不同干擾對(duì)銥星機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備接收信號(hào)的影響

馬振洋，史超翰 ，丁 橋，周仁平，毛新勝

(1.中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300300；2.中電科航空電子有限公司，成都，611731)

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載設(shè)備所處的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，加之全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善[1-3]，同頻和鄰頻的電磁信號(hào)越來(lái)越多，使銥星機(jī)載接收機(jī)的工作條件更加苛刻[4-6]，因此其電磁防護(hù)受到重點(diǎn)關(guān)注，對(duì)銥星機(jī)載設(shè)備的接收信號(hào)進(jìn)行電磁干擾分析更有重要意義。

文獻(xiàn)[7]提出了利用銥星機(jī)會(huì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的方法，采用FFT和最大似然估計(jì)方法對(duì)銥星單音信號(hào)進(jìn)行有效多普勒頻移測(cè)量；文獻(xiàn)[8]提出利用STL信號(hào)實(shí)現(xiàn)非合作導(dǎo)航定位算法，采集銥星信號(hào)后對(duì)其中STL信號(hào)部分進(jìn)行解調(diào)，從時(shí)域和頻域分析其定位誤差；文獻(xiàn)[9]提出了融合Orbcomm和Iridium衛(wèi)星的時(shí)分和頻分多址信號(hào)的接收器架構(gòu)，結(jié)合EKF實(shí)現(xiàn)定位；文獻(xiàn)[10]從可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量和幾何精度稀釋兩個(gè)方面對(duì)銥星的導(dǎo)航性能進(jìn)行了仿真分析，并與其他導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比；文獻(xiàn)[11]提出一種減輕銥星信號(hào)所受射頻干擾的算法，仿真對(duì)比了應(yīng)用算法前后信號(hào)的完整性；文獻(xiàn)[12]用誤碼率計(jì)算對(duì)銥星上行鏈路產(chǎn)生有效干擾的功率要求，并用Matlab仿真了誤碼率和干擾功率的關(guān)系。

以上文獻(xiàn)主要研究了利用銥星實(shí)現(xiàn)定位的方法、銥星導(dǎo)航性能的分析及抗干擾算法的優(yōu)化，分析了上行鏈路的有效干擾功率，但并未關(guān)注機(jī)載設(shè)備接收鏈路的抗干擾情況，因此本文評(píng)估了銥星機(jī)載設(shè)備接收下行信號(hào)時(shí)受到不同干擾的誤信率。通過(guò)隔離度分析和接收過(guò)程建模，首次仿真了不同占空比、頻率的干擾對(duì)接收信號(hào)的影響，并進(jìn)行了話音質(zhì)量測(cè)試。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 隔離度

接收系統(tǒng)所受的射頻干擾主要有鄰頻、阻塞、互調(diào)3種，外部干擾通過(guò)天線耦合進(jìn)入接收機(jī)。在研究不同干擾對(duì)銥星下行信號(hào)的影響前，需確定銥星機(jī)載天線對(duì)不同干擾的接收程度，因此首先分析天線間隔離度。

通常天線間的隔離分為水平、垂直、組合梯形3種方式，由導(dǎo)航天線在飛機(jī)上的安裝位置可知，水平隔離為主要工作場(chǎng)景。

干擾耦合模型見(jiàn)圖1，干擾信號(hào)從發(fā)射機(jī)射頻端口經(jīng)發(fā)射通道、發(fā)射饋電系統(tǒng)、發(fā)射天線、空間傳輸路徑到達(dá)接收天線，進(jìn)入接收饋電系統(tǒng)、接收通道。

圖1 天線耦合模型

不考慮機(jī)身的屏蔽效應(yīng)等，兩天線端口隔離度計(jì)算公式為[13]：

PC=Pt-Pr=L+Lp-D1-D2

(1)

式中：Pt和Pr分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端口輸出或輸入的干擾功率；L為線纜損耗，取典型值3 dB；D1和D2分別為兩天線連線方向上各自的增益；Lp為自由空間傳輸損耗。

Lp=32.45+20lgF+20lgD

(2)

式中：F為工作頻率，MHz；D為傳輸距離，km。

根據(jù)實(shí)際裝機(jī)的天線間距，以2 m(最惡劣情況)為參考，增加4 m和8 m以觀察隔離度隨距離變化情況;根據(jù)銥星的用戶鏈路頻段，頻率范圍為1 614～1 626 MHz。

