GNSS脆弱性环境仿真系统设计

全球导航卫星系统(GNSS)脆弱性是指 GNSS在各类因素影响下系统端维持正常稳定工作、用户端维持正常服务质量的程度。随着 GNSS在世界范围内的军事 、国民经济、日常生活等几乎所有领域的广泛使用，人类越来越依赖GNSS所提供 的定位、导航与授时 (PNT)服务。而影 响GNSS服务信号有很多因素 ，包括有意干扰和无意干扰，以及来 自自然现象的干扰。这些干扰所带来的影响涉及方方面面，例如：电力系统运行中断，通信、运输、金融服务的瘫痪，甚至危机生命安全等等。

GNSS脆弱性因素包括电磁干扰、电离层延迟与闪烁干扰、星间通信链路干扰、导航系统故障失效、多径干扰等方面 。为此，本文的设计通过研制拈化的射频干扰信号生成器、空间链路脆弱性仿真系统、商用导航信号模拟器、收稿日期：2012-07-27基金项目：国家863”计划资助项目(2011AA120503)多频多模软件接收机和大气数据处理中心，组成多系统GNSS信号环境仿真系统，为 GNSS脆弱性影响的评估、实时监测提供基捶境，同时为 GNSS脆弱性探测和缓解技术提供验证平台。

1 系统总体设计方案本仿真系统设计以下几种脆弱性情景 ：1)电磁干扰(阻塞干扰、欺骗干扰、非 GNSS干扰)研制阻塞干扰发生器，实现卫星导航频段(L1/L2/L5/E6)信号的阻塞；研制欺骗干扰发生器，分为转发式和产生式 2种欺骗方式，可针对 GPS，BeiDou接收机的产生欺骗干扰信号。另外，塔康导航系统信号由于所在频段与导航信号频段相近，其旁瓣对于GNSS频段信号可能存在影响，因此，通过模拟该系统信号作为非故意干扰源，可对该信号影响进行分析。

第2期 严 凯，等：GNSS脆弱性环境仿真系统设计 l13可用于对于卫星导航信号的质量进行实时、连续地高精度分析 。在本仿真系统中，可用于验证多频多模软件接收机性能，利用产生的卫星观测数据 ，经过分析和处理，用于生成大气模型参数。

数据处理中心的电离层数据仿真软件，可实时接收原始的地基 GNSS台网数据进行预处理，采用特定的模型化、参数估计、电离层行扰异常探测与分离等反演技术 ]，还原 GNSS信号空间传播的电离层延迟效应，并将电离层延迟效应在线显示和在线发布。

软件接收机作为客户端接收该数据结果，并完成GNSS信号电离层延迟效应的加载，用作电离层延迟仿真数据。

实C ORS / N FTP / 系数 --.4(粗茬、周跳.----/ ”：时观测数据 t rip I 检测) IIONEX格式格网点VTEC数据存储Hatch滤波.利用载波相位观测值平滑伪距观测值低阶球谐函教模型实时估计模型参数并归算到格网点VTEC，GI球谐函数模型j去方程叠加。

每天最后时刻估计单天硬件延迟偏差lGs标准格式DCB教据文件存储I数据播发服务器 l. 。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图4 电离层数据处理流程Fig 4 Ionosphere data processing2.4 空间链路脆 弱性模 块GNSS空间段脆弱性仿真使用拈化设计，主要为星上自主运行管理 、星间数据处理 、星座导航信号生成、星上时间基准单元、星间信号收发等单元 J，具体组成情况如图 5所示。

COMPASSSV鑫暨 I-t曩 H 鬟 处理拈 收发信机r-1检测识别拈SAIM匕行信号模拟器黛问信号模拟器图5 空间链路脆弱性仿真拈组成]Fig 5 C 懂gIl硼6吼 medules 0fSpace link vulnerability simulation2.5 多频多模软件接收机平台研制的软件接收机可以处理 GPS的 L1C/A，L2C，LIC和IJ5信号，COMPASS的Bl信号，Galileo的E1B/C，E6B/C以及 E5a//b信号，GLONASS的 u 信号，射频前端采用Maxim公司的 MX2112作为 DDC芯片。

