殷贊，甄衛(wèi)民，靳睿敏，林子揚，王潤梓，車磊

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

0 引言

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

首先要快速的發(fā)現和檢測到干擾.衛(wèi)星導航信號落地功率較弱，導航接收設備接收衛(wèi)星信號的同時也容易受到導航頻段干擾的影響，導致接收機定位、授時精度下降甚至接鎖等，影響用戶正常使用.有些弱信號對接收機已經造成影響，但是從頻譜上較難發(fā)現，由此采用導航信號和頻譜信號相結合的干擾檢測方法對導航干擾信號進行檢測[1].

其次要快速對干擾源進行定位、減緩和消除.針對已出現的干擾信號，通過歷史數據比對，快速確定被干擾范圍，劃定干擾區(qū)域，通過機動手段迅速實施干擾檢測定位，確定干擾源目標位置，及時進行處置.為此，本文提出以下方法：

1)將測向定位設備搭載于車和無人機等機動平臺上，提出了實用的干擾源查找流程，提高響應速度和作業(yè)區(qū)域.無人機測向設備的使用主要解決了在城市等復雜環(huán)境中，由于建筑物遮擋導致地面測向設備無法確定干擾源方位的問題，當車載設備受到較高建筑物的遮擋時，無法檢測到干擾信號，此時啟動無人機進行高空測向作業(yè)，通過無人機測向，初步獲得干擾源的大體方位，用于指導地面測向設備的移動方向和部署位置，然后對干擾源進行快速、準確的測向定位，以完成快速排查干擾源的任務，大大提高了排查任務的效率.

2)在城市和民航等重點區(qū)域復雜電磁環(huán)境下，不僅需具備對多個同頻干擾源進行測向的能力，還需要具備高速的實時處理能力以捕獲瞬發(fā)信號.相關干涉測向體制技術成熟，適應范圍廣，但缺乏同頻干擾測向能力；空間譜測向體制技術先進，但計算復雜度高導致實時性較差.因此，采用單一的測向并不能有效地適應于不同的應用環(huán)境需要，因此本文綜合運用空間譜估計、相關干涉儀多種測向方法的技術手段，對多個同頻信號進行實時的超分辨測向.

將該技術應用于衛(wèi)星導航干擾源空地協同測向定位系統(tǒng)的設計中，并進行實驗驗證，實驗結果表明，該技術提升了系統(tǒng)測向和定位等性能.

1 衛(wèi)星導航干擾源空地協同測向定位系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成

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

圖1 衛(wèi)星導航干擾源空地協同測向定位系統(tǒng)

1)空地協同測向定位系統(tǒng)

空地協同測向定位系統(tǒng)由計算機(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)和無人機載干擾測向定位分系統(tǒng)的檢測數據，利用空地協同定位算法進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)由干擾測向定位設備、顯控終端(含干擾測向定位軟件)、無線通信模塊和車載機動平臺組成.干擾測向定位設備采用空間譜估計/相關干涉儀體制可實現多個干擾源(含同頻)進行高精度測向定位，單個車載干擾檢測測向設備可分時多點對干擾源進行方向交匯定位，2 臺以上車載干擾檢測測向設備可實時對多個干擾源進行方向交匯定位，并可實時給出運動干擾源的運動軌跡.

3)無人機載干擾測向定位分系統(tǒng)

無人機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)、干擾測向定位設備、無線通信模塊和升空平臺等組成.該分系統(tǒng)可升空到一定高度，擴大對干擾源的檢測范圍，可彌補因復雜地形環(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

空地協同測向定位系統(tǒng)[2]由無人機載測向定位分系統(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備)組成.無人機載測向定位分系統(tǒng)可放置在車載測向定位分系統(tǒng)的車輛上，必要時無人機升空作業(yè)，形成空地協同一體化服務模式，如圖2 所示.

圖2 空地協同測向定位模式示意圖

系統(tǒng)工作流程如下所述：

1)在重點區(qū)域或者重點任務保障區(qū)域，當車到達指定區(qū)域后，車載式檢測測向設備搭載在車輛平臺上，可以對行駛區(qū)域一定范圍內的導航頻段干擾信號進行實時檢測，并在行駛移動的過程中通過多點測向實現干擾源交叉定位.