則上述公式簡(jiǎn)化為：

PC=-3.2+20lg(FD)

(3)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 天線隔離度理論計(jì)算值

1.2 誤信率

銥星下行鏈路傳輸90 ms的突發(fā)信號(hào)，由2.6 ms無(wú)調(diào)制單音信號(hào)、BPSK調(diào)制獨(dú)立字、QPSK調(diào)制數(shù)據(jù)信息組成。其數(shù)據(jù)傳輸速率為50 kbps，信號(hào)模型為[14]：

s(t)=Ab(t-τ)exp(jωt)+n(t)

(4)

式中：b(t)為發(fā)射數(shù)據(jù)碼片頻率，常見(jiàn)值為1 023ω；τ為碼片周期；A與接收機(jī)響應(yīng)、路徑損失等相關(guān)；n(t)為AWGN。

在無(wú)外加干擾時(shí)，下行信號(hào)的載噪比表達(dá)式為[15]：

(5)

式中：PEIRP為等效全向輻射功率；G為接收天線的增益；T為接收系統(tǒng)噪聲溫度；K為玻爾茲曼常數(shù)。

加入干擾后，載噪比的表達(dá)式變?yōu)閇16]：

(6)

式中：R為擴(kuò)頻碼速率，常見(jiàn)值為1.023 Mbit/s;j/s為干信比;Q為抗干擾品質(zhì)因數(shù)。

QPSK調(diào)制下信號(hào)的誤碼率為：

(7)

根據(jù)機(jī)載設(shè)備的實(shí)際工作環(huán)境，處于同頻和鄰頻的導(dǎo)航信號(hào)對(duì)其影響較大，此外還有信道中的噪聲，這些信號(hào)調(diào)制方式包括BPSK、QPSK等，因此主要考慮寬帶干擾和窄帶干擾下接收鏈路信號(hào)的性能。一般而言，干擾對(duì)信號(hào)的影響與其功率、重疊頻率呈正相關(guān)，接收機(jī)的內(nèi)部架構(gòu)也使得不同調(diào)制方式的干擾帶來(lái)的影響不同。

2 仿真建模

2.1 隔離度的建模

由于銥星機(jī)載天線工作在L波段，主要考慮同頻和鄰頻的外部干擾信號(hào)，因此采用某L波段天線為發(fā)射端，銥星天線為接收端，進(jìn)行隔離度建模。

將機(jī)身模擬為直徑1.2 m的金屬平面。根據(jù)實(shí)際所用型號(hào)天線，在HFSS中建立天線模型，見(jiàn)圖2。L波段天線采用單層結(jié)構(gòu)，正方形貼片邊長(zhǎng)為22.5 cm，每邊中點(diǎn)處分別加寬度為4 cm、長(zhǎng)度為3 cm和6 cm的短截線，介質(zhì)基板的材料為Arlon AD450，相對(duì)介電常數(shù)為4.5，采用同軸線饋電，饋電點(diǎn)在對(duì)角線距離中心6.75 cm處,過(guò)孔直徑為3 cm。兩天線水平放置。仿真時(shí)端口類型設(shè)為集總端口，饋入功率為1 mW，輻射邊界為空氣腔，采用Interpolating求解器。結(jié)果如圖3。

(a)L波段天線

圖3 隔離度仿真結(jié)果

可以看出，兩天線間的隔離度受到天線間距、相對(duì)位置、信號(hào)頻率、干擾頻率等因素的影響。

同一距離下，帶內(nèi)干擾的頻率改變對(duì)隔離度影響很小，天線對(duì)干擾信號(hào)的接收沒(méi)有明顯差異；但隨距離加倍，隔離度增加約6 dB，與計(jì)算結(jié)果一致；相同功率和距離下，銥星天線對(duì)不同頻率的帶內(nèi)干擾信號(hào)未呈現(xiàn)明顯選擇性。

2.2 誤信率的仿真

銥星下行鏈路信號(hào)的結(jié)構(gòu)及接收過(guò)程示意見(jiàn)圖4。該突發(fā)信號(hào)包括無(wú)調(diào)制的單音信號(hào)、BPSK調(diào)制獨(dú)立字和經(jīng)DQPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)信息三部分。數(shù)據(jù)采用 DQPSK 調(diào)制，再與經(jīng)BPSK調(diào)制的獨(dú)立字組合，經(jīng)根升余弦濾波器整形，再前置2.6 ms的無(wú)調(diào)制單音信號(hào)，最后上變頻[17]。信號(hào)經(jīng)天線進(jìn)入接收機(jī)，輸入回路選擇特定頻率信號(hào)，變頻電路將載波變?yōu)楣潭ㄖ蓄l，中頻信號(hào)經(jīng)放大后由檢波電路提取有用信號(hào)。部分參數(shù)見(jiàn)表2，計(jì)算不同頻率、占空比的干擾下接收信號(hào)的誤信率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 銥星用戶下行鏈路信號(hào)結(jié)構(gòu)