同时，软件接收机所在的PC中安装了电离层延迟仿真客户端、接收机自主完好性监测(RAIM)算法、卫星自主完好性监测(SAIM)算法软件、阻塞/欺骗干扰探测算法，接收电离层参数和空间链路数据进行综合处理。

软件接收机需要分析的数据包括：信号强度、信号捕获概率、码跟踪精度、跟踪灵敏度、伪距测量值精度、位置定位精度、数据误码率等。

2.6 射频切换与叠加拈根据需要仿真的脆弱性情景，射频信号切换与叠加模块能够通过电脑选择不同的输入信号组合并叠加，输入/输出信号组合如下 ：输入信号共 12路，分别为：1)导航模拟器信号 2路；2)欺骗信号Bl和 GPS发生器2路；3)4频段干扰/阻塞信号发生器4路；4)四模参考站天线3路；5)备用 1路。

输出信号共有3路，为不同信号源的组合，分别用于：1)软件接收机 1路 ；2)四模参考接收机l路(同信号分2路)；3)备用 l路。

图6 射频切换与叠加拈内部逻辑图Fig 6 Internal logic diagram of RF switching andoverlay module左侧为输入信号，右侧为输出信号(X1-x3)。图6中可控制的元件包括 ：PIN开关 (SWITCH)、二合-切换器(SPDT开关，1：2mux)。规定 PIN开关为 1时，表明开关闭合，允许信号通过；SPDT开关为1时，选择第-个信号(图中上方)通过。所有的信号组合可以使用-个l2位二进制数字表示。

切换叠加拈的控制通过以太网实现，采用 UDP协议。通过运行于主控计算机的控制软件，进行不同的模式第2期 严 凯，等：GNSS脆弱性环境仿真系统设计 l15图10为星间段脆弱性仿真，图l1中，球体部分代表地球的电离层，连线代表仿真的星间链路测距，图l1为SAIM对星间链路的监测结果，列出了根据该链路测距值计算同- 时刻每颗卫星的检验统计值情况 ，每颗卫星自有的检验统计量分别与自有的统计值阈值作比较，可以判断出空间链路故障状态。

娄 -：；方向 /10711图1O 星间段脆弱性链路仿真Fig 10 ISLs vulnerability link simulation鑫40理 3020器 100 5 10 15 2O 25 30 35卫星 PRN 号图 11 SAIM 对星 间链路的监测结果Fig 11 ISLs monitoring results analyzed by SAIM5 结 论随着我国北斗二代导航系统的建设，为了保证未来导航应用的可靠性、安全性，必须对 GNSS系统的存在的脆弱性因素进行系统地研究，论证和评估脆弱性干扰因素影响程度。本文设计搭建了-种 GNSS脆弱性环境仿真系统，该系统能够实现从星间链路干扰、大气电磁环境异常、人为； - )(上接第 110页)分析其主要原因：TEC1-12705工作电流大，相应的制冷片功耗高，其热端产生了更多的热量，而热端的散热条件有限，使得-部分热量传递到冷端。

5 结 论1)设计的分布式温度传感器 DS18B20的温度监测系统能够实时采集、记录制冷片两端和箱体内的温度，为分析制冷片的制冷性能提供了数据依据。

2)制冷片的最佳工作电流要与制冷片、制冷系统的散热装置相适应，工作电流越大，制冷片的功耗越大 ，要求制冷片热端的散热装置有足够大的散热强度才能达到良好的制冷效果。

3)若要对大空间有较好的制冷效果，应增加制冷片冷端的散冷功率，既能增强冷量的传递，又能降低冷热端的温差，提高制冷片的制冷效果。

信号干扰、多径干扰等全链路脆弱性的仿真，为后续脆弱性因素的研究和评估提供了平台，为接收机的应用和抗干扰技术等研究提供验证功能。