GPS干扰的原理及其对空管的影响与排查

摘 要: GPS在民航空管通信、导航、监视运行保障中发挥了重要作用,GPS干扰的频繁发生对空管运行的影响也不容忽视。本文就GPS干扰的原理及其对空管通信、导航、监视运行保障的影响进行分析,重点论述了GPS干扰对空管各系统时钟模块和ADS-B的影响,提出了应对措施;对GP
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  摘 要: GPS在民航空管通信、导航、监视运行保障中发挥了重要作用,GPS干扰的频繁发生对空管运行的影响也不容忽视。本文就GPS干扰的原理及其对空管通信、导航、监视运行保障的影响进行分析,重点论述了GPS干扰对空管各系统时钟模块和ADS-B的影响,提出了应对措施;对GPS干扰源排查也给出了建议。

  关键词 : GPS; GNSS;干扰;空管;

  随着民航运输业的快速发展,空中交通流量不断增加,对空管运行保障提出了更高要求。空管通信、导航、监视新技术的应用大大提升了空中交通服务水平,提高了空域容量和飞行效率。GPS作为应用最为广泛的卫星导航系统在空管通信、导航、监视运行保障中发挥了重要作用。近年来,GPS干扰装置、无人机压制设备等干扰源干扰GPS信号的现象时有发生,对空管运行保障和飞行安全造成了一定影响。本文总结了GPS干扰的原理,分析了其对空管通信、导航、监视运行保障的影响,特别是对空管各系统时钟模块和ADS-B的影响,并提出了应对措施,最后针对GPS干扰源排查给出了相应建议。

  1 、GNSS与GPS

  全球导航卫星系统(GNSS)是卫星导航系统的统称,通常包括我国自主研发的北斗卫星导航系统(BDS)、美国的GPS、俄罗斯的Glonass和欧洲的Galileo,及其增强系统。目前,国际民航组织ICAO标准的GNSS系统为GPS和Glonass,及其机载增强系统(ABAS)、星基增强系统(SBAS)和地基增强系统(GBAS)[1]。

  GPS是由美国研制的星基无线电导航系统,可提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时(PNT)服务,是GNSS中应用最广泛的星座。GPS系统分为空间星座、地面监控设施、用户接收机三部分。GPS空间星座由24颗分布在约20200km高空的导航卫星组成,导航卫星搭载原子钟并向地面监控设施和用户接收机广播导航信号(卫星星历参数、精确的时间等信息)。地面监控设施接收导航信号,计算卫星星历和时钟的修正参数,广播至空间供导航卫星修正自身参数。用户接收机接收导航信号,根据卫星星历参数推算卫星发射导航信息时刻的空间位置,计算卫星时间与接收机时间的差值可得卫星和接收机之间的距离(伪距),考虑到接收机与卫星时钟不完全同步,存在时钟差,可得公式,其中为光速、为卫星空间坐标及时间、为接收机时间,由公式可知,接收机接收到4颗及以上卫星的导航信号即可计算自身位置和时钟差。影响GPS定位精度的因素主要有:卫星时钟误差、星历误差、几何分布、电离层延时、对流层延时、多路径、接收机噪声等,卫星空间位置和时钟精度对接收机位置和时间计算结果影响极大。衡量GPS性能常用的指标是:精度、完好性、连续性和有效性[2]。

  为推进民航强国建设、民航高质量发展及BDS在民航业的应用,民航局制定了《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》,积极推进BDS系统标准化,目前已完成ICAO规定的全部性能指标的专家技术验证,待空中航行委员会审议通过并就标准草案征求各国意见后正式向全球发布,成为ICAO标准。

  2、 GPS干扰的原理

  GPS卫星导航信号包含三种成分:导航电文、伪随机码和载波。导航电文包含卫星星历参数和时钟等信息。伪随机码有C/A码和P码两种,P码为军用码,C/A码为民用码,C/A码具有高自相关性和低互相关性,高自相关性用于测距,低互相关性则用于区分不同卫星。导航电文和伪随机码调制在载波上,民用接收机通常使用L1波段,其频率为1575.42MHz,带宽为2.046MHz[2]。

  GPS本质上是基于码分多址(CMDA)的扩频通信系统,CDMA的原理决定了GPS具备一定的抗干扰能力,但GPS卫星分布在距离地面约20200km的高空,传输衰减大,地面侦测到的GPS信号可低至-158.5dBW。地面GPS信号强度弱的特点决定了GPS信号易受干扰。相关研究表明:民用的C/A码仅有25dB的抗干扰能力,1W功率的干扰源可使20Km范围内的民用接收机无法正常工作[2]。