2)如果利用車載測向定位分系統(tǒng)無法確認干擾源，可啟動機載干擾測向定位分系統(tǒng)對干擾源進行升空測向定位，克服地面設備因復雜地形環(huán)境等因素引起的不足，快速對干擾源進行測向定位.

3)如果確認干擾源后，對干擾源特征進行檢測識別，對干擾源的影響范圍和影響程度進行評估，并錄入數據庫進行管理.

1.2.1 單車/單機測向定位流程

單車/單機模式可以使用戶在只有一臺測向設備的情況下，進行多點測向，然后利用多次測向結果進行定位最終確定干擾源的位置.

單車/單機測向定位模式工作流程如圖3 所示：

圖3 單車/單機測向定位模式流程圖

1)進入單車/單機手動界面，軟件會自動創(chuàng)建一個排查任務(也支持手動創(chuàng)建任務)；

2)創(chuàng)建完成任務之后，用戶選定一個測量點1(軟件自動命名為測量點1)對干擾信號進行測向操作；

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

4)完成兩次測向操作之后，點擊軟件的定位按鈕可對當前任務下所有測向結果進行交匯定位獲的當前干擾信號發(fā)射源的初步位置；

5)同理，可以選擇測量點3 進行測向操作和交匯定位，進一步驗證初步干擾源位置；

6)根據多次測向交匯獲得的干擾源初步位置，可以前往該位置現場勘查并確認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上單擊會彈出確定干擾源具體信息的提示框，根據現場勘查結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；

7)排查的干擾源結果在界面右側會生成一個統(tǒng)計列表，用戶在有網絡的情況下，可以將排查結果上報給指揮中心，記錄入庫.

1.2.2 空地協同測向定位流程

通過空地協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 空地協同測向定位流程圖

1)執(zhí)行協同干擾源排查任務時，如果車載設備無法獲得干擾信號的大體方向，可以啟動無人機測向設備進行高空測向，以初步獲得干擾信號的大體方向；

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

3)當兩個車載設備位置就緒之后，選定啟動一個做個主站，進入軟件的協同手動界面，向其他設備發(fā)出組網邀請；

4)組網成功后，從站進入被動模式，主站此時可以根據待測的干擾源頻率啟動測向定位，此時從站會將測向數據通過4G 網絡實時發(fā)送給主站，主站結合自身和從站的測向數據實時交匯定位，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，進行實地勘查干擾源；

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單擊會彈出確定干擾源具體信息的提示框，根據現場勘查結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；

7)排查的干擾源結果在界面右側會生成一個統(tǒng)計列表，用戶在有網絡的情況下，可以將排查結果上報給指揮中心，記錄入庫.

2 衛(wèi)星導航多干擾源檢測測向和定位技術

2.1 衛(wèi)星導航信號和干擾頻譜結合的檢測技術

針對衛(wèi)星導航信號落地功率較弱，導航接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，容易受到干擾的影響.尤其對于干擾功率較低、干擾樣式復雜、干擾持續(xù)時間較短等干擾信號[4,5]已經對導航接收機造成影響，但是利用頻譜監(jiān)測設備難以準確檢測，由此采用導航信號和頻譜信號相結合的干擾檢測方法[1]對導航干擾信號進行檢測.

利用衛(wèi)星導航頻段干擾信號的頻譜數據結合衛(wèi)星導航接收機輸出的載噪比信息、衛(wèi)星定位狀態(tài)(對比GNSS 定位結果和抗干擾定位結果，可以有效判定定位狀態(tài))，用戶可分析判斷各個導航頻段是否存在可疑的干擾信號，并自動生成干擾信號列表，干擾信息列表包括干擾頻率、所屬導航頻段、干擾源調制類型[6]、載噪比等信息.

