北斗導航干擾監測網定位覆蓋分析與驗證

林榮鼎，馮曉超

（1.中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310；2.北京衛星導航中心，北京 100089）

0 引言

衛星導航干擾是日益嚴峻的全球性問題，由于衛星導航系統使用的頻段較為擁擠，因此會時常存在有意干擾或者無意干擾。針對重要區域的GPS用頻安全，美方推出了“信號哨兵1000”系統，用于GPS干擾監測，一旦檢測到干擾信號，即可快速查找定位干擾源，保障重要區域GPS導航系統的安全運行。同樣地，在北斗應用中，也出現過很多受擾案例，例如機場航空導航設備（TACAN/DME/ILS等）、某些要地的微波接力機及部分雷達、某些港口的集群系統和數字電視系統，特別是S頻段、接近開放的ISM頻段，由于頻譜使用情況復雜，嚴重影響了北斗衛星導航系統的正常使用。

通過構建合理、科學部署的北斗導航干擾監測網，對北斗地面站或重要區域的頻譜進行無縫監測，以及時發現干擾并預警、定位，從而提升北斗系統的應用效能。目前針對TDOA組網定位的精度分析研究較多，但基于TDOA的分布式頻譜監測定位不僅需要考慮TDOA拓撲和算法等對定位精度的影響，還要考慮監測設備對干擾信號感知和復雜無線信道環境下檢測能力等的影響，因此更為復雜。本文通過采用傳播模型結合試驗設備性能分析TDOA多感知節點組網監測定位覆蓋范圍，并對分析的干擾定位覆蓋范圍和定位精度進行了實驗驗證。

1 技術實現途徑

1.1 干擾監測實現途徑

北斗導航頻譜監測需覆蓋RNSS頻段、遙測頻段、RDSS業務頻段等，頻段范圍集中在1—3 GHz，信號帶寬在20 MHz以內。因此可選用寬帶中頻濾波器，高速、16位AD進行中頻數字化的實時頻譜監測技術，通過快速的傅里葉變換將時域信號轉變為頻域信號，一次即可得到高帶寬的分析頻譜，實現快速頻譜分析。該技術明顯優于傳統掃描式接收機，可顯著提升應對瞬時突發干擾監測的時效性。

1.2 干擾定位實現途徑

北斗導航干擾定位主要針對包括地面和空中的干擾源，考慮時效性及經濟性，可采用基于到達時間差（TDOA,Time Difference of Arrival）的分布式組網監測定位技術。其最小基本組成為頻譜感知節點，參與定位解算的節點數不低于三個，通過獲取信號時差信息及相關峰檢測算法，計算得到目標位置信息。各節點之間可利用GNSS接收模塊完成時間同步，結合恒溫晶振的時間馴服技術，在授時偶然中斷時，確保時間同步。

2 監測定位覆蓋分析

2.1 感知節點監測覆蓋分析

為實現北斗導航干擾的無盲區監測，提高干擾定位精度，通過增加頻譜感知節點的數量效果是很明顯的。但從經濟性考慮，對某一個固定場站而言，頻譜感知節點的數量應該控制在一定范圍，并通過合理部署，實現干擾監測無縫覆蓋和高精度定位。

北斗導航干擾監測覆蓋可分為空中和地面兩種，其中，空中覆蓋以自由空間傳播損耗為基準，并在此基礎上增加10 dB損耗。計算公式如下：E為頻譜感知節點的接收靈敏度，單位dBm；P為干擾源發射功率，單位dBm；L為路徑損耗，單位dB；f為干擾信號工作頻率，單位MHz；d為干擾源離感知節點的距離，單位km。

接收靈敏度是在給定噪聲功率的前提下，衡量接收設備檢測信號能力的參數，式(3)為靈敏度與相關參數之間的近似關系式：其中：NF為噪聲系數，B為傳輸帶寬，SNR為信噪比。從上式可知，若要提高靈敏度，只有降低噪聲系數和帶寬，而且帶寬對靈敏度的影響遠較噪聲系數大。已知感知節點接收機噪聲系數NF為14 dB，在分析帶寬B為25 kHz，信噪比為6 dB時，計算可得：E=-110 dBm。

針對北斗導航信號工作頻段，選取1.2 GHz、1.5 GHz、2.4 GHz、3 GHz四個頻點，分別在20 W、1 W、10 mW的干擾功率強度時，計算單感知節點的監測覆蓋范圍，如表1所示：

表1 自由空間傳播模型下的單感知節點監測覆蓋范圍

地面覆蓋考慮地面環境對信號的影響，針對1 km高度以下目標，在實際使用中，一般會遇到樹木、山坡、建筑物等地面遮擋，同時還需要考慮地球表面曲率和吸收衍射等影響，所以采用Longley-Rice模型對單感知節點進行地面監測覆蓋范圍計算，設定接收天線架高2 m，發射天線架高3 m，地形起伏高度為10 m進行計算，置信度取97%，得到單感知節點的監測覆蓋范圍如表2所示：

