美伊冲突中的GPS信号增强分析

刘苗苗,焦文海,贾小林

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安710054;2. 北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094;3. 西安测绘研究所,陕西 西安 710054)

0 引 言

全球定位系统(GPS)是美国国防部为军事目的而建立的,旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题的导航定位授时系统[1].1997年,美军首次正式提出“导航战”概念,该概念的提出有效促进了美国导航战技术的发展.目前美国已经发展了星间链路技术、自主导航技术、导航拒止技术、功率增强技术等,其中功率增强是通过增加卫星导航系统导航信号的播发功率,对抗敌方干扰,从而提供更加稳健的卫星导航服务能力的技术[2].2018年4月美国打击叙利亚事件中,GPS信号受到干扰,随后GPS进行了P(Y)码即军码的功率增强技术,保障了GPS在干扰区域的服务能力[3-5].

2019年6月美国伊朗冲突事件中,GPS P(Y)码功率再次增强,由于不同厂家的接收机信噪比特征曲线(功率变化曲线)不一样[6],故本文将从接收机类型这一因素,利用全球卫星导航系统国际服务协会(IGS)测站2019年6月19日至21日(DOY:170—172)共3天的数据对GPS功率增强进行分析.

1 信噪比及GPS码介绍

信噪比(SNR)是指载波信号强度和噪声强度的比值.它主要受天线的增益参数、接收机相关器状态以及多路径的影响,是反映载波相位观测质量的指标之一[7].从观测文件中可以直接获取观测卫星相应时段的SNR,其数值越大,表明信号强度越强.

目前,GPS SNR在L1、L2和L5三个频点上播发信号,其中L1波段以1575.42 MHz发射C/A码和P码,L2波段以1227.6 MHz发射P码,L5波段是用来加强L1的一种辅助民用频率,L5=1176.45 MHz[8-9].此外,GPS正在研发实施的新一代“运行控制系统”(OCX)[10],已使GPS全面具备自主导航能力,其空间段已经初步具备了播发M码军用信号,L2C和L5C民用信号和星上信号功率可调能力.

2 数据准备

目前IGS在全球范围内约有400多个GNSS跟踪站,其中各站采用的接收机和天线类型多种多样,其中约34%的测站采用Trimble接收机,其次是Javad、Leica、Septentrio和Ashtech接收机,部分测站采用AOA、ITT、JPS等接收机.

本文实验设计从以下三部分对本次GPS功率增强进行分析:1)GPS功率增强时段与范围;2)不同接收机、天线类型对GPS功率增强的影响;3)不同卫星类型对GPS功率增强的影响.

为最大程度排除测站位置、地理环境、可见卫星数等因素的影响,较好地比较与分析不同类型接收机、天线对GPS功率增强的影响.本文选取多组IGS并址站进行分析.IGS并址站即距离较近,一般相距不超过十米的两个IGS测站.图1为采用的IGS并址测站分布图.

限于篇幅,本文只列出了10组(接收机类型不同)+3组(天线类型不同)并址站的对比结果,表1为本文采用的部分IGS测站信息表.

图1 IGS并址测站分布图

表1 IGS测站基本信息

3 实验结果及分析

3.1 功率增强时段及范围分析

根据各测站数据分析可知,本次功率增强是对P(Y)码的增强,增强卫星为19颗GPS IIRM和GPS IIF卫星.功率增强开始及结束时刻如表2所示,由表2可知,GPS功率增强在6月20日15:19-17:49进行,持续时间2.5 h,功率恢复在6月21日05:50-10:43进行,持续时间4小时53分钟.

表 2 GPS功率变化卫星及时刻

GOLD站6月20日-6月21日信噪比变化曲线如图2所示.从图中可见,GOLD站观测到信噪比增强约6 dB;且位于全球不同位置的观测站,均能观测到明显的功率增强现象,说明本次GPS P(Y)码功率增强是全球范围的增强.

图2 GOLD站6月20日-6月21日GPS P(Y)码信噪比

3.2 GPS功率增强对接收机、天线类型的影响

表3所列各组测站均是天线类型相同,接收机类型不同的IGS并址站,由3.1节可知,GPS功率增强最早开始于6月20日15:19,最晚结束于21日10:43,则6月20日15:19:00—23:59:30为卫星增强时段,截取6月19日相应时段,对19颗增强卫星在两日内相同时段的P(Y)码SNR进行均值做差,求得各测站功率增强均值如表3所示.

