是否有可能建立一个几乎实时低成本检测和定位单个GNSS干扰机的系统？

但是，在其他无线电频率系统比定位干扰器是完全不同的问题。 两个主要差异是：

（1）没有GNSS可用作为定时基准。

（2）感兴趣的信号（即，GNSS信号）很弱。 与其他应用（例如，移动电话干扰）相比，兴趣信号是更强。

第一点推动TDOA技术是非常规的，但是仍然有可能。 第二点消除在频带必须期望的与不期望的信号的复杂性。

为了解决这些问题，加拿大通信研究中心（CRC），这是政府的加拿大的无线主要实验室

研究，在这一区域一直在工作着。 两个互补系统被设计来解决单个GPS干扰机进行地理定位问题：iGeoLocGPS（干扰地理位置）和jAwareGPS（干扰机态势感知）。

iGeoLocGPS可以对GPS进行地理定位带干扰，但影响一个GPS接收器是未知的。jAwareGPS可以指示GPS接收器是否是干扰，但不是地理定位干扰源。iGeoLocGPS使用5 MHz以L1为中心的带宽。jAwareGPS对定时定位误差和其他违规行为检查GPS定时接收器所有输出。

为了方便测试一个非法设备，一个典型的GPS啁啾声干扰器被频率转换为附近的实验许可频带，将被称为翻译干扰机。

“干扰器”将提到的信号源，无论源自于是故意的干扰设备还是源自于无意干扰。有意或无意，两种来源都可以降级GPS接收器。

系统级别

首先，让我们来看看正在考虑中的整体干扰探测系统。jAwareGPS类型。 在一些

案件只知道现场GPS信号正在被破坏断是必需的。

jAwareGPS旨在回答的问题是：“我们是否有干扰问题？”

这个静止的传感器使用了卫星的数量和接收功率，GPS接收器锁定状态位置漂移，GPS接收器的状态确定第二脉冲发生器（PPS）准确度。PPS误差是使用芯片级原子时钟（CSAC）内部相位计测量。

相位计测量时间差，内部CSAC 1 PPS和来自GPS接收器的PPS外部应用之间，分辨率为450微微秒。 为了使用CSAC的相位计始终配置为1个PPS规范具有10秒的时间常数模式，每秒一次（周期到周期）以纳秒为单位报告PPS时差。

如果PPS时差超过10纳秒，位置漂移超过阈值，或突然卫星信息中发生变化，GPS故障报告，直到信号稳定到10秒。

iGeoLocGPS说明。 目前iGeoLocGPS（图1）使用四个半可移动感测节点（A，B，C和D）连接在两个分开的网络：一个实时数据网络和一个Wi-Fi控制网络。

每个感测节点接收到翻译干扰频带并重发它在自己的专用回程带到处理节点（图6，8和9）。 这是连续的实时频率翻译被称为数据网络。

干扰地理位置是计算在处理节点使用TDOA技术地理定位算法。使用假设没有波形。 盲目互关是计算所有传感节点数据集之间进行确定到达的他们的相对时差。

常见的干扰信号必须通过至少三个感测点检测。这至少允许两次计算差异，然后用于生成可能的双曲线交叉口和因此可能的地理位置点（在水平面上）。

TDOA互相关和地理定位处理工作用218复杂的样本每个节点具有等待时间为6到10秒。作为处理节点不断接收全部感测节点数据，地理位置点，可以连续生产前述的延迟。

为了实现更高的灵敏度，低级处理是感应节点数据的全部三种组合越过不同尺寸需要做重叠的互相关。这些互相关然后是模式过滤，多路径过滤，抛物线插值，并给出一个质量指标。

互相关质量是大于预定义的阈值，然后被送入Bancroft地理位置算法，它使人能够获得接收器位置的直接解决方案和时钟偏移没有要求任何先验知识的接收者位置。地理位置通过选择道路过滤器，可以增强结果。我们会在下面提供这些步骤的详细信息

iGeoLocGPS感应节点每感应节点包含两个无线电软件定义，必要的射频滤波器和放大器来执行前面提到的频率数据网络翻译。 每感测节点由小型控制微处理电脑控制并配置这两个无线电和一台相机连接到全景镜片。 全景照片每秒拍摄一次，为地理位置提供背景结果计算机通信在Wi-Fi控制网络上。

