鄭長剛，黃智剛，康成斌(.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京000;2.北京市第十三中學(xué),北京00009; .中國空間技術(shù)研究院,北京00094)

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導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射端多徑的高精度測(cè)量技術(shù)*

鄭長剛**1，2，黃智剛1，康成斌3
(1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100011;2.北京市第十三中學(xué),北京100009; 3.中國空間技術(shù)研究院,北京100094)

**通信作者:zhjinjun@ vip. sina. com Corresponding author:zhjinjun@ vip. sina. com

摘 要:針對(duì)國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于星體是導(dǎo)致“北斗”衛(wèi)星碼載波偏差隨觀測(cè)仰角存在相關(guān)性的主要原因的懷疑,提出了一種導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射端星體多徑的高精度測(cè)試方法。利用連續(xù)頻率調(diào)制信號(hào)的時(shí)域合成,獲得窄時(shí)域脈沖,通過時(shí)域窗函數(shù)截取多徑信號(hào),從而獲得多徑的高精度延時(shí)和幅度。理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明:所提方法簡單有效,獲得了較高的時(shí)域分辨性能和測(cè)量精度,由此得出了導(dǎo)航衛(wèi)星星體多徑不是產(chǎn)生碼載波偏差主要原因的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:導(dǎo)航衛(wèi)星；發(fā)射端；多徑測(cè)量；碼載波偏差

1 引 言

“斗衛(wèi)”導(dǎo)航系統(tǒng)(BD Satellite System,BDS)包括14顆中高軌道衛(wèi)星(Medium Earth Orbit,MEO)、5顆傾斜軌道同步衛(wèi)星(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,IGSO)和5顆靜止軌道衛(wèi)星(Geosynchronous Earth Orbit,GEO),播發(fā)的B1、B2和B3 3路導(dǎo)航信號(hào)被全球各地多模全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機(jī)接收和分析研究。Hauschild、Perello Gisbert和Montenbruk等人發(fā)現(xiàn)BDS存在碼-載波偏差(同一顆衛(wèi)星播發(fā)的偽碼相位與載波相位之差)變化,偏差值與觀測(cè)仰角存在相關(guān)性,變化范圍約1 m。由于該偏差值基于遍布全球的不同類型接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)而獲得的[1-3],因此被認(rèn)為是與衛(wèi)星密切相關(guān)。德國人Wanninger[4]分別給出了BDS中MEO和IGSO衛(wèi)星的碼-載波偏差修正模型,該模型分別適用于所有MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星。類似的碼-載波偏差曾經(jīng)在GPS SVN49衛(wèi)星上出現(xiàn)過,GPS確認(rèn)是由于衛(wèi)星內(nèi)部信號(hào)反射引起的碼多徑導(dǎo)致[5]。

本文研究衛(wèi)星星本體多徑的高精度測(cè)試方法和技術(shù),利用BDS衛(wèi)星模型進(jìn)行多徑模擬測(cè)試試驗(yàn),掌握BDS衛(wèi)星星體多徑數(shù)據(jù),進(jìn)而給出碼-載波偏差與星體多徑的關(guān)聯(lián)性。基本思路是先梳理多徑測(cè)量方法,識(shí)別出適用于衛(wèi)星發(fā)射端的,并針對(duì)衛(wèi)星測(cè)量條件進(jìn)行改進(jìn),提高測(cè)量精度;然后,根據(jù)BDS系統(tǒng)MEO衛(wèi)星星表技術(shù)狀態(tài),建立物理模型和試驗(yàn)環(huán)境,驗(yàn)證衛(wèi)星多徑影響,導(dǎo)出與碼-載波偏差的關(guān)聯(lián)性;最后,針對(duì)衛(wèi)星提出消除自身多徑的建議。

2 多徑測(cè)量方法

多徑測(cè)量一般采用時(shí)域脈沖法[6]、多徑估計(jì)法[7]和零值法。時(shí)域脈沖法是在地面對(duì)星表多徑測(cè)量較為簡便的方法,但由于超窄帶的時(shí)域脈沖在頻域上將呈現(xiàn)超寬帶特性,受信道特性影響較大,在高精度測(cè)量中的實(shí)用性受到限制。多徑估計(jì)是利用衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航信號(hào),地面接收機(jī)接收后通過各種估計(jì)算法獲得多徑的估值,一方面估值精度與信號(hào)帶寬、估值算法密切相關(guān),另一方面無法排除環(huán)境和地面設(shè)備硬件的影響,不宜采用。零值法是通過檢測(cè)接收機(jī)偽距測(cè)量扣除真實(shí)距離后的零值和的變化來判斷多徑效應(yīng)的變化,零值的穩(wěn)定性決定了多徑效應(yīng)變化的分辨率,且受時(shí)鐘影響較大,也不宜采用。