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  针对GPS信号的干扰通常可分为两类:压制式干扰和欺骗式干扰[3,4]。压制式干扰是干扰源针对GPS卫星信号某些参量的干扰,使GPS接收机无法从接收到的电磁波中检测出GPS信号,致使GPS接收机工作能力降低或完全丢失;又可分为阻塞干扰、瞄准干扰和相关干扰;阻塞干扰是对GPS信号载波和带宽范围内的强功率干扰,使一定区域内干扰电平远强于正常信号导致接收机无法正常工作,是对一定区域内所有的GPS信号的干扰;瞄准干扰是干扰机产生与某颗卫星相同的伪码序列并进行载波调制,使得GPS接收机无法区分信号与干扰;相关干扰是干扰机产生与某特定卫星伪码序列具有互相关性的伪码序列并进行载波调制实施干扰。欺骗式干扰是干扰机发射一个虚假的GPS信号或改变正常信号传播时延使接收机计算出错误的位置、时间信息,实现对接收机的欺骗;又可分为:转发式欺骗和产生式欺骗;转发式欺骗是干扰机接收GPS信号并重新发射,改变了传播延时,构成一个虚假的GPS卫星信号,使接收机得出错误的位置、时间信息;产生式欺骗是干扰机自主产生假的导航信号并发射,接收机得到干扰机的假信号并得出错误的位置、时间信息,这需要掌握GPS信号结构,仅对民用的C/A码可行。目前,民航空管系统遇到的GPS干扰通常是阻塞干扰,对GPS干扰的分析主要是针对阻塞干扰。

  3 、GPS干扰对空管的影响

  对民航空管来说,通信、导航、监视技术通常有主用、备份和应急手段,GPS干扰不会导致通信、导航、监视手段的完全失效,但可能导致虚假告警、信号质量差等问题,干扰管制指挥,影响飞行安全。

  3.1 、对各系统时钟模块的影响

  民航空管通信、导航、监视各系统运行均基于精确时间基准,以保证系统内各模块时钟同步,通常采用基于网络时间协议(NTP)的时钟同步服务器实现,也有少量系统直接使用GNSS时钟作为时间基准。NTP服务器通常工作在客户端/服务器模式,客户端T1时刻向服务器发送请求数据包,服务器在T2时刻接收到请求数据包,并于T3时刻向客户端发送应答数据包,客户端在T4时刻接收到应答数据包,客户端计算其与服务器的时钟偏差和数据包传播延时,修正自身时钟,实现时间同步。NTP协议支持多种时钟源,如原子钟、服务器自身晶振时钟、GNSS时钟和Internet时钟等,目前空管所用NTP服务器大多采用GNSS作为时钟源,实现高精度时间同步[5]。

  使用GNSS作为时钟源具有精度高、成本低、没有误差累计等优点,但地面GNSS信号强度较弱、易受干扰。若GNSS信号受干扰可能导致NTP的GNSS时钟锁定失效,以NTP服务器自身晶振时钟作为主时钟源,长时间运行将导致时间偏差累积,对空管设备运行造成影响。GNSS干扰影响空管各系统时钟源会导致的多种常见故障;如一次雷达、二次雷达、场面监视雷达、ADS-B、多点定位系统等监视信息探测系统时间戳异常,空管自动化、先进场面活动引导与控制系统(A-SMGCS)等监视信息处理系统融合目标分裂、雷达航迹与飞行计划关联错误,自动转报系统电报时间错误,多终端设备时间不同步等问题;产生虚假告警,干扰管制指挥,影响飞行安全。

  早期空管各系统配备的时钟多基于GPS,近年来新建系统则大多同时支持GNSS BDS/GPS等多星座多频点,抗干扰能力有所增强,但GNSS本身信号特点决定其仍然易受干扰。应对GNSS干扰对NTP服务器的影响可采取的方法有:(1)升级GPS时钟源为同时支持GNSS BDS/GPS等多星座多频点时钟源,多星座GNSS芯片可同时接收BDS、GPS等卫星导航系统信号,提高了时钟源的鲁棒性;(2)升级GNSS(GPS)时钟源芯片为支持单星授时模式的GNSS芯片,部分GNSS芯片用作授时时钟源时支持单星授时模式,在GNSS芯片中配置精确测绘的经纬度、高度,最少只需锁定一颗可见卫星即可保持可靠授时;(3)异地设置备份NTP服务器,通常GNSS(GPS)干扰范围有限,异地设置NTP服务器可在一定程度上避免主备NTP服务器同时被干扰。上述方法(1)、(2)同样适用于直接使用GNSS(GPS)时钟作为时间基准的系统。

  3.2 、对ADS-B的影响

  广播式自动相关监视(ADS-B)是航空器、机场活动区车辆等以数据链的方式周期性自动向具备ADS-B数据接收功能的设备等广播识别信息、位置、速度及导航不确定度等机载设备信息的新型空管监视技术,可实现空天地一体化协同监视。相对于空管二次监视雷达,ADS-B可提供更丰富的目标信息,具有定位精度高、更新率快、建设维护成本低等优点,但其缺点是位置信息过于依赖GNSS(GPS),存在安全性和可靠性问题,如果GPS被干扰导致无法正常定位或者计算出错误的位置,将严重影响ADS-B的信号质量。

