半封閉環(huán)境下衛(wèi)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鼎元 古 強(qiáng) 于海濤 張 帆 向宏偉

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，四川 成都610092）

1 概述

根據(jù)衛(wèi)星定位原理，衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收機(jī)收到不少于四顆衛(wèi)星的衛(wèi)星信號，信號經(jīng)處理后得到衛(wèi)星的空間坐標(biāo)、距離測量值信息；然后接收機(jī)內(nèi)部復(fù)制偽碼，并將此復(fù)制碼與其接收到的衛(wèi)星信號做相關(guān)運(yùn)算，最后根據(jù)所得的偽碼自相關(guān)函數(shù)的峰值來測量碼相位，進(jìn)而得出飛機(jī)天線的空間位置，即實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的精確定位。

然而在半封閉環(huán)境下（如機(jī)庫）飛機(jī)進(jìn)行定位工作時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)衛(wèi)星定位失敗的情況。原因在于：在半封閉環(huán)境下，天線不僅能接收到衛(wèi)星直射波信號，還能接收到穿透過多層介質(zhì)和遭遇過多次反射而強(qiáng)度變?nèi)醯亩嗦沸盘枺炊嗦窂叫?yīng)[1]；如果接收到的同一顆衛(wèi)星的信號是由直射波和多個(gè)反射波疊加而成的，那么接收機(jī)內(nèi)部復(fù)制的偽碼會同時(shí)與直射波和各個(gè)反射波做相關(guān)運(yùn)算，使原本只反映直射波碼相位情況的自相關(guān)函數(shù)主峰遭到變形，從而嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致碼相位失鎖，即衛(wèi)星定位失效[2]。

傳統(tǒng)的室內(nèi)衛(wèi)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)在半封閉環(huán)境下有如下缺點(diǎn)：只是將衛(wèi)星信號濾波放大，雖然解決了信號強(qiáng)度問題，然而半封閉環(huán)境下到達(dá)接收機(jī)的信號既有來自室外或穿透過多層介質(zhì)的直射信號，也有遭遇過室內(nèi)多次反射的信號，因此傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)不能有效排除半封閉環(huán)境較突出的多路徑干擾。

本文提出一種適用于半封閉環(huán)境的衛(wèi)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效避免半封閉環(huán)境多路徑效應(yīng)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)如圖1 所示，由庫外接收天線、信號處理機(jī)、庫內(nèi)發(fā)射天線和轉(zhuǎn)發(fā)天線罩組成。

其中信號處理機(jī)由射頻前端、射頻收發(fā)通道、A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號控制、數(shù)據(jù)存儲、信號提純、電源轉(zhuǎn)換、監(jiān)測接收機(jī)等單元組成，對外控制接口為RS232 串口，設(shè)備中數(shù)據(jù)的頻率偏移、記錄、回放以及信號增益等參數(shù)可由控制計(jì)算機(jī)通過該串口控制與輸出，工作原理圖見圖2。

圖2 信號處理機(jī)原理圖

庫外接收天線包括北斗B1/B3 和GPS L1 衛(wèi)星信號接收天線，均為右旋圓極化天線。庫外射頻前端包括北斗B1/B3 以及GPS L1 三個(gè)頻段的低噪聲放大電路等，其作用是對接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行低噪聲放大與濾波，并提供足夠的增益，以便通過射頻電纜對其進(jìn)行傳輸至室內(nèi)供射頻通道電路接收。

庫內(nèi)發(fā)射天線將信號處理機(jī)輸出的北斗B1/B3 和GPS L1衛(wèi)星信號發(fā)射出去供目標(biāo)接收機(jī)接收，發(fā)射天線采用的是垂直極化天線。

射頻接收通道將接收到的衛(wèi)星信號變換為中頻信號，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換電路采樣后變?yōu)閿?shù)字信號，由數(shù)字信號控制電路進(jìn)行格式變換后進(jìn)行存儲。回放的數(shù)據(jù)通過數(shù)字控制電路進(jìn)行格式轉(zhuǎn)后由D/A 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l信號，再由發(fā)射通道轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號后輸出。

為了檢測抗干擾調(diào)零天線，信號提純單元選取B3 頻段數(shù)字信號進(jìn)行載波與偽碼捕獲與跟蹤，提取出每顆衛(wèi)星的載波與偽碼信息，然后再進(jìn)行偽碼調(diào)制，從而獲得純凈的衛(wèi)星導(dǎo)航擴(kuò)頻數(shù)字信號，轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l模擬信號后用于調(diào)零天線檢測。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 頻率偏移可調(diào)二次轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