感测节点的组件成本大约是$ 5,000加元（约US $3,777）。 （见图2）

iGeoLocGPS处理节点。该处理节点使用适当的射频天线，滤波器和放大器，以允许软件定义的无线电与自定义现场可编程门阵列（FPGA）设计来接收四个传感节点回程频带并数字向下转换它们同步到基带。之前描述的处理链（通过地理定位的互相关）就是这样执行。处理节点的组件成本为约$ 20,000加元（约合15,108美元），可以通过使用服务器级计算机的低成本替代品对信号处理来降低成本。参考频率 – 27兆赫。感测节点’

无线电具有的RF本地振荡器（LO），除非有共同的参考，否则彼此之间可以相对漂移。

为了避免这种情况，处理节点生成并发送一个连续的1瓦恒定27兆赫的音调参考信号。在工业，科学和医疗（ISM）射频频段是27兆赫的音调和在无线电的范围可接受的参考锁相环（PLL）频率（5至104兆赫）。大天线尺寸和高RF功率实施此参考方案遇到标准的高频难度大的问题。

交叉相关处理。传统上TDOA是通过计算带有绝对时间戳的两个信号到达之间的差值来执行。由于差异是一个相对的度量，它不需要从两个绝对测量值中导出;差异可以从两个信号之间已知相对偏移量的相关过程获得

。校准过程（描述稍后）从形成一组一致计算干扰机位置方程式确保一组节点在差异中的偏移量。交叉相关是使用262,144复杂的样品实施。带宽为5兆赫，固定假设可以用于在高速公路上行驶的源速度。通过8,192个复杂样本的倍数一种改变数据块大小的重叠方法是创建数据集中可能出现更多的互相关结果，然后用于模式过滤（稍后介绍）。

五兆赫的传感带宽也允许分辨率为200纳秒（59.95米）的互相关峰值确定。图3显示了相

关结果一个示例。

多路径缓解。 CRC开发了一种仅使用干扰器定位可靠的数据互相关保证质量指标。该度量被定义为互相关函数中的互相关最高和次高之间的差异峰值。

为了说明这一指标的需要，图4显示了多路径影响产生多个互相关峰值。这些有时可以具有比真实信号延迟更长，但这并非总是可能。

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所考虑的峰值高于噪声水平噪声级别定义为第一个峰值，按降序排列（按大小），下一个最高峰最大是振幅的三分之二。该系统考虑了最多两个峰值并采取了延迟最小的峰值;否则就是没有使用互相关。最后样品之间是一个抛物线插值

准确性比前面提到的分辨率59.95-米更好。

模式过滤。低级数据处理涉及模式过滤。 为了与噪音区分，真正的互相关

高峰应该是始终通过数据集中所有重叠的互相关绝大多数。地理定位算法仅使用互相关

模式值大于70％的情况。

传感节点本地振荡器的校准。该27兆赫的通用参考频率锁定（同步）所有的感应节点; 然而，它会到达不同阶段的节点。 节点之间的相位差将是一个恒定差。 该系统可以校准作为TDOA技术任何恒定误差是基于在相对时间里的差异。校准阶段对节点对每个组合产生一个偏移量，补偿所有常数误差。每次重新配置无线电的LO变化时，都需要重新校准，重新开始或重新启动。

一个线性方程组通过翻译干扰频带中传输白噪声，从一次一个节点和交叉相关接收节点得到相应的延迟是根据经验获得的。这种噪音是通过伪随机比特序列（PRBS）在软件定义中的感测节点的无线电产生的。 至少有三个节点对需要根据经验确定，其他可以通过分析解决。

地理定位算法。地理定位是使用Bancroft算法求解多元线性方程组完成的。但是， 由于相交双曲线的多个点，这可能会导致多种解决方案如图5所示的一个例子。

一个简单的聚类算法被用来确定最佳点。聚类范围是邻居的数量在预定义的临界值距离内。剩余的

点也可以显示出来，如图6所示

对于静止的干扰器，因为最佳点应该接近一起，集群只是为了帮助系统操作员的需要。但是，如果干扰信号被认为是可移动的，可采用快速道路过滤器。snap-to-road过滤器使用OSRM（开源路由

器）项目（<https://github.com/Project-OSRM/OSRM–backend>）。生成离线地图以供使用OSRM算法，在确定路线可行性使用隐马尔可夫模型作为概率方法。