表3 接收机类型对GPS P(Y)码功率增强的影响

从表3可以看出,第1组中,GODE测站功率变化值为-0.33 dB,结合图3 GODE站6月20日-6月21日P(Y)码信噪比变化曲线可知,该测站无明显功率增强现象;第2～4组中,采用ASHTECH UZ-12接收机的GOL2、TIDB、KOKB测站功率增强值明显低于对应的GOLD、TID1和KOKV测站,其中GOLD测站采用JPS EGGDT接收机,TID1、KOKV测站分别采用SEPT POLARX5和JAVAD TRE-G3TH DELTA接收机;第5～7组中,采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收机的MADR、WTZZ、OHI2测站功率增强值高于对应的MAD2、WTZR和OHI3测站,其中MAD2测站采用ASHTECH Z-XII3T接收机,WTZR测站采用LEICA GR50接收机,OHI3测站采用LEICA GR25接收机;第8组中,采用TRIMBLE NETR9接收机的TABL测站与采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收机的TABV测站功率增强值相差不大,前者略大于后者;第9组中采用TRIMBLE NETR9接收机的GOP6测站比采用LEICA GRX1200+GNSS接收机的GOP7测站功率增强值大0.50 dB;第10组中,采用TPS ODYSSEY-E接收机的TIXG测站与采用JPS EGGDT接收机的TIXI测站功率增强值相差不大,前者略大于后者.

图3 GODE站6月20日-6月21日GPS P(Y)码SNR

此外,不同测站相同类型接收机功率增强值基本相当,其中,采用JPS EGGDT接收机的测站,功率增强约7.90 dB,采用ASHTECH UZ-12接收机的测站,功率增强约3.90 dB,采用JAVAD TRE-G3TH DELTA接收机的测站,功率增强约6.57 dB,采用TRIMBLE NETR9接收机的测站,功率增强约8.28 dB.

表4 天线类型对GPS P(Y)码功率增强影响

表4所列各组测站为接收机类型相同,天线类型不同的IGS并址站,和表3计算方式相同,则由表4可知,接收机类型相同情况下,各组采用不同天线测站的功率增强值均相差不大,其中第1组采用TRM59800.00天线的TSK2测站比采用AOAD/M_T天线的TSKB测站功率增强值大0.15 dB;第2组采用LEIAT504天线的YARR测站比采用LEIAR25天线的YAR3测站功率增强值大0.21 dB;第3组采用TRM29659.00天线的ZIMM测站比采用TRM59800.00天线的ZIM2测站功率增强值大0.18 dB.

结合表3、4可知,采用不同类型接收机的测站其功率增强值明显不同,而采用不同类型天线的测站其功率增强值相差不大,由此可知,相对于天线类型,接收机类型的不同对功率增强的影响更为明显.

3.3 不同GPS卫星类型的功率增强分析

由3.1节可知,本次GPS功率增强主要作用在19颗卫星上,其中包括7颗GPS IIRM卫星和12颗GPS IIF卫星.在3.2节的基础上对功率增强卫星进行分类,求得各类型卫星在相应测站的功率增强均值,限于篇幅,仅给出部分并址站的计算结果.图4、5分别为接收机类型相同和天线类型相同时并址站的功率增强均值对比图.

图4 接收机类型相同的IGS并址站

图5 天线类型相同的IGS并址站

由图4可知,在接收机类型相同情况下,前五组并址站中,其功率增强值均是同种类型卫星大于另一类型卫星,如GOLD与GOL2测站:GPS IIRM卫星>GPS IIF卫星,第六组OHI2与OHI3测站例外.由图5可知,在天线类型相同情况下,同组测站功率增强值表现出相同的趋势,如第一组的YAR3与YARR测站,第二组的TSK2与TSKB测站,均是GPS IIRM卫星

4 结 论

本文对2019年6月美伊冲突事件中的GPS功率增强进行了分析,主要得出以下结论:

1) 本次功率增强是对GPS P(Y)码的全球范围的增强,增强卫星为GPS IIRM和GPS IIF卫星.GPS功率增强在6月20日15:19-17:49进行,持续时间2.5 h,功率恢复在6月21日05:50-10:43进行,持续时间4小时53 分钟.

2) 采用不同类型接收机的测站其功率增强值明显不同,而采用不同类型天线的测站其功率增强值相差不大,由此可知,相对于天线类型,功率增强对不同接收机类型的影响更为明显.典型类型接收机的功率增强值对比结果为:TRIMBLE NETR9>JPS EGGDT>JAVAD TRE-G3TH DELTA>ASHTECH UZ-12.

3) 在接收机类型或天线类型相同情况下,同组并址站的功率增强值基本是同种类型卫星大于另一类型卫星,如GOLD与GOL2并址站的功率增强值对比结果为:GPS IIRM卫星>GPS IIF卫星.