張 坤,曾芳玲,歐陽曉鳳,趙 元

(國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院, 合肥 230037)

0 引言

針對傳統(tǒng)的大地測量基準(zhǔn)參考已不能滿足現(xiàn)代高精度長距離定位和信號實時監(jiān)測的要求[1],常規(guī)的GPS信號干擾的模擬仿真未能充分考慮電離層、地形等一系列因素影響的缺陷,文中提出利用GPS精密基線解算軟件聯(lián)合IGS地面跟蹤站建立區(qū)域性的、與國際地球參考框架ITRF相一致的三維大地坐標(biāo)參考基準(zhǔn)[2],其靜態(tài)定位精度可達(dá)厘米級[3],通過對GPS地面跟蹤站連續(xù)的觀測實現(xiàn)對GPS信號受干擾情況實時準(zhǔn)確的分析。

文中主要結(jié)合近期美英法對敘利亞首都大馬士革進(jìn)行空襲這一戰(zhàn)爭實例,分析了空襲期間敘利亞3個典型地面跟蹤站的GPS信號變化情況,建立了用實時信噪比、可見衛(wèi)星數(shù)、PDOP和定位誤差4個干擾效果評估指標(biāo)對GPS信號的干擾效果進(jìn)行評估的體系,解算出了3個地面跟蹤站上述4個指標(biāo)在空襲當(dāng)天的變化特點,為未來對敵方軍事行動的準(zhǔn)確判斷和實時數(shù)據(jù)的分析提供了強大真實的數(shù)據(jù)支持[4]。

1 IGS數(shù)據(jù)格式及站點分布

IGS(international GNSS service)通過分布于全球的 360 多個 IGS 觀測站來監(jiān)測全球板塊運動并實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的共享,為空間大地測量、地震監(jiān)測、地殼形變和地球動力學(xué)研究提供時間和空間基準(zhǔn)[5]。目前IGS跟蹤站由單臺接收機交換(RINEX)格式生成的日觀測和導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件組成,這些數(shù)據(jù)經(jīng)UNIX壓縮后傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心[6]。觀測值文件包括從00：00：00至23：59：59 GPS時段內(nèi)所觀測的數(shù)據(jù)。采樣率都采用標(biāo)準(zhǔn)的30 s[7]。

RINEX格式命名規(guī)則為：SSSSdddf.yyt。其中：SSSS表示測站名；ddd表示年月日(從1月1日起算)；f表示一天內(nèi)的文件序號(時段號0,1等)；yy表示年號,如98表示1998,00表示2000等；t表示文件類型,0表示觀測值,N表示星歷,M 表示氣象數(shù)據(jù),G表示GLONASS星歷,H 表示同步衛(wèi)星GPS載荷的導(dǎo)航電文[8]。圖1是對(.o)文件和(.n)文件經(jīng)過處理得到的數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)格式

選取敘利亞周邊3個跟蹤站,如圖2所示,其中BSHM站距大馬士革最近,約140 km,接收機品牌為JAVAD；DRAG站距大馬士革約220 km,接收機品牌為LEICA,RAMO站距大馬士革約350 km,接收機品牌為JAVAD。

圖2 地面站分布

2 RTKLIB軟件介紹及應(yīng)用程序界面

RTKLIB是由日本東京海洋大學(xué)的Tomoji Takasu研發(fā)的開源軟件,是專門為GNSS打造的用于標(biāo)準(zhǔn)或者精密定位數(shù)據(jù)算法的程序包[9]。該軟件可以進(jìn)行基線解算、實時定位、后處理分析和處理結(jié)果圖形化；支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)的定位算法；輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位數(shù)據(jù)處理,例如精密單點定位同,輔助外部通信[10]。

文中主要利用RTKLIB軟件中的“rtkplot”和“rtkpost”應(yīng)用程序?qū)τ^測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,其應(yīng)用程序界面如圖3和圖4所示。

圖3 “rtkplot”界面

圖4 “rtkpost”界面

3 數(shù)據(jù)處理與分析

對大馬士革附近3個地面跟蹤站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)精密單點定位分析,目前GPS的服務(wù)信號有L1C/A、L1C、L2C、L2P、L5C等,其中L1C/A應(yīng)用范圍最廣[11]。下面利用從 IGS 網(wǎng)站下載當(dāng)天的精密星歷和精密鐘差及收集到的BSHM、DRAG和RAMO 3個站的數(shù)據(jù),將每天的數(shù)據(jù)切割成1～24 h不同的時段,利用“rtkplot”和“rtkpost”應(yīng)用程序,得到3個站的信噪比、衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP和定位精度等數(shù)據(jù)。

3.1 信噪比

信噪比可以用來描述地面跟蹤站收到衛(wèi)星信號的清晰程度或者質(zhì)量好壞,圖5、圖6、圖7是3個地面跟蹤站在空襲當(dāng)天L1C/A信號質(zhì)量的實時變化情況。

觀察上述3個地面站空襲當(dāng)天信噪比的變化圖,可以看出離大馬士革最近的BSHM站在UTC3:00和6:00左右圖形出現(xiàn)明顯的缺口,信噪比有明顯的下降；DRAG站和RAMO站在這當(dāng)天信噪比正常,沒有大的異常。

圖5 BSHM站信噪比

圖7 RAMO站信噪比

3.2 可見衛(wèi)星數(shù)