没有U形转弯“是与OSRM路由算法使用的唯一约束。图7显示了在应用快速道路过滤器之后，估计的干扰机位置。

对Google地球的地理位置 – 试验台可视化

为了使系统可视化，处理节点创建钥匙孔标记语言（KML）文件

描述翻译干扰器的位置和生成的地理位置点（一个或多个）。 这些KML文件以及传感器节点的照片

通过一公里的Wi-Fi链接发送到办公室计算机，以近乎实时的方式在Google地球中显示结果（图8和图9）。

干扰地理定位 – iGeoLocGPS结果

从最近在CRC测试平台对地理位置进行实验的参数和结果如下：

iGeoLocGPS（干扰地理定位

追踪移动路线

200兆瓦的GPS干扰机

四个人传感节点覆盖一个450×300米的轨道

约10秒的潜伏期，误差为0-20米

这些出色的性能结果，导致了一些进一步的验证测试，在CRC测试平台之外，由于大的网络规模和匮乏的测量几何和传播路径阻塞，我们在哪里预期性能非常差

结果如下：

iGeoLocGPS范围

跟踪大约的位置

移动1,200兆瓦的GPS干扰器

有些检测结果是离开1.4公里（图10）

干扰者情境意识 – （jAwareGPS）结果

情景意识的结果是：

jAwareGPS（干扰器情况意识）

仅检测到扰乱性GPS干扰机，在高速公路速度高达200-250米。

实际测量一秒延迟GPS停机时间。

验证前面描述的翻译干扰测试台，jAwareGPS被带到沿高速公路的一个地方，2011年最初发现在渥太华非法GPS干扰器，干扰机检查采用jAwareGPS传感器使用触发一种低成本的频谱记录仪，配有一个多秒环形缓冲区。在触发的频谱收集中，后处理算法发现了一些啁啾干扰机。

但是，其他未知事件检测，发生类似的GPS停电期，是通过识别GPS干扰器引起的。进一步调查是有保证的，正在着手进行中。图12说明了一个jAwareGPS检测的啁啾干扰事件相关幅度，可以

与没有干扰器存在的图11相对照。

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GPS状态报告类似于天气报告跨越国家，它可以通过网络生成沿主要公路的jAwareGPS传感器报告当前和预测未来的GPS状态。 如果这样的系统已经到位，GPS停运可能会看到沿高速公路移动，和一个可能会产生停机预测的关键基础设施（例如，停电、接近机场）。

结论

这项努力已经证明，建立一个低成本的系统来检测，GNSS干扰器定位于近实际时间是可能的。 在短短一年多的时间里，CRC已经设计，构建和测试了使用了许多新颖和复杂的技术实现令人印象深刻结果这样一个系统。 iGeoLocGPS和jAwareGPS系统是可以保护GNSS来自干扰器危险的新工具。GNSS社区现在可以使用这些工具，增加了其光谱意识。

制造商

GPS定时接收器使用的是来自美国加州桑尼维尔的Trimble公司迷你T GPS纪律时钟板。 iGeoLocGPS传感器中的软件定义无线电节点和处理节点分别为B200USRP板和X300 USRP设备，来自埃特斯研究（美国加州圣塔克拉拉美国国家仪器（NI）公司）。 感测节点也配备了拉斯伯里Pi电脑来控制这些单元，并完成成像，使用英国剑桥拉斯伯里;基金会的拉斯伯里Pi相机，通过联合王国泰恩河上的纽卡斯尔，布比皮克斯有限公司连接到BubbleScope镜头。芯片级原子钟是来自美国美高森美公司亚里索维耶荷美高森美公司Quantum SA.45s。

致谢

作者感谢专职团队成员 韦恩布雷特，保罗Guinand博士和罗素马特 – 以及使该项目取得成功的CRC

作者

Alexis Bose来自滑铁卢是大学的系统设计工程师。 虽然在信号处理方面的硕士学位的他被美国McGill大学录取，Alexis选择了作为一名DSP / FPGA工程师工作八年和作为加拿大通信研究中心（CRC）的研究工程师工作过五年。 亚历克西斯通过发展观念和携带它贯穿至实施，喜欢解决真正的世界问题。 他最近在CRC 干扰机项目的地理位置是项目经理和技术权威。他收到了总干事该地理定位项目的优异奖。