趙春暉, 姚龍鑫, 甘興利

(1. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2. 中國電子科技集團公司第五十四研究所, 河北 石家莊 050081)

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偽衛(wèi)星脈沖信號抗遠近效應(yīng)方法及兼容性

趙春暉1, 姚龍鑫1, 甘興利2

(1. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2. 中國電子科技集團公司第五十四研究所, 河北 石家莊 050081)

針對偽衛(wèi)星應(yīng)用中存在的遠近效應(yīng)及與衛(wèi)星導航信號的兼容性,提出了偽衛(wèi)星發(fā)射脈沖信號的方法,用來消除遠近效應(yīng)問題,并對衛(wèi)星信號和偽衛(wèi)星脈沖信號的兼容性做了分析.首先根據(jù)脈沖占空比和信號信干比的關(guān)系確定所要采用的脈沖信號的占空比,然后分析此占空比的脈沖信號與衛(wèi)星信號的兼容性,使得這一占空比在保證脈沖信號的強度下,既能消除遠近效應(yīng),又可以與衛(wèi)星信號保持良好的兼容.對脈沖信號和連續(xù)信號的捕獲以及信號兼容進行仿真.最后利用小型偽衛(wèi)星分別發(fā)射脈沖信號和連續(xù)信號,對兩者干擾衛(wèi)星信號的情況進行捕獲.實驗結(jié)果證明,本研究提出的脈沖信號可以有效地消除遠近效應(yīng),并且保證偽衛(wèi)星脈沖信號和衛(wèi)星信號兼容共存.

偽衛(wèi)星; 脈沖信號; 遠近效應(yīng); 占空比; 兼容性

偽衛(wèi)星是發(fā)射類似GPS信號的地基衛(wèi)星,可以增強GPS的星座,提高GPS的定位精度、可靠性和連續(xù)性,甚至可以在GPS無法覆蓋的建筑物內(nèi)和地下替代GPS衛(wèi)星[1].偽衛(wèi)星應(yīng)用的最大問題是遠近效應(yīng)問題[2-4].目前針對偽衛(wèi)星應(yīng)用中的遠近問題提出的解決方法有帶外發(fā)射[5]、FDMA頻率偏移[6]、多約束波束形成法[7].其中,帶外發(fā)射方法需要一個分離的額外射頻調(diào)諧器來接收偽衛(wèi)星信號,而這個額外的射頻調(diào)諧器會增加接收機的成本和復雜度,而且也會隨著時間和溫度相對于主射頻調(diào)諧器中的衛(wèi)星信號產(chǎn)生漂移,這使得接收機算法非常復雜.所以它不適用于長周期的應(yīng)用.頻率偏移方法也有缺陷,因為導航衛(wèi)星在不停地運動,對于地面的接收機,會產(chǎn)生多普勒效應(yīng),使得衛(wèi)星信號經(jīng)常發(fā)生頻移,而偽衛(wèi)星經(jīng)常要從一個由于衛(wèi)星運動而將要關(guān)閉的頻率“窗口”跳躍到另一個打開的頻率“窗口”.在每次跳躍的過程中,所有跟蹤偽衛(wèi)星信號的接收機都將失鎖,而這種連續(xù)的失鎖情況是接收機不能容忍的.

1997年H.Stewart Cobb博士曾提出過偽衛(wèi)星脈沖信號的設(shè)想[8],并提出脈沖信號中消隱的情況,該方法能夠從根本上解決偽衛(wèi)星應(yīng)用中的遠近效應(yīng),但是對于占空比的選擇沒有給出明確答案.后人在此基礎(chǔ)上不斷地做過改進.2006年,武玉琨等人做了對脈沖調(diào)制在抗遠近效應(yīng)中的應(yīng)用的研究,闡述了脈沖調(diào)制的流程及優(yōu)點[9];2010年,葉紅軍針對伽利略系統(tǒng)中的偽衛(wèi)星遠近效應(yīng)解決方案做了闡述,并提出伽利略偽衛(wèi)星脈沖占空比的求解方法[10];2014年,侯勇等人對偽衛(wèi)星的遠近效應(yīng)做了研究,闡述了碼分多址和頻分多址等解決方案.