本文提出一種改進(jìn)的測(cè)量方法,采用連續(xù)頻率調(diào)制信號(hào)進(jìn)行時(shí)域合成,規(guī)避信道特性不理想的影響,從而獲得超窄帶時(shí)域脈沖,獲得高精度的多徑測(cè)量數(shù)據(jù)。

2. 1 信號(hào)模型與時(shí)頻處理

假設(shè)衛(wèi)星發(fā)播信號(hào)為( ) s t ,那么接收到的多徑信號(hào)可表示為

僅考慮星表多徑影響,可忽略衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)星上內(nèi)部生成過程中反射多徑。采用連續(xù)頻率調(diào)制信號(hào)作為發(fā)播信號(hào),即

式中:α(t)為瞬時(shí)幅度;φ(t)為瞬時(shí)相位,其瞬時(shí)頻率ω(t)= dφ(t) / dt,掃頻速率v=dω/ dt,起止頻率分別為ωL和ωH。

假定掃頻過程為平穩(wěn)隨機(jī)狀態(tài),將接收到的信號(hào)在時(shí)間尺度上疊加,則可認(rèn)為發(fā)播信號(hào)在頻域上表現(xiàn)為寬帶矩形脈沖信號(hào),疊加的時(shí)域信號(hào)表現(xiàn)為sinc函數(shù),如圖1所示。

圖1 時(shí)間尺度疊加后信號(hào)的時(shí)頻特性Fig. 1 Time-frequency characteristic of signal overlaying time information

如果在時(shí)間尺度上覆蓋了起止頻率,則合成信號(hào)的帶寬最寬,此時(shí),獲得的時(shí)域脈沖寬度最窄。當(dāng)脈沖寬度足夠小,則可以分辨出多徑信號(hào)中的所有時(shí)延因子,實(shí)現(xiàn)高精度的多徑測(cè)量。

該方法要求掃頻過程平穩(wěn)、信道為寬帶,但由于實(shí)際信道特性一般是帶限且有帶內(nèi)非平坦,導(dǎo)致實(shí)際收到信號(hào)是理想信號(hào)通過了一個(gè)有色信道。設(shè)有色信道傳遞函數(shù)為( ) H t ,則有

此時(shí),需要對(duì)信道進(jìn)行白化,發(fā)播信號(hào)通過一個(gè)預(yù)失真濾波器,預(yù)失真濾波器的傳遞函數(shù)為H-1(t )。此時(shí),可以獲得預(yù)期的接收信號(hào):

多徑信號(hào)從主信號(hào)中分離出來后,通過時(shí)間域門函數(shù)可將多徑信號(hào)提取。對(duì)多徑信號(hào)作傅里葉變換,得到多徑信號(hào)的頻域函數(shù)F(ω),即可獲得關(guān)心頻率對(duì)應(yīng)的多徑信號(hào)強(qiáng)度。

2. 2 測(cè)試方法及驗(yàn)證

利用信號(hào)源發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)為多徑測(cè)試信號(hào),經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射后,主路徑信號(hào)和多徑信號(hào)被接收天線接收,利用幅相檢測(cè)接收機(jī)檢測(cè)寬帶掃頻信號(hào)在不同頻點(diǎn)的幅度和相位,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反傅里葉變換時(shí)域合成,從而分辨出多徑信號(hào)時(shí)延和相對(duì)主信號(hào)強(qiáng)度。測(cè)試系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 多徑信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)Fig. 2 Measurement system for multi-path signal

對(duì)測(cè)試方法和所采用技術(shù)進(jìn)行桌面有線試驗(yàn)驗(yàn)證,構(gòu)建試驗(yàn)框圖如圖3所示。

圖3 桌面有線試驗(yàn)Fig. 3 Experiment of desktop test

試驗(yàn)前采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)路徑1與路徑2時(shí)延差和損耗差進(jìn)行標(biāo)定,路徑1與路徑2時(shí)延差約2.35 ns,路徑1與路徑2損耗差約19.4 dB。分別采用15～20 GHz和8～20 GHz兩種掃頻信號(hào)帶寬進(jìn)行試驗(yàn),得到的結(jié)果如圖4所示,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 接收不同掃頻信號(hào)的多徑估計(jì)值Tab. 1 Value of assessment of multipath to different scanning signals

