GPS导航对抗数据质量特征实例分析

陈新东，蔡 鹏，高大远，朱海荣，王 超

(海军潜艇学院，山东 青岛 266000)

0 引 言

导航对抗，旨在削弱或者破坏敌方无线电导航系统的使用效能和保护己方无线电导航系统的有效使用。从提出导航对抗开始，各方机构相继展开对导航对抗的应用研究[1]。李正军等人研究了GNSS框架下导航信息对抗方案和需要解决的关键技术问题[2]；郭强分析了美国等军事强国导航战的常用技术路线和作战手段，研究了提升卫星导航系统地面监测站抗干扰能力的方法[3]。刘富等人提出包括导航战进攻、防御和侦察在内的卫星导航对抗能力框架，以美国、俄罗斯和其他国家的导航对抗能力为例，分析导航对抗的发展趋势[4]，这些研究都只是停留在概念定义层面，并未对导航对抗实测数据做出仿真分析，因此，文章利用美英法对叙利亚进行空袭的这一战争实例，通过实测数据仿真分析了空袭期间叙利亚周边4个典型地面观测站的GPS信号数据质量变化情况，通过信噪比、卫星可见数、精度衰减因子与定位误差这4种评估指标对 GPS卫星信号的干扰进行了评估，分析出了4个地面观测站观测数据的四项指标在空袭期间的数据质量特征，以便为将来我军导航战提供数据分析方法。

1 评估内容和方法

1.1 精度衰减因子(DOP)值

卫星的空间几何分布可通过卫星星座和观测站的位置计算得到，一般可以用精度衰减因子来表示。DOP值与卫星星座的位置、卫星可见数、空间卫星的几何分布有关，包括几何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、高程精度因子(VDOP)、时间精度因子(TDOP)等，其中,GDOP是衡量一个定位系统精度的重要标准之一，一般情况下，GDOP的数值越大，所代表的单位矢量形体体积越小，此时的GDOP会导致定位精度变差。PDOP值直接反映卫星空间几何分布对定位精度的影响，PDOP值越小，空间几何分布强度越好，定位精度就越高[5]。PDOP值与卫星信号的强弱、接收机良好或者损坏无关[6]。通常，采用GPS卫星进行精确定位时，PDOP值≤4产生最佳位置，5～7可以接受[7]，表示卫星几何分布良好。

1.2 信噪比(SNR)

信噪比是指接收的载波信号强度与噪声强度的比值[8]。接收机载噪比通常可表示为C/N，即以1 Hz带宽为参考的信噪比S/N。卫星导航信号为弱信号，当GPSC/A码输入功率为额定度功率-130 dB时，接收机载噪比约为44 dB/Hz，输入功率小于额定度功率或卫星信号受到遮挡，信噪比值会相应降低，不利于信号检测。信噪比可用于比较不同信道和卫星间的信号强度，评估环境干扰的影响。

1.3 卫星可见数

卫星可见数是指接收机在一定的高度角下能够观测到的卫星个数。卫星的可用性与空间分布直接影响定位的精度，对于单个定位系统而言，至少需要4颗可见的卫星才可以实现定位。研究卫星可见性，对于卫星导航对抗技术的研究有支撑作用。一般条件下，卫星可见数减少，就会影响导航定位解算，从而直接影响导航性能[9]。

1.4 定位误差

定位误差是接收机用户最重要的定位指标，利用定位误差可以直接分析出信号被干扰的效果。

2 实例分析

选取距离叙利亚最近的4个地面观测站bshm、drag、ramo和nico，如图1所示，从IGS(International GNSS Service)网站上下载这4个地面观测站采样间隔为30 s的GPS观测文件等数据，采用2018年4月12日0时0分0秒～2018年4月15日24时0分0秒共4 d实验数据进行伪距单点定位实验分析，采用GPS的服务信号为L1C/A。基于日本东京海洋大学的TomojiTakasu研发的开源软件RTKLIB，得到4个站的卫星可见数、信噪比、PDOP和定位精度等数据。

