CN113281787B - 一种gnss信号干扰监测与干扰源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS信号干扰监测与干扰源定位方法，属于卫星定位领域。该方法无需使用专门的抗干扰设备和频谱监测设备，只需要使用普通民用GNSS监测接收机，就可以实现GNSS干扰范围的确定和干扰源的定位。该方法是首先标定无干扰条件下每台监测接收机的载噪比变化特征，在干扰条件下精确计算干扰信号导致的载噪比变化，从而反演干扰信号的强度，并且进一步联合多个监测接收机反演的干扰信号强度进一步确定干扰源位置。该方法能利用已有的连续运行参考站基础设施，无需专用频谱监测设备即可实现连续可靠的GNSS干扰监测。

Description

一种GNSS信号干扰监测与干扰源定位方法

技术领域

本发明属于卫星定位领域，尤其涉及一种基于连续运行监测接收机的GNSS信号干扰监测与干扰源定位的方法。

背景技术

全球卫星导航定位系统(GNSS)目前已经得到了广泛的应用。人们的生活越来越依赖GNSS定位技术。一旦GNSS信号被干扰或者无法使用，将会带来巨大的经济损失甚至可能付出生命的代价。但是由于GNSS信号比较微弱，容易被干扰，导致GNSS接收机无法正常定位。一个1W发射功率的GNSS干扰器就可使方圆几十公里的GNSS接收机无法定位，而近年来，被监测到的GNSS干扰事件越来越频繁，但影响人们的正常生活甚至影响民用航空的安全。2019年11月7日，黑龙江某企业私设无人机管制设备导致多架民航航班GPS信号频繁丢失，造成严重后果。因此，GNSS信号干扰的监测与干扰源定位问题变得越来越重要。过去GNSS的抗干扰技术主要是采用特殊设计的抗干扰天线和抗干扰的基带算法等专用的设备，接收机能够在干扰环境下仍然正常工作。但是绝大多数普通民用接收机都进行专用的抗干扰设计，抗干扰能力较差。干扰接收机虽然在抗干扰方面具有明显的优势，但是其成本在普通接收机的10倍以上，大众应用难以接受。目前抗干扰技术主要包括阵列天线抗干扰技术和基带抗干扰处理技术，而基带抗干扰技术有包括空时滤波，自动增益控制(AGC)干扰监测等方法。这些方法都要求专用的天线或者专用的接收机进行配套支持。关于干扰源定位的方法包括AoA测角方法和TDOA测距方法，测角方法的精度在20度左右，随着距离增加，角度交会方法定位精度不高。TDOA测距方法需要合作的方式，通过利用多个接收机接收干扰信号并且提取测距信息，同时还需要各个监测站之间精密的时间同步。另一方面，随着北斗地基增强站网和连续运行监测接收机网的建设，我国已经分布了各个部门、企业、行业建立的数千个连续运行监测接收机，这些连续运行监测接收机能够覆盖我国大部分陆地区域，并且长时间不间断运行，为GNSS干扰监测提供了良好的基础设施。如果能够将这些连续运行监测接收机用于GNSS干扰监测，有望为GNSS干扰监测评估，导航频谱监管与保护提供有力支撑。

发明内容

本发明针对目前GNSS定位的应用越来越广泛，GNSS信号的干扰事件也频繁发生的问题，提出了一种利用连续运行监测接收机对导航信号的干扰进行监测以及对干扰源定位的方法。

本发明采用的技术方案为：

一种GNSS信号干扰监测与干扰源定位方法，包括以下步骤：

S101:在无干扰条件下标定各监测接收机增益，并计算卫星信号无干扰条件下各监测接收机输出的理论载噪比值；

S102:在干扰条件下筛选落在载噪比下降区的监测接收机；

S103:计算位于载噪比下降区的各监测接收机由干扰引起的载噪比变化量，得到有干扰条件下各监测接收机输出的载噪比值；

S104:根据干扰条件下和无干扰条件下的载噪比值，计算各监测接收机的干扰信号强度；

S105:将计算出的干扰信号强度折算为距离信息，并利用差分距离平方的方法求解得到干扰源位置。

进一步的，步骤S101中计算卫星信号无干扰条件下各监测接收机输出的理论载噪比值，具体为：

根据卫星信号在自由空间传播公式计算在无干扰条件下各监测接收机接收的正常GNSS信号功率为：

式中P_R和P_T分别为监测接收机接收到的GNSS信号功率和卫星发射的GNSS信号功率，G_T和G_R分别为信号发射和接收天线的天线增益，λ和d分别为GNSS信号波长和GNSS信号传播距离，L_A为GNSS信号的大气衰减；

