殷贊，甄衛(wèi)民，靳睿敏，林子揚(yáng)，王潤梓，車?yán)?/p>

(1.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107；2.西安電子科技大學(xué),西安 717071)

0 引言

針對(duì)城市和民航等重點(diǎn)區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航干擾難以檢測和排查的情況，急需提高衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源檢測和排查的能力.

首先要快速的發(fā)現(xiàn)和檢測到干擾.衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)落地功率較弱，導(dǎo)航接收設(shè)備接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)也容易受到導(dǎo)航頻段干擾的影響，導(dǎo)致接收機(jī)定位、授時(shí)精度下降甚至接鎖等，影響用戶正常使用.有些弱信號(hào)對(duì)接收機(jī)已經(jīng)造成影響，但是從頻譜上較難發(fā)現(xiàn)，由此采用導(dǎo)航信號(hào)和頻譜信號(hào)相結(jié)合的干擾檢測方法對(duì)導(dǎo)航干擾信號(hào)進(jìn)行檢測[1].

其次要快速對(duì)干擾源進(jìn)行定位、減緩和消除.針對(duì)已出現(xiàn)的干擾信號(hào)，通過歷史數(shù)據(jù)比對(duì)，快速確定被干擾范圍，劃定干擾區(qū)域，通過機(jī)動(dòng)手段迅速實(shí)施干擾檢測定位，確定干擾源目標(biāo)位置，及時(shí)進(jìn)行處置.為此，本文提出以下方法：

1)將測向定位設(shè)備搭載于車和無人機(jī)等機(jī)動(dòng)平臺(tái)上，提出了實(shí)用的干擾源查找流程，提高響應(yīng)速度和作業(yè)區(qū)域.無人機(jī)測向設(shè)備的使用主要解決了在城市等復(fù)雜環(huán)境中，由于建筑物遮擋導(dǎo)致地面測向設(shè)備無法確定干擾源方位的問題，當(dāng)車載設(shè)備受到較高建筑物的遮擋時(shí)，無法檢測到干擾信號(hào)，此時(shí)啟動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行高空測向作業(yè)，通過無人機(jī)測向，初步獲得干擾源的大體方位，用于指導(dǎo)地面測向設(shè)備的移動(dòng)方向和部署位置，然后對(duì)干擾源進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測向定位，以完成快速排查干擾源的任務(wù)，大大提高了排查任務(wù)的效率.

2)在城市和民航等重點(diǎn)區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境下，不僅需具備對(duì)多個(gè)同頻干擾源進(jìn)行測向的能力，還需要具備高速的實(shí)時(shí)處理能力以捕獲瞬發(fā)信號(hào).相關(guān)干涉測向體制技術(shù)成熟，適應(yīng)范圍廣，但缺乏同頻干擾測向能力；空間譜測向體制技術(shù)先進(jìn)，但計(jì)算復(fù)雜度高導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差.因此，采用單一的測向并不能有效地適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境需要，因此本文綜合運(yùn)用空間譜估計(jì)、相關(guān)干涉儀多種測向方法的技術(shù)手段，對(duì)多個(gè)同頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的超分辨測向.

將該技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)提升了系統(tǒng)測向和定位等性能.

1 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1 所示，衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)由空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)中心、車載干擾測向定位分系統(tǒng)和無人機(jī)載干擾測向定位分系統(tǒng)組成.

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)

1)空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)

空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(含干擾測向定位軟件)和無線通信模塊組成.可接收車載干擾測向定位分系統(tǒng)和無人機(jī)載干擾測向定位分系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，利用空地協(xié)同定位算法進(jìn)行多干擾源測向定位.

2)車載干擾測向定位分系統(tǒng)

車載干擾測向定位分系統(tǒng)由干擾測向定位設(shè)備、顯控終端(含干擾測向定位軟件)、無線通信模塊和車載機(jī)動(dòng)平臺(tái)組成.干擾測向定位設(shè)備采用空間譜估計(jì)/相關(guān)干涉儀體制可實(shí)現(xiàn)多個(gè)干擾源(含同頻)進(jìn)行高精度測向定位，單個(gè)車載干擾檢測測向設(shè)備可分時(shí)多點(diǎn)對(duì)干擾源進(jìn)行方向交匯定位，2 臺(tái)以上車載干擾檢測測向設(shè)備可實(shí)時(shí)對(duì)多個(gè)干擾源進(jìn)行方向交匯定位，并可實(shí)時(shí)給出運(yùn)動(dòng)干擾源的運(yùn)動(dòng)軌跡.