本文針對偽衛(wèi)星應(yīng)用中的遠近效應(yīng)問題,提出了具體的脈沖信號方案.該方法確定了脈沖信號的占空比,對脈沖信號和連續(xù)信號進行了捕獲和兼容性分析,并進行了小型偽衛(wèi)星脈沖信號實驗,驗證脈沖信號可以有效地消除遠近效應(yīng)問題,并能保證與衛(wèi)星信號兼容共存.

1 偽衛(wèi)星遠近效應(yīng)及判定

由于導航衛(wèi)星與其接收機的距離達到20 100 km,并且它們的天線傳播光束形狀固定,使得接收機接收到的衛(wèi)星信號功率非常小,大約-130 dBm,在地球表面強度相對穩(wěn)定.而偽衛(wèi)星與接收機的距離很近,且接收強度變化范圍如式(1):

(1)

式中,R是偽衛(wèi)星和接收機天線的距離,偽衛(wèi)星接收功率是和接收機與偽衛(wèi)星距離的平方成反比,因此,接收機收到的偽衛(wèi)星信號功率會有比較明顯的變化.在某一距離內(nèi),偽衛(wèi)星信號強到淹沒了衛(wèi)星信號,這一距離稱為近邊界.在某一距離以外,偽衛(wèi)星信號弱到無法被跟蹤,這一距離稱為遠邊界.接收機只能正常跟蹤近邊界和遠邊界之間的衛(wèi)星信號和偽衛(wèi)星信號.

圖1表示了偽衛(wèi)星的遠近效應(yīng)問題.

圖1 遠近效應(yīng)示意圖

遠邊界與偽衛(wèi)星的發(fā)射信號功率有關(guān).信號在自由空間的傳播損耗公式為

(2)

式中:λ是載波波長,約為0.19 m;d為信號傳播距離;P為自由空間傳播損耗,單位是dB.偽衛(wèi)星信號的功率損耗如下式所示:

(3)

式中:Pl為偽衛(wèi)星發(fā)射信號的功率;Pmin為接收機可接收到的最小功率,即-130 dBm,結(jié)果得出的距離d定義為遠邊界.

近邊界和遠邊界的距離比值是由接收機對衛(wèi)星信號的互相關(guān)干擾決定的,這里的干擾是指在近距離的偽衛(wèi)星強信號.前面提到,偽衛(wèi)星發(fā)射的信號和GPS信號是類似的,都是C/A碼經(jīng)過擴頻調(diào)制的信號,而由于多普勒效應(yīng),地面接收機接收到的信號有±6 kHz的頻偏,則在這范圍內(nèi),兩個C/A碼的最差互相關(guān)是-21.6 dB,所以偽衛(wèi)星信號對衛(wèi)星信號造成的干擾最大為-21.6 dB.目前的接收機的細節(jié)決定需要6 dB的信干比來跟蹤信號,則有15.6 dB的跟蹤余量,而這一余量決定了遠近距離比的大小.

2 脈沖信號抗遠近效應(yīng)原理

脈沖信號可以有效地改善偽衛(wèi)星信號和衛(wèi)星信號的互相關(guān)性,同時,脈沖信號也可以與衛(wèi)星信號更好地兼容,是消除遠近效應(yīng)的可靠方法.

當偽衛(wèi)星發(fā)射信號時,才會干擾衛(wèi)星信號,若偽衛(wèi)星只是在10%時間內(nèi)工作,而其余90%時間內(nèi)靜默,則干擾只會存在于這10%的時間內(nèi),而在其余時間內(nèi),接收機正常接收衛(wèi)星信號,這樣實現(xiàn)了同時跟蹤偽衛(wèi)星和衛(wèi)星信號,改善了遠近效應(yīng).

目前的衛(wèi)星接收機可接收的最小功率為-130 dBm,假設(shè)脈沖信號的占空比d是10%,由占空比產(chǎn)生的損耗D為

(4)

所以會有10 dB的損耗.若想達到最小功率-130 dBm,偽衛(wèi)星信號至少要-120 dBm.