表1數(shù)據(jù)顯示利用掃頻法進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果與用矢網(wǎng)標(biāo)定的結(jié)果一致,時(shí)延測(cè)試誤差在0. 15 ns以內(nèi),強(qiáng)度誤差在1. 5 dB以內(nèi)。

3 測(cè)試試驗(yàn)

星體模擬件放置在微波暗室的轉(zhuǎn)臺(tái)上,利用平面近場(chǎng)構(gòu)建遠(yuǎn)場(chǎng)條件[8],根據(jù)天線的收發(fā)互易特性,星上導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射天線接收測(cè)試信號(hào),形成多徑測(cè)試系統(tǒng),如圖5所示,通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬不同用戶的觀測(cè)方位,獲取各個(gè)方向的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4 不同掃描帶寬的試驗(yàn)結(jié)果圖Fig 4 Result of different bandwidth of scanning

由圖4可見,當(dāng)掃頻帶寬足夠?qū)挄r(shí),可在時(shí)域上將不同時(shí)延的多徑信號(hào)分離,帶寬越寬,分離精度越高。

圖5 暗室掃頻測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig. 5 Diagram of test system for frequency scanning in unreflected chamber

試驗(yàn)前,在微波暗室利用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線替代模擬件進(jìn)行暗室環(huán)境多徑測(cè)試,用于消除環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

為測(cè)試星體安裝面及安裝其上的其他設(shè)備對(duì)B1/ B2/ B3天線的影響,最好是先能夠獨(dú)立對(duì)導(dǎo)航信號(hào)天線進(jìn)行多徑測(cè)試,獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但由于無法保證天線安裝到星體模擬件后與原狀態(tài)位置完全一致,需要采取其他不影響狀態(tài)的辦法達(dá)到相應(yīng)的效果。

采用星體突出物包敷吸波材料方法,獲取削弱星體安裝面影響的多徑測(cè)試數(shù)據(jù),將該數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與不包敷時(shí)測(cè)試結(jié)果對(duì)消,即可得到星體對(duì)B1/ B2/ B3天線多徑環(huán)境的影響。

按照上述步驟,分別測(cè)得暗室環(huán)境、包敷吸波材料和未包敷吸波材料3組數(shù)據(jù)。利用第一組數(shù)據(jù)檢查環(huán)境多徑大小,相對(duì)強(qiáng)度均在-60 dB以下,可忽略。通過第三組數(shù)據(jù)與第二組數(shù)據(jù)做差,獲得星體引入的多徑數(shù)據(jù),如圖6所示。

圖6 做差處理后的多徑信號(hào)與方位角關(guān)系Fig. 6 Correlation between multipath signals after subtraction and azimuth angle

數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,最強(qiáng)的多徑信號(hào)出現(xiàn)在延遲3～5 ns的位置,其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主信號(hào),相對(duì)強(qiáng)度均在-34 dB以下。多徑與B1/ B2/ B3天線的方位角和離軸角沒有明顯的關(guān)聯(lián)性,僅在高離軸角時(shí)存在時(shí)延的波動(dòng)。

在多徑信號(hào)強(qiáng)度較弱的時(shí)候,由于兩次測(cè)量存在各自獨(dú)立的測(cè)量誤差,做差處理會(huì)引入隨機(jī)誤差的疊加,表現(xiàn)為系統(tǒng)性的多徑誤差淹沒在噪聲中,導(dǎo)致處理后數(shù)據(jù)的不可信。因此,仍需要針對(duì)測(cè)量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立分析。

同時(shí),采用吸波材料包敷并非理想,材料對(duì)該頻段信號(hào)的衰減不大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性的多徑數(shù)據(jù)被抵消,導(dǎo)致做差處理后數(shù)據(jù)結(jié)果偏離真實(shí)情況。因此,需要對(duì)兩組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立分析。

提取方位角為0°、5°和離軸角為45°、5°兩種狀態(tài)的原始測(cè)量數(shù)據(jù),如圖7所示,均顯示在5 ns左右有較強(qiáng)多徑信號(hào),相對(duì)強(qiáng)度最大為-28 dB,與做差處理后數(shù)據(jù)相比更加可靠。

圖7 星體多徑測(cè)試結(jié)果時(shí)域圖Fig. 7 Time domain result of multipath test for satellite

重新對(duì)未包敷吸波材料的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,針對(duì)所有方向的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如圖8所示。

圖8 第三組數(shù)據(jù)的多徑信號(hào)與方位角關(guān)系Fig. 8 Correlation between multipath signals and azimuth angle of the third set of data

第三組數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與做差結(jié)果存在一定差異,如表2所示。由表2可知各方向最強(qiáng)多徑信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度均值增加了12 dB。