3)無人機(jī)載干擾測向定位分系統(tǒng)

無人機(jī)載干擾測向定位分系統(tǒng)由飛控地面站(干擾測向定位軟件)、干擾測向定位設(shè)備、無線通信模塊和升空平臺(tái)等組成.該分系統(tǒng)可升空到一定高度，擴(kuò)大對(duì)干擾源的檢測范圍，可彌補(bǔ)因復(fù)雜地形環(huán)境等因素引起的其他分系統(tǒng)的不足.

1.2 干擾源查找流程

空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)[2]由無人機(jī)載測向定位分系統(tǒng)[3]和車載測向定位分系統(tǒng)(含便攜式干擾源逼近式查找設(shè)備)組成.無人機(jī)載測向定位分系統(tǒng)可放置在車載測向定位分系統(tǒng)的車輛上，必要時(shí)無人機(jī)升空作業(yè)，形成空地協(xié)同一體化服務(wù)模式，如圖2 所示.

圖2 空地協(xié)同測向定位模式示意圖

系統(tǒng)工作流程如下所述：

1)在重點(diǎn)區(qū)域或者重點(diǎn)任務(wù)保障區(qū)域，當(dāng)車到達(dá)指定區(qū)域后，車載式檢測測向設(shè)備搭載在車輛平臺(tái)上，可以對(duì)行駛區(qū)域一定范圍內(nèi)的導(dǎo)航頻段干擾信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并在行駛移動(dòng)的過程中通過多點(diǎn)測向?qū)崿F(xiàn)干擾源交叉定位.

2)如果利用車載測向定位分系統(tǒng)無法確認(rèn)干擾源，可啟動(dòng)機(jī)載干擾測向定位分系統(tǒng)對(duì)干擾源進(jìn)行升空測向定位，克服地面設(shè)備因復(fù)雜地形環(huán)境等因素引起的不足，快速對(duì)干擾源進(jìn)行測向定位.

3)如果確認(rèn)干擾源后，對(duì)干擾源特征進(jìn)行檢測識(shí)別，對(duì)干擾源的影響范圍和影響程度進(jìn)行評(píng)估，并錄入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理.

1.2.1 單車/單機(jī)測向定位流程

單車/單機(jī)模式可以使用戶在只有一臺(tái)測向設(shè)備的情況下，進(jìn)行多點(diǎn)測向，然后利用多次測向結(jié)果進(jìn)行定位最終確定干擾源的位置.

單車/單機(jī)測向定位模式工作流程如圖3 所示：

圖3 單車/單機(jī)測向定位模式流程圖

1)進(jìn)入單車/單機(jī)手動(dòng)界面，軟件會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)排查任務(wù)(也支持手動(dòng)創(chuàng)建任務(wù))；

2)創(chuàng)建完成任務(wù)之后，用戶選定一個(gè)測量點(diǎn)1(軟件自動(dòng)命名為測量點(diǎn)1)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行測向操作；

3)在測量點(diǎn)1 完成測向后，根據(jù)測量點(diǎn)1 的測向方向，前往第一次測向結(jié)果指向的方向附近，然后選定第二個(gè)測量點(diǎn)2 執(zhí)行測向操作；

4)完成兩次測向操作之后，點(diǎn)擊軟件的定位按鈕可對(duì)當(dāng)前任務(wù)下所有測向結(jié)果進(jìn)行交匯定位獲的當(dāng)前干擾信號(hào)發(fā)射源的初步位置；

5)同理，可以選擇測量點(diǎn)3 進(jìn)行測向操作和交匯定位，進(jìn)一步驗(yàn)證初步干擾源位置；

6)根據(jù)多次測向交匯獲得的干擾源初步位置，可以前往該位置現(xiàn)場勘查并確認(rèn)干擾源的具體位置和類型，一旦確定干擾源的具體情況之后，可以在界面的初步干擾源圖標(biāo)上單擊會(huì)彈出確定干擾源具體信息的提示框，根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果修改干擾源的具體信息并確定，即完成一次干擾源排查任務(wù)；

7)排查的干擾源結(jié)果在界面右側(cè)會(huì)生成一個(gè)統(tǒng)計(jì)列表，用戶在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以將排查結(jié)果上報(bào)給指揮中心，記錄入庫.

