劉苗苗,焦文海,賈小林

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安710054;2. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094;3. 西安測(cè)繪研究所,陜西 西安 710054)

0 引 言

全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國(guó)國(guó)防部為軍事目的而建立的,旨在徹底解決海上、空中和陸地運(yùn)載工具的導(dǎo)航和定位問(wèn)題的導(dǎo)航定位授時(shí)系統(tǒng)[1].1997年,美軍首次正式提出“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念,該概念的提出有效促進(jìn)了美國(guó)導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展.目前美國(guó)已經(jīng)發(fā)展了星間鏈路技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、導(dǎo)航拒止技術(shù)、功率增強(qiáng)技術(shù)等,其中功率增強(qiáng)是通過(guò)增加衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)的播發(fā)功率,對(duì)抗敵方干擾,從而提供更加穩(wěn)健的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)能力的技術(shù)[2].2018年4月美國(guó)打擊敘利亞事件中,GPS信號(hào)受到干擾,隨后GPS進(jìn)行了P(Y)碼即軍碼的功率增強(qiáng)技術(shù),保障了GPS在干擾區(qū)域的服務(wù)能力[3-5].

2019年6月美國(guó)伊朗沖突事件中,GPS P(Y)碼功率再次增強(qiáng),由于不同廠家的接收機(jī)信噪比特征曲線(功率變化曲線)不一樣[6],故本文將從接收機(jī)類型這一因素,利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際服務(wù)協(xié)會(huì)(IGS)測(cè)站2019年6月19日至21日(DOY:170—172)共3天的數(shù)據(jù)對(duì)GPS功率增強(qiáng)進(jìn)行分析.

1 信噪比及GPS碼介紹

信噪比(SNR)是指載波信號(hào)強(qiáng)度和噪聲強(qiáng)度的比值.它主要受天線的增益參數(shù)、接收機(jī)相關(guān)器狀態(tài)以及多路徑的影響,是反映載波相位觀測(cè)質(zhì)量的指標(biāo)之一[7].從觀測(cè)文件中可以直接獲取觀測(cè)衛(wèi)星相應(yīng)時(shí)段的SNR,其數(shù)值越大,表明信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng).

目前,GPS SNR在L1、L2和L5三個(gè)頻點(diǎn)上播發(fā)信號(hào),其中L1波段以1575.42 MHz發(fā)射C/A碼和P碼,L2波段以1227.6 MHz發(fā)射P碼,L5波段是用來(lái)加強(qiáng)L1的一種輔助民用頻率,L5=1176.45 MHz[8-9].此外,GPS正在研發(fā)實(shí)施的新一代“運(yùn)行控制系統(tǒng)”(OCX)[10],已使GPS全面具備自主導(dǎo)航能力,其空間段已經(jīng)初步具備了播發(fā)M碼軍用信號(hào),L2C和L5C民用信號(hào)和星上信號(hào)功率可調(diào)能力.

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

目前IGS在全球范圍內(nèi)約有400多個(gè)GNSS跟蹤站,其中各站采用的接收機(jī)和天線類型多種多樣,其中約34%的測(cè)站采用Trimble接收機(jī),其次是Javad、Leica、Septentrio和Ashtech接收機(jī),部分測(cè)站采用AOA、ITT、JPS等接收機(jī).

本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從以下三部分對(duì)本次GPS功率增強(qiáng)進(jìn)行分析:1)GPS功率增強(qiáng)時(shí)段與范圍;2)不同接收機(jī)、天線類型對(duì)GPS功率增強(qiáng)的影響;3)不同衛(wèi)星類型對(duì)GPS功率增強(qiáng)的影響.

為最大程度排除測(cè)站位置、地理環(huán)境、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)等因素的影響,較好地比較與分析不同類型接收機(jī)、天線對(duì)GPS功率增強(qiáng)的影響.本文選取多組IGS并址站進(jìn)行分析.IGS并址站即距離較近,一般相距不超過(guò)十米的兩個(gè)IGS測(cè)站.圖1為采用的IGS并址測(cè)站分布圖.

限于篇幅,本文只列出了10組(接收機(jī)類型不同)+3組(天線類型不同)并址站的對(duì)比結(jié)果,表1為本文采用的部分IGS測(cè)站信息表.

