民航空管系统场面多点定位地面站“双模”授时机制优化方案

白明

摘要：近年来，随着社会经济发展及无线电反制设备在各行业的广泛运用，无线电磁环境日趋复杂，GPS干扰事件呈逐年上升趋势，给民航飞行安全带来了新的隐患，民航空管作为保障民航飞行安全的重要单位，承担着辖区内航空器的指挥、调配等工作，而确保民航无线电设备正常运行是民航通信安全及飞行安全的重要保障一环。然而，近年来大面积GPS干扰导致民航空管设备授时系统受扰，GPS信号丢失的情况时有发生，轻则造成GPS时钟不可用，重则导致相关设备设备系统工作不正常。本文以民航空管系统多点地面站为例，通过对多点地面站授时系统进行改造，实现多点地面站具备主用北斗授时备用GPS授时的双模功能，提升了多点地面站数据的可用性。

关键词：GPS干扰；多点地面站授时机制优化

一、背景

近年来，随着社会经济发展及无线电反制设备在各行业的广泛运用【1】，无线电磁环境日趋复杂，GPS干扰事件呈逐年上升趋势，给民航飞行安全带来了新的隐患。2023年3月，某机场发生大面积GPS干扰，导致民航空管系统机场范围内GPS信号丢失，进而造成了需要GPS授时设备系统不同程度受到影响。在某机场大面积GPS干扰期间，场面多点地面站因GPS设备信号受扰，造成了场面多点地面站部分站点数据不可用，进而导致机场场面部分区域因场面雷达监视信号无法覆盖到存在部分盲区，给民航机场场面运行保障带来了一定的安全隐患。为解决场面多点地面站在GPS受到干扰时，相关多点地面站数据仍然可用，本文通过对多点地面站授时系统进行改造，实现多点地面站具备主用北斗授时备用GPS授时的双模功能，提升了多点地面站数据的可用性。

二、北斗与GPS技术体制分析

民航在用的GPS中心频率为1575.42MHz，带宽为2.046MHz，接收机使用L1频段；北斗采用QPSK正交相移键控的调制方式，系统的B1频点信号由I、Q两支路正交调制到载波上构成，其中心频率为1561.098MHz，带宽为4.092MHz，其中Q路信号只有授权用户能使用，故民航使用I路信号。

北斗和GPS从技术机制而言，北斗和GPS在民用领域均属于广播式明文编码，无显著的技术体制【2】差别。但iGMAS（全球连续监测评估系统）分析中心文献资料记载国内北斗数据质量优于其它GNSS系统，抗干扰能力更强。

三、场面多点定位系统原理

场面多点定位系统是指通过多个不同位置地面站接收航空器发射的同一应答信号，利用到达时间差定位技术，实现精确定位的系统。它能在不增加机载设备的前提下，不受天气因素的影响，对场面上的交通工具实现精确定位和识别。与场面监视雷达相比，多点定位系统的优点是成本低，具有目标标识能力，定位精度比ADS-B和雷达都要高，体积小，站点配置灵活，系统监视覆盖范围适应性强。

四、场面多点定位地面站“双模”授时机制优化升级

目前，民航空管在用的MPS-I型多点定位地面站具备GPS授时功能，但不具备北斗授时功能，经了较解，该型号设备主要在民航系统使用，尚无该型号地面站双模升级的经验可循。鉴于此，为保障测试效果并避免升级测试工作对在用运行系统产生影响，利用现有设备备件进行升级改造，搭建1套多点地面站安装于运行现场，具体方案如下：

（一）地面站升级技术原理

场面多点地面站输出报文的时间标注机制则分为大、小时标机制，其中秒以上大时标通过SP卡内GPS模块的FPGA产生UTC时间进行标注，秒以下的纳秒级精度小时标是通过GPS模块接收到的PPS秒脉冲控制时钟卡给SP卡的20M方波通过计数实现标注。因此，本次测试工作双模硬件升级对象为SP卡内的GPS模块，升级方式为将SP卡内的GPS授时模块整体置换为“北斗+GPS双模”授时模块。软件升级对象为地面站RU程序，在BD/GPS模块升级时考虑兼容现有GPS模块TOD数据协议的结构和长度，不对信号处理卡FPGA程序进行修改调整，通过升级RU程序的方式保证协议的兼容性。

图1  多点定位地面站设备

 图2 多点定位地面站SP板卡   图3 SP板卡内的GPS模块

（二）地面站升级实施方案

本次测试的主要任务是以实际运行条件选取1台地面站信号处理SP卡的GPS授时模块升级为BD/GPS双模授时模块。为对比BD/GPS模块升级后对输出数据的影响程度，在具体实施过程中使用功分器将1090ES信号、GNSS信号一分为二，其中一路信号供现有地面站使用，另外一路信号供升级后的地面站使用。同时，在现场挂接一台计算机录取同一台站升级后的地面站数据和未升级地面站数据。

本场测试工作拟选在用多点1号站的数据与升级后的设备输出数据进行对比分析。

本次测试工作需要功分器2个，SMA射频转接线4根，网线若干，计算机1台。

图4  2个功分器安装位置示意图

（三）升级后的性能评估

本次升级测试采用控制变量对比分析的方式实施，参与测试的两台地面站设备共用室外天馈系统，其中1台升级，1台不升级，通过对比实际输出数据论证升级可行性。在测试期间，升级后的地面站不向后端服务器发送报文，未升级地面站正常向后端发送报文，测试过程不影响在用系统运行。

（四）测试验证情况

通过实验分析比对，多点地面站授时系统进行升级改造后，使用北斗信号作为主用授时系统，GPS信号作为备用授时系统，输出的多点地面站数据无异常，满足民航空管运行保障要求。

参考文献

[1]熊志昂等.GPS技术的工程应用.第1版.北京：国防工业出版社，2005;

[2]李延军，金慧琴，郝建平.GPS干扰技术.现代电子技术.2001(11):1-6 .