空管GNSS授时系统干扰监测技术的算法研究

朱彧

一、论文摘要

近年来，GNSS授时系统在民航空管领域内得到了越来越广泛的应用，其受重视程度也与日俱增。但由于GPS及北斗卫星所使用的L波段和S波段本身属于民用范畴，因此比较容易受到外界有意或无意的干扰，从而造成授时机制被破坏或授时精度显著下降，最终对空管业务的正常运行产生影响。本文便基于此痛点，提出一种可行的GNSS信号干扰监测的理论算法，便于未来的推广应用。

二、关键词

GNSS干扰、能量监测技术、相关峰监测技术

三、背景介绍

在当今数字化时代背景下，时间数据作为最基础、也是最广泛被应用的信息，受到了各个行业的高度重视，但随着近年来GNSS卫星信号受到干扰的事件不断增多，用户对于高精度、高可用的时间数据的需求也变得越发迫切。

在民航空管领域，包括雷达监视设备、自动化融合处理系统、自动转报系统、飞行计划集中处理系统、流量管理系统等几乎所有的关键性生产运行系统都引入了GNSS授时信号，但在享受高精度授时带来便利的同时，我们也必须看到无论GPS还是北斗卫星都属于民用卫星，其信号的格式是公开的，而且随着无线设备和各类电磁波应用的急剧增加，GNSS卫星所使用的L波段和S波段非常容易受到外界有意或无意的干扰，从而造成授时机制被破坏或精度下降，最终影响空管业务的正常运行。

为了解决上述痛点，有必要研究并应用GNSS干扰监测技术，为空管GNSS系统受到干扰时提供监测和预警。

四、核心技术

GNSS 干扰监测技术是在无线电监测的基础之上发展起来的，笔者学习研究了国内外实际应用的无线电监测系统，剥离抽象了主流的算法，主要包括能量监测技术和半高宽相关监测技术。

（一）能量监测技术

能量监测技术的本质，就是对GNSS信号频段附近的环境噪声做实时测量与监控，以测量到的噪声方差为基准，来判定是否存在干扰信号。因此，环境噪声的测量对判定干扰信号的有无尤为重要。而能量检测又分为时域能量检测与频域能量检测，时域能量检测是对时域信号求一段时间内的能量值，再将能量值与阈值进行比较来判断是否存在干扰信号；频域能量检测与时域能量检测类似，只是需要将时域信号用FFT变换成频域信号，求得某一频段的能量之后，再与频域能量阈值进行比较，从而判定是否存在干扰信号。

1.时域能量检测

时域能量检测原理如下图所示。它由带通滤波器、A/D转换器、平方器以及比较判决器组成。为了能够有效地测量出接收信号的能量值，首先将接收信号x(t)经过带通滤波器进行滤波，再经过一个A/D转换器，把模拟信号转换为数字信号，然后对离散信号进行平方、累加平均运算，最后经过门限判决器与门限值比较并做出判决。

图1 时域能量检测框图

上图中，判决门限为cσ2，其中c为常数因子，σ2为接收端的噪声功率。由于GNSS信号到达地面时功率很微弱，一般在-130dBm，因此本文在进行干扰检测时，将GNSS信号当做背景噪声处理，即为静默检测。对接收信号进行过采样之后，含干扰信号与不含干扰信号问题可表示为：

将接受信号x离散的表示为x1, x2 ,..., xN，根据奈曼-皮尔逊准则可知，当虚警概率小于某值时，检测概率达到最大，满足此要求的最佳检测器为：

这种检测器称为能量检测器，它把输入的N个样本值平方后求平均，然后再与某一门限值进行比较。整个系统的增益可以表示为GT = 5(lgT - lgt)，T是系统的积分时间，t是噪声的等效相关半径。理论上讲，积分时间T越大，系统的增益越高，但是随着积分时间的加长，无法继续保证噪声的平稳特性，因此要根据实际情况来决定积分时间的大小。

2.频域能量检测

时域能量检测虽然能够检测干扰信号的有无，但是并不能确定干扰所在具体频点，因此，当检测到某一频点存在干扰之后，会放弃对整个频段的利用，从而造成了频谱资源极大的损失。然而频谱资源是非常有限的，在实际应用中为了节约频谱资源，通常会采用频域能量检测，频域能量检测的基本框图如下图所示。

图2 频域能量检测框图

对接收到的信号进行 FFT 变换之后，然后再对各频点求平均，可以获得干扰功率P(NS)，再将功率值与阈值进行比较便可检测干扰的有无。频域能量检测的计算与时域能量检测基本相同，只是频域干扰检测是在频域上进行，可以得到干扰信号的频谱、带宽以及载波频率等参数，通过这些频域特征，对接下来进行干扰识别以及干扰抑制具有重要的意义。

（二）半高宽（FWHM）相关峰监测技术

除了能量检测的方法之外，还可以通过相关峰的几何形状设计检测方法，例如半高宽（FWHM,Full width of half maximum）、相关峰的外形等。

FWHW原理示意图

在理想状态下，半高宽的示意图如上图所示，根据相似三角形计算即可得到图中的FWHM为一个码片宽度。

对于完整的单相关峰，无论是真实卫星信号的相关峰，还是欺骗信号的相关峰，它们的FWHM都是1个码片的宽度。但是在实际的欺骗干扰中，欺骗信号为了更好地实现伪装的目的，而不被轻易检测出来，通常不会与真实卫星信号的形成的相关峰距离太远，甚至大多数情况下，两者都会出现重叠的情况。因此FWHM检测作为能量检测补充手段，具备实用性。

五、研究应用推广的方向

无论是能量监测技术还是相关峰监测技术，其理论基础都是通过信号比对来相互检测信号是否受到干扰，因此基于上述理论基础的应用模型必须是一组基于由多个地面站通过低时延网络互联的GNSS授时集群，可以是中心辐射式、也可以是分布式，地面站相互之间通过干扰监测算法来验证本站GNSS信号是否受到干扰，从而作出预警并按照优先级顺次使用其他地面站的GNSS授时信号。

六、结束语

本次研究针对当前空管运行中较为突出的GNSS信号易受干扰以及各GNSS地面站授时系统相互独立缺乏监督纠错机制的问题进行了分析，提出了能量监测技术和相关峰监测技术两种干扰监测算法，并进一步探索了基于上述算法的GNSS集群系统应用设想，如果算法和设想得到进一步推广，无疑将会改善当前GNSS干扰频发且应对措施不足的问题，对于空管业务可持续稳定运行具有非常重要的应用价值。

七、参考文献

[1]陈宏卿《北斗卫星导航系统授时应用》，《数字通信世界》，2011[6]

[3]许增益、曾芳玲《一种GPS授时干扰的新方法》，《电子测试》，2013[2]