北斗/GPS双模导航测风失效原因及应对措施

李建程，张留成

(63601部队，酒泉 732750)

0 引言

北斗/GPS双模导航测风，是一种与探空气球、探空仪配合完成各高度风向和风速探测的方法。随探空气球升空的探空仪中安装北斗/GPS双模导航定位模块，使用探空仪上的小型发射机将导航定位数据发送到地面，由地面天线和接收机接收，经计算机处理后刻画出探空气球的运动轨迹并计算得出各高度风向和风速，称为导航测风。探空仪中还可以增加气温、气压和湿度等传感器，同步完成各高度气温、气压和湿度探测，称为探空。与传统探空雷达跟踪体制相比，导航测风具有结构简单、集成度高和自动化程度高等优点，但在实际测风实践中会偶尔发生测风失效问题。

1 频点分布

1.1 导航定位频点

根据公开信息和相关国家标准，可以查询到北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略等各种卫星导航定位系统使用的频点。国内的导航测风设备主要使用北斗和GPS卫星导航定位系统，可以使用其中一种，也可以同时使用两种。

1.1.1 北斗导航

表1为北斗卫星导航[1-4]定位系统使用的频点。

1.1.2 GPS导航

表2为GPS卫星导航定位系统使用的频点。

表1 北斗卫星导航系统频点分布

表2 GPS卫星导航系统频点分布

1.2 数据传输频点

根据市场调研，国内主流导航测风系统数据传输使用P波段中的400.00～406.00 MHz，个别产品定制化为L波段中的1，675.00～1，683.00 MHz，均为气象设备占用的传统频段，但是发射功率均不大于200 mW。采用小功率发射机，一方面降低供电电池和发射机尺寸以降低成本；另一方面降低不同站点同时工作产生干扰的概率。每个探空仪生产时即在相应频段上选取1个固定频点，出厂后一般不再变化，测风前在地面软件上选取与探空仪一致的接收频点。

2 导航定位失效原因分析

在导航测风过程中，探空仪的空间位置通过卫星导航定位系统直接得出。根据卫星导航定位的原理和信息流向，常见的失效原因可以从系统硬件和通信链路进行分析。作为普通用户，一旦出现导航定位失效，一般难以自行处理，对导航测风影响极大。

2.1 卫星导航定位系统故障

2.1.1 卫星、主站等关键设备受损

该失效模式极为罕见，一旦出现即导致卫星导航定位系统性能大幅劣化甚至停止服务，此种故障模式下，导航测风将彻底失效。

2019年7月伽利略卫星导航定位系统发生了严重的服务中断事故，所有备份手段失效。根据事后发布的调查结果，此次技术故障出现在伽利略系统的两个地面控制中心，导致系统中断服务数天[5]。

2.1.2 用户导航定位模块故障

该失效模式在实际测风过程中较少出现，一般认为是偶发问题。可分为两种情况：一是测风开始前的调试检查阶段；二是测风开始后的空中飞行阶段。第一种情况可以及时发现并通过更换探空仪解决，不会对测风造成影响。第二种情况一旦发生基本无法挽回，特别是数分钟以上的定位失效时，相应高度的测风结果不可信或者直接导致测风终止。在实际测风实践中，以上两种情况均有发生。

2.2 5G基站干扰

北斗信号落地功率很低具有脆弱性，导致北斗系统链路受影响的事件经常发生。由于北斗用于导航定位服务的信号位于L频段与5G的FR1的某些频段距离很近，且位于地面的5G信号功率很高，因此二者的兼容性问题应当引起重视。

西安电子科技大学张森豪针对北斗与5G的兼容性研究给出了如下结论：在特殊条件下，即距离小型基站小于4 m或距离中等基站小于20 m、基站辐射功率又很高时，到达北斗接收机的5G信号会达到参考值-45 dBW及以上，导致兼容性问题产生[6]。测风过程中探空仪升速达340～400 m/min，释放后很快就超出了5G基站影响范围，一般不存在干扰问题。但是，如果放球点距离5G基站很近，在测风开始前的调试检查阶段容易因5G基站干扰误判探空仪导航定位模块故障。在实际测风实践中，放球点旁边有基站时，调试检查阶段经常发现探空仪收星数较少(一般收星20余个)，但探空仪放出后收星数立即恢复正常。

2.3 定位屏蔽器干扰

在信息时代，位置信息是敏感隐私信息，一些单位和个人选择安装定位屏蔽器以消除位置信息泄露隐患。定位屏蔽器会在所有定位频点范围内发射宽带噪声，相应区域内所有导航定位模块均失效。各地无线电管理机构在执法中通报多起违规安装定位屏蔽器案件[7，8]。

2022-05-12T19:15使用北斗/GPS双模探空仪进行测风探空时，从2022-05-12T19:40起收星异常，回传的导航定位数据为乱码，温度、湿度、气压正常，初步判断为探空仪导航定位模块故障。2022-05-13根据电磁兼容专业通报，该时段有1台安装了大功率定位屏蔽器的私家车停放在附近，导致周边全部导航定位设备失效，据此判断此次测风失败原因为定位屏蔽器干扰[9]。