表2 Longley-Rice模型下的單感知節點監測覆蓋范圍

通過兩種模型的計算對比，采用自由空間傳播計算，監測覆蓋距離隨監測頻率及干擾功率的增加而增加；采用Longley-Rice模型計算，考慮地面起伏、遮擋等原因，監測覆蓋范圍明顯減小。因此，考慮地面干擾覆蓋部署基本可涵蓋空中干擾。

2.2 多感知節點定位覆蓋分析

多感知節點定位覆蓋主要以地面干擾監測覆蓋展開分析，依據TDOA定位原理，至少需要三個感知節點同時監測到干擾信號，即干擾處于三個感知節點監測區域的交疊部分時，可實現對干擾源定位，圖1所示深橙色區域即為三重覆蓋定位區域（三角形的邊長為單感知節點的監測半徑d）：

圖1 三個頻譜感知節點的可定位區域示意圖

表3分別列出了1.2 GHz、1.5 GHz、2.4 GHz、3 GHz四個頻點，分別在20 W、1 W、10 mW的干擾功率強度時，三個頻譜感知節點對于地面干擾源的定位覆蓋區域。

表3 三個感知節點定位覆蓋區域面積

綜合上述分析可知，部署三個感知節點進行地面干擾源定位的覆蓋區域比較有限，20 W干擾時的定位覆蓋面積為21 km2，但隨著干擾信號減弱覆蓋面積大幅降低，因此，可通過增加感知節點數量來增大干擾源定位覆蓋區域。下面按四個感知節點組網部署形式進行區域覆蓋計算分析，四個感知節點典型的組網部署形態包括組成正方形或兩個等邊三角形部署，如圖2所示：

圖2 四個節點部署形式

從圖2中可明顯看出正方形部署時，其三重覆蓋區域小于三角形部署，但四重覆蓋區域明顯大于三角形部署，通過前面分析，監測定位的覆蓋隨頻率增高而減小，因此，在四個節點的定位覆蓋計算時，取1.5 GHz和3 GHz兩個頻點進行計算，三重以上定位覆蓋面積計算結果如表4所示。

表4 四個感知節點定位覆蓋范圍

綜合上述分析，感知節點數量及部署形狀不同，所能達到的定位覆蓋效能也不同，在構建導航干擾監測網時，需根據站點區域面積及地形條件展開感知節點的部署，為達到準確的干擾源定位效果，感知節點部署數量應在4個或以上，并采用三角形的部署形態，以達到最佳監測定位覆蓋效果。如果遭遇在定位區域以外影響嚴重的干擾信號時，為及時準確查找干擾源，應最大程度地擴大監測干擾的定位覆蓋區域，可增加頻譜感知節點并部署到相關場站周邊，擴展干擾監測網的定位覆蓋面積。

3 系統組成及應用部署

3.1 系統組成

根據上述干擾監測定位覆蓋分析，為充分驗證多感知節點組網監測定位覆蓋范圍，可搭建一套由監測管控中心和四個頻譜感知節點組成的北斗導航干擾監測網。其中，監測管控中心作為干擾監測網的中樞，由數據匯集終端和4G網絡節點組成，并部署監測管控軟件，主要用于對干擾監測網感知節點的統一管理和控制，實現監測網規劃、監測任務下發、監測數據匯集、干擾告警及干擾定位等功能；頻譜感知節點由頻譜感知接收機、寬帶監測天線、供電電池和4G網絡節點組成，布設在監測區域周邊，負責對北斗導航頻段1—3 GHz實時監測及頻譜數據采集；無線傳輸網絡采用4G無線網絡，通過定制VPN（虛擬專網）構建監測數據傳輸通道，保證部署感知節點和中心的數據傳輸。系統組成如圖3所示：

圖3 北斗導航干擾監測網組成圖

監測管控軟件采用B/S架構，部署于數據匯集終端中，客戶端完成用戶接口、數據表示及顯示邏輯；服務端完成FFT數據、異常I/Q數據、干擾定位等業務處理、數據匯聚核心功能?？蛻舳伺c服務器軟件之間采用WebService進行數據交互。軟件界面如圖4所示：

圖4 監測管控軟件示意圖

3.2 工作流程

系統工作流程為：制定監測任務計劃，通過無線網絡將任務自動下發至相應的頻譜感知節點，各頻譜感知節點接到任務后自動啟動監測功能，若發現干擾信號，根據干擾門限參數設置，啟動干擾告警，中心根據達到告警門限的告警節點數量，啟動干擾信號I/Q數據采集。各感知節點完成數據采集并標記時間戳后，將告警干擾信號I/Q數據回傳，中心自動啟動最優節點配選機制，開啟組網定位及干擾源位置呈現。系統可對任務執行過程進行全程監視，并顯示分析處理的結果。工作流程如圖5所示：

