GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估技术

邹云飞，杨军平，王豪琛，刘 鹏,2

(1.青岛市光电工程技术研究院，青岛 266109；2.青岛科技大学信息科学技术学院，青岛 266061)

0 引言

复杂电磁环境是指由频域、时域、空域与能量域分布的多类型、全频谱、高密度、动态交迭的电磁辐射(或信号发射)，经耦合、传导或再辐射、波传播等途径所构成的给定场所或环境。简言之，复杂电磁环境为电磁辐射源集合(包括人为电磁辐射和自然电磁辐射)与电波传播环境相互作用的总和。其对全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)安全性的影响主要体现在电磁干扰环境和空间电波环境两方面[1]。

电磁干扰环境是指引起GNSS性能降低的各种电磁干扰信号，由于受GNSS自身设计限制，信号到地功率低，易受各种非故意干扰信号与人为故意干扰信号的影响[2-3]；空间电波环境是指影响卫星信号传播环境要素的总称，由于GNSS工作于L频段，易受电离层异常尤其是电离层闪烁的影响[4-5]。

在人为故意干扰方面，在海湾战争和阿富汗战争中，曾多次发生干扰使精确制导武器出现偏离预定航线、误炸目标的情况[6]。据报道，2011—2012年，伊朗采用欺骗的方式多次捕获美国的无人机；2017年，俄罗斯驻叙利亚赫梅米姆空军基地通过发射欺骗干扰信号避免了无人机蜂群的袭击[7-8]。

在非故意干扰方面，2002年,美国道格拉斯的一台摄像机由于安装失误引起了1km范围内全球定位系统(Global Positioning System，GPS)信号的失效[9]。2012年，光平方公司推出的 4G LTE 无线宽带网的地面基站对GPS导航接收机和设备造成严重干扰[10-11]。此外，我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)也多次监测到受到无意干扰的情况。

在电离层方面[12]，2003年，因太阳风暴的影响美国广域增强系统的服务曾中断30h。我国在电离层高发期多次观测到电离层闪烁导致GNSS信号失锁。

因此，针对复杂电磁环境的监测分析与评估是GNSS应用中需要重点关注的领域之一。目前，国内外相关机构针对GNSS复杂电磁环境监测开展了多项研究，完成了多个系统的开发。

国外对复杂电磁环境的监测与测向技术开展了深入研究，美国和欧洲都在研究利用卫星信号信息与电磁干扰信息实现对电磁干扰环境的综合监测，以准确地分析GNSS受复杂电磁环境影响的原因,如图1所示。美国海军空间与海战系统中心主持开发的机载GPS干扰源定位系统，基于短基线干涉仪测向体制，采用高灵敏度、快速扫描接收机实现对干扰源的监测和精确测向。GPS Silicon Valley和加拿大NovAtel公司研制了电离层闪烁监测接收机以辅助复杂电磁环境的监测[13]。英国Chrono.Technology公司研制的手持式GPS干扰监测机CTL3500，能够检测L1频段内的GPS信号、非GPS信号和干扰信号[14]。

图1 国外卫星信号和干扰信号联合监测设备

在复杂电磁环境分析与评估方面，美国开发的全球定位系统干扰和导航工具(GPS Interference and Navigation Tool, GIANT)可对GPS干扰环境和干扰效果进行评估和仿真。另外，美国的定位、导航和授时(Positioning, Navigation,and Timing，PNT)计划、Patriot Watch系统以及欧洲的JIMS系统都开展了一系列的复杂电磁环境分析评估与表征的工作[15]。

由于Galileo系统的频段与GPS存在重合问题，Galileo系统在建设过程中非常重视其电磁环境的监测,包括启动Galileo电磁环境测量计划、开发Galileo干扰管理系统，以及对Galileo欧洲区域的电磁环境进行实地测量[16]。

我国在GNSS复杂电磁环境监测研究起步较晚，随着我国北斗全球卫星导航系统的建成和运行，在此期间也开展了GNSS复杂电磁环境监测方面的理论研究与工程研究工作，取得了一定的成果。