圖1 IGS并址測(cè)站分布圖

表1 IGS測(cè)站基本信息

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 功率增強(qiáng)時(shí)段及范圍分析

根據(jù)各測(cè)站數(shù)據(jù)分析可知,本次功率增強(qiáng)是對(duì)P(Y)碼的增強(qiáng),增強(qiáng)衛(wèi)星為19顆GPS IIRM和GPS IIF衛(wèi)星.功率增強(qiáng)開(kāi)始及結(jié)束時(shí)刻如表2所示,由表2可知,GPS功率增強(qiáng)在6月20日15:19-17:49進(jìn)行,持續(xù)時(shí)間2.5 h,功率恢復(fù)在6月21日05:50-10:43進(jìn)行,持續(xù)時(shí)間4小時(shí)53分鐘.

表 2 GPS功率變化衛(wèi)星及時(shí)刻

GOLD站6月20日-6月21日信噪比變化曲線如圖2所示.從圖中可見(jiàn),GOLD站觀測(cè)到信噪比增強(qiáng)約6 dB;且位于全球不同位置的觀測(cè)站,均能觀測(cè)到明顯的功率增強(qiáng)現(xiàn)象,說(shuō)明本次GPS P(Y)碼功率增強(qiáng)是全球范圍的增強(qiáng).

圖2 GOLD站6月20日-6月21日GPS P(Y)碼信噪比

3.2 GPS功率增強(qiáng)對(duì)接收機(jī)、天線類型的影響

表3所列各組測(cè)站均是天線類型相同,接收機(jī)類型不同的IGS并址站,由3.1節(jié)可知,GPS功率增強(qiáng)最早開(kāi)始于6月20日15:19,最晚結(jié)束于21日10:43,則6月20日15:19:00—23:59:30為衛(wèi)星增強(qiáng)時(shí)段,截取6月19日相應(yīng)時(shí)段,對(duì)19顆增強(qiáng)衛(wèi)星在兩日內(nèi)相同時(shí)段的P(Y)碼SNR進(jìn)行均值做差,求得各測(cè)站功率增強(qiáng)均值如表3所示.

表3 接收機(jī)類型對(duì)GPS P(Y)碼功率增強(qiáng)的影響

從表3可以看出,第1組中,GODE測(cè)站功率變化值為-0.33 dB,結(jié)合圖3 GODE站6月20日-6月21日P(Y)碼信噪比變化曲線可知,該測(cè)站無(wú)明顯功率增強(qiáng)現(xiàn)象;第2～4組中,采用ASHTECH UZ-12接收機(jī)的GOL2、TIDB、KOKB測(cè)站功率增強(qiáng)值明顯低于對(duì)應(yīng)的GOLD、TID1和KOKV測(cè)站,其中GOLD測(cè)站采用JPS EGGDT接收機(jī),TID1、KOKV測(cè)站分別采用SEPT POLARX5和JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機(jī);第5～7組中,采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機(jī)的MADR、WTZZ、OHI2測(cè)站功率增強(qiáng)值高于對(duì)應(yīng)的MAD2、WTZR和OHI3測(cè)站,其中MAD2測(cè)站采用ASHTECH Z-XII3T接收機(jī),WTZR測(cè)站采用LEICA GR50接收機(jī),OHI3測(cè)站采用LEICA GR25接收機(jī);第8組中,采用TRIMBLE NETR9接收機(jī)的TABL測(cè)站與采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機(jī)的TABV測(cè)站功率增強(qiáng)值相差不大,前者略大于后者;第9組中采用TRIMBLE NETR9接收機(jī)的GOP6測(cè)站比采用LEICA GRX1200+GNSS接收機(jī)的GOP7測(cè)站功率增強(qiáng)值大0.50 dB;第10組中,采用TPS ODYSSEY-E接收機(jī)的TIXG測(cè)站與采用JPS EGGDT接收機(jī)的TIXI測(cè)站功率增強(qiáng)值相差不大,前者略大于后者.

圖3 GODE站6月20日-6月21日GPS P(Y)碼SNR

此外,不同測(cè)站相同類型接收機(jī)功率增強(qiáng)值基本相當(dāng),其中,采用JPS EGGDT接收機(jī)的測(cè)站,功率增強(qiáng)約7.90 dB,采用ASHTECH UZ-12接收機(jī)的測(cè)站,功率增強(qiáng)約3.90 dB,采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收機(jī)的測(cè)站,功率增強(qiáng)約6.57 dB,采用TRIMBLE NETR9接收機(jī)的測(cè)站,功率增強(qiáng)約8.28 dB.

