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        GPS干擾的原理及其對空管的影響與排查

        來源:網絡安全技術與應用 作者:孫粲
        發布于:2021-09-10 共4750字

          摘    要: GPS在民航空管通信、導航、監視運行保障中發揮了重要作用,GPS干擾的頻繁發生對空管運行的影響也不容忽視。本文就GPS干擾的原理及其對空管通信、導航、監視運行保障的影響進行分析,重點論述了GPS干擾對空管各系統時鐘模塊和ADS-B的影響,提出了應對措施;對GPS干擾源排查也給出了建議。

          關鍵詞 :     GPS; GNSS;干擾;空管;

          隨著民航運輸業的快速發展,空中交通流量不斷增加,對空管運行保障提出了更高要求?展芡ㄐ、導航、監視新技術的應用大大提升了空中交通服務水平,提高了空域容量和飛行效率。GPS作為應用最為廣泛的衛星導航系統在空管通信、導航、監視運行保障中發揮了重要作用。近年來,GPS干擾裝置、無人機壓制設備等干擾源干擾GPS信號的現象時有發生,對空管運行保障和飛行安全造成了一定影響。本文總結了GPS干擾的原理,分析了其對空管通信、導航、監視運行保障的影響,特別是對空管各系統時鐘模塊和ADS-B的影響,并提出了應對措施,最后針對GPS干擾源排查給出了相應建議。

          1 、GNSS與GPS

          全球導航衛星系統(GNSS)是衛星導航系統的統稱,通常包括我國自主研發的北斗衛星導航系統(BDS)、美國的GPS、俄羅斯的Glonass和歐洲的Galileo,及其增強系統。目前,國際民航組織ICAO標準的GNSS系統為GPS和Glonass,及其機載增強系統(ABAS)、星基增強系統(SBAS)和地基增強系統(GBAS)[1]。

          GPS是由美國研制的星基無線電導航系統,可提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時(PNT)服務,是GNSS中應用最廣泛的星座。GPS系統分為空間星座、地面監控設施、用戶接收機三部分。GPS空間星座由24顆分布在約20200km高空的導航衛星組成,導航衛星搭載原子鐘并向地面監控設施和用戶接收機廣播導航信號(衛星星歷參數、精確的時間等信息)。地面監控設施接收導航信號,計算衛星星歷和時鐘的修正參數,廣播至空間供導航衛星修正自身參數。用戶接收機接收導航信號,根據衛星星歷參數推算衛星發射導航信息時刻的空間位置,計算衛星時間與接收機時間的差值可得衛星和接收機之間的距離(偽距),考慮到接收機與衛星時鐘不完全同步,存在時鐘差,可得公式,其中為光速、為衛星空間坐標及時間、為接收機時間,由公式可知,接收機接收到4顆及以上衛星的導航信號即可計算自身位置和時鐘差。影響GPS定位精度的因素主要有:衛星時鐘誤差、星歷誤差、幾何分布、電離層延時、對流層延時、多路徑、接收機噪聲等,衛星空間位置和時鐘精度對接收機位置和時間計算結果影響極大。衡量GPS性能常用的指標是:精度、完好性、連續性和有效性[2]。

          為推進民航強國建設、民航高質量發展及BDS在民航業的應用,民航局制定了《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》,積極推進BDS系統標準化,目前已完成ICAO規定的全部性能指標的專家技術驗證,待空中航行委員會審議通過并就標準草案征求各國意見后正式向全球發布,成為ICAO標準。

          2、 GPS干擾的原理

          GPS衛星導航信號包含三種成分:導航電文、偽隨機碼和載波。導航電文包含衛星星歷參數和時鐘等信息。偽隨機碼有C/A碼和P碼兩種,P碼為軍用碼,C/A碼為民用碼,C/A碼具有高自相關性和低互相關性,高自相關性用于測距,低互相關性則用于區分不同衛星。導航電文和偽隨機碼調制在載波上,民用接收機通常使用L1波段,其頻率為1575.42MHz,帶寬為2.046MHz[2]。

          GPS本質上是基于碼分多址(CMDA)的擴頻通信系統,CDMA的原理決定了GPS具備一定的抗干擾能力,但GPS衛星分布在距離地面約20200km的高空,傳輸衰減大,地面偵測到的GPS信號可低至-158.5dBW。地面GPS信號強度弱的特點決定了GPS信號易受干擾。相關研究表明:民用的C/A碼僅有25dB的抗干擾能力,1W功率的干擾源可使20Km范圍內的民用接收機無法正常工作[2]。

