电力系统GNSS授时接收机抗干扰技术研究

傅 宁，范金锋，杨 芳，许大卫

(1.国网思极神往位置服务(北京)有限公司，北京 102211；2.国家电网有限公司，北京 100031)

0 引言

高精度授时是电力系统正常运行的基础，其正常与否关系着国计民生。基于GNSS授时终端设备实现电力系统的精确时间同步，对于电力系统运行的稳定性、安全性和可靠性至关重要。电力系统是与时间频率密切相关的大工业系统，系统内的电压、电流和相角等变化量，都与时间紧密相关。智能电网技术的不断进步，使得对时间频率的需求越来越广泛，精度需求也越来越高。2009年以来，国家逐步确立了“天地互备，以北斗为主的电力授时体系”，并推动制定了系列电力系统北斗卫星授时应用的相关标准。目前，全国已累计装备数万套基于北斗授时的时间同步设备，逐步取代了GPS成为电力系统主用的时间源[1]。然而卫星信号具有先天的脆弱性，由于采用无线电传播测距体制，导致其信号易受阻挡和干扰，甚至欺骗，一个价值29美元的设备就可以对GPS信号进行阻塞甚至欺骗[2]。2008年英国政府测试使用2个低成本干扰器阻塞了北海30 km范围内的GPS信号[3]。因此，开展电力系统GNSS授时接收机的干扰技术研究，并提出针对性的处理策略，对于提升系统授时的安全性和可靠性，保障电网正常运行具有非常重要的作用。本文重点从技术角度分析了电力系统时间同步设备可能面临的干扰威胁，包括压制式干扰和欺骗式干扰，阐述了干扰原理和对授时精度的主要影响。提出了对GNSS授时干扰的应对手段，包括接收机抗干扰设计、自主时间保持能力提升以及弹性授时技术的引入。

1 电力系统GNSS授时应用现状与特点分析

电力系统对时间频率的需求主要包括以下几个方面[4]：

① 系统运行状态参数监测。通过相量测量装置(PMU)测量相角，评估发电机是否失步；

② 故障定位与分析。基于行波故障测距方法，快速准确定位高压线路的故障点，使故障及时得到处理；

③ 监控数据采集与SOE时间标记。电力系统通常采用时间顺序记录(SOE)来确定电力故障的先后，SOE系统时间正确性、准确度和分辨率是电力系统自动化的重要指标；

④ 电力通信网频率同步。在电力通信网中，以频率和相位同步的SDH数字同步网，已经成为电力通信网的必要组成部分，其各级时钟源是基于GNSS授时技术建立时间体系。

⑤ 电网对时间同步精度的需求如表1所示。

表1 电网对时间同步精度需求

Tab.1Requirementsfortimesynchronizationofpower

system

业务系统信号类型时钟精度线路行波故障、测距装置秒脉冲及时间报文1 μs雷电定位系统秒脉冲及时间报文1 μs功角测量系统秒脉冲及时间报文40 μs故障录波器时间编码(IRIG-B)或秒脉冲及时间报文1 ms事件顺序记录装置时间编码(IRIG-B)或秒脉冲及时间报文1 ms各级调度自动化系统时间编码(IRIG-B)或秒脉冲及时间报文1 ms变电站监控系统时间编码(IRIG-B)或秒脉冲及时间报文1 ms自动记录仪表时间编码(IRIG-B)或秒脉冲及时间报文10 ms

从表1中可以分析出电力系统GNSS授时应用的主要特点：

① 时间频率应用极为广泛。在系统的监视控制、故障分析及数据通信等等各个业务环节，都需要时间频率系统和信号的支撑。

② 时间频率精度需求较高。系统对时间频率的精度需求最高达到了微秒量级，因此在电力系统的时间同步系统中必须依靠GNSS授时发挥骨干支撑作用。

③ 对时间频率可靠性、连续性要求高。电网授时系统即使存在瞬时不同步，也将会对智能电网运行造成危害，甚至威胁生产安全，引发跳闸等严重后果。

2 电力系统GNSS授时干扰技术手段

考虑到电力系统在现代社会中不可或缺的重要作用，在敌我对抗时容易成为敌方攻击的首要目标。而实施攻击的重要手段之一就是对电力系统的时频信号进行攻击。2012年美国在白沙导弹试验场实施了针对智能电网的GNSS授时设备干扰试验，在不需要与电网发生直接物理连接的情况下，攻击者利用GPS信号欺骗器在10 min之内控制了PMU的授时单元，并且在30 min之内导致了系统时间出现1 μs偏差，且过程中未触发系统报警[4]。

电力系统中时间频率系统可能遭受到的干扰主要针对GNSS授时终端设备，根据干扰实施方式的不同，大致可分为压制式干扰和欺骗式干扰2种。

2.1 压制式干扰

压制性干扰是指用干扰机发射某种干扰信号，以某种方式遮蔽敌方信号频谱，使敌方接收机降低或完全失去正常工作能力。压制式干扰又可分为3种[5-7]：

2.孵化器的核心竞争力集中表现在“专业的技术服务平台”和“服务团队整体素质高、能力强”。调查显示，孵化器企业对自己的竞争力判断，以专业的技术服务平台作为核心竞争力的孵化器企业占92%，以服务团队整体素质高、能力强为核心竞争力的占84%，有36%的孵化器企业以在孵企业凝聚力强和独特的区域环境作为自身的核心竞争力，以先进的孵化器文化、优秀的经营者、其他等作为核心竞争力的分别占24%、16%、8%。