计算各监测接收机的载噪比偏差：

δ(x)＝a₀*x²+a₁*x+a₂

式中，δ(x)为待标定的与监测接收机相关的载噪比偏差，x为卫星高度角，a₀、a₁和a₂分别为模型系数；

在模型系数拟合后，计算无干扰条件下各监测接收机的理论载噪比值，表示为：

N₀＝kT

式中，C/N0_T为无干扰条件下监测接收机的理论载噪比值，N0为两倍的噪声功率谱密度，k为玻尔兹曼常数，T为等效噪声温度。

进一步的，步骤S104中监测接收机的干扰信号强度的计算方式为：

根据干扰条件下和无干扰条件下的载噪比值，推算出干扰功率谱密度J₀：

根据干扰功率谱密度进一步推算出干扰信号强度P_J：

P_J(dBW)＝J₀(dBW)-ε

式中，P_J为干扰信号强度，C/N0_J为有干扰条件下监测接收机输出的载噪比值，C/N0_T为无干扰条件下监测接收机的理论载噪比值，N0为两倍的噪声功率谱密度，ε为干扰信号带宽，J₀为2倍的干扰功率谱密度。

进一步的，步骤S105具体为：

将第i个监测接收机坐标记为S_i，干扰信号强度折算为距离记为r_i,则有：

将上式表达为以下向量形式：

将上式简写为:

2AX＝||x||²+b

其中，

式中，n为监测接收机个数，X为干扰源坐标；

定义差分运算矩阵D＝[-e_n-1,I_n-1]，e_n为n×1的向量并且其全部元素均为1，I_n为n×n的单位阵；

通过观测值间差分来消除上式右侧的第一项X，表示为:

2DAX＝Db

利用最小二乘参数估计的方法求解干扰源坐标X的估值

为:

式中，

为求解的干扰源坐标估值，P为观测值的权阵，选择单位阵或者按距离加权。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明无需使用专业的天线和干扰监测设备，仅使用普通民用监测接收机即可实现GNSS干扰信号的监测与定位。

(2)本发明干扰信号监测不受干扰范围的影响，既可以实现影响范围在几公里内的干扰信号，又可以监测影响范围在数百甚至上千公里的大范围干扰。

(3)本发明方法监测范围可以覆盖包括但不限于GPS，北斗系统，GLONASS系统，Galileo等各个卫星导航系统使用的所有GNSS频段的干扰。

(4)本发明方法可适用于监测连续波(CW)干扰，宽带信号干扰等多种形式的干扰。

(5)本发明方法可以利用已有的连续运行监测接收机设备进行干扰监测和定位，无需对监测接收机进行升级换代。

(6)本发明方法能够适应不同种监测接收机的品牌和型号和增益特征，甚至支持多种品牌监测接收机混合使用

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例GNSS干扰信号对周围GNSS监测接收机影响分区的示意图。

图3为本发明实施例的应用效果示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明方法是首先利用无干扰条件下接收到信号的载噪比对监测接收机的增益进行标定。在发生GNSS信号干扰时，通过选择处于载噪比下降区的若干个监测接收机，分析其接收GNSS信号的载噪比下降情况，反推出各监测接收机处的干扰信号强度。再利用干扰信号传播强度衰减公式推算干扰源的位置，帮助频谱监测与管理人员找出干扰源位置，排除干扰，减少由GNSS信号干扰造成的不必要损失。

如图1所示，具体包括以下过程：

S101:在无干扰条件下标定各监测接收机增益，并计算卫星信号无干扰条件下各监测接收机输出的理论载噪比值；

根据信号在自由空间传播公式可得在无干扰条件下接收机接收的正常GNSS信号功率为：

式中P_R和P_T分别为接收机接收到的GNSS信号功率和卫星发射的GNSS信号功率，单位为dBW，G_T和G_R分别表示信号发射和接收天线的天线增益。λ和d分别表示信号波长和信号传播距离。L_A表示信号的大气衰减。