環(huán)境熱噪聲功率電平表達式如式(5):

(5)

其中,k為波茲曼常數(shù);T是環(huán)境溫度;B是測量帶寬,一般情況下,環(huán)境溫度為290 K,kT為-174 dBm/Hz,C/A碼帶寬是63 dB/Hz,再加上4 dB的噪聲指數(shù),所以接收機相關(guān)前的噪聲功率是-107 dBm,偽衛(wèi)星信號靠近接收機,接收功率峰值會增加,只要不大于-107 dBm,就不會產(chǎn)生遠近效應(yīng).當隨著距離的減小.接收功率大于-107 dBm時,接收機達到飽和,所有的功率都會限制在-107 dBm上.

對于脈沖信號,占空比的選擇不僅會影響到偽衛(wèi)星信號對衛(wèi)星信號的干擾,也會產(chǎn)生偽衛(wèi)星之間的干擾.Cobb先生給出脈沖信號占空比關(guān)于衛(wèi)星信號的公式:

(6)

LeMaster先生給出了多顆偽衛(wèi)星信號的占空比和信噪比的關(guān)系:

(7)

圖2 占空比和信干比的關(guān)系

圖2中在標準接收機信干比跟蹤極限以上的信號可以被接收機跟蹤,脈沖信號的占空比選擇為10%,這樣可以很好地同時跟蹤偽衛(wèi)星信號和衛(wèi)星信號.

偽衛(wèi)星信號對衛(wèi)星信號的干擾是:

(8)

式中:N為前文中求得的環(huán)境熱噪聲功率電平,即-107 dBm;R是信號的互相關(guān)干擾,為-21.6 dBm;S是脈沖信號相關(guān)前的信噪比,為-9.5 dB,代入式(8)計算得到占空比為10%偽衛(wèi)星脈沖信號對衛(wèi)星信號造成的干擾為-138.1 dBm.接收機需要6 dB的信干比來跟蹤衛(wèi)星信號,因此,即使是在跟蹤最遠處信號最差的衛(wèi)星信號-130 dBm時,仍有1.6 dB的信號余量,而在最差情況下的余量是正數(shù),接收機可以跟蹤衛(wèi)星信號,所以不管距離多遠,都不會對衛(wèi)星信號失鎖.衛(wèi)星信號相關(guān)前的S/N是-30 dB,偽衛(wèi)星信號比衛(wèi)星信號高約20 dB,因此接收機能夠很好地跟蹤飽和的脈沖信號和衛(wèi)星信號.

圖3 脈沖與連續(xù)信號飽和距離對比示意圖

從圖3中可以看出,由于脈沖信號10%的占空比,導致有10 dB的損耗,所以脈沖信號使接收機達到飽和時的距離會比連續(xù)信號更近,相當于減小了近邊界,而對于脈沖信號,只要相應(yīng)增加發(fā)射功率,遠邊界仍可以保持和連續(xù)信號一致.這樣,近邊界和遠邊界之間的可同時跟蹤偽衛(wèi)星信號和衛(wèi)星信號的區(qū)域變大了.而在脈沖信號達到飽和距離內(nèi)時,由于脈沖信號只有10%的時間發(fā)射信號,所以仍然可以同時跟蹤兩者信號,脈沖信號達到了抗遠近效應(yīng)的作用.

3 偽衛(wèi)星信號和衛(wèi)星信號兼容性分析

在近距離內(nèi)偽衛(wèi)星信號會干擾到衛(wèi)星信號,所以偽衛(wèi)星信號和導航信號之間存在兼容共存問題.一般接收機采用載噪比來說明接收導航信號的優(yōu)劣程度,相關(guān)器輸出的信干比中需要考慮非白噪聲,所以需要引入等效載噪比的概念.兼容性的評判標準則以等效載噪比的降低為標準.