国防科技大学、航天五院503所、中电科20所等科研单位对GNSS复杂电磁环境监测技术进行了研究，积累了一些关键技术。另外，中电科5所、22所、54所以及青岛光电院等单位也在工程化方面做出了一些具体成果。

目前已经建设的通用或专用的无线电监测设备，其工作频率范围虽然可以覆盖GNSS的主要工作频段，但通用设备仍存在以下不足：未充分考虑弱信号监测测向的解决方法与流程；在电磁干扰信号与导航信号联合监测方面存在不足；在复杂电磁环境影响效应分析评估方面存在欠缺和不足。

综上，为进一步研究GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估技术可指导设备的研发，本文重点介绍了一种GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估技术和设备，并对设备的基本工作原理和流程进行了介绍，为我国专用型GNSS复杂电磁环境监测保障设备工程化起到促进作用。

1 GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估技术

基于GNSS复杂电磁环境监测保障的需求，本文研制了GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估设备，设备集成了电磁频谱监测单元、卫星信号监测接收单元和综合数据分析处理终端，具体设备组成如图2所示。设备通过专用信道化监测、比幅与比相联合测向、卫星导航信号和电磁干扰信号综合分析以及GNSS复杂电磁环境影响效应分析评估，实现对GNSS复杂电磁环境的综合监测分析与评估。为促进我国专用型GNSS复杂电磁环境监测测向与分析评估设备领域发展起到抛砖引玉的作用。

图2 GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估设备

1.1 专用信道化监测分析与比幅比相联合测向技术

GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估设备为了更好地实现对GNSS复杂电磁环境的监测保障，在软件界面设计方面，采用专用信道化监测分析技术，结合硬件设备，可以实现对某一组或多组GNSS信号的分段、联合监测，具体软件界面如图3所示。

图3 GNSS频段信道化监测

为了直观地表示出目标GNSS频段内存在的干扰信号特征量，以及分析统计某一目标干扰信号可能影响的GNSS频段信息，为GNSS复杂电磁环境影响效应评估提供基础数据支撑，软件还采用图形与报表的方式对GNSS复杂电磁环境进行展示，具体界面如图4所示。

图4 软件频谱图与报表图

比幅法测向的基本原理是根据测向天线接收的入射信号幅度来确定入射信号的到达角。其优点是测向范围大、无测向模糊、具有一定的同时信号处理能力，测量速度快、技术较为成熟，成本低。缺点是对天线的振幅方向图一致性要求较高，测向精度不高[17]。

比相法测向的基本原理是通过测量空间来波信号在接收天线上形成的相位差来确定来波信号的到达角。其优点是在合理天线阵元布局、基线长度比、相位测量误差等限定条件下，测向范围较大，测向精度高。缺点是对天线阵元和接收信道的相位一致性要求较高[18]。

因此，为了提升弱信号的测向能力，采用比幅与比相联合测向技术，比幅法采用最大信号法测向技术。最大信号法由于采用高增益天线，因此系统灵敏度高，可满足弱小信号的监测测向需求，但测向精度低；比相法采用相关干涉仪测向技术，相关干涉仪测向由于采用全向天线单元，因此系统灵敏度低，但测向精度高，测向速度快。

比幅与比相联合测向技术的实现流程如下：

1)首先采用最大信号法获得干扰信号的粗角度；

2)采用逐步逼近的方式，利用相关干涉仪测向获得干扰信号的准确到达角。

通过合理的软硬件设计与算法设计，既满足高灵敏度监测的要求，又满足高精度测向的要求，具体界面如图5所示。

图5 比幅与比相联合测向图

在青岛某区域进行了演示验证，通过搭建试验环境，获取大量测试试验数据，并对数据进行统计分析，以验证比幅比相联合测向技术的有效性。

在该试验中，干扰源相对监测测向设备实际方位为30°，两者之间间隔2km，利用最大信号法获取该干扰源信号的粗角度，数据如表1所示；朝向信号的粗角度逼近，在1km处利用相关干涉仪法对干扰源信号进行精准测向，数据如表2所示。