表2 接收過(guò)程部分參數(shù)

(a)不同占空比下BPSK干擾的誤信率

可以看出，脈沖BPSK干擾下接收信號(hào)的誤信率隨干擾的占空比的增加而增加。帶內(nèi)和帶外的白噪聲干擾和BPSK干擾對(duì)接收信號(hào)的影響程度幾乎一致，其值在5.3%～5.5%之間；寬帶和窄帶干擾對(duì)信號(hào)的影響程度與干擾頻率、干擾帶寬、干擾與有用信號(hào)的重疊程度有關(guān)。帶內(nèi)和帶外的單音干擾對(duì)接收信號(hào)的影響隨頻率變化明顯，在1 618 MHz，1 626 MHz 兩個(gè)頻點(diǎn)最大，在1 615 MHz時(shí)最小，接收信號(hào)的誤信率分別為7.1%、9.1%、5%。

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 隔離度實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)框圖見(jiàn)圖6。在空曠場(chǎng)地搭建實(shí)測(cè)平臺(tái)，以L波段天線作為發(fā)射端，銥星天線作為接收端，兩天線置于金屬圓盤上，通過(guò)線纜與信號(hào)源、頻譜儀連接。固定信號(hào)源功率，改變信號(hào)源頻率和天線間距，使用頻譜分析儀讀取接收功率。

圖6 隔離度實(shí)驗(yàn)框圖

3.2 誤信率實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)框圖見(jiàn)圖7，實(shí)驗(yàn)布置見(jiàn)圖8，實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)見(jiàn)表3。在空曠場(chǎng)地搭建實(shí)測(cè)平臺(tái)，測(cè)試線路損耗后連接設(shè)備、疊加特定功率的干擾并調(diào)整信號(hào)源類型，使用銥星設(shè)備撥號(hào)，記錄通話質(zhì)量隨干擾頻率和占空比的變化過(guò)程。銥星下行信號(hào)由銥星機(jī)載天線對(duì)星獲取后送入耦合器的直流端，干擾信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生后送入耦合端，銥星機(jī)載設(shè)備接在輸出端。語(yǔ)音測(cè)試以固定速度循環(huán)報(bào)數(shù)。信號(hào)源頻率包括帶外頻點(diǎn)1 575 MHz、1 614 MHz、1 615 MHz，以及帶內(nèi)1 616～1 626 MHz部分頻點(diǎn)。干擾種類包括寬帶干擾(BPSK和白噪聲)和窄帶干擾(單音信號(hào))。

圖7 抗干擾實(shí)驗(yàn)框圖

(a)機(jī)載銥星收發(fā)機(jī)

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和型號(hào)

評(píng)估接收信號(hào)的受干擾情況時(shí)，需選取接收機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，一般選擇話音清晰度和誤碼率進(jìn)行分析[18]。除外部干擾，誤碼率還與接收機(jī)內(nèi)部濾波器群時(shí)延、IQ不均衡度等有關(guān)。

根據(jù)RTCA DO-262E及所用接收機(jī)參數(shù)，當(dāng)設(shè)置干擾功率為典型值時(shí)，認(rèn)為接收機(jī)內(nèi)部器件的非線性效應(yīng)等可以忽略。話音清晰度除與誤信率相關(guān)，還受設(shè)備質(zhì)量、傳輸網(wǎng)絡(luò)的影響。不考慮其他因素，選擇誤信率量化描述語(yǔ)音清晰程度，量化方式采取移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。

4 測(cè)試分析

4.1 隔離度測(cè)試

連接設(shè)備后配置信號(hào)源功率為0 dBm，帶寬為1 kHz，在不同頻率下依次調(diào)整距離，記錄頻譜分析儀示數(shù)。天線距地面高度1.15 m，金屬板直徑1.2 m，線損2.1 dB。

4.1.1 結(jié)果對(duì)比

實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 隔離度的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

