鄒云飛，楊軍平，王豪琛，劉 鵬,2

(1.青島市光電工程技術(shù)研究院，青島 266109；2.青島科技大學信息科學技術(shù)學院，青島 266061)

0 引言

復雜電磁環(huán)境是指由頻域、時域、空域與能量域分布的多類型、全頻譜、高密度、動態(tài)交迭的電磁輻射(或信號發(fā)射)，經(jīng)耦合、傳導或再輻射、波傳播等途徑所構(gòu)成的給定場所或環(huán)境。簡言之，復雜電磁環(huán)境為電磁輻射源集合(包括人為電磁輻射和自然電磁輻射)與電波傳播環(huán)境相互作用的總和。其對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)安全性的影響主要體現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境和空間電波環(huán)境兩方面[1]。

電磁干擾環(huán)境是指引起GNSS性能降低的各種電磁干擾信號，由于受GNSS自身設(shè)計限制，信號到地功率低，易受各種非故意干擾信號與人為故意干擾信號的影響[2-3]；空間電波環(huán)境是指影響衛(wèi)星信號傳播環(huán)境要素的總稱，由于GNSS工作于L頻段，易受電離層異常尤其是電離層閃爍的影響[4-5]。

在人為故意干擾方面，在海灣戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中，曾多次發(fā)生干擾使精確制導武器出現(xiàn)偏離預定航線、誤炸目標的情況[6]。據(jù)報道，2011—2012年，伊朗采用欺騙的方式多次捕獲美國的無人機；2017年，俄羅斯駐敘利亞赫梅米姆空軍基地通過發(fā)射欺騙干擾信號避免了無人機蜂群的襲擊[7-8]。

在非故意干擾方面，2002年,美國道格拉斯的一臺攝像機由于安裝失誤引起了1km范圍內(nèi)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)信號的失效[9]。2012年，光平方公司推出的 4G LTE 無線寬帶網(wǎng)的地面基站對GPS導航接收機和設(shè)備造成嚴重干擾[10-11]。此外，我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)也多次監(jiān)測到受到無意干擾的情況。

在電離層方面[12]，2003年，因太陽風暴的影響美國廣域增強系統(tǒng)的服務(wù)曾中斷30h。我國在電離層高發(fā)期多次觀測到電離層閃爍導致GNSS信號失鎖。

因此，針對復雜電磁環(huán)境的監(jiān)測分析與評估是GNSS應(yīng)用中需要重點關(guān)注的領(lǐng)域之一。目前，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)針對GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測開展了多項研究，完成了多個系統(tǒng)的開發(fā)。

國外對復雜電磁環(huán)境的監(jiān)測與測向技術(shù)開展了深入研究，美國和歐洲都在研究利用衛(wèi)星信號信息與電磁干擾信息實現(xiàn)對電磁干擾環(huán)境的綜合監(jiān)測，以準確地分析GNSS受復雜電磁環(huán)境影響的原因,如圖1所示。美國海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)中心主持開發(fā)的機載GPS干擾源定位系統(tǒng)，基于短基線干涉儀測向體制，采用高靈敏度、快速掃描接收機實現(xiàn)對干擾源的監(jiān)測和精確測向。GPS Silicon Valley和加拿大NovAtel公司研制了電離層閃爍監(jiān)測接收機以輔助復雜電磁環(huán)境的監(jiān)測[13]。英國Chrono.Technology公司研制的手持式GPS干擾監(jiān)測機CTL3500，能夠檢測L1頻段內(nèi)的GPS信號、非GPS信號和干擾信號[14]。

圖1 國外衛(wèi)星信號和干擾信號聯(lián)合監(jiān)測設(shè)備

在復雜電磁環(huán)境分析與評估方面，美國開發(fā)的全球定位系統(tǒng)干擾和導航工具(GPS Interference and Navigation Tool, GIANT)可對GPS干擾環(huán)境和干擾效果進行評估和仿真。另外，美國的定位、導航和授時(Positioning, Navigation,and Timing，PNT)計劃、Patriot Watch系統(tǒng)以及歐洲的JIMS系統(tǒng)都開展了一系列的復雜電磁環(huán)境分析評估與表征的工作[15]。