表1 比幅测向数据

表2 比相测向数据

大量试验数据分析证明，采用比幅比相联合测向技术可以有效地提升弱信号的测向能力，实现测向精度≤2°(RMS))的指标要求。

1.2 卫星导航信号和电磁干扰信号综合分析技术

卫星导航信号和电磁干扰信号综合分析技术通过综合分析卫星导航信号和电磁干扰信号，实现对卫星信号及其闪烁信息、电磁干扰信息的共同监测，对电磁干扰数据、卫星导航数据和电离层闪烁数据进行多元信息融合分析，显著提升了弱信号监测能力，为GNSS复杂电磁环境分析与评估提供了更准确的数据与分析结果。

1)电磁干扰信号的监测、分析与识别。通过对电磁干扰信号的时域、频域、空域、调制特征和调制参数等进行监测、分析、识别，分析电磁干扰信号特征量，与基础信号数据库信号特征量进行对比，快速识别干扰信号的特征与可能辐射源，并做出快速灵活准确的反应；若是未知信号，对其信号特征进行分析建模，建立干扰信号频谱模板，进行特征入库，形成干扰数据库。

2)卫星信号状态信息监测、分析与判断。通过分析卫星信号信息，包括载噪比信息、信号幅度信息、信号相位信息、卫星星历信息、伪距信息、时间信息和位置信息等，判断卫星是否受到压制干扰和欺骗干扰的影响，以辅助对电磁干扰信号进行监测。

3)闪烁对不同GNSS的影响分析。卫星信号闪烁是指穿越电离层的无线电信号由于电离层不均匀体引起的幅度衰落、信道信噪比下降以及误码率上升。通过分析卫星信号信息得到电离层影响的幅度闪烁指数与相位闪烁指数，从而进一步分析电离层闪烁对GNSS信号信道的影响。

4)多元信息的融合分析，基于上述结果采用多元信息融合算法，实现数据信息融合，得到准确有效的融合分析结果。找出影响原因，并指导采取相对应的对策措施。

卫星导航信号和电磁干扰信号综合分析技术结构图如图6所示。

图6 卫星导航信号和电磁干扰信号综合分析技术结构图

通过分析测试采用的GNSS接收机在GPS L1和BDS2 B1频段的临界干扰功率，可得临界干扰功率约为-90dBm～-100dBm。

在青岛某区域利用GNSS多功能干扰信号发生器(干扰源)、GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估设备(监测设备)等搭建验证试验场景。干扰源与监测设备之间的距离为1km，满足开阔场条件，GPS L1干扰信号发射功率为16dBm，BDS2 B1干扰信号发射功率为6dBm，干扰信号分别设置为点频干扰、调频干扰和白噪声干扰。监测天线采用增益约为0dBi的相关干涉仪天线和增益约为12dBi的比幅测向天线，监测设备监测灵敏度约为-110dBm/kHz。

分别对GPS L1和BDS2 B1在不同干扰调制信号和干扰功率下进行测试并分析测试数据，结论如表3和表4所示。

在表3和表4中，第一行表示相关干涉仪天线信号检测情况，第二行表示比幅测向天线信号检测情况，第三行表示GNSS接收机状态;√表示发现干扰信号,×表示未发现干扰信号,*表示临界，干扰信号超出本底噪声约2dB包络。

表3 GPS L1测试

表4 BDS B1测试

利用实际设备测试发现，同一频率干扰信号在选择白噪声干扰与点频、调频干扰相比，干扰信号幅度下降约10dB。通过验证试验发现，在干扰信号较小时，引起了接收机载噪比变化，但存在监测设备不能准确检测到干扰信号的现象。

