電磁兼容試驗(yàn)中衛(wèi)星信號覆蓋技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

吳佳歡舒曉蓮田禾箐/ 1.上海交通大學(xué)；.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

電磁兼容試驗(yàn)中衛(wèi)星信號覆蓋技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

吳佳歡1，2舒曉蓮2田禾箐2/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

分析了衛(wèi)星導(dǎo)航、電磁兼容試驗(yàn)和室內(nèi)移動(dòng)通信信號覆蓋技術(shù)的基本原理，以及衛(wèi)星信號模擬器的缺陷，排除其作為衛(wèi)星信號覆蓋方案的可能性。根據(jù)移動(dòng)通信室內(nèi)信號覆蓋技術(shù)的設(shè)計(jì)思路，提出一套衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對整個(gè)系統(tǒng)的功率鏈路預(yù)算進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的搭建。通過駐波比、輸出特性、搜星數(shù)的測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)良好的信號覆蓋功能。

衛(wèi)星導(dǎo)航；電磁兼容；信號覆蓋；鏈路預(yù)算

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國已成為衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品的主要出口國。然而市場中該類產(chǎn)品的質(zhì)量良莠不齊，主要問題集中于電磁兼容指標(biāo)。眾所周知，一般電磁兼容試驗(yàn)在電磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，由于金屬外殼的阻擋，實(shí)時(shí)的衛(wèi)星信號無法進(jìn)入電磁屏蔽室，導(dǎo)致終端產(chǎn)品不能進(jìn)入工作狀態(tài)，也就無法在工況下實(shí)施電磁兼容測試。為了解決“電磁屏蔽”和“工作狀態(tài)”這對矛盾，需要研究使用特殊的方法在電磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星信號覆蓋，這對衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的電磁兼容檢測研究具有重大意義。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理

GPS系統(tǒng)是迄今為止使用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要由三個(gè)獨(dú)立部分組成，分別是空間星座、地面控制和用戶設(shè)備。GPS系統(tǒng)能夠?qū)Ш蕉ㄎ坏墓ぷ髟砗唵胃爬ㄈ缦拢嚎臻g星座部分的衛(wèi)星群向地面發(fā)射信號，地面控制部分通過接收、測量衛(wèi)星發(fā)出的信號確認(rèn)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，然后將衛(wèi)星軌道信息發(fā)送回衛(wèi)星，再由衛(wèi)星將這些軌道信息向地面轉(zhuǎn)播。根據(jù)三點(diǎn)定位原理，用戶設(shè)備部分衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)至少接收到三顆衛(wèi)星信號的數(shù)據(jù)方可解算出自身的空間位置數(shù)據(jù)。由于衛(wèi)星時(shí)間和接收機(jī)時(shí)間不同步，因此在實(shí)際應(yīng)用中還需要通過第四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)來消除時(shí)鐘差。

GPS衛(wèi)星信號L1波段的載波頻率為1575.42 MHz。由于衛(wèi)星信號在自由空間傳播時(shí)損耗掉一定的能量，到達(dá)地面的信號很微弱。依據(jù)《GPS標(biāo) 準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）信號說明書》，衛(wèi)星信號到達(dá)地球表面的功率應(yīng)不小于-160 dBW（相當(dāng)于-130 dBm）［2］。

對于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)而言，靈敏度是最為重要的性能指標(biāo)，其表征了接收微弱信號的能力，通常以能夠辨識(shí)的最小功率信號來表示（單位為dBm），也就是靈敏度數(shù)值越小，靈敏度越高。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前GPS芯片基本上可以實(shí)現(xiàn)跟蹤靈敏度在-160 dBm左右，該數(shù)值對本文研究裝置的系統(tǒng)鏈路功率預(yù)算有重要意義?？梢赃m當(dāng)考慮降低靈敏度的數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)（例如-150 dBm），確保在電磁屏蔽室內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可以正常工作。

2 衛(wèi)星信號模擬器的缺陷

國外許多實(shí)驗(yàn)室利用衛(wèi)星信號模擬器開展衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的研發(fā)調(diào)試工作。衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器是一種高精度的標(biāo)準(zhǔn)信號源，它根據(jù)載體動(dòng)態(tài)特性、電離層和對流層等因素對衛(wèi)星信號的影響，模擬產(chǎn)生接收機(jī)接收到的各顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，從而為導(dǎo)航接收機(jī)的研制開發(fā)、測試提供仿真環(huán)境［3］。在普通室內(nèi)研發(fā)環(huán)境中，可以采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器接入的解決方案。但在電磁兼容試驗(yàn)環(huán)境中，如果利用模擬器進(jìn)行電波暗室內(nèi)衛(wèi)星信號覆蓋（如圖2）的方案存在一些缺陷。

1）通常的衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器只能模擬1顆衛(wèi)星，而在真實(shí)狀況下，至少需要4顆衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)定位。