接收機接收到的很多干擾相互疊加,產(chǎn)生一個總的干擾,這一干擾引入等效噪聲密度IGNSS如下:

(9)

式中:Cjs是接收機收到的干擾衛(wèi)星j的信號功率;N是干擾衛(wèi)星總數(shù);Ljs是接收到的干擾衛(wèi)星j的功率損耗;kjs是譜分離系數(shù).kjs對于兼容性分析來說,是最重要的參數(shù),表示的是期望信號和干擾信號譜之間的相互干擾程度,表示如下:

(10)

式中:Gj(f)是j號干擾衛(wèi)星發(fā)射的信號功率譜密度;Gs(f)是期望衛(wèi)星發(fā)射的信號功率譜密度,可以看出,期望信號和干擾信號的譜共同決定著譜分離系數(shù).

前文提到引入等效噪聲比的概念,當相關(guān)器輸出的信干比最大時,載噪比稱為等效載噪比,其公式如下:

(11)

式中:LS是對期望信號的損耗;Ln是對噪聲的損耗;N0是白噪聲的功率譜密度;t是相關(guān)器的積分時間.則與其對應(yīng)的等效載噪比的公式如下:

(12)

由于IGNSS是由干擾引入的等效噪聲密度,所以對接收機的干擾的影響可以由等效載噪比直接反應(yīng).將式(12)取對數(shù)轉(zhuǎn)化成式(13):

(13)

式中:LS是因為接收機帶寬有限和信號非完整導致的信號計算損耗,為-2dB;N0是功率熱噪聲密度,為-201.5dB/Hz;Iext是所有外部噪聲源引入的噪聲密度,為-206.5dB/Hz.而接收機接收到的期望信號功率CS和等效噪聲密度IGNSS是由系統(tǒng)決定的.CS定義如下:

(14)

式中:CS,spec,min是接收機對指定衛(wèi)星的最小接收功率;Gant,min是接收天線的天線增益-4.5dB.當有多顆偽衛(wèi)星干擾時,每顆偽衛(wèi)星的最大干擾功率是Ck,max,sat,星座總增益因數(shù)為Gagg,則式(9)的對數(shù)形式如下式所示:

(15)

式中:Ck,max,sat是接收到的第k組干擾信號的最大功率值,是相同的,為-153dB;Lks是對第k組干擾信號的計算損失,為-1dB;Gagg星座總增益因數(shù)為12dB.譜分離系數(shù)是-61.9dB/Hz.

當偽衛(wèi)星采用脈沖信號時,由于占空比的影響,式(15)轉(zhuǎn)換成下式:

(16)

式中:d為脈沖信號的占空比.將式(16)帶入式(13),即可求得脈沖信號對衛(wèi)星信號的等效載噪比.

兼容性算法流程圖如圖4所示.

圖4 兼容性算法流程圖

4 MATLAB實驗仿真與結(jié)果分析

針對偽衛(wèi)星中的遠近效應(yīng),提出偽衛(wèi)星發(fā)射占空比為10%的脈沖信號的方法來消除遠近效應(yīng),分別對偽衛(wèi)星連續(xù)信號和脈沖信號進行信號捕獲,觀察偽衛(wèi)星在發(fā)射連續(xù)信號和脈沖信號情況下對衛(wèi)星信號的捕獲結(jié)果,并做對比分析.然后分別對不同占空比的脈沖與衛(wèi)星信號的兼容性做了分析.

4.1 脈沖信號抗遠近效應(yīng)仿真與分析

對比圖5a和圖5b可以看出,此時遠近效應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn),偽衛(wèi)星連續(xù)信號干擾衛(wèi)星信號,兩者信號的相關(guān)性變差,但是仍能成功捕獲兩個信號.對比圖5c和圖5d可以看出,此時的遠近效應(yīng)已經(jīng)占主導地位,偽衛(wèi)星連續(xù)信號已經(jīng)淹沒衛(wèi)星信號,無法正常對其捕獲.圖5e是偽衛(wèi)星采用占空比為10%的脈沖信號比衛(wèi)星信號強50 dB時的捕獲圖,圖5f是偽衛(wèi)星脈沖信號捕獲圖,可以看出,盡管此時脈沖信號強很多,但仍能有效地捕獲兩個信號.仿真結(jié)果驗證了脈沖信號可以有效地消除遠近效應(yīng).