因此，通过综合分析电磁干扰信号和卫星导航信号两种干扰监测结论互为补充，可以大大降低干扰误报、漏报事件的发生，还有利于GNSS复杂电磁环境影响效应的分析与影响结果的表征。

1.3 GNSS复杂电磁环境影响效应评估技术

通过研究符合ITU标准的GNSS影响效应评估准则，进行电磁环境影响效应理论计算和效应分析，为GNSS复杂电磁环境影响效应评估提供技术支撑[19]。

1)GNSS影响效应评估准则

设备根据不同的评估要求，选择确定合适的评估准则，进行GNSS影响效应评估，例如：

载干比准则或信干比准则，反映电磁环境对GNSS链路的影响程度。其中载干比是有用信号功率和噪声功率的比值。

误码率准则，考虑到GNSS链路系统本身的编码和调制方式等，能够较准确地反映电磁环境对GNSS链路系统性能的影响。

2)电磁环境影响效应理论计算

依据干扰信号的功率、带宽、中心频率与调制方式等参数，结合GNSS信号的相关设计参数以及信号接收过程中采用的典型抗干扰算法，进行电磁环境影响效果的理论计算。对干扰源的影响情况从空域、时域与频域三维进行显示，空域显示干扰源的可能影响区域(以某个准则)，时域显示干扰源的时间分布特点，频域显示干扰源的自身频域分布及其落入GNSS频段的干扰信号频域分布。

3)效应分析

效应分析主要考虑互调分析和电波传播分析两方面。

互调分析，自动计算扫描出的信号二阶或三阶互调，判别信号之间是否会产生干扰，对某一受干扰信号或预指配频率，考虑各种互调类型，并基于传播模型与互调门限电平，计算出对其可能产生互调干扰的各种频率组合，并自动生成报告。

电波传播分析，通过研究不同环境下的电波传播理论，建立不同的电波传播算法模型，调用相关的传播模型算法进行GNSS复杂电磁环境影响预测，包括区域覆盖和覆盖等值线计算等。分析计算结果在电子地图上进行显示，并以不同的颜色表示影响程度。

在某区域利用GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估设备进行干扰信号的影响效应评估试验。采用载干比准则结合干扰信号的功率、带宽、中心频率进行电磁环境影响效应的理论计算，并结合电波传播模型进行电磁环境影响态势显示，态势图如图7所示。利用实测数据，结合理论分析结果对该干扰信号可能影响的范围以及影响程度进行分析显示。

图7 电磁影响态势

2 应用前景

GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估技术创新性地提出了卫星导航信号和电磁干扰信号的联合监测，实现了电磁干扰数据、卫星导航数据与电离层闪烁数据的多元信息融合分析，实现了多功能一体化。

设备目前已经应用于中国科学院海洋大科学研究中心的海上电磁环境监测保障项目，对北斗海洋电磁环境进行监测保障。这一设备也可广泛应用于空军场站(包括陆航及无人机地面站)、海军战舰及码头、火箭军发射阵地、武器装备实验基地、部队驻地及指挥中心等关键敏感区域的卫星导航电磁环境管理，以及民航机场通信导航用频保障、电力系统导航授时安全监测保障、金融交易场所导航授时安全监测保障等方面。

3 结论

随着我国北斗全球卫星导航系统的全面建成，针对北斗的电磁环境监测保障成为了其当前发展面临的一个重要课题。

本文开发的GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估设备提升了弱干扰信号检测能力，大大降低了干扰误报、漏报事件的发生；解决了压制干扰、欺骗干扰和电离层闪烁综合监测的问题；弥补了现有通用设备在弱信号监测测向、电磁干扰信号与导航信号联合监测，以及在复杂电磁环境影响效应分析评估方面存在的欠缺和不足。

GNSS复杂电磁环境综合监测测向与分析评估设备可以为要地、重点区域电磁频谱保障，重点频段电磁频谱监测等方面提供技术支持；可以为我国北斗卫星导航系统提供常态化的监测服务，为北斗卫星导航系统的全球化发展提供数据支撑。