图1 地面观测站分布

图2、图3、图4和图5是4个地面跟踪站在空袭这几天GDOP值和PDOP值的变化特征。

图2 bshm观测站

图3 drag观测站

图4 ramo观测站

图5 nico观测站

从图2可以看出，BSHM站在12日20∶00点左右，13日3∶00和6∶00左右，15日19∶00左右，GDOP值和PDOP值异常突变，卫星几何分布不佳，即使收到超过四颗以上卫星数，也不能有效的进行定位。从图3、图4和图5中可以看出drag、ramo和nico 3个地面观测站在观测期间，GDOP值和PDOP值均小于6，但是drag地面观测站在12日9∶00和14号6∶00前后DOP值缺失，其他两观测站数据无缺失，卫星跟踪比较正常。

图6～图9是4个地面观测站在叙利亚被空袭期间L1C/A信号质量的变化特征。通过观察上述4个地面观测站空袭前后时间段信噪比的特征图，可以得到bshm观测站在12日8∶30前后和13日03∶00与06∶00时间前后仿真图形存在明显的缺口，信噪比有显著的降低，表明这个时间段受到了比较强的干扰，其他时间段信噪比也有细微的下降，表明此时也有比较弱的干扰;drag观测站在12日9∶10和14号6∶00前后信噪比仿真图形有缺失，表明GPS信号出现数据中断现象；ramo观测站及nico观测站在这几天信噪比相对来说比较正常，没有明显的异常。

图6 bshm观测站L1频段信噪比

图7 drag观测站L1频段信噪比

图8 ramo观测站L1频段信噪比

图9 nico观测站L1频段信噪比

图10、图11、图12和图13是4个地面观测站在空袭期间卫星可见数的变化特征。图14和图15分别是bshm观测站在12日20点27分30秒和13号的05点52分30秒的天空视图。

图10 bshm观测站卫星可见数

图11 drag观测站卫星可见数

图12 ramo观测站卫星可见数

图13 nico观测站卫星可见数

图14 bshm观测站(20点27分30秒)天空视图

图15 bshm观测站(05点52分30秒)天空视图

根据卫星可见数的观测情况可以看出，ramo观测站和nico观测站在空袭期间卫星信号比较正常，能够满足定位要求，而bshm观测站则在12日20∶30分左右和13号06∶00左右，跟踪到的卫星数目很少，无法进行定位，从图14和图15也能够清楚地观察到，在4月12号20点27分30秒，共收到G27和G10共2颗GPS导航卫星;而在13号05点52分30秒时刻，仅收到G09 1颗GPS导航卫星，说明此时受到了比较强烈的导航干扰，地面观测站已经无法正常跟踪卫星信号。drag观测站在12日09∶10和14号06∶00前后直接无法接收到卫星信号，说明导航干扰对GPS信号定位产生了影响。

图16、图17、图18和图19是4个地面观测站在空袭期间东、北、天3个方向定位误差的变化特征。

图16 bshm观测站

图17 drag观测站

图18 ramo观测站

图19 nico观测站

从定位误差图中可以看出bshm观测站在12日03∶30前后GPS信号出现数据中断现象，20∶30前后、13日3∶00和6∶00前后等时间段定位误差较大，无法进行定位。而drag观测站、ramo观测站和nico观测站也出现了数据中断现象。例如，drag观测站在12日09∶10和14号06∶00前后出现数据中断现象，但是卫星信号基本正常。

3 结 论

通过在IGS网站下载观测站数据，利用RTKLIB软件对空袭期间叙利亚附近四个地面观测站GPS信号变化特征进行分析和处理，可以得到以下结论：

(1) 叙利亚周边的bshm观测站受到了明显的导航干扰；drag观测站、ramo观测站和nico观测站在某些时间段也受到了导航干扰，造成数据丢失，由此可以推测美对叙利亚空袭期间，GPS导航信号在局部地区受到干扰，导致叙利亚地区部分时段和部分区域的GPS信号无法正常使用。

(2) 空袭期间有多个时间段GPS信号受到了严重的干扰，导致信噪比降低，卫星可见数减少，DOP增大，定位误差增大，定位精度降低。

(3) 通过对GPS导航对抗数据质量特征实例分析研究，可以得出利用信噪比、卫星可见数、精度衰减因子和定位误差等评价指标来分析GPS导航对抗数据质量特征的可行性。此评估内容和方法可以为未来导航对抗提供参考标准。