GPS干扰的原理及其对空管的影响与排查

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GPS 干扰的原理及其对空管的影响与排查

　　摘　　　　要：　 GPS 在民航空管通信、导航、监视运行保障中发挥了重要作用，GPS 干扰的频

繁发生对空管运行的影响也不容忽视。本文就 GPS 干扰的原理及其对空管通信、导航、监视运

行保障的影响进行分析，重点论述了 GPS 干扰对空管各系统时钟模块和 ADS-B 的影响，提出

了应对措施；对 GPS 干扰源排查也给出了建议。

　　　关键词 :　　　　　GPS;　GNSS;干扰;空管;

　　随着民航运输业的快速发展，空中交通流量不断增加，对空管运行保障提出了更高要求。

空管通信、导航、监视新技术的应用大大提升了空中交通服务水平，提高了空域容量和飞行效

率。GPS 作为应用最为广泛的卫星导航系统在空管通信、导航、监视运行保障中发挥了重要作

用。近年来，GPS 干扰装置、无人机压制设备等干扰源干扰 GPS 信号的现象时有发生，对空管

运行保障和飞行安全造成了一定影响。本文总结了 GPS 干扰的原理，分析了其对空管通信、导

航、监视运行保障的影响，特别是对空管各系统时钟模块和 ADS-B 的影响，并提出了应对措

施，最后针对 GPS 干扰源排查给出了相应建议。

　　 1　、GNSS 与GPS

　　全球导航卫星系统（GNSS）是卫星导航系统的统称，通常包括我国自主研发的北斗卫星

导航系统（BDS）、美国的 GPS、俄罗斯的 Glonass 和欧洲的 Galileo，及其增强系统。目前，

国际民航组织 ICAO 标准的 GNSS 系统为 GPS 和Glonass，及其机载增强系统（ABAS）、星基

增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS)[1]。

　　 GPS 是由美国研制的星基无线电导航系统，可提供全天候、全天时、高精度的定位、导航

和授时（PNT）服务，是 GNSS 中应用最广泛的星座。GPS 系统分为空间星座、地面监控设

施、用户接收机三部分。GPS 空间星座由 24 颗分布在约 20200km 高空的导航卫星组成，导航

卫星搭载原子钟并向地面监控设施和用户接收机广播导航信号（卫星星历参数、精确的时间等

信息）。地面监控设施接收导航信号，计算卫星星历和时钟的修正参数，广播至空间供导航卫

星修正自身参数。用户接收机接收导航信号，根据卫星星历参数推算卫星发射导航信息时刻的

空间位置，计算卫星时间与接收机时间的差值可得卫星和接收机之间的距离（伪距），考虑到

接收机与卫星时钟不完全同步，存在时钟差，可得公式，其中为光速、为卫星空间坐标及时

间、为接收机时间，由公式可知，接收机接收到 4颗及以上卫星的导航信号即可计算自身位置

和时钟差。影响 GPS 定位精度的因素主要有：卫星时钟误差、星历误差、几何分布、电离层延

时、对流层延时、多路径、接收机噪声等，卫星空间位置和时钟精度对接收机位置和时间计算

结果影响极大。衡量 GPS 性能常用的指标是：精度、完好性、连续性和有效性[2]。

　　为推进民航强国建设、民航高质量发展及 BDS 在民航业的应用，民航局制定了《中国民

航北斗卫星导航系统应用实施路线图》，积极推进 BDS 系统标准化，目前已完成 ICAO 规定的

全部性能指标的专家技术验证，待空中航行委员会审议通过并就标准草案征求各国意见后正式

向全球发布，成为 ICAO 标准。

　　 2 　、GPS 干扰的原理

　　 GPS 卫星导航信号包含三种成分：导航电文、伪随机码和载波。导航电文包含卫星星历参

数和时钟等信息。伪随机码有C/A 码和P码两种，P码为军用码，C/A 码为民用码，C/A 码具

有高自相关性和低互相关性，高自相关性用于测距，低互相关性则用于区分不同卫星。导航电

文和伪随机码调制在载波上，民用接收机通常使用L1 波段，其频率为 1575.42MHz，带宽为

2.046MHz[2]。

　　 GPS 本质上是基于码分多址（CMDA）的扩频通信系统，CDMA 的原理决定了 GPS 具备

一定的抗干扰能力，但GPS 卫星分布在距离地面约 20200km 的高空，传输衰减大，地面侦测

到的 GPS 信号可低至-158.5dBW。地面 GPS 信号强度弱的特点决定了 GPS 信号易受干扰。相

关研究表明：民用的 C/A 码仅有25dB 的抗干扰能力，1W 功率的干扰源可使20Km 范围内的民

用接收机无法正常工作[2]。

　　针对 GPS 信号的干扰通常可分为两类：压制式干扰和欺骗式干扰[3,4]。压制式干扰是干扰

源针对 GPS 卫星信号某些参量的干扰，使GPS 接收机无法从接收到的电磁波中检测出GPS 信

号，致使 GPS 接收机工作能力降低或完全丢失；又可分为阻塞干扰、瞄准干扰和相关干扰；阻