2）衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器多采用N型或SMA型的同軸接口方式接入電波暗室，但多數(shù)情況下這些接口與受試的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品不匹配，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)接和直流隔離處理。

3）衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器容易受到試驗(yàn)電磁場的干擾。在強(qiáng)電磁場干擾下模擬器容易被打壞而產(chǎn)生故障，或?qū)﹄姴ò凳覂?nèi)的電磁環(huán)境存在干擾。

4）衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器的功能強(qiáng)大，如僅提供衛(wèi)星信號覆蓋，則大材小用，浪費(fèi)資源。

5）多顆衛(wèi)星的模擬器需要具備矢量信號功能，價(jià)格非常昂貴，中小型的測試機(jī)構(gòu)無力承擔(dān)。

圖2 衛(wèi)星信號模擬器信號覆蓋下的測試示意圖

所以，雖然衛(wèi)星信號模擬器的功能強(qiáng)大，足以滿足令被測設(shè)備處于工作狀態(tài)的要求，但是在嚴(yán)苛的電磁兼容試驗(yàn)環(huán)境下，利用衛(wèi)星信號模擬器進(jìn)行衛(wèi)星信號覆蓋的方案還是存在著諸多的缺陷和不適應(yīng)。

3 移動(dòng)通信室內(nèi)信號覆蓋技術(shù)

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在一些大型地下停車場、新建的大型超市、辦公樓、地鐵內(nèi)部的衛(wèi)星信號很差，導(dǎo)航儀經(jīng)常搜不到足夠的衛(wèi)星。乘坐地鐵時(shí)大家都會(huì)有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)?shù)罔F車廂在高速前進(jìn)時(shí)甚至連移動(dòng)通信的手機(jī)信號都沒有，電話經(jīng)常會(huì)撥不通或者通話突然中斷。這種信號被阻隔情況與在電波暗室或電磁屏蔽室里的情況類似，其原因主要是建筑物、地層對信號有著阻擋作用，從而形成了信號的盲區(qū)。但是一旦地鐵進(jìn)入站臺(tái)之后，手機(jī)4G信號就會(huì)恢復(fù)。移動(dòng)運(yùn)營商采用室內(nèi)信號覆蓋系統(tǒng)來解決盲點(diǎn)區(qū)域信號覆蓋的問題。系統(tǒng)主要由信號接入和信號分布兩部分組成（如圖3），其原理為通過不同的信號接入方式和室內(nèi)分布系統(tǒng)，將基站信號科學(xué)、合理、均勻分配到室內(nèi)每一個(gè)角落，而又不產(chǎn)生相互干擾?；ゲ桓蓴_的原則與電磁兼容追求的目標(biāo)也是一致的。信號從覆蓋天線到手機(jī)終端的無線鏈路中存在著自由空間損耗，工程上常用估算公式計(jì)算該損耗。電波從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的自由空間損耗為引入自由空間損耗Lo，計(jì)算公式如下：

式中：d——發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的距離，km；

f——系統(tǒng)的工作頻率，MHz

圖3 典型室內(nèi)信號覆蓋系統(tǒng)示意圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

借鑒移動(dòng)通信的成熟技術(shù)，一個(gè)完整室內(nèi)信號覆蓋裝置的基本組成部分包括信號接入和信號分布系統(tǒng)兩大部分?？紤]室內(nèi)和電波暗室等實(shí)驗(yàn)室條件，本項(xiàng)目的信號接入模塊與移動(dòng)通信大體相同，信號分布模塊則分為信號轉(zhuǎn)發(fā)、信號發(fā)射、信號傳輸三部分。本衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星信號覆蓋裝置硬件結(jié)構(gòu)

4.2 系統(tǒng)鏈路預(yù)算

根據(jù)圖4，為保證衛(wèi)星信號通過整個(gè)信號覆蓋系統(tǒng)的覆蓋效果，系統(tǒng)輸出的功率通過屏蔽室內(nèi)自由空間鏈路后，應(yīng)不小于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度-150 dBm，由此可以得到整個(gè)衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)的鏈路功率預(yù)算模型為