4.1.2 結(jié)果分析

在相同的頻率條件下，隔離度隨著間距的增加而增大；在相同的間距條件下，隔離度隨著頻率的增加而增大。在相同間距和功率下，不同頻率的帶內(nèi)干擾下隔離度差異不大，即銥星天線對(duì)此沒(méi)有明顯選擇性。

4.2 占空比測(cè)試

測(cè)試直通、耦合路徑的線損后連接設(shè)備，配置信號(hào)源調(diào)制類型為BPSK、中心頻率1 615 MHz、符號(hào)率4.08 Msps、幅度16 dBm；脈沖發(fā)射周期1 s，初始脈寬為100 ms。逐漸增加占空比，使用銥星設(shè)備撥號(hào)并循環(huán)報(bào)數(shù)，記錄通話質(zhì)量。直流通路衰減1.6 dB，耦合通路衰減32.7 dB。

4.2.1 結(jié)果對(duì)比

實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 占空比變化的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

4.2.2 結(jié)果分析

脈沖BPSK干擾在不同占空比下影響不同。隨占空比增加，品質(zhì)因數(shù)減小，導(dǎo)致載噪比減小，誤信率增加，干擾逐漸嚴(yán)重。當(dāng)占空比大于0.4后誤信率增加較快，最大值為18.1%。

4.3 抗干擾測(cè)試

4.3.1 寬帶干擾測(cè)試

測(cè)試直通、耦合路徑的線損后連接設(shè)備，配置信號(hào)源為脈沖調(diào)制，周期為10 s、脈寬為2 s、輸出功率16 dBm、根余弦濾波器系數(shù)0.5。分別設(shè)定不同中心頻率、符號(hào)率的BPSK干擾和不同中心頻率、帶寬的寬帶白噪聲干擾。使用銥星設(shè)備撥號(hào)并循環(huán)報(bào)數(shù)，記錄通話質(zhì)量。直通路徑損耗1.7 dB，耦合路徑損耗32.9 dB。

4.3.2 窄帶干擾測(cè)試

連接設(shè)備并配置信號(hào)源為連續(xù)發(fā)射、單音信號(hào)、輸出功率為16 dBm。使用銥星設(shè)備撥號(hào)并循環(huán)報(bào)數(shù)，記錄通話質(zhì)量。

4.3.3 結(jié)果對(duì)比

實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 不同干擾的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

4.3.4 結(jié)果分析

不同類型寬帶干擾信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的影響近似，其誤信率范圍為6.3%～6.5%。結(jié)合公式，誤信率應(yīng)在干擾和有用信號(hào)頻率重疊程度最大時(shí)達(dá)到最高。帶內(nèi)和帶外的寬帶干擾對(duì)接收信號(hào)的影響近似。

窄帶干擾對(duì)誤信率的影響小于寬帶干擾，帶內(nèi)單音干擾造成的誤信率變化趨勢(shì)為先下降后上升。干擾程度與干擾頻率有關(guān)，因此載噪比和誤信率呈現(xiàn)波動(dòng)性，當(dāng)干擾頻率在有用信號(hào)功率譜峰值附近時(shí)品質(zhì)因數(shù)的值減小。

4.5 測(cè)試結(jié)論

圖9、10、11分別對(duì)比了實(shí)測(cè)和仿真、計(jì)算的結(jié)果，由于實(shí)測(cè)過(guò)程存在溫度變化等因素，且仿真未考慮極化損耗、電磁波的二次輻射等，二者趨勢(shì)相同、數(shù)值不同，但足以說(shuō)明上述分析的合理性。

綜合理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)比不同占空比、頻率下的干擾對(duì)銥星下行鏈路信號(hào)誤信率的影響，可以發(fā)現(xiàn)：相同功率水平下，寬帶干擾比窄帶干擾造成的影響更明顯；不同種類的寬帶干擾造成的影響差異不大；帶內(nèi)和帶外的寬帶干擾造成的影響差異不大，但窄帶干擾影響呈先減小后增加趨勢(shì)；脈沖干擾對(duì)接收信號(hào)的影響與占空比正相關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從誤信率的角度評(píng)估了銥星機(jī)載設(shè)備下行鏈路信號(hào)的抗干擾性能，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)。測(cè)試結(jié)果可能與設(shè)備型號(hào)有關(guān)，但仍能為銥星機(jī)載收發(fā)機(jī)的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供一定參考。后續(xù)如能進(jìn)行上機(jī)測(cè)試，則結(jié)論將更具普適性。