塞干扰是对 GPS 信号载波和带宽范围内的强功率干扰，使一定区域内干扰电平远强于正常信号

导致接收机无法正常工作，是对一定区域内所有的 GPS 信号的干扰；瞄准干扰是干扰机产生与

某颗卫星相同的伪码序列并进行载波调制，使得GPS 接收机无法区分信号与干扰；相关干扰是

干扰机产生与某特定卫星伪码序列具有互相关性的伪码序列并进行载波调制实施干扰。欺骗式

干扰是干扰机发射一个虚假的GPS 信号或改变正常信号传播时延使接收机计算出错误的位置、

时间信息，实现对接收机的欺骗；又可分为：转发式欺骗和产生式欺骗；转发式欺骗是干扰机

接收 GPS 信号并重新发射，改变了传播延时，构成一个虚假的GPS 卫星信号，使接收机得出

错误的位置、时间信息；产生式欺骗是干扰机自主产生假的导航信号并发射，接收机得到干扰

机的假信号并得出错误的位置、时间信息，这需要掌握 GPS 信号结构，仅对民用的 C/A 码可

行。目前，民航空管系统遇到的 GPS 干扰通常是阻塞干扰，对 GPS 干扰的分析主要是针对阻

塞干扰。

　　 3　、GPS 干扰对空管的影响

　　对民航空管来说，通信、导航、监视技术通常有主用、备份和应急手段，GPS 干扰不会导

致通信、导航、监视手段的完全失效，但可能导致虚假告警、信号质量差等问题，干扰管制指

挥，影响飞行安全。

　　 3.1　、对各系统时钟模块的影响

　　民航空管通信、导航、监视各系统运行均基于精确时间基准，以保证系统内各模块时钟同

步，通常采用基于网络时间协议（NTP）的时钟同步服务器实现，也有少量系统直接使用

GNSS 时钟作为时间基准。NTP 服务器通常工作在客户端/服务器模式，客户端T1 时刻向服务

器发送请求数据包，服务器在T2 时刻接收到请求数据包，并于T3 时刻向客户端发送应答数据

包，客户端在T4 时刻接收到应答数据包，客户端计算其与服务器的时钟偏差和数据包传播延

时，修正自身时钟，实现时间同步。NTP 协议支持多种时钟源，如原子钟、服务器自身晶振时

钟、GNSS 时钟和 Internet 时钟等，目前空管所用NTP 服务器大多采用GNSS 作为时钟源，实

现高精度时间同步[5]。

　　使用GNSS 作为时钟源具有精度高、成本低、没有误差累计等优点，但地面 GNSS 信号强

度较弱、易受干扰。若GNSS 信号受干扰可能导致NTP 的GNSS 时钟锁定失效，以 NTP 服务

器自身晶振时钟作为主时钟源，长时间运行将导致时间偏差累积，对空管设备运行造成影

响。GNSS 干扰影响空管各系统时钟源会导致的多种常见故障；如一次雷达、二次雷达、场面

监视雷达、ADS-B、多点定位系统等监视信息探测系统时间戳异常，空管自动化、先进场面活

动引导与控制系统（A-SMGCS）等监视信息处理系统融合目标分裂、雷达航迹与飞行计划关

联错误，自动转报系统电报时间错误，多终端设备时间不同步等问题；产生虚假告警，干扰管

制指挥，影响飞行安全。

　　早期空管各系统配备的时钟多基于GPS，近年来新建系统则大多同时支持 GNSS　BDS/GPS

等多星座多频点，抗干扰能力有所增强，但GNSS 本身信号特点决定其仍然易受干扰。应对

GNSS 干扰对 NTP 服务器的影响可采取的方法有：（1）升级GPS 时钟源为同时支持 GNSS　

BDS/GPS 等多星座多频点时钟源，多星座 GNSS 芯片可同时接收 BDS、GPS 等卫星导航系统

信号，提高了时钟源的鲁棒性；（2）升级GNSS(GPS）时钟源芯片为支持单星授时模式的

GNSS 芯片，部分 GNSS 芯片用作授时时钟源时支持单星授时模式，在 GNSS 芯片中配置精确

测绘的经纬度、高度，最少只需锁定一颗可见卫星即可保持可靠授时；（3）异地设置备份

NTP 服务器，通常 GNSS(GPS）干扰范围有限，异地设置 NTP 服务器可在一定程度上避免主

备NTP 服务器同时被干扰。上述方法（1）、（2）同样适用于直接使用GNSS(GPS）时钟作为

时间基准的系统。

　　 3.2　、对 ADS-B 的影响

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摘要：

GPS干扰的原理及其对空管的影响与排查　　摘　　　　要：　GPS在民航空管通信、导航、监视运行保障中发挥了重要作用，GPS干扰的频繁发生对空管运行的影响也不容忽视。本文就GPS干扰的原理及其对空管通信、导航、监视运行保障的影响进行分析，重点论述了GPS干扰对空管各系统时钟模块和ADS-B的影响，提出了应对措施；对GPS干扰源排查也给出了建议。　　　关键词:　　　　　GPS;　GNSS;干扰;空管;　　随着民航运输业的快速发展，空中交通流量不断增加，对空管运行保障提出了更高要求。空管通信、导航、监视新技术的应用大大提升了空中交通服务水平，提高了空域容量和飞行效率。GPS作为应用最为广泛的卫星导航...

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