卫星导航干扰快速定位系统为航空安全保驾护航
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,简称GNSS)是各种导航卫星系统(包括美国的GPS,俄罗斯的GLONASS,中国的北斗,欧洲的Galileo)及其增强系统的总称,在民航具有广泛的应用。国际民航组织在2016年发布的全球空中航行计划(GANP)中明确指出GNSS是现代空中航行系统的重要基础,是提升全球空中航行安全水平和服务质量的重要手段。
GNSS由于太有用而非常脆弱。由于导航卫星离地面20000-30000公里,卫星信号非常微弱(相当于20000km外50瓦左右灯泡的功率),通常比噪声还低20 dB以上,极容易受到各种恶意和无意的干扰,包括干扰器、欺骗器、GNSS转发器、伪卫星等。这些干扰导致经常发生航空器紧急复飞、中止进近、备降、空管关键设备降级使用等事件,不仅带来严重的航空安全隐患,也干扰了航空运输的正常进行,导致航班延误和运行效率下降。
近年来,民航GNSS信号受到了越来越多的干扰,各种新型无线电干扰不断出现,可谓“层出不穷、百花齐放”。民航GNSS的无线电干扰监测日益受到国际民航组织的重视。2019年举行的国际民航组织第四十届大会专门就GNSS干扰问题展开讨论,督促各国完善或建立民航GNSS干扰监测系统。
近年来民航GNSS信号干扰问题在国内远比国外严重,包括机载近地告警系统(Ground Proximity Warning System, 简称GPWS)、广播式自动相关系统(Automatic Dependent Surveillance Broadcast, 简称ADS-B) 和GPS设备异常导致的告警事件。对此,2019年9月,工业与信息化部无线电管理局下发“关于进一步加强对于民航使用GPS系统频率保护工作的通知”。2019年10月,中国民航局下发“关于加强民航单位设置使用无人机防御系统管理的通知”,并专门成立民航GPS信号干扰专项工作组。由于干扰种类多,且不断翻新,干扰源查找时间长(有时耗时数月),需要建立长效机制尽快加以解决。
针对影响民航正常运行的新型GNSS干扰排查效率低和定位难的迫切需求,在中国民航局无线电管理办公室的指导下,在国家自然科学基金委和中国民航局联合资助的重点项目“新型干扰对GNSS民航应用的影响评估和空地协同分级检测与定位技术”的支持下,中国民航大学联合国内唯一拥有快速存取记录器(Quick Access Recorder, 简称QAR)和ADS-B飞行大数据的中国民航科学技术研究院和民航局空管局技术中心,开展了基于飞行大数据(利用QAR和/或ADS-B数据)的GNSS干扰源自动监测与粗定位技术研究,申请了国内最早的两个相关发明专利,通过机会飞行大数据分析和借鉴鲁棒传感器阵列信号处理理论,把干扰源锁定在5-10公里范围内,整体性能优于近年来美国斯坦福大学和欧州空管局提出的方法。中国民航大学还与天津德力仪器设备有限公司成立了“民航无线电干扰监测联合实验室”,合作研制成功基于无人机平台的干扰检测与精定位系统,该系统避开了复杂的动态多通道校准技术难题,能够在前述机会飞行大数据分析方法确定的干扰源可能位置范围内引导无人机快速精准定位。以上粗定位和精定位技术密切配合,相互协同,构成了空地协同干扰分级检测与定位系统。近两年来,应邀先后为天津、广州、山东等地四个机场快速定位了多种卫星导航干扰源,为保障航空安全发挥了重要作用。