4.2 偽衛(wèi)星脈沖信號與衛(wèi)星信號兼容性仿真與分析

兼容性仿真流程首先要獲取期望信號和干擾信號的功率譜密度,得到譜分離系數(shù),從而求得等效噪聲密度,最后求得等效載噪比,將求得的等效載噪比和載噪比門限值做比較,值比門限值的載噪比低是無效的,不予輸出,將高于門限值的等效載噪比輸出.

對不同的占空比的脈沖信號得到的等效載噪比如表1所示.

表1 兼容仿真數(shù)據(jù)

從表1可以看出占空比為10%～50%的脈沖信號按上述的兼容性算法得到的等效載噪比都超過了兼容允許的門限載噪比,符合兼容性要求,其中10%占空比的脈沖信號是最理想的,可以與導航衛(wèi)星信號兼容.對上述數(shù)據(jù)做平滑處理得到圖6所示.

圖5 偽衛(wèi)星信號和衛(wèi)星信號捕獲圖

圖6 脈沖占空比和等效載噪比的關(guān)系

圖6中可見,當占空比為10%時,等效載噪比達到33.9 dB/Hz,高于門限值33.69 dB/Hz,隨著占空比的增加,等效載噪比在減小,當占空比為50%時,等效載噪比已經(jīng)降到33.7 dB/Hz,超過這一占空比,則等效載噪比將降到兼容門限值以下.軟件不予輸出.因此,10%的占空比是最佳的,可以與衛(wèi)星信號較好地兼容.

5 實驗驗證

針對脈沖信號抗遠近效應(yīng)和信號兼容性分別做了實驗對上述理論和仿真進行驗證.

5.1 脈沖信號抗遠近效應(yīng)實驗

為了驗證圖3中脈沖飽和距離比連續(xù)信號飽和距離近,現(xiàn)利用偽衛(wèi)星針對同一接收機發(fā)射占空比為10%的脈沖信號和連續(xù)信號,記錄飽和距離和接收信號情況.實驗設(shè)備有小型偽衛(wèi)星一個,筆記本電腦一臺,下載有GPS Test app手機一部.載有GPS Test 的手機用來取代接收機來接收信號.實驗設(shè)備如圖7所示.

圖7 實驗設(shè)備

實驗環(huán)境是一間普通辦公室,無明顯障礙物,設(shè)備放在一張桌子上進行實驗.首先利用筆記

本電腦將連續(xù)信號燒錄進偽衛(wèi)星,發(fā)射信號功率為80 dB,由傳播損耗公式可得遠邊界為20 m.隨后手持接收機在20 m由遠及近勻速走向偽衛(wèi)星,記錄接收機飽和時的距離和功率.接下來將占空比為10%的脈沖信號燒錄進偽衛(wèi)星,步驟同上,具體實驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示.

將上述數(shù)據(jù)利用MATLAB進行統(tǒng)計平滑處理后得到圖8.

對比圖3可知,驗證了脈沖信號飽和距離比連續(xù)信號飽和距離小,擴大了遠邊界和近邊界之間的區(qū)域.而實驗數(shù)據(jù)中連續(xù)信號的18 m和脈沖信號的14 m的接收功率誤差較大,原因可能是多徑效應(yīng)造成的.總體而言,可以驗證脈沖信號可以有效地削弱遠近效應(yīng).

表2 連續(xù)信號數(shù)據(jù)

表3 脈沖信號數(shù)據(jù)

圖8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計平滑處理結(jié)果

5.2 偽衛(wèi)星脈沖信號和衛(wèi)星信號兼容性實驗

實驗設(shè)備包括筆記本電腦一臺,導航衛(wèi)星天線一個,偽衛(wèi)星天線一個,接收機模塊一個,功率衰減器一臺,小型偽衛(wèi)星一個,如圖9所示.