上式中，信号的发射功率P_T和信号波长λ是精确已知的。对于连续运行监测接收机，其接收天线的位置一般情况下是已知的。卫星的位置可以通过广播星历计算。因此上式中的距离d能够准确的计算出来。卫星发射天线的增益，接收天线的增益，大气衰减量等都是无法准确计算的，但是都可以建模为卫星高度角的函数，而卫星高度角在卫星和接收机坐标已知的条件下是可以准确计算的。因此，可以利用一个卫星高度角相关的模型来标定这几项的影响。

普通民用接收机一般情况下都不会直接输出接收的信号功率，而是输出各卫星信号的载噪比,即C/N0。在没有信号干扰的条件下，GNSS信号的接收载噪比可使用如下公式计算：

式中N0为两倍的噪声功率谱密度，可以使用下式计算：

N₀＝kT (3)

其中，k为玻尔兹曼常数，T为等效噪声温度，以GPS L1信号为例，其N0约等于-204dBw.对于其他信号可根据公式相应的计算获得。

由于在无干扰的条件下,N0可以视作常数，因而可以利用接收机输出的C/N0变化视作信号接收功率P_r的变化。相应地，需要标定的那几项高度角相关的影响可以通过对C/N0标定来解决。采用下式对传播路径中不确定的影响进行标定

δ(x)＝a₀*x²+a₁*x+a₂ (4)

式中，δ(x)为待标定的与接收机相关的C/N0偏差，x为卫星高度角。a₀,a₁,a₂为模型系数，可以通过无干扰条件下大量的观测拟合模型系数。

在模型系数拟合后，就可以根据用户位置、卫星位置计算无干扰条件下理论C/N0值，可表示为：

式中，C/N0_T为无干扰条件下标定后的理论C/N0值。式中其他项均为已知量，那么根据用户位置和接收机位置就可以准确地计算某一卫星信号无干扰条件下的理论C/N0值。

S102:在干扰条件下筛选落在载噪比下降区的监测接收机；

由于不同强度干扰信号对监测接收机的影响不同，我们将干扰源周围的区域划分为4个区域：无法跟踪区，无法捕获区，载噪比下降区和无影响区。如图2所示，落在无法跟踪区的监测接收机会出现信号失锁，此时监测接收机不再输出任何信息，因而无法用于干扰监测，无法捕获区的监测接收机能够以比较弱的载噪比跟踪已有的GNSS信号，但是无法捕获新升起的卫星，捕获的信号质量也比较差，C/N0波动比较明显。载噪比下降区是指由于干扰信号抬升了噪底使得观测到的C/N0有所下降。而无影响区是指所在区域干扰信号非常微弱以至于不会对C/N0产生显著的影响。实际应用过程中，很难严格的划分这4个区域，因此在监测站筛选是通常选择能够保持对信号连续跟踪的监测接收机即可。

S103:计算位于载噪比下降区的各监测接收机由干扰引起的载噪比变化量，得到有干扰条件下各监测接收机输出的载噪比值；

位于载噪比下降区的各监测接收机在受到干扰后都会出现载噪比下降现象，接下来的任务是根据观测到的载噪比下降量估计干扰信号强度。由于干扰信号有多种形式，有单音干扰，窄带干扰，宽带干扰等，不同类型的干扰都可以利用功率谱密度和带宽的关系折算为噪底抬升。这里以宽带干扰为例。受到宽带干扰时，接收机的载噪比可表示为：

式中，J₀为2倍的干扰功率谱密度。与式相比，干扰信号抬升了噪底，导致载噪比下降。根据观测到的C/N0_J和模型标定后的C/N0理论值就可以计算干扰信号强度。

S104:根据干扰条件下和无干扰条件下的载噪比值，计算各监测接收机的干扰信号强度；

根据干扰条件下和无干扰条件下的载噪比，可推算出J₀:

根据干扰功率谱密度可进一步推算干扰信号强度，方式为干扰功率谱密度乘以干扰信号带宽。折算为dBW为单位时干扰信号带宽可视为一个常数偏移，可表示为：

P_J(dBW)＝J₀(dBW)-ε (8)

式中ε为干扰信号带宽，一般情况下为未知量，但是ε对所有接收机影响是相同的，可以通过多个站差分的形式消除其影响。

S105:将计算出的干扰信号强度折算为距离信息，并利用差分距离平方的方法求解得到干扰源位置；

干扰信号强度可通过式计算得到。干扰源的概略位置可利用受干扰测站的几何中心求得。再利用干扰信号传播衰减公式和概略的干扰源位置，求解一个折算系数，从而将式(8)求解的干扰信号强度折算为干扰信号传播距离。将第i个监测站坐标记为S_i，干扰信号强度折算的距离记为r_i,则有：