2.4 其他设备干扰

为验证北斗/GPS双模导航测风系统的准确性，文章使用GFE(L)-1型高空气象探测雷达(工作频率为1669～1681 MHz，以下简称L波段雷达)搭配GTS1型数字探空仪同时进行测风。当L波段雷达发射主瓣正对北斗/GPS双模探空仪或GTS1型数字探空仪小发射机天线距离北斗/GPS双模探空仪距离小于1 m时，收星质量明显下降。为完成验证工作，根据探空仪生产厂家建议，将2个探空仪分开，系挂在同一个探空气球上，相互之间的兼容性问题得到解决。

3 数据传输失效原因分析

在导航测风过程中，探空仪将导航定位模块输出的定位信息和其他探空数据、必要标识代码经过调制之后使用小型发射机发射出来，一般每秒发射1组数据，位于地面的全向天线、接收机以及计算机接收到探空仪下传的代码，经处理后记录、存储，进一步处理得到风场廓线和其他廓线。在数据传输环节可能发生多种失效模式，因此持续时间较短，或者能够及时发现进行处理，一般不会导致测风探空失败，但会造成个别高度层数据可信度下降或者缺测。

3.1 探空仪供电、调制、发射故障

探空仪飞行至高空后，环境条件变化剧烈，一般情况下温差可达140 ℃，承受最大风速可达80 m/s。这对探空仪内部器件的环境适应性和部件之间连接可靠性提出了严苛要求。在巨大温差、剧烈振动之下可能发生器件失效、连接松动等问题，导致数据传输中断。

该故障模式的发生可分为两个阶段，即调试检查阶段和空中飞行阶段。

3.2 地面接收处理设备故障

地面设备由全向天线、接收机和计算机组成，没有活动机械部件和高压发射部件，这种技术体制可靠性极高，一般不会出现不可恢复的硬件故障。不过，接收机与计算机之间通过TCP/IP协议通信，接收机内部的单片机作为关键部件可能出现死机故障。实际使用过程中发生过高温天气下因散热不畅导致接收机死机，之后通过改善工作环境予以解决。

3.3 对讲机等通信设备干扰

对讲机是常用的短距离通信设备，主要工作在400～470 MHz频段。在实际测风过程中，用于基测、充球、放球之间沟通的对讲机频点设置为429.125 MHz，当打开虚拟扫频软件查看周边电磁环境时，探空仪发射信号为明显的1 Hz窄脉冲，对讲机发射信号除了在429.125 MHz处有一个较宽的极大值外，在两侧较大范围内还有明显的信号波动。当探空仪距离地面接收天线很近时，对讲机泄露的信号波动无法掩盖探空仪的脉冲信号；当探空仪释放后，信号非常微弱，此时会被对讲机的泄露信号掩盖[10]。

3.4 其他设备干扰

由于地面接收设备灵敏度很高(-115 dBm)，微弱的噪声信号即可对数据传输造成影响。

在使用导航测风初期，经常出现不明原因的数据获取率较低(90%以下)的情况，存在测风失败的隐患。经过多次试验，排除了探空仪和地面设备故障的可能性。将频谱仪连接到低噪声放大器后，移动监测机房周围电磁环境，当距离机房小于20 m时，在探空仪正常脉冲信号两侧出现了跳动的宽带弱噪声，当距离机房大于20 m时，该噪声消失，各方向情况相同，且距离机房越近噪声电平越高。据此判断机房内存在未知的噪声干扰。由于该噪声在数据传输频段内，增加滤波器会严重影响接收机灵敏度并缩短数据传输距离，因此通过改变天线位置解决。

4 失效原因分析及应对

文章从导航测风原理出发，结合实际使用经验，对造成导航测风失效的常见原因进行了分析，既存在概率低、影响大的黑天鹅事件，又存在概率高、影响弱的灰犀牛事件，其发生概率及影响程度分析见表3、表4。

表3 导航定位失效发生概率、影响程度分析及应对措施

表4 数据传输失效发生概率、影响程度分析及应对措施

由表可知，导航定位失效对导航测风的影响严重，且发生概率较高，相比传统探空雷达体制为新增的失效模式；而数据传输失效的原因与传统探空雷达体制基本相同，发生概率和影响程度也可类比。从实际使用经验来看，导航测风操作简单、自动化程度高，但存在相对较高的失败风险；传统探空雷达操作稍显复杂，但沿用数十年，技术非常成熟，各类风险已经充分暴露并有成熟的应对机制[11]。

5 结束语

导航测风技术先进，从原理上相比传统探空雷达能够获取更高精度的测风数据，并且结构简单，但对卫星导航定位系统存在较深的依赖。同时，随着无线通信快速发展，频谱管理越来越复杂，频谱开发、频谱重耕、智能管理等新的管理理念正在逐步实现。在实际工作中，应当密切关注周围电磁环境变化，充分发挥导航测风的技术先进性，更好地服务于气象事业。