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          針對GPS信號的干擾通?煞譃閮深悾簤褐剖礁蓴_和欺騙式干擾[3,4]。壓制式干擾是干擾源針對GPS衛星信號某些參量的干擾,使GPS接收機無法從接收到的電磁波中檢測出GPS信號,致使GPS接收機工作能力降低或完全丟失;又可分為阻塞干擾、瞄準干擾和相關干擾;阻塞干擾是對GPS信號載波和帶寬范圍內的強功率干擾,使一定區域內干擾電平遠強于正常信號導致接收機無法正常工作,是對一定區域內所有的GPS信號的干擾;瞄準干擾是干擾機產生與某顆衛星相同的偽碼序列并進行載波調制,使得GPS接收機無法區分信號與干擾;相關干擾是干擾機產生與某特定衛星偽碼序列具有互相關性的偽碼序列并進行載波調制實施干擾。欺騙式干擾是干擾機發射一個虛假的GPS信號或改變正常信號傳播時延使接收機計算出錯誤的位置、時間信息,實現對接收機的欺騙;又可分為:轉發式欺騙和產生式欺騙;轉發式欺騙是干擾機接收GPS信號并重新發射,改變了傳播延時,構成一個虛假的GPS衛星信號,使接收機得出錯誤的位置、時間信息;產生式欺騙是干擾機自主產生假的導航信號并發射,接收機得到干擾機的假信號并得出錯誤的位置、時間信息,這需要掌握GPS信號結構,僅對民用的C/A碼可行。目前,民航空管系統遇到的GPS干擾通常是阻塞干擾,對GPS干擾的分析主要是針對阻塞干擾。

          3 、GPS干擾對空管的影響

          對民航空管來說,通信、導航、監視技術通常有主用、備份和應急手段,GPS干擾不會導致通信、導航、監視手段的完全失效,但可能導致虛假告警、信號質量差等問題,干擾管制指揮,影響飛行安全。

          3.1 、對各系統時鐘模塊的影響

          民航空管通信、導航、監視各系統運行均基于精確時間基準,以保證系統內各模塊時鐘同步,通常采用基于網絡時間協議(NTP)的時鐘同步服務器實現,也有少量系統直接使用GNSS時鐘作為時間基準。NTP服務器通常工作在客戶端/服務器模式,客戶端T1時刻向服務器發送請求數據包,服務器在T2時刻接收到請求數據包,并于T3時刻向客戶端發送應答數據包,客戶端在T4時刻接收到應答數據包,客戶端計算其與服務器的時鐘偏差和數據包傳播延時,修正自身時鐘,實現時間同步。NTP協議支持多種時鐘源,如原子鐘、服務器自身晶振時鐘、GNSS時鐘和Internet時鐘等,目前空管所用NTP服務器大多采用GNSS作為時鐘源,實現高精度時間同步[5]。

          使用GNSS作為時鐘源具有精度高、成本低、沒有誤差累計等優點,但地面GNSS信號強度較弱、易受干擾。若GNSS信號受干擾可能導致NTP的GNSS時鐘鎖定失效,以NTP服務器自身晶振時鐘作為主時鐘源,長時間運行將導致時間偏差累積,對空管設備運行造成影響。GNSS干擾影響空管各系統時鐘源會導致的多種常見故障;如一次雷達、二次雷達、場面監視雷達、ADS-B、多點定位系統等監視信息探測系統時間戳異常,空管自動化、先進場面活動引導與控制系統(A-SMGCS)等監視信息處理系統融合目標分裂、雷達航跡與飛行計劃關聯錯誤,自動轉報系統電報時間錯誤,多終端設備時間不同步等問題;產生虛假告警,干擾管制指揮,影響飛行安全。

          早期空管各系統配備的時鐘多基于GPS,近年來新建系統則大多同時支持GNSS BDS/GPS等多星座多頻點,抗干擾能力有所增強,但GNSS本身信號特點決定其仍然易受干擾。應對GNSS干擾對NTP服務器的影響可采取的方法有:(1)升級GPS時鐘源為同時支持GNSS BDS/GPS等多星座多頻點時鐘源,多星座GNSS芯片可同時接收BDS、GPS等衛星導航系統信號,提高了時鐘源的魯棒性;(2)升級GNSS(GPS)時鐘源芯片為支持單星授時模式的GNSS芯片,部分GNSS芯片用作授時時鐘源時支持單星授時模式,在GNSS芯片中配置精確測繪的經緯度、高度,最少只需鎖定一顆可見衛星即可保持可靠授時;(3)異地設置備份NTP服務器,通常GNSS(GPS)干擾范圍有限,異地設置NTP服務器可在一定程度上避免主備NTP服務器同時被干擾。上述方法(1)、(2)同樣適用于直接使用GNSS(GPS)時鐘作為時間基準的系統。

          3.2 、對ADS-B的影響

          廣播式自動相關監視(ADS-B)是航空器、機場活動區車輛等以數據鏈的方式周期性自動向具備ADS-B數據接收功能的設備等廣播識別信息、位置、速度及導航不確定度等機載設備信息的新型空管監視技術,可實現空天地一體化協同監視。相對于空管二次監視雷達,ADS-B可提供更豐富的目標信息,具有定位精度高、更新率快、建設維護成本低等優點,但其缺點是位置信息過于依賴GNSS(GPS),存在安全性和可靠性問題,如果GPS被干擾導致無法正常定位或者計算出錯誤的位置,將嚴重影響ADS-B的信號質量。