表4 天線類型對(duì)GPS P(Y)碼功率增強(qiáng)影響

表4所列各組測(cè)站為接收機(jī)類型相同,天線類型不同的IGS并址站,和表3計(jì)算方式相同,則由表4可知,接收機(jī)類型相同情況下,各組采用不同天線測(cè)站的功率增強(qiáng)值均相差不大,其中第1組采用TRM59800.00天線的TSK2測(cè)站比采用AOAD/M_T天線的TSKB測(cè)站功率增強(qiáng)值大0.15 dB;第2組采用LEIAT504天線的YARR測(cè)站比采用LEIAR25天線的YAR3測(cè)站功率增強(qiáng)值大0.21 dB;第3組采用TRM29659.00天線的ZIMM測(cè)站比采用TRM59800.00天線的ZIM2測(cè)站功率增強(qiáng)值大0.18 dB.

結(jié)合表3、4可知,采用不同類型接收機(jī)的測(cè)站其功率增強(qiáng)值明顯不同,而采用不同類型天線的測(cè)站其功率增強(qiáng)值相差不大,由此可知,相對(duì)于天線類型,接收機(jī)類型的不同對(duì)功率增強(qiáng)的影響更為明顯.

3.3 不同GPS衛(wèi)星類型的功率增強(qiáng)分析

由3.1節(jié)可知,本次GPS功率增強(qiáng)主要作用在19顆衛(wèi)星上,其中包括7顆GPS IIRM衛(wèi)星和12顆GPS IIF衛(wèi)星.在3.2節(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)功率增強(qiáng)衛(wèi)星進(jìn)行分類,求得各類型衛(wèi)星在相應(yīng)測(cè)站的功率增強(qiáng)均值,限于篇幅,僅給出部分并址站的計(jì)算結(jié)果.圖4、5分別為接收機(jī)類型相同和天線類型相同時(shí)并址站的功率增強(qiáng)均值對(duì)比圖.

圖4 接收機(jī)類型相同的IGS并址站

圖5 天線類型相同的IGS并址站

由圖4可知,在接收機(jī)類型相同情況下,前五組并址站中,其功率增強(qiáng)值均是同種類型衛(wèi)星大于另一類型衛(wèi)星,如GOLD與GOL2測(cè)站:GPS IIRM衛(wèi)星>GPS IIF衛(wèi)星,第六組OHI2與OHI3測(cè)站例外.由圖5可知,在天線類型相同情況下,同組測(cè)站功率增強(qiáng)值表現(xiàn)出相同的趨勢(shì),如第一組的YAR3與YARR測(cè)站,第二組的TSK2與TSKB測(cè)站,均是GPS IIRM衛(wèi)星

4 結(jié) 論

本文對(duì)2019年6月美伊沖突事件中的GPS功率增強(qiáng)進(jìn)行了分析,主要得出以下結(jié)論:

1) 本次功率增強(qiáng)是對(duì)GPS P(Y)碼的全球范圍的增強(qiáng),增強(qiáng)衛(wèi)星為GPS IIRM和GPS IIF衛(wèi)星.GPS功率增強(qiáng)在6月20日15:19-17:49進(jìn)行,持續(xù)時(shí)間2.5 h,功率恢復(fù)在6月21日05:50-10:43進(jìn)行,持續(xù)時(shí)間4小時(shí)53 分鐘.

2) 采用不同類型接收機(jī)的測(cè)站其功率增強(qiáng)值明顯不同,而采用不同類型天線的測(cè)站其功率增強(qiáng)值相差不大,由此可知,相對(duì)于天線類型,功率增強(qiáng)對(duì)不同接收機(jī)類型的影響更為明顯.典型類型接收機(jī)的功率增強(qiáng)值對(duì)比結(jié)果為:TRIMBLE NETR9>JPS EGGDT>JAVAD TRE-G3TH DELTA>ASHTECH UZ-12.

3) 在接收機(jī)類型或天線類型相同情況下,同組并址站的功率增強(qiáng)值基本是同種類型衛(wèi)星大于另一類型衛(wèi)星,如GOLD與GOL2并址站的功率增強(qiáng)值對(duì)比結(jié)果為:GPS IIRM衛(wèi)星>GPS IIF衛(wèi)星.