CN109557562B - 一种基于电波传播模型的gnss干扰源定位方法 - Google Patents

一种基于电波传播模型的gnss干扰源定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，包括如下步骤：（1）在监测区域范围内合理布设检测节点；（2）若检测节点检测到功率超过预定阈值的干扰信号，则判定存在干扰；（3）中心节点接收并处理各个检测节点发送过来的监测数据，并解析出检测节点的位置、接收到的干扰信号功率及环境类型信息，然后结合电波传播模型进行GNSS干扰源定位；（4）中心节点进行干扰源定位后，以距离干扰源最近的检测节点为基准，利用电波传播模型，计算干扰源的等效辐射功率。本发明所公开基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，采用了可适用于各种环境的电波传播模型计算信号传播路径损耗，提高了干扰源定位精度。

Description

一种基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法
技术领域
本发明属于电磁干扰研究领域，特别涉及该领域中的一种GNSS信号干扰源的定位方法。
背景技术
卫星导航已经融入到包括交通、测绘、通信、雷达、航空、科研等各个应用领域。GNSS(全球卫星导航系统)可在全球范围内为无数的陆海空天用户提供实时精确的位置、速度和时间信息。但由于电磁环境日益复杂，有意或无意的干扰越来越多，而且卫星信号自身存在脆弱性，这导致了卫星导航信号容易受到干扰。
GNSS信号一旦受到干扰，不但会影响普通用户的正常生活，而且会对与国家安全、国民经济等方面密切相关的关键基础设施造成严重影响。为此需要快速对GNSS干扰源进行检测定位。目前常用的GNSS干扰源检测定位方法主要是基于信号到达时间差(TDOA)、信号到达频率差(FDOA)和信号到达角(AOA)。
上述方法存在各自的优缺点。其中，基于TDOA的干扰源定位方法定位精度较高，但不足之处是多个监测节点需要实现严格的时间同步，且无法对单频干扰或者窄带干扰进行检测定位，系统设备相对复杂、成本较高；FDOA定位精度较差，且无法对相对静止的干扰源进行定位，通常无法单独使用；AOA是应用较多的一种测向定位方法，又可分为比幅法和比相法，前者较为简单但存在定位精度较差、易受噪声影响等缺点，后者通常采用相关干涉原理进行测向，但存在设备复杂、成本较高等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种精度较高、成本较低、容易实现、不需要高精度时间同步的基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)在监测区域范围内合理布设检测节点，根据理论分析和实际经验以及监测能力需求可知，节点之间的间隔为1-3km，在复杂地形环境下适当缩短节点之间的距离，在简单环境下适当增加节点之间的距离；
(2)若检测节点检测到功率超过预定阈值的干扰信号，则判定存在干扰，然后该检测节点将带有时间标的干扰信号功率、节点位置和环境类型信息发送至中心节点，干扰信号阈值的大小与监测带宽和周边的环境噪声有关；
(3)中心节点接收并处理各个检测节点发送过来的监测数据，并解析出检测节点的位置、接收到的干扰信号功率及环境类型信息，然后结合电波传播模型进行GNSS干扰源定位，若检测到干扰信号的节点数目＜3个，则进行粗略定位；若检测到干扰信号的节点数目≥3个，则进行干扰源精确定位；
(4)中心节点进行干扰源定位后，以距离干扰源最近的检测节点为基准，利用电波传播模型，计算干扰源的等效辐射功率。
进一步的，步骤(1)中所述的复杂地形环境包括但不限于建筑物众多的市区。
进一步的，步骤(1)中所述的简单环境包括但不限于乡村开阔地带。
进一步的，步骤(2)中，2MHz带宽内的白噪声功率约为—110dBm。
进一步的，步骤(3)中，中心节点可与任一检测节点共址。
进一步的，所述的步骤(3)具体包括：
(31)根据GNSS信号频段和传播距离等因素，采用COST 231-WI模型(是“COST-231Walfish-Ikegami模型”的简写，中文含义是：科学与技术研究协会231工作委员会，Walfish和Ikegami是两个人名，通常不写中文含义，行业内都熟悉这两个名字)计算信号传播路径损耗，COST 231-WI模型分视距传播LOS和非视距传播NLOS两种情况，对于视距传播环境，其路径损耗为：
LLOS＝42.64+20lgf+26lgd (1)
式中，f的单位为MHz，d的单位为km；