  评估机载GPS信号质量的指标有:导航不确定性类别(NUC)、导航完好性类别(NIC)、导航精确度类别(NAC)、监视完好性水平(SIL),实际使用时由机载设备支持的ADS-B标准(DO-260/DO-260A/DO-260B)决定,指标之间存在转换关系[6]。下面以位置导航不确定性类别(NUCp)为例分析GPS干扰对ADS-B信号质量的影响。NUCp由机载GPS设备计算出的水平保护限制(HPL,衡量水平位置信息完好性的指标)和水平品质因数(HFOM,衡量水平位置数据精度的指标)换算得出,并通过数据链广播至ADS-B地面站。

  笔者根据中国民航飞行品质监控基站通报的飞机GPS干扰数据,在ADS-B地面站回放对应的录像,发现:GPS信号未受干扰时,NUCp值通常大于等于7;当飞机机载GPS信号短时间受干扰时,ADS-B地面站显示飞机的NUCp值明显变低(NUCp<5),当NUCp降至最低值0时常伴有位置跳变;机载GPS信号长时间受干扰时,还会发生丢点现象;当GPS干扰消失(或飞机飞离GPS干扰区域)时,NUC值恢复到正常水平。

  ADS-B通常以Asterix Cat021格式送空管自动化系统与二次雷达数据融合后供管制员使用,位置偏差大或者位置错误的信号会导致空管自动化系统目标分裂或虚假目标,干扰管制指挥,Cat021中数据项I021/090(质量指标)包含NUC等指标。实际运行中,NUCp≥5时可认为ADS-B信号质量正常可以参与空管自动化系统融合,NUCp<5的ADS-B信号将被丢弃不能参与融合。ADS-B还可以送至A-SMGCS系统,与场面监视雷达、多点定位系统等信号融合用于机场场面监视,NUC值低(位置偏差大)或者位置错误的信号会导致A-SMGCS系统位置严重偏离或虚假目标。

  3.3、 对导航系统的影响

  根据ICAO规划,民航导航技术将由陆基导航向星基导航过渡,GNSS作为重要的导航基础设施,对飞行安全和空管安全运行至关重要。GPS干扰对飞机GPS接收机及其ABAS影响较大,致使GPS位置精度差、GPS信号丢失、完好性不能满足要求,进而导致地形告警、ADS-B信号质量差等问题,影响飞行安全和管制指挥。GPS干扰也将对未来空管将会应用的GBAS等增强系统产生严重影响。

  4、 GPS干扰排查

  目前已查明的GPS地面干扰源主要有:专用GPS干扰装置、无线电保护装置、无人机压制设备、电视广播设备、移动基站等,通常是阻塞干扰。由于GPS信号弱,小功率的干扰源即可干扰较大范围的接收机,因此,空管运行保障部门需与地方无线电管理部门密切合作,利用全向、定向监测设备和无人机等,同时结合地形因素,完成GPS干扰源排查。

  5 、结束语

  随着科技进步和航空技术的发展,民航导航技术将由陆基导航向星基导航转变,GNSS将是未来民航运行的关键因素,将在空管通信、导航、监视中发挥更为重要的作用。本文分析了GPS干扰对空管通信、导航、监视运行保障的影响,并提出了应对措施。我国正在大力推动BDS成为ICAO标准,这对于空管运行自主可控、保障飞行安全具有重要意义。BDS具有与GPS类似的原理和用途,分析GPS干扰对当前空管通信导航监视运行保障的影响对未来全面应用BDS时分析BDS干扰具有一定的借鉴意义。

  参考文献

  [1]张军现代空中交通管理[M]北京航空航天大学出版社, 2005.

  [2]谢钢GPS原理与接收机设计[M]电子工业出版社。2009.

  [3]胡彩波,原亮GPS干扰和抗干扰技术的研究[J]测绘与空间地理信息, 2005,028(006):36-38.

  [4]侯者非,王学东,陈国军.GPS干扰与抗干扰技术研究[J].现代电子技术, 2004(23):99-101.

  [5]孙粲,徐刚.基于北斗卫星导航系统的NTP服务器设计[J].信息技术与信息化, 2019(9): 137-139.

  [6] 阎芳,马赞.广播式自动相关监视系统适航要求和位置质量指标要求研究[J].航空维修与工程,2013,000(004):86-89.


作者单位:民航山东空管分局 原文出处:孙粲.GPS干扰对空管通信导航监视运行保障的影响分析[J].网络安全技术与应用,2021(09):140-142. 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/html/zhlw/20210912/8451837.html   

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