由于Galileo系統(tǒng)的頻段與GPS存在重合問題，Galileo系統(tǒng)在建設(shè)過程中非常重視其電磁環(huán)境的監(jiān)測,包括啟動Galileo電磁環(huán)境測量計劃、開發(fā)Galileo干擾管理系統(tǒng)，以及對Galileo歐洲區(qū)域的電磁環(huán)境進行實地測量[16]。

我國在GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測研究起步較晚，隨著我國北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建成和運行，在此期間也開展了GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測方面的理論研究與工程研究工作，取得了一定的成果。

國防科技大學、航天五院503所、中電科20所等科研單位對GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測技術(shù)進行了研究，積累了一些關(guān)鍵技術(shù)。另外，中電科5所、22所、54所以及青島光電院等單位也在工程化方面做出了一些具體成果。

目前已經(jīng)建設(shè)的通用或?qū)Ｓ玫臒o線電監(jiān)測設(shè)備，其工作頻率范圍雖然可以覆蓋GNSS的主要工作頻段，但通用設(shè)備仍存在以下不足：未充分考慮弱信號監(jiān)測測向的解決方法與流程；在電磁干擾信號與導航信號聯(lián)合監(jiān)測方面存在不足；在復雜電磁環(huán)境影響效應(yīng)分析評估方面存在欠缺和不足。

綜上，為進一步研究GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估技術(shù)可指導設(shè)備的研發(fā)，本文重點介紹了一種GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估技術(shù)和設(shè)備，并對設(shè)備的基本工作原理和流程進行了介紹，為我國專用型GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測保障設(shè)備工程化起到促進作用。

1 GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估技術(shù)

基于GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測保障的需求，本文研制了GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備，設(shè)備集成了電磁頻譜監(jiān)測單元、衛(wèi)星信號監(jiān)測接收單元和綜合數(shù)據(jù)分析處理終端，具體設(shè)備組成如圖2所示。設(shè)備通過專用信道化監(jiān)測、比幅與比相聯(lián)合測向、衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號綜合分析以及GNSS復雜電磁環(huán)境影響效應(yīng)分析評估，實現(xiàn)對GNSS復雜電磁環(huán)境的綜合監(jiān)測分析與評估。為促進我國專用型GNSS復雜電磁環(huán)境監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展起到拋磚引玉的作用。

圖2 GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備

1.1 專用信道化監(jiān)測分析與比幅比相聯(lián)合測向技術(shù)

GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備為了更好地實現(xiàn)對GNSS復雜電磁環(huán)境的監(jiān)測保障，在軟件界面設(shè)計方面，采用專用信道化監(jiān)測分析技術(shù)，結(jié)合硬件設(shè)備，可以實現(xiàn)對某一組或多組GNSS信號的分段、聯(lián)合監(jiān)測，具體軟件界面如圖3所示。

圖3 GNSS頻段信道化監(jiān)測

為了直觀地表示出目標GNSS頻段內(nèi)存在的干擾信號特征量，以及分析統(tǒng)計某一目標干擾信號可能影響的GNSS頻段信息，為GNSS復雜電磁環(huán)境影響效應(yīng)評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，軟件還采用圖形與報表的方式對GNSS復雜電磁環(huán)境進行展示，具體界面如圖4所示。

圖4 軟件頻譜圖與報表圖

比幅法測向的基本原理是根據(jù)測向天線接收的入射信號幅度來確定入射信號的到達角。其優(yōu)點是測向范圍大、無測向模糊、具有一定的同時信號處理能力，測量速度快、技術(shù)較為成熟，成本低。缺點是對天線的振幅方向圖一致性要求較高，測向精度不高[17]。