傳統(tǒng)的衛(wèi)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)發(fā)器按照原頻率對衛(wèi)導(dǎo)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，該方法在半封閉環(huán)境下無法避免室外直射信號與轉(zhuǎn)發(fā)信號之間的多路徑效應(yīng)。

為避免以上問題，本裝置在信號轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)使用頻率偏移[3]可調(diào)二次轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。

如圖1 所示，一方面，本系統(tǒng)在首次轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)具有頻偏功能，且偏移檔位通過串口接入軟件可調(diào)；將衛(wèi)星信號的頻率偏移至特定頻率后再向機(jī)庫內(nèi)發(fā)射，能夠有效避免來自室外信號的多徑干擾。

另一方面，本系統(tǒng)的二次轉(zhuǎn)發(fā)天線罩置于飛機(jī)衛(wèi)導(dǎo)天線上，該天線罩的信號接收機(jī)能夠匹配接收頻偏信號，檔位同樣軟件可調(diào)；經(jīng)二次轉(zhuǎn)發(fā)天線罩反變換處理后得到的真實(shí)衛(wèi)星信號被轉(zhuǎn)發(fā)至飛機(jī)天線，保證飛機(jī)對真實(shí)衛(wèi)星信號的接收。

轉(zhuǎn)發(fā)天線罩設(shè)計(jì)方面：不僅信號屏蔽能夠保證外部真實(shí)信號的干擾；而且內(nèi)表面增加信號吸波材料，有效減少罩內(nèi)信號反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。

采取頻偏可調(diào)的二次轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)不僅能有效減少本機(jī)接收衛(wèi)星信號的多路徑干擾，而且在相鄰機(jī)位采取不同頻率進(jìn)行二次轉(zhuǎn)發(fā)，還能避免同頻率轉(zhuǎn)發(fā)裝置之間的相互干擾。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)頻率偏移值設(shè)置為N×50kHz（N=0，±1，±2，…）時(shí)，可屏蔽真實(shí)衛(wèi)星信號的影響。

3.2 轉(zhuǎn)發(fā)天線方向性

為保證信號區(qū)域全向覆蓋，傳統(tǒng)的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)天線通常采用右旋圓極化[4]方式，此類方式將信號向所有方向均勻輻射出去，因此它輻射的信號功率只有很少一部分傳播到目標(biāo)接收機(jī)。同時(shí)由于機(jī)庫內(nèi)金屬反射物較多，全向天線不僅對目標(biāo)飛機(jī)沒有指向性，而且會造成更嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。

本系統(tǒng)環(huán)境下飛機(jī)位置通常比較固定，所以采用更具方向性的垂直極化天線[5]，從而保證信號主瓣更具指向性。一方面提高飛機(jī)接收信號功率，另一方面更大程度減少信號反射產(chǎn)生的多路徑干擾效應(yīng)。

3.3 射頻收發(fā)通道設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)發(fā)裝置對衛(wèi)導(dǎo)信號北斗B1/B3 和GPS L1 每個(gè)頻點(diǎn)的收發(fā)通道具有相同的電路架構(gòu)，框圖見圖3。其中為了適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境的變化，轉(zhuǎn)發(fā)增益需要有一定的調(diào)整范圍[6]，增益的變化通過控制發(fā)射通道的數(shù)控衰減器來實(shí)現(xiàn)。

圖3 收發(fā)通道框圖

各頻點(diǎn)接收通道設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1，各頻點(diǎn)發(fā)射通道設(shè)計(jì)指標(biāo)見表2。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)過了機(jī)庫內(nèi)半封閉環(huán)境的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中選取了多組頻率偏移和輻射功率增益值進(jìn)行了對比，主要數(shù)據(jù)記錄如表3 所示。實(shí)驗(yàn)情況表明，頻率偏移值和轉(zhuǎn)發(fā)功率的調(diào)節(jié)能夠有效提高目標(biāo)接收機(jī)的搜星效果。

表1 接收通道設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2 發(fā)射通道主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

表3 實(shí)驗(yàn)情況表

5 結(jié)論

半封閉環(huán)境下飛機(jī)不僅會接收到來自庫外的衛(wèi)導(dǎo)直射信號，而且會收到經(jīng)環(huán)境反射的多路信號。嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)使得傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置不適用于機(jī)庫這類半封閉環(huán)境。實(shí)驗(yàn)證明，本文研究并設(shè)計(jì)的基于頻率偏移可調(diào)二次轉(zhuǎn)發(fā)的系統(tǒng)能夠通過頻率偏移更具方向性的垂直極化天線，以及轉(zhuǎn)發(fā)增益可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)手段有效避免飛機(jī)端接收信號的多路徑效應(yīng)。