2.2 改進的多干擾源測向算法設計

采用單一的測向方法并不能有效地適應于不同的應用環(huán)境需要.相關干涉儀原理簡單，運算速度快但測角精度低，空間譜估計MUSIC 測向精度高，但運算復雜，實時性較差.基于此，結合兩種測向算法的優(yōu)勢，提出一種改進算法，首先采用相關干涉儀算法進行初測角，將其結果作為空間譜估計MUSIC 測向算法的引導角，可有效減少空間譜估計MUSIC 算法的運算量，且提高測角分辨力，既滿足實時性要求又提高測向精度.

從空間譜估計MUSIC 算法[6]可知，其主要運算是陣列流型矢量的計算以及最后對譜值極大值的搜索上，若進行全向搜索其搜索范圍θ∈[0,360]，φ∈[0,90]，假設搜索步長為1°，則需要搜索360°的一維空間的計算及搜索，需要耗費較長時間.為提高MUSIC算法的運算速度，最為有效的方位即減少角度搜索范圍，因而采用相關干涉儀進行初測向，根據其結果做MUSIC 算法的引導角，可有效地提高MUSIC 算法的運算時間.

為保證測角結果的實時性，對算法進行了改進，運算步驟如下：

1)采用相關干涉儀算法[2]進行初測角，測角步長為3°，建立相位差表，相關運算計算出初始方位角為φ0；

2)采用MUSIC 算法精測角，以φ0為引導角，對方位角內，以步長1°進行角度搜索，得方位角Δφ.

以下介紹仿真結果：

1)同時測向的同頻干擾源數量仿真

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

圖5 4 個同頻多干擾源對應的空間譜峰圖

從仿真結果看，改進后的算法可以對4 個同頻干擾信號進行測向.

2)測向精度仿真結果

設置MATLAB 仿真條件：均勻圓陣，陣元數為9，在不同信噪比下測試上述各算法，所得結果如圖6所示.

圖6 不同SNR 下測角誤差分析

從仿真結果來看，采用改進的基于相關干涉儀的空間譜估計算法，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，也能滿足工程應用要求的實時性.

2.3 交匯定位算法設計

基于角度參數交匯定位是利用兩個或兩個以上觀測站測量的高精度方向角和俯仰角，經過三角運算來確定目標位置的計算方法.

設目標空間坐標為(xr,yr,zr)，三個檢測測向站的坐標分別為(xi,yi,zi)，i=1,2,3,可得到如下關系：

式中：Ri為目標至第i個檢測測向站之間的距離；θ和φi分別為目標至第i個檢測測向站的俯仰角和方位角.由于θ和φi分別滿足如下關系：

于是，可得到目標在x、o、y平面上的坐標的最小二乘解為

3 測試場景和結果

3.1 測試場景

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

圖7 衛(wèi)星導航干擾源實物圖

圖8 無人機載測向定位分系統(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 測試結果

3.2.1 同頻干擾測向數量和測向精度

當測向天線升起離車頂1.2 m 高度時，經實測，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 同頻干擾測向數量

3.2.2 定位精度

1)干擾源位置及干擾類型設置

干擾源實際架設位置：118.837 351°E，37.447 983°N；

干擾類型設置：在衛(wèi)星導航頻段內隨機選擇1 561 MHz，干擾信號類型分別設置為窄帶(帶寬10 KHz)、寬帶(帶寬10 MHz)和脈沖信號(脈寬1 ms，周期0.1 s).

2)檢測點位置

通過升空無人機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(118.803 809°E，37.443 871°N 進行測向定位)，檢測點A與干擾源之間距離為R=2 994 m.

3)測向交匯定位結果

測向交匯定位結果表1 所示.

表1 衛(wèi)星導航干擾源干擾定位精度

4 結束語

本文介紹了一種衛(wèi)星導航干擾源空地協同測向定位系統(tǒng)，通過優(yōu)化的干擾源排查工作流程，可以實現單車/單機多點測向定位，也可以實現在無人機的指引下，快速實現空地協同實時測向交匯定位，大大提高了干擾源排查的效率.

本文對改進的空間譜估計和相關干涉儀結合的多干擾源測向技術進行了仿真分析，并將該算法應用到衛(wèi)星導航多干擾源測向定位系統(tǒng)中.經實測，該系統(tǒng)測向精度在1.5°以內，交匯定位精度達到5%R以內，可以滿足實際使用需求.