比相法測向的基本原理是通過測量空間來波信號在接收天線上形成的相位差來確定來波信號的到達角。其優(yōu)點是在合理天線陣元布局、基線長度比、相位測量誤差等限定條件下，測向范圍較大，測向精度高。缺點是對天線陣元和接收信道的相位一致性要求較高[18]。

因此，為了提升弱信號的測向能力，采用比幅與比相聯(lián)合測向技術(shù)，比幅法采用最大信號法測向技術(shù)。最大信號法由于采用高增益天線，因此系統(tǒng)靈敏度高，可滿足弱小信號的監(jiān)測測向需求，但測向精度低；比相法采用相關(guān)干涉儀測向技術(shù)，相關(guān)干涉儀測向由于采用全向天線單元，因此系統(tǒng)靈敏度低，但測向精度高，測向速度快。

比幅與比相聯(lián)合測向技術(shù)的實現(xiàn)流程如下：

1)首先采用最大信號法獲得干擾信號的粗角度；

2)采用逐步逼近的方式，利用相關(guān)干涉儀測向獲得干擾信號的準確到達角。

通過合理的軟硬件設(shè)計與算法設(shè)計，既滿足高靈敏度監(jiān)測的要求，又滿足高精度測向的要求，具體界面如圖5所示。

圖5 比幅與比相聯(lián)合測向圖

在青島某區(qū)域進行了演示驗證，通過搭建試驗環(huán)境，獲取大量測試試驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以驗證比幅比相聯(lián)合測向技術(shù)的有效性。

在該試驗中，干擾源相對監(jiān)測測向設(shè)備實際方位為30°，兩者之間間隔2km，利用最大信號法獲取該干擾源信號的粗角度，數(shù)據(jù)如表1所示；朝向信號的粗角度逼近，在1km處利用相關(guān)干涉儀法對干擾源信號進行精準測向，數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 比幅測向數(shù)據(jù)

表2 比相測向數(shù)據(jù)

大量試驗數(shù)據(jù)分析證明，采用比幅比相聯(lián)合測向技術(shù)可以有效地提升弱信號的測向能力，實現(xiàn)測向精度≤2°(RMS))的指標要求。

1.2 衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號綜合分析技術(shù)

衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號綜合分析技術(shù)通過綜合分析衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號及其閃爍信息、電磁干擾信息的共同監(jiān)測，對電磁干擾數(shù)據(jù)、衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)和電離層閃爍數(shù)據(jù)進行多元信息融合分析，顯著提升了弱信號監(jiān)測能力，為GNSS復雜電磁環(huán)境分析與評估提供了更準確的數(shù)據(jù)與分析結(jié)果。

1)電磁干擾信號的監(jiān)測、分析與識別。通過對電磁干擾信號的時域、頻域、空域、調(diào)制特征和調(diào)制參數(shù)等進行監(jiān)測、分析、識別，分析電磁干擾信號特征量，與基礎(chǔ)信號數(shù)據(jù)庫信號特征量進行對比，快速識別干擾信號的特征與可能輻射源，并做出快速靈活準確的反應(yīng)；若是未知信號，對其信號特征進行分析建模，建立干擾信號頻譜模板，進行特征入庫，形成干擾數(shù)據(jù)庫。

2)衛(wèi)星信號狀態(tài)信息監(jiān)測、分析與判斷。通過分析衛(wèi)星信號信息，包括載噪比信息、信號幅度信息、信號相位信息、衛(wèi)星星歷信息、偽距信息、時間信息和位置信息等，判斷衛(wèi)星是否受到壓制干擾和欺騙干擾的影響，以輔助對電磁干擾信號進行監(jiān)測。

