供保障:

1)通过单站电离层闪烁监测,获得电离层闪烁状态信息,便于事后分析卫星导航系统服务性能下降的原因;

2)在多监测站数据联网分析的基础上,可以获得区域电离层闪烁分布情况,为导航系统提供电离层闪烁预警服务.

3.2 电离层闪烁监测实现

电离层闪烁检测主要是获取电离层幅度闪烁指数和相位闪烁指数.幅度闪烁指数反应了信号振幅抖动的剧烈程度,相位闪烁指数反应了电离层闪烁引起的信号相位变化剧烈程度.电离层闪烁检测算法流程主要包括接收机闪烁原始数据的预处理、闪烁指数的精确计算和闪烁数据后处理(包括闪烁事件识别、闪烁谱分析、闪烁事件几何参数计算等).

闪烁数据预处理主要是对原始数据进行插值修正,为了减缓接收机噪声和环境噪声的影响,采用恒温晶振为接收机提供频率基准,降低相位噪声对相位闪烁测量的影响,在计算闪烁指数的过程中,必然会存在环境噪声,为了降低甚至消除环境中和接收机本身的噪声影响,需要对电离层闪烁指数进行修正,从而得到更为准确的电离层闪烁指数.

4 结束语

在卫星导航系统的应用过程中,系统可用性将越来越重要,卫星导航系统可用性监测主要包括卫星系统自身完好性监测、电离层闪烁监测和电磁环境监测.通过分析发现,基于可用性技术研究大多是针对系统完好性、电离层闪烁、干扰监测技术进行研究,各自独立,对卫星导航系统可用性综合监测技术还处于起步阶段,没有形成自己独立的体系,为了保障北斗系统的可靠性运行与使用,须加快这方面的研究与建设.