① 瞄准式干扰。瞄准式干扰通过采用频率瞄准技术，使干扰载频精确对准信号载频，针对特定码型的卫星信号实施干扰，使该信号在一定区域内失效。

② 阻塞式干扰。阻塞式干扰的基本方式是采用一部干扰机扰乱该地域出现的所有GNSS卫星信号。按照技术路线分为单频干扰和宽带均匀频谱干扰等方式，其中效果较好的是宽带均匀频谱干扰体制[8]。在此体制下，干扰机产生的干扰信号大部分能够通过接收机窄带滤波器而不被过滤掉，因而可以产生较好的干扰效果。

③ 相关式干扰。通过设计产生与GNSS信号的伪码序列有较大相关性的干扰信号，对导航信号实施干扰。与瞄准式和阻塞式干扰相比，它有较多的能量可以通过接收机窄带滤波器，因此，可以以较小的功率实现与其他方式相当的有效干扰。

2.2 欺骗式干扰

欺骗式干扰是采用与导航卫星相似的虚假信号作为干扰信号，利用良好的隐蔽性特点，欺骗接收机捕获并跟踪虚假信号，并得到错误的解算结果。当接收机已经跟踪上正确的卫星信号时，由伪随机扩谱码的性质可知，这时欺骗信号经过码同步后的扩谱解扩，幅度会被大大衰减，将难以跟踪回路。因此，为了使接收机的跟踪回路锁定到欺骗信号上，必须将接收机原先建立的正确锁定去除。

欺骗干扰可分为产生式干扰和转发式干扰2种[9-10]：

① 产生式干扰即由干扰设备产生与GNSS系统相同的导航信号，达到欺骗接收机并产生错误解算结果的目的。产生式欺骗需要获取目标信号的码型及同步的卫星星历和广播电文参数，对于特性未知的加密码型信号的干扰难度较大。

② 转发式干扰如图1所示，是干扰设备接收到GNSS信号后转发出去，构成一个虚假信号。这种方式主要利用信号的附加时延，不需要产生高逼真信号，技术上相对容易实现，难点主要在于从较低信噪比的原始导航信号中提取解析出信号并进行放大，同时要减少信号畸变。

图1 转发式干扰实施原理图Fig.1 Principle of implement of forwarding interference

各类干扰手段对GNSS授时的影响具有显著的差异。压制式干扰若程度较轻，对授时精度的影响较小，可以忽略；若信号强度极大，导致GNSS失锁，则GNSS授时直接中断，用户无法获得外部时间。而欺骗式干扰则比较复杂，采用转发式干扰时，由于引入了附加时延，直接导致伪距观测量增大，时差解算结果出现偏差，并导致用户获取时间出现明显跳跃。采用产生式干扰，除了时延的变化，也可修改导航电文，导致传播时延修正计算错误，影响用户定时结果。

3 GNSS授时抗干扰技术

(1) 对授时设备进行抗干扰设计

① 在硬件上进行改进：通过采用阵列天线技术，通过对信号源进行到达角度的测定，根据角度变化特征确定是否接收到干扰信号，也可采用联合时空自适应技术[11-12]，在阵元数固定的前提下，增加阵列自由度，通过调整天线阵元的空域和时域响应，补偿中频和射频，加深零点深度和增强宽带抗干扰能力。

② 对授时设备的模型和算法进一步优化：可通过增强授时设备自主完好性监测技术的研究设计和实现[13]。授时设备自主完好性监测的主要判据可以采用卫星钟、地面时标变化特征，传播环境时延变化特征等，建立基于已知观测量的时变数学模型，开展实时观测分析评估。进一步升级信号解析算法。根据信号的强度、卫星钟时差、信号传播时延等等观测量，通过构建冗余观测量矩阵，基于算法实现对真实信号与干扰信号的甄别；

(2) 提高授时设备的自主时间保持能力

① 由于GNSS本身具有脆弱性，不能完全依赖外部时间信号，例如GNSS授时作为唯一的时间获取手段。因此应当根据节点的时间精度需求，在授时设备中配备GNSS驯服的铯原子钟、铷原子钟或者芯片原子钟，在GNSS系统信号受到压制中断时，利用本地时钟源进行自主的时间保持。

② 对授时设备的自主保持能力研究重点还需关注原子钟的频率驾驭策略、原子钟实时信号切换算法。在没有外界干扰和存在外界干扰2种工作模式下，原子钟的控制策略存在显著差别：没有外界干扰时，系统通过GNSS时间对本地时钟源进行连续的频率驾驭，保证时钟的时间偏差稳定；一旦识别到外界干扰后，系统能够进行快速、无缝切换，确保输出时间和频率信号的可靠、稳定。

(3) 采用弹性授时技术[14-16]

目前，除了GNSS授时以外，还可以通过长短波、网络NTP和PTP等方式获得精确时间，因此，可以综合利用GNSS卫星授时、长短波授时以及地面网(NTP或PTP)等手段，实现星基与地基授时相结合、有线与无线相结合的多层次授时网，确保授时信号的多源、冗余。而接收机在获取多源授时结果，并与本地时钟进行数据融合，利用卡尔曼滤波、神经网络等算法判定授时结果的可信性，给出融合授时结果。

4 结束语

电力系统对于时间的要求不仅仅是准确，更要连续、稳定和可靠，因此单纯依靠普通的GNSS授时设备越来越难以满足用时安全性的要求，必须通过抗干扰授时设备的研制，配备新型抗干扰天线和具备干扰解析判别能力的处理芯片，采用弹性授时策略提高系统时间源冗余度，解决系统自身的抗干扰防欺骗问题，提高系统用时的安全性。