實驗環(huán)境是所有的實驗設(shè)備放在辦公室的一臺臨近窗戶的桌子上,周圍無明顯障礙物,導航衛(wèi)星天線和偽衛(wèi)星天線放置在窗外的窗臺上,以方便接收導航衛(wèi)星信號.首先用筆記本電腦向偽衛(wèi)星燒錄偽衛(wèi)星G4號星的連續(xù)信號,由于連續(xù)信號功率過大,超出所能承受的功率范圍,所以在發(fā)射連續(xù)信號前利用功率衰減器將連續(xù)信號衰減到發(fā)射器可承受的功率,然后命令偽衛(wèi)星發(fā)射此連續(xù)信號.大約10 s后,接收機接收信號,將接收信號功率顯示在軟件接收機界面上.接著再用筆記本電腦向偽衛(wèi)星燒錄脈沖信號,接收步驟同上.

圖9 實驗設(shè)備

當無偽衛(wèi)星信號,只接收導航衛(wèi)星信號時,雖然各顆星接收到的信號功率不強,但是比較穩(wěn)定,如圖10所示.

當偽衛(wèi)星發(fā)射連續(xù)信號時,從接收機接收信號功率的界面得知,G4號偽衛(wèi)星信號強度高于其他衛(wèi)星信號,對衛(wèi)星信號產(chǎn)生了干擾,甚至將一部分衛(wèi)星信號淹沒了,還產(chǎn)生了其他噪聲,導致衛(wèi)星信號不僅功率減小,且很不穩(wěn)定,連續(xù)信號與導航信號兼容性很差,如圖11所示.

圖10 無偽衛(wèi)星信號干擾時接收到的衛(wèi)星信號

圖11 偽衛(wèi)星連續(xù)信號與衛(wèi)星信號的兼容情況

當偽衛(wèi)星發(fā)射占空比為10%的脈沖信號時,從接收機接收信號功率情況的界面可以看出,發(fā)射的G4脈沖信號較強,其他信號也較強,且穩(wěn)定.可見,脈沖信號對導航衛(wèi)星信號的干擾很小,兼容性良好,兩者可以兼容共存.如圖12所示.

圖12 偽衛(wèi)星脈沖信號與衛(wèi)星信號的兼容情況

6 結(jié) 論

本文通過對偽衛(wèi)星應(yīng)用中存在的遠近效應(yīng)問題的分析,提出偽衛(wèi)星發(fā)射脈沖信號來解決遠近效應(yīng)問題的方法,并提出偽衛(wèi)星信號和衛(wèi)星信號兼容性算法,進一步證明脈沖信號可以與衛(wèi)星信號良好地兼容.通過對偽衛(wèi)星信號和衛(wèi)星信號的捕獲仿真和硬件實驗,驗證了該方法的可行性,對后續(xù)偽衛(wèi)星的應(yīng)用及推廣具有借鑒意義.

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【責任編輯: 李 艷】

Pseudolites Pulsed Signals to Near-Far Problem and Compatibility

ZhaoChunhui1,YaoLongxin1,GanXingli2

(1. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. The 54thResearch Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China)

Pseudolites pulsed signal is presented to remove the near-far problem and the compatibility between pseudolites signals and GPS signals. In this method, the pulsed duty cycles should be determined by signal-to-interference ratio firstly. Then the compatibility between pseudolites pulsed signals and GPS signals is analyzed. The receiver captures pulsed signals and continuous signals to prove that pulsed signals can solve the near-far problem effectively get better compatibility. And then the receiver captures pulsed signals and continuous signals from small-sized pseudolites, the result proves that pseudolites pulsed signals can solve the near-far problem effectively and have better compatibility.

pseudolites; pulsed signals; near-far problem; pulse duty cycles; compatibility

2016-05-13

國家自然科學基金資助項目(61405041); 哈爾濱市優(yōu)秀學科帶頭人基金資助項目(RC2013XK009003).

趙春暉(1965-),男,遼寧錦西人,哈爾濱工程大學教授,博士生導師.

2095-5456(2016)06-0474-08

TP 391.9

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