(32)如图2所示，非视距环境的参数包括：干扰源发射天线高出地面的高度hb，单位为m；干扰检测节点天线高度hm，单位为m；建筑物屋顶高度hB，单位为m；发射天线高出建筑物屋顶的高度Δhb＝hb-hB，单位为m；接收天线低于建筑物屋顶的高度Δhm＝hB-hm，单位为m；建筑物间隔b，单位为m，默认值为20～50m；街道宽度w，单位为m，默认值为b/2；街区轴线和发射机天线与接收机天线连线的夹角Φ，默认值为90°；
当不知道建筑物的准确高度时，可以用式(2)进行估计
hB＝3×nf+hr (2)
式中，nf为楼层数量，hr为房顶高度，
Figure BDA0001888896200000021
在非视距传播的情况下：
Figure BDA0001888896200000031
式(3)中，Lfs为自由空间路径损耗：
Lfs＝32.44+20lgf+20lgr (4)
式(4)中，f单位为MHz，r单位为km；
式(3)中，Lrts为从屋顶到街面的衍射和散射损耗；Lmsd为多遮蔽物衍射损耗；
Lrts＝-16.9-10lgw+10lgf+20lgΔhm+Lori (5)
式(5)中，f单位为MHz，w单位为m，Lori为定向损耗：
Figure BDA0001888896200000032
Lmsd＝Lbsh+ka+kdlgd+kflgf-9lgb (7)
式(7)中：
Figure BDA0001888896200000033
Figure BDA0001888896200000034
Figure BDA0001888896200000035
Figure BDA0001888896200000036
(33)根据各个检测节点的监测信息，采用区域搜索的方式，进行干扰源定位，然后根据步骤(32)的内容计算传播路径损耗，记为LNOS，则干扰源的等效全向辐射功率为：PEIRP＝PRE+LNOS，其中PRE为检测节点接收到的干扰信号功率。干扰源定位结果如图3所示，功率残差最小的点就是干扰源的位置。
本发明的有益效果是：
本发明所公开基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，采用了可适用于各种环境的电波传播模型计算信号传播路径损耗，提高了干扰源定位精度；不需要高精度时间同步，降低对高稳晶振守时或GNSS授时的依赖性，降低复杂度的同时可以降低成本；专门针对GNSS频段内的干扰检测，针对性强，检测灵敏度高，既可检测单频和窄带干扰，也可以检测宽带干扰；仅需要检测节点的位置信息、接收干扰信号功率和环境类型几个参数即可实现干扰源定位，数据速率小，降低对无线网络传输带宽的要求；可以根据干扰源定位结果和观测环境下的电波传播模型，计算干扰源的等效全向辐射功率。
附图说明
图1是网格化GNSS干扰源定位示意图；
图2是COST 231-WI模型在非视距环境下的参数图；
图3是基于电波传播模型的干扰源定位结果示意图；
图4是不同传播环境下信号接收功率和距离的关系图；
图5是不同传播环境下信号接收功率和发射功率的关系图；
图6是带宽为0.5MHz的干扰源定位结果示意图；
图7是单频干扰源定位结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种基于电波传播模型的网格化GNSS干扰源定位方法，具体内容如发明内容部分所述，在此不再赘述，可以对导航频段内的干扰信号进行实时检测和定位。它通常采用3个或3个以上的检测节点，对监测区域进行覆盖。如图1所示，每个检测节点不但可以实时输出位置信息，还可实时检测是否存在干扰。
由于信号传播容易受到地形地貌的影响，包括地形起伏、地面植被、建筑物等因素。各节点测得的信号功率容易存在偏差，偏差的大小很大程度上决定了干扰源定位精度。本实施例采用精确的电波传播模型进行信号功率修正，而且可以根据不同的地形地貌选择不同的修正模型参量，以得到准确的信号功率，从而可以计算出干扰源的准确位置。
图4是在发射功率固定的条件下，不同传播环境下信号接收功率和距离的关系，其中发射功率为1w，信号频率为1575.42MHz。
图5是在相同传播距离条件下，不同传播环境下信号接收功率和发射功率的关系，其中传播距离为20km，信号频率为1575.42MHz。
为了验证该算法在电离层暴期间的可靠性，本实施例选取了在不同时段采用不同信号带宽且有部分遮挡的情况下，对GNSS干扰源进行定位的结果进行验证，分别如图6和图7所示。图6中所采用的干扰信号频率是1575.42MHz，带宽是0.5MHz，经分析可知，在进行了120次定位的情况下，除了4次定位结果偏差较大之外，116次定位的精度在10米以内；图7所采用的干扰信号是1575.42MHz的单载波信号，图中可以看出，150次定位结果的精度均在10米以内。
综上所述，本发明提供的一种基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法有效，定位精度较高，在对GNSS干扰源的检测和定位等应用中具有重要价值。

