一種衛(wèi)星緊急無線電示位標(biāo)GPS干擾分析

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 木建一

嘉興南湖學(xué)院 于海鵬

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 李培正 朱 坤 姚克波

隨著GPS模塊價(jià)格越來越低，現(xiàn)在的很多示位標(biāo)設(shè)備都帶有GPS接收模塊。但由于GPS信號(hào)非常微弱，容易受到其他信號(hào)干擾，尤其是在帶有無線電發(fā)射模塊的設(shè)備中。本文對(duì)示位標(biāo)里一種通過同軸電纜傳導(dǎo)的GPS信號(hào)干擾現(xiàn)象進(jìn)行了分析并提出解決方案。該分析結(jié)果和解決方案可以給其他帶有GPS的電路設(shè)計(jì)提供參考。

衛(wèi)星緊急無線電示位標(biāo)（簡稱示位標(biāo)）是一種人員、船只或飛機(jī)遇險(xiǎn)求救裝置，工作時(shí)向國際衛(wèi)星搜救組織衛(wèi)星發(fā)射求救信號(hào)，衛(wèi)星再將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到地面站。示位標(biāo)工作時(shí)發(fā)射兩種信號(hào)，一種是406MHz附近的頻點(diǎn)（406.025，406.028MHz等），信息分長信息和短信息，長信息144比特包含國別、遇險(xiǎn)類型、GPS數(shù)據(jù)等信息，短信息112比特，不含GPS數(shù)據(jù)。隨著GPS模塊價(jià)格越來越低，現(xiàn)在的示位標(biāo)基本都帶有GPS接收模塊，發(fā)射的信號(hào)都包含GPS信息。406MHz信號(hào)每50s左右發(fā)送一次。另一種是輔助搜救信號(hào)，頻率為121.5MHz的音頻調(diào)幅信號(hào)，該信號(hào)一直發(fā)射，只有在406MHz信號(hào)發(fā)射時(shí)暫停。

導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行于距離地面20km以上的軌道中，其發(fā)射功率受電池功率的制約，信號(hào)到達(dá)地面時(shí)極其微弱。以GPS為例，其信號(hào)到達(dá)地面接收機(jī)的最小功率為-160dBW。如此微弱的信號(hào)，極易受到干擾。當(dāng)同一設(shè)備中既有無線發(fā)射模塊又有GPS接收模塊時(shí)，GPS信號(hào)容易受到干擾。示位標(biāo)中有GPS接收模塊和其他無線發(fā)射模塊（406MHz和121.5MHz），因此示位標(biāo)的GPS信號(hào)容易受到干擾。

1 問題發(fā)現(xiàn)

中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所是國內(nèi)首家取得國際衛(wèi)星組織證書的衛(wèi)星緊急無線電示位標(biāo)生產(chǎn)廠家，圖1為示位標(biāo)產(chǎn)品實(shí)物圖。在示位標(biāo)的早期生產(chǎn)、測(cè)試過程中技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)某些示位標(biāo)GPS模塊定位時(shí)間過長，甚至長時(shí)間不能定位等問題。

圖1 中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所示位標(biāo)

在一次對(duì)同一批次20多臺(tái)示位標(biāo)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)有多達(dá)30%的示位標(biāo)存在定位困難的問題。正常示位標(biāo)在1min甚至20s左右即可定位，而部分示位標(biāo)長達(dá)10min仍不能定位。根據(jù)COSPAS-SARSAT組織的型式認(rèn)可試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置定位裝置的示位標(biāo)定位時(shí)間不能大于10min。示位標(biāo)GPS模塊若長時(shí)間不能定位，不但影響產(chǎn)品出廠和日常檢驗(yàn)，在實(shí)際使用中萬一船只失事救援人員將無法確定失事坐標(biāo)，嚴(yán)重影響救援效率，因此GPS模塊的快速定位能力非常重要。