圖5 北斗導航干擾監測網工作流程

3.3 應用部署

根據北斗導航系統的實際應用環境及結合實驗測試的可操作性，實驗測試環境選擇在電磁環境復雜的城市條件下進行，此次實驗地點選擇在廣州市大學城附近。通過在大學城南面鄰江兩側分別部署四個頻譜感知節點，并按照四個感知節點接近于三角形的覆蓋方式進行部署，監測管控中心固定部署于工作室內，通過4G無線網絡完成數據交互。各節點采用多模GNSS模塊進行時間同步，標稱誤差為20 ns，考慮到多個站點的GNSS信號誤差以及信號采樣誤差，整體時間誤差可控制在50 ns左右，即最小定位誤差20 m。系統部署如圖6所示：

圖6 北斗導航干擾監測網感知節點部署圖

為避免干擾實驗所在區域的導航系統正常運行，干擾源由導航信號模擬器產生，并偏離正常導航頻段。實驗中采用頻率為1.546 GHz模擬導航信號，信號調制類型為BPSK，信號帶寬2 MHz，信號功率20 W，并將干擾源置于車載平臺上，車載平臺同時配備GNSS接收機，具備位置信息獲取能力。

4 實驗測試過程及結果

北斗導航干擾監測網定位覆蓋實驗驗證內容包括監測覆蓋范圍測試、定位覆蓋范圍及定位精度測試。

第一項是監測覆蓋范圍測試：將干擾源延大學城外環西路（圖7中的紅色光路段）向東西方向來回緩慢行駛，以最遠感知節點（151號）進行干擾監測，隨著向西移動，該感知節點監測信號越來越弱，經多次測試驗證，在距離151號感知節點1.73 km處，監測干擾源信號信噪比小于6 dB，此時該距離可作為測試監測覆蓋半徑d。

圖7 北斗導航干擾監測網監測覆蓋范圍實測圖

在20 W干擾功率條件下，將監測覆蓋實驗測試結果與Longley-Rice模型仿真計算結果進行對比，如表5所示。

表5 監測覆蓋范圍實驗測試與模型仿真對比表

通過表5對比分析，在干擾功率及監測頻率一致的情況下，干擾信號帶寬不同，監測覆蓋半徑不同，并隨帶寬增大而減小。實驗測試時，干擾信號帶寬為2 MHz，根據接收信號帶寬與靈敏度的關系，相對折算到靈敏度值為-91 dBm，與帶寬為25 kHz時的靈敏度值-110 dBm相差19 dB。20 W干擾功率下的傳播損耗為134 dB，通過Longley-Rice模型仿真計算結果為1.8 km，與實驗測試結果1.73 km基本一致，實測數據符合理論仿真模型。

第二項是定位覆蓋范圍及定位精度測試：根據多感知節點定位覆蓋分析，結合實驗現場環境條件下的四個頻譜感知節點部署位置，并基于實測的監測覆蓋半徑，確定了定位測試路線，具體點位如圖8所示，實測結果如圖9所示。

圖8 干擾源定位路線圖

圖9 北斗導航干擾監測網定位覆蓋范圍實測圖

實測結果表明，在4 個感知節點三、四重覆蓋范圍內均可對20 W 寬帶導航干擾信號進行連續有效定位，對于3 個干擾點位的定位效果均達到優于8%×R（CEP0.5，R為作用距離）的精度，其中，點位1、點位2的為四重定位覆蓋，其定位精度優于5%×R，定位精度明顯高于點位3的三重覆蓋定位精度。由于四個感知節點的部署形態非等邊三角形，通過比對，該部署形態的最大可定位覆蓋范圍S（三重、四重）小于等邊三角形的定位覆蓋范圍，即S＜3.6 km2，實驗測試結果和仿真分析結果對比如表6所示：

表6 四個感知節點監測定位覆蓋實測數據與仿真計算結果對比表

通過對四個感知節點組成的北斗干擾監測網的實驗測試，其監測、定位覆蓋測試結果符合理論分析結果。實驗結果表明，干擾監測網的定位覆蓋范圍與感知節點的部署形態密切相關，實際部署可根據地理地形條件，盡量采用接近于等邊三角形方式部署，以達到最優定位覆蓋，更好地支撐北斗導航干擾監測網的部署建設。

5 結束語

本文進行了基于傳播模型的定位覆蓋分析，并通過實驗驗證了分析的干擾定位覆蓋范圍和定位精度。采用多感知節點組成的北斗導航監測網網通過合理的、科學的部署方式或適當地增加感知節點數量，可有效提升干擾監測網的監測、定位覆蓋范圍，達到最優的干擾源監測定位結果。該方法可為北斗導航系統構建地面防護網提供部署依據，并已在某北斗導航地面站成功應用，有效提升了北斗導航系統運行效能。