Claims (5)

1.一种基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在监测区域范围内合理布设检测节点，节点之间的间隔为1-3km，在复杂地形环境下适当缩短节点之间的距离，在简单环境下适当增加节点之间的距离；
(2)若检测节点检测到功率超过预定阈值的干扰信号，则判定存在干扰，然后该检测节点将带有时间标的干扰信号功率、节点位置和环境类型信息发送至中心节点，干扰信号阈值的大小与监测带宽和周边的环境噪声有关；
(3)中心节点接收并处理各个检测节点发送过来的监测数据，并解析出检测节点的位置、接收到的干扰信号功率及环境类型信息，然后结合电波传播模型进行GNSS干扰源定位，若检测到干扰信号的节点数目＜3个，则进行粗略定位；若检测到干扰信号的节点数目≥3个，则进行干扰源精确定位；所述的步骤(3)具体包括：
(31)根据GNSS信号频段和传播距离因素，采用COST 231-WI模型计算信号传播路径损耗，COST 231-WI模型分视距传播LOS和非视距传播NLOS两种情况，对于视距传播环境，其路径损耗为：
LLOS＝42.64+20lgf+26lgd (1)
式中，f的单位为MHz，d的单位为km；
(32)非视距环境的参数包括：干扰源发射天线高出地面的高度hb，单位为m；干扰检测节点天线高度hm，单位为m；建筑物屋顶高度hB，单位为m；发射天线高出建筑物屋顶的高度Δhb＝hb-hB，单位为m；接收天线低于建筑物屋顶的高度Δhm＝hB-hm，单位为m；建筑物间隔b，单位为m，默认值为20～50m；街道宽度w，单位为m，默认值为b/2；街区轴线和发射机天线与接收机天线连线的夹角Φ，默认值为90°；
当不知道建筑物的准确高度时，可以用式(2)进行估计
hB＝3×nf+hr (2)
式中，nf为楼层数量，hr为房顶高度，
Figure FDA0004058152710000011
在非视距传播的情况下：
Figure FDA0004058152710000012
式(3)中，Lfs为自由空间路径损耗：
Lfs＝32.44+20lgf+20lgr (4)
式(4)中，f单位为MHz，r单位为km；
式(3)中，Lrts为从屋顶到街面的衍射和散射损耗；Lmsd为多遮蔽物衍射损耗；
Lrts＝-16.9-10lgw+10lgf+20lgΔhm+Lori (5)
式(5)中，f单位为MHz，w单位为m，Lori为定向损耗：
Figure FDA0004058152710000021
Lmsd＝Lbsh+ka+kdlgd+kflgf-9lgb (7)
式(7)中：
Figure FDA0004058152710000022
Figure FDA0004058152710000023
Figure FDA0004058152710000024
Figure FDA0004058152710000025
(33)根据各个检测节点的监测信息，采用区域搜索的方式，进行干扰源定位，然后根据步骤(32)的内容计算传播路径损耗，记为LNOS，则干扰源的等效全向辐射功率为：PEIRP＝PRE+LNOS，其中PRE为检测节点接收到的干扰信号功率；
(4)中心节点进行干扰源定位后，以距离干扰源最近的检测节点为基准，利用电波传播模型，计算干扰源的等效辐射功率。
2.根据权利要求1所述基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：步骤(1)中所述的复杂地形环境包括建筑物众多的市区。
3.根据权利要求1所述基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：步骤(1)中所述的简单环境包括乡村开阔地带。
4.根据权利要求1所述基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：步骤(2)中，2MHz带宽内的白噪声功率约为—110dBm。
5.根据权利要求1所述基于电波传播模型的GNSS干扰源定位方法，其特征在于：步骤(3)中，中心节点可与任一检测节点共址。
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