1.2.2 空地協(xié)同測向定位流程

通過空地協(xié)同測向定位來快速排查干擾源，該模式的具體操作流程如圖4 所示，具體如下：

圖4 空地協(xié)同測向定位流程圖

1)執(zhí)行協(xié)同干擾源排查任務(wù)時(shí)，如果車載設(shè)備無法獲得干擾信號(hào)的大體方向，可以啟動(dòng)無人機(jī)測向設(shè)備進(jìn)行高空測向，以初步獲得干擾信號(hào)的大體方向；

2)車載測向系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)測得的干擾源大體方向，以一定的夾角向干擾源方向移動(dòng)，同時(shí)觀察軟件的信號(hào)檢測界面直至能檢測到穩(wěn)定的待排查干擾源頻率信號(hào)，停車準(zhǔn)備組網(wǎng)測向；

3)當(dāng)兩個(gè)車載設(shè)備位置就緒之后，選定啟動(dòng)一個(gè)做個(gè)主站，進(jìn)入軟件的協(xié)同手動(dòng)界面，向其他設(shè)備發(fā)出組網(wǎng)邀請(qǐng)；

4)組網(wǎng)成功后，從站進(jìn)入被動(dòng)模式，主站此時(shí)可以根據(jù)待測的干擾源頻率啟動(dòng)測向定位，此時(shí)從站會(huì)將測向數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給主站，主站結(jié)合自身和從站的測向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交匯定位，獲得干擾源初步位置；

5)排查人員到測量所得的位置區(qū)域，進(jìn)行實(shí)地勘查干擾源；

6)一旦確定干擾源的具體情況之后，可以在界面的初步干擾源的圖標(biāo)單擊會(huì)彈出確定干擾源具體信息的提示框，根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果修改干擾源的具體信息并確定，即完成一次干擾源排查任務(wù)；

7)排查的干擾源結(jié)果在界面右側(cè)會(huì)生成一個(gè)統(tǒng)計(jì)列表，用戶在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以將排查結(jié)果上報(bào)給指揮中心，記錄入庫.

2 衛(wèi)星導(dǎo)航多干擾源檢測測向和定位技術(shù)

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和干擾頻譜結(jié)合的檢測技術(shù)

針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)落地功率較弱，導(dǎo)航接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，容易受到干擾的影響.尤其對(duì)于干擾功率較低、干擾樣式復(fù)雜、干擾持續(xù)時(shí)間較短等干擾信號(hào)[4,5]已經(jīng)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)造成影響，但是利用頻譜監(jiān)測設(shè)備難以準(zhǔn)確檢測，由此采用導(dǎo)航信號(hào)和頻譜信號(hào)相結(jié)合的干擾檢測方法[1]對(duì)導(dǎo)航干擾信號(hào)進(jìn)行檢測.

利用衛(wèi)星導(dǎo)航頻段干擾信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)輸出的載噪比信息、衛(wèi)星定位狀態(tài)(對(duì)比GNSS 定位結(jié)果和抗干擾定位結(jié)果，可以有效判定定位狀態(tài))，用戶可分析判斷各個(gè)導(dǎo)航頻段是否存在可疑的干擾信號(hào)，并自動(dòng)生成干擾信號(hào)列表，干擾信息列表包括干擾頻率、所屬導(dǎo)航頻段、干擾源調(diào)制類型[6]、載噪比等信息.

2.2 改進(jìn)的多干擾源測向算法設(shè)計(jì)

采用單一的測向方法并不能有效地適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境需要.相關(guān)干涉儀原理簡單，運(yùn)算速度快但測角精度低，空間譜估計(jì)MUSIC 測向精度高，但運(yùn)算復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差.基于此，結(jié)合兩種測向算法的優(yōu)勢，提出一種改進(jìn)算法，首先采用相關(guān)干涉儀算法進(jìn)行初測角，將其結(jié)果作為空間譜估計(jì)MUSIC 測向算法的引導(dǎo)角，可有效減少空間譜估計(jì)MUSIC 算法的運(yùn)算量，且提高測角分辨力，既滿足實(shí)時(shí)性要求又提高測向精度.

從空間譜估計(jì)MUSIC 算法[6]可知，其主要運(yùn)算是陣列流型矢量的計(jì)算以及最后對(duì)譜值極大值的搜索上，若進(jìn)行全向搜索其搜索范圍θ∈[0,360]，φ∈[0,90]，假設(shè)搜索步長為1°，則需要搜索360°的一維空間的計(jì)算及搜索，需要耗費(fèi)較長時(shí)間.為提高M(jìn)USIC算法的運(yùn)算速度，最為有效的方位即減少角度搜索范圍，因而采用相關(guān)干涉儀進(jìn)行初測向，根據(jù)其結(jié)果做MUSIC 算法的引導(dǎo)角，可有效地提高M(jìn)USIC 算法的運(yùn)算時(shí)間.

為保證測角結(jié)果的實(shí)時(shí)性，對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，運(yùn)算步驟如下：

1)采用相關(guān)干涉儀算法[2]進(jìn)行初測角，測角步長為3°，建立相位差表，相關(guān)運(yùn)算計(jì)算出初始方位角為φ0；

2)采用MUSIC 算法精測角，以φ0為引導(dǎo)角，對(duì)方位角內(nèi)，以步長1°進(jìn)行角度搜索，得方位角Δφ.