研究衛(wèi)星可見性,對衛(wèi)星系統(tǒng)對抗技術(shù)的研究有支撐作用。通常當(dāng)可見衛(wèi)星數(shù)下降,即參與導(dǎo)航定位解算的衛(wèi)星數(shù)目也減少,導(dǎo)航性能就會受到直接影響[12]。圖8、圖9、圖10是3個地面跟蹤站在空襲當(dāng)天可見衛(wèi)星數(shù)的實時變化情況。

圖8 BSHM站可見衛(wèi)星數(shù)

圖9 DRAG站可見衛(wèi)星數(shù)

圖10 RAMO站可見衛(wèi)星數(shù)

通過對可見衛(wèi)星數(shù)的觀測,可知RAMO和DRAG跟蹤站在空襲發(fā)生前后衛(wèi)星跟蹤正常,滿足定位要求,而距離最近的BSHM跟蹤站則在3:00和6:00左右,收到衛(wèi)星數(shù)目較少,不能正常定位,此結(jié)論也可通過地面跟蹤站實時的“skyplot”更加清晰的顯示出來,例如圖11、圖12是BSHM跟蹤站兩個時刻的衛(wèi)星跟蹤圖,在4月13日2:09時刻,共收到G01,G03,G22,G23 4顆衛(wèi)星,且根據(jù)圖示下方信噪比及顏色的對應(yīng)關(guān)系,4顆衛(wèi)星僅有G23 信號良好,其余衛(wèi)星信號信噪比均不夠理想；而在5:50時刻,僅收到G09一顆衛(wèi)星,顯然基本已經(jīng)造成了地面站對跟蹤衛(wèi)星的完全失鎖。

圖11 02:09 時刻衛(wèi)星天空視圖

3.3 PDOP

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,幾何因子對接收機定位精度有很大影響,一般用精度因子(PDOP)這個概念來表示誤差的放大倍數(shù),其完全取決于可見衛(wèi)星個數(shù)及其相對于接收機的幾何分布,而與信號的強弱或接收機的好壞無關(guān)[13]。圖13、圖14、圖15是3個地面跟蹤站在空襲當(dāng)天精度因子的實時變化情況。

圖12 05:50 時刻衛(wèi)星天空視圖

圖13 BSHM站PDOP值

圖14 DRAG站PDOP值

通常利用GPS進(jìn)行精確定位時,PDOP在6以下為最佳[14],表示衛(wèi)星幾何分布較好。通過對3個地面跟蹤站PDOP值進(jìn)行統(tǒng)計畫圖,可明顯看出在RAMO和DRAG兩個站的連續(xù)跟蹤過程中,PDOP值均在6以下,衛(wèi)星跟蹤正常。而BSHM站在13日3:00和6:00左右,PDOP值較大,衛(wèi)星幾何分布較差,即使收到衛(wèi)星個數(shù)超過4顆,也不能實現(xiàn)有效的定位和測量。

3.4 定位誤差

定位誤差是用戶終端最重要的定位指標(biāo),能直接反映干擾對信號定位的影響,圖16、圖17、圖18是3個地面跟蹤站在空襲當(dāng)天定位誤差的實時變化情況。

圖15 RAMO站PDOP值

圖16 BSHM站實時定位誤差

圖17 DRAG站實時定位誤差

圖18 RAMO站實時定位誤差

通過對3個地面跟蹤站東北天3個坐標(biāo)系上的定位偏差分析,并計算仿真出其最終造成的空間位置中心偏差,可以看出定位誤差較大甚至造成無法定位的是BSHM站在13日3:00和6:00左右兩個時間段發(fā)生的,這個結(jié)果與上述關(guān)于信噪比、可見衛(wèi)星數(shù)和PDOP的分析結(jié)果完全一致。

由以上對空襲當(dāng)天敘利亞大馬士革附近3個地面跟蹤站的信噪比、可見衛(wèi)星數(shù)、PDOP和定位誤差結(jié)果分析可知,距離大馬士革最近的BSHM地面跟蹤站收到了較強的干擾,在L1C/A定位中出現(xiàn)了異常；RAMO和DRAG地面跟蹤站衛(wèi)星跟蹤基本正常,定位精度滿足要求,說明此次英美法聯(lián)軍對敘空襲非美方區(qū)域性的關(guān)閉在敘衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù),而且根據(jù)已知資料證實了GPS尚不具備在敘利亞如此小區(qū)域定點關(guān)閉信號的能力。美國此次的軍事行動中精確制導(dǎo)武器的應(yīng)用在局部受到了嚴(yán)重的導(dǎo)航干擾,才導(dǎo)致的GPS信號信噪比降低,定位誤差的明顯增大,甚至造成一段時間的完全失鎖和無法定位。

4 結(jié)論

利用IGS實時數(shù)據(jù)和RTKLIB分析軟件對空襲期間敘利亞大馬士革附近3個地面跟蹤站GPS信號變化情況進(jìn)行分析和處理,發(fā)現(xiàn)在空襲當(dāng)天有兩個時間段GPS信號受到了嚴(yán)重的干擾,導(dǎo)致信噪比降低、可見衛(wèi)星數(shù)減少、PDOP增大、定位誤差急劇變大,且證實了空襲過程非美國對敘利亞的GPS服務(wù)進(jìn)行區(qū)域性的停用。通過此真實案例數(shù)據(jù)的研究,證實了以信噪比、可見衛(wèi)星數(shù)、PDOP和定位誤差作為GPS信號干擾效果評估體系的可行性,以及基于RTKLIB分析軟件和IGS實時數(shù)據(jù)對干擾效果評估方法的合理性。