          評估機載GPS信號質量的指標有:導航不確定性類別(NUC)、導航完好性類別(NIC)、導航精確度類別(NAC)、監視完好性水平(SIL),實際使用時由機載設備支持的ADS-B標準(DO-260/DO-260A/DO-260B)決定,指標之間存在轉換關系[6]。下面以位置導航不確定性類別(NUCp)為例分析GPS干擾對ADS-B信號質量的影響。NUCp由機載GPS設備計算出的水平保護限制(HPL,衡量水平位置信息完好性的指標)和水平品質因數(HFOM,衡量水平位置數據精度的指標)換算得出,并通過數據鏈廣播至ADS-B地面站。

          筆者根據中國民航飛行品質監控基站通報的飛機GPS干擾數據,在ADS-B地面站回放對應的錄像,發現:GPS信號未受干擾時,NUCp值通常大于等于7;當飛機機載GPS信號短時間受干擾時,ADS-B地面站顯示飛機的NUCp值明顯變低(NUCp<5),當NUCp降至最低值0時常伴有位置跳變;機載GPS信號長時間受干擾時,還會發生丟點現象;當GPS干擾消失(或飛機飛離GPS干擾區域)時,NUC值恢復到正常水平。

          ADS-B通常以Asterix Cat021格式送空管自動化系統與二次雷達數據融合后供管制員使用,位置偏差大或者位置錯誤的信號會導致空管自動化系統目標分裂或虛假目標,干擾管制指揮,Cat021中數據項I021/090(質量指標)包含NUC等指標。實際運行中,NUCp≥5時可認為ADS-B信號質量正?梢詤⑴c空管自動化系統融合,NUCp<5的ADS-B信號將被丟棄不能參與融合。ADS-B還可以送至A-SMGCS系統,與場面監視雷達、多點定位系統等信號融合用于機場場面監視,NUC值低(位置偏差大)或者位置錯誤的信號會導致A-SMGCS系統位置嚴重偏離或虛假目標。

          3.3、 對導航系統的影響

          根據ICAO規劃,民航導航技術將由陸基導航向星基導航過渡,GNSS作為重要的導航基礎設施,對飛行安全和空管安全運行至關重要。GPS干擾對飛機GPS接收機及其ABAS影響較大,致使GPS位置精度差、GPS信號丟失、完好性不能滿足要求,進而導致地形告警、ADS-B信號質量差等問題,影響飛行安全和管制指揮。GPS干擾也將對未來空管將會應用的GBAS等增強系統產生嚴重影響。

          4、 GPS干擾排查

          目前已查明的GPS地面干擾源主要有:專用GPS干擾裝置、無線電保護裝置、無人機壓制設備、電視廣播設備、移動基站等,通常是阻塞干擾。由于GPS信號弱,小功率的干擾源即可干擾較大范圍的接收機,因此,空管運行保障部門需與地方無線電管理部門密切合作,利用全向、定向監測設備和無人機等,同時結合地形因素,完成GPS干擾源排查。

          5 、結束語

          隨著科技進步和航空技術的發展,民航導航技術將由陸基導航向星基導航轉變,GNSS將是未來民航運行的關鍵因素,將在空管通信、導航、監視中發揮更為重要的作用。本文分析了GPS干擾對空管通信、導航、監視運行保障的影響,并提出了應對措施。我國正在大力推動BDS成為ICAO標準,這對于空管運行自主可控、保障飛行安全具有重要意義。BDS具有與GPS類似的原理和用途,分析GPS干擾對當前空管通信導航監視運行保障的影響對未來全面應用BDS時分析BDS干擾具有一定的借鑒意義。

          參考文獻

          [1]張軍現代空中交通管理[M]北京航空航天大學出版社, 2005.

          [2]謝鋼GPS原理與接收機設計[M]電子工業出版社。2009.

          [3]胡彩波,原亮GPS干擾和抗干擾技術的研究[J]測繪與空間地理信息, 2005,028(006):36-38.

          [4]侯者非,王學東,陳國軍.GPS干擾與抗干擾技術研究[J].現代電子技術, 2004(23):99-101.

          [5]孫粲,徐剛.基于北斗衛星導航系統的NTP服務器設計[J].信息技術與信息化, 2019(9): 137-139.

          [6] 閻芳,馬贊.廣播式自動相關監視系統適航要求和位置質量指標要求研究[J].航空維修與工程,2013,000(004):86-89.


        作者單位:民航山東空管分局
        原文出處:孫粲.GPS干擾對空管通信導航監視運行保障的影響分析[J].網絡安全技術與應用,2021(09):140-142.
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