3)閃爍對不同GNSS的影響分析。衛(wèi)星信號閃爍是指穿越電離層的無線電信號由于電離層不均勻體引起的幅度衰落、信道信噪比下降以及誤碼率上升。通過分析衛(wèi)星信號信息得到電離層影響的幅度閃爍指數(shù)與相位閃爍指數(shù)，從而進一步分析電離層閃爍對GNSS信號信道的影響。

4)多元信息的融合分析，基于上述結(jié)果采用多元信息融合算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息融合，得到準確有效的融合分析結(jié)果。找出影響原因，并指導采取相對應(yīng)的對策措施。

衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號綜合分析技術(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號綜合分析技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

通過分析測試采用的GNSS接收機在GPS L1和BDS2 B1頻段的臨界干擾功率，可得臨界干擾功率約為-90dBm～-100dBm。

在青島某區(qū)域利用GNSS多功能干擾信號發(fā)生器(干擾源)、GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備(監(jiān)測設(shè)備)等搭建驗證試驗場景。干擾源與監(jiān)測設(shè)備之間的距離為1km，滿足開闊場條件，GPS L1干擾信號發(fā)射功率為16dBm，BDS2 B1干擾信號發(fā)射功率為6dBm，干擾信號分別設(shè)置為點頻干擾、調(diào)頻干擾和白噪聲干擾。監(jiān)測天線采用增益約為0dBi的相關(guān)干涉儀天線和增益約為12dBi的比幅測向天線，監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測靈敏度約為-110dBm/kHz。

分別對GPS L1和BDS2 B1在不同干擾調(diào)制信號和干擾功率下進行測試并分析測試數(shù)據(jù)，結(jié)論如表3和表4所示。

在表3和表4中，第一行表示相關(guān)干涉儀天線信號檢測情況，第二行表示比幅測向天線信號檢測情況，第三行表示GNSS接收機狀態(tài);√表示發(fā)現(xiàn)干擾信號,×表示未發(fā)現(xiàn)干擾信號,*表示臨界，干擾信號超出本底噪聲約2dB包絡(luò)。

表3 GPS L1測試

表4 BDS B1測試

利用實際設(shè)備測試發(fā)現(xiàn)，同一頻率干擾信號在選擇白噪聲干擾與點頻、調(diào)頻干擾相比，干擾信號幅度下降約10dB。通過驗證試驗發(fā)現(xiàn)，在干擾信號較小時，引起了接收機載噪比變化，但存在監(jiān)測設(shè)備不能準確檢測到干擾信號的現(xiàn)象。

因此，通過綜合分析電磁干擾信號和衛(wèi)星導航信號兩種干擾監(jiān)測結(jié)論互為補充，可以大大降低干擾誤報、漏報事件的發(fā)生，還有利于GNSS復雜電磁環(huán)境影響效應(yīng)的分析與影響結(jié)果的表征。

1.3 GNSS復雜電磁環(huán)境影響效應(yīng)評估技術(shù)

通過研究符合ITU標準的GNSS影響效應(yīng)評估準則，進行電磁環(huán)境影響效應(yīng)理論計算和效應(yīng)分析，為GNSS復雜電磁環(huán)境影響效應(yīng)評估提供技術(shù)支撐[19]。

1)GNSS影響效應(yīng)評估準則

設(shè)備根據(jù)不同的評估要求，選擇確定合適的評估準則，進行GNSS影響效應(yīng)評估，例如：

載干比準則或信干比準則，反映電磁環(huán)境對GNSS鏈路的影響程度。其中載干比是有用信號功率和噪聲功率的比值。

誤碼率準則，考慮到GNSS鏈路系統(tǒng)本身的編碼和調(diào)制方式等，能夠較準確地反映電磁環(huán)境對GNSS鏈路系統(tǒng)性能的影響。

2)電磁環(huán)境影響效應(yīng)理論計算

依據(jù)干擾信號的功率、帶寬、中心頻率與調(diào)制方式等參數(shù)，結(jié)合GNSS信號的相關(guān)設(shè)計參數(shù)以及信號接收過程中采用的典型抗干擾算法，進行電磁環(huán)境影響效果的理論計算。對干擾源的影響情況從空域、時域與頻域三維進行顯示，空域顯示干擾源的可能影響區(qū)域(以某個準則)，時域顯示干擾源的時間分布特點，頻域顯示干擾源的自身頻域分布及其落入GNSS頻段的干擾信號頻域分布。