式中：Pin——接收天線處的衛(wèi)星信號輸入功率；

Gsys——整個(gè)信號覆蓋系統(tǒng)中的增益；

Lsys——整個(gè)信號覆蓋系統(tǒng)中的損耗；

Lo——衛(wèi)星信號從發(fā)射天線到衛(wèi)星接收機(jī)的自由空間傳播損耗

由于衛(wèi)星信號到達(dá)地球表面的功率應(yīng)不小于-160 dBW（相當(dāng)于-130 dBm），則可得Pin= -130 dBm。根據(jù)室外至電波暗室的距離，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了一根30 m和兩根10 m的同軸電纜，總長度在50 m左右。根據(jù)該類電纜每米約為0.5 dB的損耗數(shù)，估算整個(gè)系統(tǒng)的電纜損耗約為Lsys= 25 dB左右。以GPS系統(tǒng)L1端為例，載波頻率f = 1 577.42 MHz。對于標(biāo)準(zhǔn)十米法半電波暗室來說，暗室內(nèi)空間尺寸要求一般為20 m×10 m×8 m。經(jīng)過計(jì)算，暗室最長的直線距離為對角線長度24.7 m，除去四周吸波材料長度約2 m，并考慮天線、被測設(shè)備距墻1 m以上的放置要求，發(fā)射天線到被測設(shè)備的最大距離為19 m，即d≈0.019 km。將已知條件代入式（1）可計(jì)算得：

根據(jù)以上已知條件，代入式（2）可得：

即當(dāng)系統(tǒng)增益Gsys≥67 dB時(shí)就能滿足暗室內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)最小接收功率的要求。

整個(gè)系統(tǒng)的增益Gsys由接收天線的低噪聲放大器增益Gr和信號轉(zhuǎn)發(fā)器增益Gamp兩部分內(nèi)容組成。根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線調(diào)研情況，現(xiàn)在的有源天線基本上可以達(dá)到40 dB的增益，所以信號轉(zhuǎn)發(fā)器的增益只要選擇不小于27 dB的產(chǎn)品就能滿足暗室內(nèi)衛(wèi)星信號覆蓋的要求。為了給系統(tǒng)留足功率的余量，考慮選擇轉(zhuǎn)發(fā)器增益Gamp＞ 50 dB的設(shè)備。

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容，采用有源接收天線、信號轉(zhuǎn)發(fā)器、無源發(fā)射天線等設(shè)備搭建衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)。

4.3.1 有源接收天線

安置于室外的有源衛(wèi)星信號接收天線如圖5所示，該天線內(nèi)置的低噪聲放大器可以令增益達(dá)到40 dB。安裝接收天線時(shí)其信號接收面應(yīng)平行于地面，以達(dá)到最佳接收效果。天線和電纜線鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離高壓線及強(qiáng)電場、磁場、電源線、電話線等干擾源。電纜線長度多出時(shí)不要盤起，應(yīng)拉直，以免產(chǎn)生電磁場導(dǎo)致信號衰減。如天線長期安置于建筑屋頂?shù)拳h(huán)境，為防止因饋線感應(yīng)雷擊沖擊過電壓而對接收設(shè)備造成損害，應(yīng)在天線饋線上加裝避雷裝置。

4.3.2 衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器

衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器是本套系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，其安置于實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)（非暗室內(nèi)），主要是對接收天線傳輸?shù)男l(wèi)星信號進(jìn)行放大和濾波等處理。衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器的正面和背面如圖6所示。正面顯示增益高低，背面是信號輸入/輸出口和電源接口，方便電纜連接。該衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器最大增益達(dá)到80 dB左右，可以滿足4.2章節(jié)中系統(tǒng)功率鏈路預(yù)算Gamp＞50 dB的設(shè)計(jì)值。

圖5 有源衛(wèi)星信號接收天線

圖6 衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器（正反面）

4.3.3 發(fā)射天線

參照移動(dòng)通信室內(nèi)信號覆蓋系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)采用的是無源器件，主要考慮其無噪聲累積的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射天線如圖7所示。

圖7 發(fā)射天線

5 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

在系統(tǒng)搭建的過程中啟動(dòng)了天線、部分模塊的功能驗(yàn)證工作。待系統(tǒng)搭建完畢后，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)功能是否實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方法，并將部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星信號模擬器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，證明了衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)的良好性能。

5.1 接收/發(fā)射天線接電纜的駐波比測試

雖然接收天線和發(fā)射天線的技術(shù)指標(biāo)中都標(biāo)注了駐波比，但是連接電纜后線上衰減增加，駐波比會(huì)發(fā)生變化，考慮使用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量駐波比。網(wǎng)絡(luò)分析儀掃頻范圍設(shè)置為1.5～1.6 GHz，該頻段為本系統(tǒng)的最佳功能頻段，同時(shí)也覆蓋了GPS系統(tǒng)L1頻段和北斗B1頻段的范圍。測量結(jié)果如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射/接收天線接電纜模塊的駐波比隨著頻率的變化而變化。最大的駐波比為小于2.5左右，相當(dāng)于傳輸功率的81.63%；最小的駐波比為1.13左右，相當(dāng)于傳輸功率的99.6%。頻標(biāo)1.575GHz處的駐波比為2.0左右，相當(dāng)于傳輸功率的88.9%，也就是說，有88.9%的功率被傳輸出去了。由此可見，在1.5～1.6 GHz的最佳工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的功率傳輸率達(dá)到了81.63%以上。

