前言：
GPS的BLOCK IIR-M及后继卫星具备重新分配信号间传输功率的功能，该功能称为弹性功率（Flex Power），被多次启用于军事活动，以提高信号抗干扰能力。相关研究表明，Flex Power会引起差分码偏差变化，相位漂移及多址干扰等影响。因此，监测Flex Power至关重要。通过建立基于卫星高度角和方位角的载噪比（carrier-to-noise density ratios，C/N0）模板，采用载噪比变化率及载噪比差分量两种指标，实现对GPS Flex Power的实时及事后探测。研究成果以“A real-time detection method for GPS flex power”为题发表于国际期刊《GPS Solutions》，论文第一作者为硕士生蒙冠龙，通讯作者为葛海波副教授。该研究受到国家自然科学基金、上海市科委科技创新计划等科研项目资助。
图1论文发表成果
论文主要内容：
利用C/N0作为探测数据源，对2020年2月13-14日三个测站接收的S2W进行分析，发现Flex Power开启时S2W出现跳变，开启阶段的S2W大于正常水平，如图2所示。
图2测站KMNM（左），PTGG（中）和TWTF（右）于2020年2月13日（蓝）和14日（红）的接收S2W及变化率
基于上述特征，为反映Flex Power对S2W的增强作用，文章采用2019年Flex Power未开启阶段的载噪比数据，提出建立基于高度角和方位角的载噪比模板，如图3所示。
图3 BILL测站IIR-M卫星的载噪比模板
利用载噪比模板，根据卫星高度角和方位角，采用线性插值方法获取拟合载噪比数值，作为正常水平下的信号载噪比，并与接收载噪比作差，以此探测Flex Power是否启用。在Flex Power开启和关闭时期，三个所选测站接收和拟合的载噪比序列如图4所示。可见，在Flex Power关闭期间（2020年2月13日），拟合载噪比略大于接收载噪比；在在Flex Power开启期间（2020年2月14日），接收载噪比明显大于拟合载噪比。因此，可根据某一阈值来区分Flex Power开启和关闭期间的载噪比。
图4 2020年2月13-14日测站KMNM，PTGG和TWTF接收和拟合的载噪比
为确定合理的探测阈值，文章选取100个全球分布的地面测站，采用2020年DOY 045-075的观测数据，计算各历元的接收与拟合载噪比差分的均值，G01的分布结果如图5所示。在此基础上，采用OTSU二值分类方法确定探测阈值，并记为T1。
图5 G01接收和拟合载噪比差分均值分布
除了载噪比差分值以外，将载噪比变化率作为另一探测指标，并记为T2。基于两种探测阈值，Flex Power实时探测流程如图6所示。对于某颗卫星，若所选测站接收到该卫星观测数据，则输出“NO DATA”，并重置其跟踪记录。当实时数据恢复后，载噪比差分值可立即用于探测Flex Power的状态。当数据跟踪记录大于时间窗口后，两种探测指标均用于探测Flex Power的状态。例如，若载噪比差分值大于T1且载噪比变化率大于T2，则Flex Power的状态记为“on”；如无法同时满足两个条件，则Flex Power的状态仍为“off”。
图6 Flex Power实时探测流程
为评估所提方法的探测性能，采用2020年30s采样率及2023年1s采样率分别实现事后和实时探测。依据Flex Power星下点轨迹中心和功率增强量，可将2020年的Flex Power分为6种模式，如图7所示，其中红色五角星表示地理中心点，黑色曲线表示可视锥边缘。Mode 1和2有相同的地理中心，但是Mode 2的星下点轨迹更向南方，且Mode 1和2的功率增强量不同。此外，Mode 3的星下点轨迹呈现为矩形，无法采用可视锥拟合，故Mode 3没有地理中心。以标记的Flex Power的启用时间为参考，所提方法的平均召回率为0.9996，平均虚警率为0. 000002。
图7 2020年Flex Power模式
在实时探测期间，发现一种Flex Power新模式，如图8所示。不同于2020年的Flex Power模式，该新模式的覆盖范围更广，横跨纬度125°W至180°E，并具有三个地理中心，分别为120°W/36°N, 5°W/40°N和53E/42°N。
图8 2023年实时探测期间Flex Power模式
2023年实时探测结果如图9所示。可见，大部分探测结果正确，但在探测期间存在一些数据缺失，主要为网络中断或维护导致的，各卫星的平均丢包率为1.3%。在数据中断恢复后，卫星个数通常较少，导致实时探测结果不稳定。为此，文章限制数据中断恢复后的卫星个数，以保证探测结果的正确性。在限制卫星个数后，实时探测的平均召回率为0.999479，平均虚警率为0.000006，与事后探测结果相当，验证了所提方法在实时探测的有效性。
图9 2023年实时探测结果
总结与展望：
本文提出了一种基于载噪比模板的Flex Power实时探测方法，并采用2020年30s采样率和2023年1s采样率观测数据进行验证探测性能。结果表明，事后探测的平均召回率为0.9996，平均虚警率为0. 000002；实时探测的平均召回率为0.999479，平均虚警率为0.000006，结果与事后探测相当，验证了所提方法在实时探测的有效性，为后续为GPS信号监测及功率增强下的定位性能分析奠定基础。
GNSS团队介绍：
依托创新的数据处理理论成果基础，经过多年科研攻关，TGNSS团队在卫星精密定轨、室内外高精度定位、定姿、建图等领域取得了一系列重要成果，并主持完成了多项国家和省级研究课题。研究涵盖了GNSS及低轨卫星精密轨道与钟差确定、高精度轨道与钟差智能预报、低轨增强导航卫星系统、低成本终端GNSS高精度定位、长距离高精度RTK、Ademos毫米级实时变形监测系统、同济北斗分析中心精密轨道产品、GNSS/UWB/VIO无缝定位、GNSS/INS/Lidar定位与建图、5G/Wifi/WUB/ibeacon /bluetooth/地磁多源融合室内定位等多个方向。旨在满足各类终端、各种场景下、米级至毫米级的定位需求。目前，团队研究已成功应用于边坡/井下形变监测、园区人员定位、沙漠/远海高精度定位、车辆导航、精密定轨等领域，我们热忱欢迎与各界合作并交流经验。
论文信息:
Meng, G., Ge, H. & Li, B. A real-time detection method for GPS flex power. GPS Solut 28, 111 (2024).