3)效應(yīng)分析

效應(yīng)分析主要考慮互調(diào)分析和電波傳播分析兩方面。

互調(diào)分析，自動計算掃描出的信號二階或三階互調(diào)，判別信號之間是否會產(chǎn)生干擾，對某一受干擾信號或預指配頻率，考慮各種互調(diào)類型，并基于傳播模型與互調(diào)門限電平，計算出對其可能產(chǎn)生互調(diào)干擾的各種頻率組合，并自動生成報告。

電波傳播分析，通過研究不同環(huán)境下的電波傳播理論，建立不同的電波傳播算法模型，調(diào)用相關(guān)的傳播模型算法進行GNSS復雜電磁環(huán)境影響預測，包括區(qū)域覆蓋和覆蓋等值線計算等。分析計算結(jié)果在電子地圖上進行顯示，并以不同的顏色表示影響程度。

在某區(qū)域利用GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備進行干擾信號的影響效應(yīng)評估試驗。采用載干比準則結(jié)合干擾信號的功率、帶寬、中心頻率進行電磁環(huán)境影響效應(yīng)的理論計算，并結(jié)合電波傳播模型進行電磁環(huán)境影響態(tài)勢顯示，態(tài)勢圖如圖7所示。利用實測數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析結(jié)果對該干擾信號可能影響的范圍以及影響程度進行分析顯示。

圖7 電磁影響態(tài)勢

2 應(yīng)用前景

GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估技術(shù)創(chuàng)新性地提出了衛(wèi)星導航信號和電磁干擾信號的聯(lián)合監(jiān)測，實現(xiàn)了電磁干擾數(shù)據(jù)、衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)與電離層閃爍數(shù)據(jù)的多元信息融合分析，實現(xiàn)了多功能一體化。

設(shè)備目前已經(jīng)應(yīng)用于中國科學院海洋大科學研究中心的海上電磁環(huán)境監(jiān)測保障項目，對北斗海洋電磁環(huán)境進行監(jiān)測保障。這一設(shè)備也可廣泛應(yīng)用于空軍場站(包括陸航及無人機地面站)、海軍戰(zhàn)艦及碼頭、火箭軍發(fā)射陣地、武器裝備實驗基地、部隊駐地及指揮中心等關(guān)鍵敏感區(qū)域的衛(wèi)星導航電磁環(huán)境管理，以及民航機場通信導航用頻保障、電力系統(tǒng)導航授時安全監(jiān)測保障、金融交易場所導航授時安全監(jiān)測保障等方面。

3 結(jié)論

隨著我國北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全面建成，針對北斗的電磁環(huán)境監(jiān)測保障成為了其當前發(fā)展面臨的一個重要課題。

本文開發(fā)的GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備提升了弱干擾信號檢測能力，大大降低了干擾誤報、漏報事件的發(fā)生；解決了壓制干擾、欺騙干擾和電離層閃爍綜合監(jiān)測的問題；彌補了現(xiàn)有通用設(shè)備在弱信號監(jiān)測測向、電磁干擾信號與導航信號聯(lián)合監(jiān)測，以及在復雜電磁環(huán)境影響效應(yīng)分析評估方面存在的欠缺和不足。

GNSS復雜電磁環(huán)境綜合監(jiān)測測向與分析評估設(shè)備可以為要地、重點區(qū)域電磁頻譜保障，重點頻段電磁頻譜監(jiān)測等方面提供技術(shù)支持；可以為我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供常態(tài)化的監(jiān)測服務(wù)，為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全球化發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。