2 原因分析

由于示位標(biāo)中的GPS模塊采用的是國際知名品牌產(chǎn)品，而且批次相同，因此基本排除是GPS模塊的問題。GPS信號(hào)采用兩種偽碼調(diào)制，即粗捕獲碼(C/A碼)和精密碼(P(Y)碼)。其中C/A碼僅調(diào)制在L1(1575.42MHz)頻段上，而P(Y)碼同時(shí)調(diào)制在L1和L2(1227.6MHz)兩個(gè)頻段上。示位標(biāo)的406MHz信號(hào)每50s左右發(fā)送一次，發(fā)送持續(xù)時(shí)間不足1s，正常的示位標(biāo)甚至20s左右即可定位，而且406MHz信號(hào)的諧波離GPS頻點(diǎn)1575MHz較遠(yuǎn)，因此406MHz的干擾也基本可以排除。121.5MHz信號(hào)一直處于發(fā)射狀態(tài)，只有在406MHz信號(hào)發(fā)射時(shí)暫停，且其13次諧波1579.5MHz離GPS中心頻點(diǎn)較近，在GPS的工作帶寬內(nèi)，有可能是121.5MHz信號(hào)的諧波影響到GPS信號(hào)的接收。為印證該推測(cè)，技術(shù)人員分別切斷406MHz和121.5MHz信號(hào)輸出，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切斷406MHz信號(hào)對(duì)GPS信號(hào)接收沒有改善，切斷121.5MHz信號(hào)后存在GPS接收困難的示位標(biāo)故障消失。如圖2所示，406MHz和121.5MHz信號(hào)產(chǎn)生后通過各自的功放電路再進(jìn)行耦合，兩者共用同一天線。

圖2 示位標(biāo)射頻部分電路原理框圖

3 解決方案

在設(shè)計(jì)示位標(biāo)電路時(shí)，為了節(jié)省空間和防止干擾，示位標(biāo)電路采用兩塊電路板疊加而成，第一層電路板上裝有指示燈、閃光燈、GPS天線和GPS接收模塊。第二層電路板裝有電源電路、控制電路、406MHz和121.5MHz信號(hào)產(chǎn)生和放大電路、耦合電路、濾波電路，如圖3所示。

圖3 示位標(biāo)電路

第一層和第二層的電路板通過插針連接，第二層電路板上的406MHz和121.5MHz射頻信號(hào)通過射頻同軸電纜穿過第一層電路板連接至發(fā)射天線。在設(shè)計(jì)初期已經(jīng)考慮到為了減少GPS的干擾，把所有的數(shù)字電路、模擬電路都放在第二層電路板，第一層電路板只放GPS天線和GPS模塊以及幾個(gè)必要的指示燈和閃光燈。但是為了生產(chǎn)、組裝方便，射頻同軸電纜需要稍微長一點(diǎn)，在組裝完成后過長的射頻電纜將彎曲盤旋在兩層電路板之間。由于生產(chǎn)中沒有對(duì)過長的同軸電纜的走線進(jìn)行約束，示位標(biāo)成品射頻電纜走線隨機(jī)分布。所以在正常的示位標(biāo)和定位困難的示位標(biāo)之間其實(shí)只有同軸電纜的走線方式不同，定位困難的示位標(biāo)同軸電纜基本是盤旋在121.5MHz電路上方，121.5MHz的諧波被同軸電纜屏蔽層吸收并傳導(dǎo)到GPS模塊附近，改變同軸電纜走線方向，避免其從121.5MHz電路上方經(jīng)過，問題得到解決。

結(jié)論：本文對(duì)一種衛(wèi)星緊急無線電示位標(biāo)GPS干擾現(xiàn)象進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明是射頻同軸電纜的外屏蔽層將121.5MHz諧波信號(hào)傳導(dǎo)給GPS模塊，造成GPS模塊接收困難。

在一般電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師考慮較多的是如何對(duì)干擾源和接收模塊進(jìn)行盡可能地隔離，并防止電源線、數(shù)據(jù)線等普通線纜的傳導(dǎo)干擾。在本設(shè)計(jì)中也是通過將發(fā)射電路和GPS接收模塊分置在兩塊電路板上，并間隔一定距離，電源線和數(shù)據(jù)線也盡量遠(yuǎn)離干擾源。然而同軸電纜作為射頻傳輸電纜具有良好的屏蔽作用，其屏蔽層的傳導(dǎo)干擾往往被設(shè)計(jì)師忽視，正如在本例中同軸電纜由于兩端接地點(diǎn)有一定距離，其屏蔽層反而起到了傳導(dǎo)干擾的作用，變成了GPS干擾的幫兇。在有收發(fā)電路的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師除了考慮輻射、普通電纜的傳導(dǎo)等干擾外還要注意同軸電纜的長度、走線、接地等，如果存在同軸電纜的傳導(dǎo)干擾且設(shè)計(jì)已經(jīng)定型，那么可以通過改變同軸電纜走線方向、長度來盡量降低干擾。