表2 不同測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法結(jié)果Tab. 2 Result of different data processing methods

盡管星體多徑強(qiáng)度相對(duì)主徑的絕對(duì)數(shù)值較小,但可能會(huì)對(duì)用戶產(chǎn)生一定影響,需要進(jìn)行評(píng)估。人為產(chǎn)生不同強(qiáng)度的多徑信號(hào),利用基于標(biāo)準(zhǔn)處理算法的地面終端進(jìn)行接收,不做多徑抑制處理,結(jié)果顯示:當(dāng)多徑信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度達(dá)到-20 dB時(shí),僅會(huì)引起偽距測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生6 cm的變化,不會(huì)導(dǎo)致接近1 m的碼載波偏差變化?？梢?星體多徑不是產(chǎn)生碼載波偏差隨觀測(cè)仰角變化的主要原因。

4 結(jié)束語

本文利用連續(xù)頻率調(diào)制信號(hào)時(shí)域合成所獲得的窄時(shí)域脈沖實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射端多徑的高精度測(cè)量,可以達(dá)到亞納秒級(jí)時(shí)域分辨性能和2 dB以內(nèi)的測(cè)量精度;通過對(duì)模擬星體的高精度多徑測(cè)量,發(fā)現(xiàn)盡管衛(wèi)星可能是導(dǎo)致碼載波偏差隨觀測(cè)仰角存在相關(guān)性的原因,但星體反射多徑不是其主要成因;同時(shí),也注意到星體多徑是存在的,會(huì)引起高精度用戶偽距測(cè)量精度產(chǎn)生厘米級(jí)的系統(tǒng)偏差,該誤差呈現(xiàn)系統(tǒng)特性,是可以消除的。由于試驗(yàn)采用的是模擬件,無法直接對(duì)碼載波偏差進(jìn)行測(cè)量,如能夠?qū)φ鎸?shí)衛(wèi)星產(chǎn)品在地面進(jìn)行測(cè)量,將能夠給出碼載波偏差是否與衛(wèi)星直接關(guān)聯(lián)的結(jié)論,并對(duì)其他可能產(chǎn)生碼載波偏差的可能,如星上天線輻射特性隨觀測(cè)仰角變化情況等,進(jìn)行測(cè)量。建議衛(wèi)星研制方下一步深入開展相關(guān)工作。

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鄭長剛(1998—),男,江蘇人,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c電子技術(shù)和測(cè)量技術(shù);

ZHENG Changgang was born in Jiangsu Province,in 1998. His research concerns communication and electronic technology,and measurement technology.

Email:zhjinjun@ vip. sina. com

黃智剛(1962—),男,博士,教授,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)技術(shù);

HUANG Zhigang was born in 1962. He is now a professor with the Ph. D. degree. His research concerns communication and information system technology.

康成斌(1981—),男,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c電子技術(shù)。

KANG Chengbin was born in 1981. He is now a senior engineer with the Ph. D. degree. His research concerns communication and electronic technology.

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本刊編輯部

High Precision Measurement of Multipath for Emission Platform of Navigation Satellite

ZHENG Changgang1,2,HUANG Zhigang1,KANG Chengbin3
(1. School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China; 2. Beijing No. 13 High School,Beijing 100009,China; 3. China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

Abstract:In view of the scholars' review that satellite is the main cause of correlation between divergences of code-carrier of BD satellites(BDS) and observation angle,a high precision method of measuring multipath caused by satellite is presented. This method gets narrow time pulse by using continous frequency modulated signal,and acquires interested multipath signal by time domain window function,in order to obtain the high precision time delay and intensity of multipath signals. By theoretical analysis and test verification,the method is proved to be simple and effective,and high performances of time domain distinguishment and measurement precision are achieved. Based on the method,the conclusion is drawn that multipath of satellite is not the cause of the divergences of code-carrier.

Key words:navigation satellite;emission platform;measurement of multipath;code-carrier divergence

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 007引用格式:張劍,周興建,盧建川.基于Takagi-Sugeno-Kang模糊集合的噪聲干擾檢測(cè)方法[J].電訊技術(shù),2016,56(2):151-155. [ZHANG Jian, ZHOU Xingjian,LU Jianchuan. A Takagi-Sugeno-Kang fuzzy zpproach to noise jamming detection[J]. Telecommunication Engineering,2016, 56(2):151-155. ]

作者簡介:

中圖分類號(hào):TN966

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-893X(2016)02-0145-06

*收稿日期:2015-11-18;修回日期:2016-01-14 Received date:2015-11-18;Revised date:2016-01-14