式可表达为以下的向量形式:

式中，n为监测接收机个数，X为待求解的干扰源坐标，上式可以简写为:

2AX＝||x||²+b (11)其中，

公式的等式两边都含有未知的参数向量X，所以该方程不能直接求解。幸运的是，等式右侧的第一项对于所有的观测方程都一样，所以这一项可以通过观测值间差分来消除。定义差分运算矩阵D＝[-e_n-1,I_n-1],e_n是一个n×1的向量并且其全部元素均为1.I_n表示n×n的单位阵，那么式可以表示为:

2DAX＝Db (12)

公式可以利用最小二乘参数估计的方法求解，待求参数X的估值

为：

式中，

即为求解的干扰源坐标，P为个观测值的权阵，可选择单位阵或者按距离加权。

如图3所示，为基于连续运行监测接收机的GNSS信号干扰监测与干扰源定位方法的应用效果示意图，该图为利用2018年4月13日IGS监测站数据反演的干扰源定位效果，颜色深度表示干扰信号强度。

Claims (3)

1.一种GNSS信号干扰监测与干扰源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101:在无干扰条件下标定各监测接收机增益，并计算卫星信号无干扰条件下各监测接收机输出的理论载噪比值；

S102:在干扰条件下筛选落在载噪比下降区的监测接收机；

S103:计算位于载噪比下降区的各监测接收机由干扰引起的载噪比变化量，得到有干扰条件下各监测接收机输出的载噪比值；

S104:根据干扰条件下和无干扰条件下的载噪比值，计算各监测接收机的干扰信号强度；

S105:将计算出的干扰信号强度折算为距离信息，并利用差分距离平方的方法求解得到干扰源位置；

其中，步骤S105具体为：

将第i个监测接收机坐标记为S_i，干扰信号强度折算为距离记为r_i,则有：

将上式表达为以下向量形式：

将上式简写为:

2AX＝||x||²+b

其中，

式中，n为监测接收机个数，X为干扰源坐标；

定义差分运算矩阵D＝[-e_n-1,I_n-1]，e_n为n×1的向量并且其全部元素均为1，I_n为n×n的单位阵；

通过观测值间差分来消除上式右侧的第一项X，表示为:

2DAX＝Db

利用最小二乘参数估计的方法求解干扰源坐标X的估值

为:

式中，

为求解的干扰源坐标估值，P为观测值的权阵，选择单位阵或者按距离加权。

2.根据权利要求1所述的GNSS信号干扰监测与干扰源定位方法，其特征在于，步骤S101中计算卫星信号无干扰条件下各监测接收机输出的理论载噪比值，具体为：

根据卫星信号在自由空间传播公式计算在无干扰条件下各监测接收机接收的正常GNSS信号功率为：

式中P_R和P_T分别为监测接收机接收到的GNSS信号功率和卫星发射的GNSS信号功率，G_T和G_R分别为信号发射和接收天线的天线增益，λ和d分别为GNSS信号波长和GNSS信号传播距离，L_A为GNSS信号的大气衰减；

计算各监测接收机的载噪比偏差：

δ(x)＝a₀*x²+a₁*x+a₂

式中，δ(x)为待标定的与监测接收机相关的载噪比偏差，x为卫星高度角，a₀、a₁和a₂分别为模型系数；

在模型系数拟合后，计算无干扰条件下各监测接收机的理论载噪比值，表示为：

N₀＝kT

式中，C/N0_T为无干扰条件下监测接收机的理论载噪比值，N₀为两倍的噪声功率谱密度，k为玻尔兹曼常数，T为等效噪声温度。

3.根据权利要求1所述的GNSS信号干扰监测与干扰源定位方法，其特征在于，步骤S104中监测接收机的干扰信号强度的计算方式为：

根据干扰条件下和无干扰条件下的载噪比值，推算出干扰功率谱密度J₀：

根据干扰功率谱密度进一步推算出干扰信号强度P_J：

P_J(dBW)＝J₀(dBW)-ε

式中，P_J为干扰信号强度，C/N0_J为有干扰条件下监测接收机输出的载噪比值，C/N0_T为无干扰条件下监测接收机的理论载噪比值，N₀为两倍的噪声功率谱密度，ε为干扰信号带宽，J₀为2倍的干扰功率谱密度。

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