圖8 系統(tǒng)發(fā)射/接收天線在最佳工作頻段的駐波比曲線

5.2.2 系統(tǒng)輸出特性測試

衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋裝置搭建完成后，對系統(tǒng)的信號輸出特性進(jìn)行了驗(yàn)證。將電波暗室內(nèi)的發(fā)射天線撤去，換成頻譜分析儀接入整個(gè)信號覆蓋系統(tǒng)。將信號轉(zhuǎn)發(fā)器增益設(shè)置為高增益，對電波暗室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的輸出電平進(jìn)行測試。頻譜分析儀中心頻率設(shè)置為1.575 GHz（GPS L1頻段載波頻率），掃描頻率（scan）設(shè)置為150 MHz，分辨力帶寬（RBW）設(shè)置為10 MHz，視頻帶寬（VBW）設(shè)置為10 MHz，測試結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，測得的衛(wèi)星信號電平典型值穩(wěn)定在-30 dBm（上線）左右。為了與衛(wèi)星信號模擬器的輸出信號電平值作一個(gè)比較，將衛(wèi)星信號模擬器的輸出端同時(shí)接入頻譜分析儀的第二輸入通道，結(jié)果顯示為圖9中電平值-60 dBm （下線）。由此可見，系統(tǒng)的輸出電平遠(yuǎn)高于常規(guī)衛(wèi)星信號模擬器的最大輸出電平值（-60 dBm），信號接收情況滿足要求。

圖9 衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)和衛(wèi)星信號模擬器輸出特性測量電平比較

5.2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)搜星數(shù)測試

對接收天線、發(fā)射口都做了測試，獲得滿意的結(jié)果后，最終還是要驗(yàn)證衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在電波暗室中是否能搜到足夠的衛(wèi)星數(shù)量并解算出位置數(shù)據(jù)。利用衛(wèi)星信號接收機(jī)上的狀態(tài)監(jiān)控軟件對衛(wèi)星信號進(jìn)行解碼測試，結(jié)果如圖10所示。從接收機(jī)顯示界面中可見，在衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)下，可見衛(wèi)星的總數(shù)為16顆，可用衛(wèi)星的總數(shù)為12顆，其中信噪比大于30 dB的衛(wèi)星數(shù)量有6個(gè)，最高的信噪比可以達(dá)到41 dB，符合衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理中三點(diǎn)空間定位和第四星求解時(shí)鐘差的原則，滿足了可用衛(wèi)星4顆以上的定位要求。同時(shí)與衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器數(shù)據(jù)作一個(gè)比較，通常衛(wèi)星信號模擬能模擬的最大衛(wèi)星數(shù)也僅10顆，因此本信號覆蓋系統(tǒng)也超出了衛(wèi)星信號模擬器可模擬的星數(shù)。

7 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)的電磁兼容試驗(yàn)環(huán)境下衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)具備了簡單而真實(shí)的特點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可以在電波暗室中直接接收到真實(shí)衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)的定位狀態(tài)與設(shè)備實(shí)際所在地完全一致。通過與衛(wèi)星信號模擬器的相關(guān)數(shù)據(jù)作比較，本套衛(wèi)星信號覆蓋系統(tǒng)的輸出電平和搜星數(shù)都優(yōu)于衛(wèi)星信號模擬器的指標(biāo)。系統(tǒng)研制和調(diào)試安裝的經(jīng)費(fèi)支出只需數(shù)千元，與動(dòng)輒數(shù)十萬元人民幣的衛(wèi)星信號模擬器相比，具有更好的經(jīng)濟(jì)效果和實(shí)用效果。

圖10 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)搜星數(shù)情況

［1］郝艷萍. 1957年蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星與美國高等教育改革［J］. 黑龍江高教研究，2011，03：9-12.

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［3］DONG Lei. IF GPS signal simulator development and verifica-tion ［D］. Calgary Alberta：Department of Geomatics Engineering，2003.

［4］陳窮，蔣全興. 電磁兼容工程設(shè)計(jì)手冊［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1993.

Research and implementation of satellite signal coverage technique in electromagnetic compatibility testing

Wu Jiahuan1，2，Shu Xiaolian2，Tian Heqing2
（1.Shanghai Jiaotong University；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper analyzes the basic principles of satellite navigation，electromagnetic compatibility test and indoor mobile communication signal coverage technique， and discusses the defects of the satellite signal simulator，which is excluded as a satellite signal coverage scheme. According to the design idea of indoor mobile communication signal coverage technique， this paper proposes a design scheme of satellite signal coverage， and conductes the research to the link power budget for the whole system， meanwhile realizes the building of hardware system. The good signal coverage function of the system is verified by the test of standing-wave ratio， output characteristic and the number of searching stars.

satellite navigation； electromagnetic compatibility； signal coverage； link budget