以下介紹仿真結(jié)果：

1)同時(shí)測向的同頻干擾源數(shù)量仿真

采用的仿真參數(shù)如下：天線陣列為9 陣元陣列，半徑150 mm，通道不一致度設(shè)置為10°，信號(hào)入射方向[60，100，180，250]，信噪比(SNR)10 dB，頻率選擇2 GHz，測試對(duì)應(yīng)的空間譜峰圖，如圖5 所示.

圖5 4 個(gè)同頻多干擾源對(duì)應(yīng)的空間譜峰圖

從仿真結(jié)果看，改進(jìn)后的算法可以對(duì)4 個(gè)同頻干擾信號(hào)進(jìn)行測向.

2)測向精度仿真結(jié)果

設(shè)置MATLAB 仿真條件：均勻圓陣，陣元數(shù)為9，在不同信噪比下測試上述各算法，所得結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同SNR 下測角誤差分析

從仿真結(jié)果來看，采用改進(jìn)的基于相關(guān)干涉儀的空間譜估計(jì)算法，在測角精度都有較大的提高，既保留了MUSIC 算法的高精度測角，也能滿足工程應(yīng)用要求的實(shí)時(shí)性.

2.3 交匯定位算法設(shè)計(jì)

基于角度參數(shù)交匯定位是利用兩個(gè)或兩個(gè)以上觀測站測量的高精度方向角和俯仰角，經(jīng)過三角運(yùn)算來確定目標(biāo)位置的計(jì)算方法.

設(shè)目標(biāo)空間坐標(biāo)為(xr,yr,zr)，三個(gè)檢測測向站的坐標(biāo)分別為(xi,yi,zi)，i=1,2,3,可得到如下關(guān)系：

式中：Ri為目標(biāo)至第i個(gè)檢測測向站之間的距離；θ和φi分別為目標(biāo)至第i個(gè)檢測測向站的俯仰角和方位角.由于θ和φi分別滿足如下關(guān)系：

于是，可得到目標(biāo)在x、o、y平面上的坐標(biāo)的最小二乘解為

3 測試場景和結(jié)果

3.1 測試場景

測試場景如圖7～9 所示，由衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源、衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)(包括車載干擾測向定位分系統(tǒng)和無人機(jī)載干擾測向定位分系統(tǒng))組成.

圖7 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源實(shí)物圖

圖8 無人機(jī)載測向定位分系統(tǒng)升空作業(yè)圖

圖9 車載干擾源測向定位分系統(tǒng)作業(yè)圖

3.2 測試結(jié)果

3.2.1 同頻干擾測向數(shù)量和測向精度

當(dāng)測向天線升起離車頂1.2 m 高度時(shí)，經(jīng)實(shí)測，如圖10 所示，車載干擾測向定位分系統(tǒng)同頻干擾測向數(shù)量為4，測向均方根誤差(RMSE)精度為1.4°.

圖10 同頻干擾測向數(shù)量

3.2.2 定位精度

1)干擾源位置及干擾類型設(shè)置

干擾源實(shí)際架設(shè)位置：118.837 351°E，37.447 983°N；

干擾類型設(shè)置：在衛(wèi)星導(dǎo)航頻段內(nèi)隨機(jī)選擇1 561 MHz，干擾信號(hào)類型分別設(shè)置為窄帶(帶寬10 KHz)、寬帶(帶寬10 MHz)和脈沖信號(hào)(脈寬1 ms，周期0.1 s).

2)檢測點(diǎn)位置

通過升空無人機(jī)后檢測到干擾源大致方向，指引地面車載測向系統(tǒng)分別在A(118.808 393°E，37.461 947°N)和B點(diǎn)(118.803 809°E，37.443 871°N 進(jìn)行測向定位)，檢測點(diǎn)A與干擾源之間距離為R=2 994 m.

3)測向交匯定位結(jié)果

測向交匯定位結(jié)果表1 所示.

表1 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源干擾定位精度

4 結(jié)束語

本文介紹了一種衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)，通過優(yōu)化的干擾源排查工作流程，可以實(shí)現(xiàn)單車/單機(jī)多點(diǎn)測向定位，也可以實(shí)現(xiàn)在無人機(jī)的指引下，快速實(shí)現(xiàn)空地協(xié)同實(shí)時(shí)測向交匯定位，大大提高了干擾源排查的效率.

本文對(duì)改進(jìn)的空間譜估計(jì)和相關(guān)干涉儀結(jié)合的多干擾源測向技術(shù)進(jìn)行了仿真分析，并將該算法應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航多干擾源測向定位系統(tǒng)中.經(jīng)實(shí)測，該系統(tǒng)測向精度在1.5°以內(nèi)，交匯定位精度達(dá)到5%R以內(nèi)，可以滿足實(shí)際使用需求.