王鵬博,賀成艷,楊倩倩,佟文華

(1. 中國科學院國家授時中心, 陜西 西安 710600; 2. 中國科學院大學微電子學院, 北京 101408;3. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院, 北京 101408)

0 引 言

全球衛(wèi)星導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)空間信號質量的優(yōu)劣決定了整個衛(wèi)星導航系統的極限,是影響定位、測速和授時(position, velocity, timing, PVT)性能的關鍵因素。然而,導航信號質量在產生、傳輸和接收的每個環(huán)節(jié)均可能發(fā)生惡化,導航系統的精度、可靠性、連續(xù)性、完好性都將受到威脅,直接影響系統的服務性能。隨著社會經濟的飛速發(fā)展,空間電磁環(huán)境日趨復雜,人們對導航系統PVT精度需求越來越高。然而地面實際接收到的信號功率非常微弱,當有用信號的功率完全淹沒于強干擾信號時,可能會對衛(wèi)星信號質量造成很大影響,進而引起測距誤差,影響用戶定位精度,因此干擾問題對信號質量的影響不容忽視。

影響導航系統的干擾信號分為欺騙干擾和壓制干擾兩種,根據干擾及導航信號頻譜寬度的相對大小,可將干擾分為單音干擾、窄帶干擾和寬帶干擾。窄帶干擾是指干擾信號所占帶寬小于導航信號帶寬的10%,否則認為是寬帶干擾。窄帶干擾相比于寬帶干擾的突出特點是頻域集中,干擾功率集中在較小的頻段內,易操作且影響效果顯著,是空間環(huán)境中最常見的干擾類型,因此本文主要研究窄帶干擾對信號質量的影響。

目前已有很多文獻研究干擾對接收機性能的影響:受干擾環(huán)境影響,接收機的捕獲和跟蹤能力將會降低,接收機的量化損耗會顯著增加,并與干擾功率呈正相關。文獻[9-10]分析了連續(xù)波和脈沖干擾信號對全球定位系統(Global Positioning System, GPS) L1 C/A信號載噪比的影響。文獻[11]重點分析了伽利略信號對窄帶干擾的魯棒性。文獻[12]認為窄帶干擾下伽利略1信號比GPS L1 C/A信號具有更好的跟蹤性能。文獻[13]研究分析窄帶和寬帶干擾信號對民用L1/E1信號的影響,指出在某些干擾情況下傳統的GPS L1 C/A信號譜線密度較低,比現代信號具有更高的可用性。文獻[14]指出軟件接收機能夠在干信比(jamming to signal ratio, JSR)高達45 dB的情況下依舊保持跟蹤回路。針對干擾問題對信號質量信號層的時域、頻域、相關域等影響的研究較少。文獻[2]研究分析了干擾對GPS L1的影響,指出干擾會引起碼抖動及S曲線失真,導致測距誤差。文獻[15-16]對比了單音干擾、多音干擾、部分頻帶干擾對北斗二號衛(wèi)星導航系統信號功率值、星座圖、相關損耗的影響,但是沒有結合北斗空間信號接口文件(interface control document, ICD)規(guī)定指標及標準對影響程度進行評估,部分頻帶干擾中沒有區(qū)分寬帶干擾與窄帶干擾,缺少干擾信號強度變化對信號質量及其測距性能的影響研究。

2020年7月31日,北斗衛(wèi)星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)(以下簡稱BDS-3)正式開通,標志著我國北斗事業(yè)進入全球服務新時代。BDS-3 B2信號新增播發(fā)B2a信號,采用非對稱恒包絡二進制偏移載波(asymmetric constant envelope binary offset carrier, ACEBOC)調制,相比于老信號結構更靈活,分量更多,帶寬更寬,對空間信號質量提出了新的挑戰(zhàn)及更高的要求。本文對B2新信號及窄帶干擾信號仿真建模,結合文獻[17-18]中提出的信號質量評估方法,對比ICD對信號質量指標做出的要求,重點研究窄帶干擾信號中頻、帶寬及JSR參數變化對BDS-3 B2信號質量頻域、相關域的影響情況和變化趨勢,再結合昊平觀測站的40 m大口徑高增益天線采集窄帶干擾下的實測衛(wèi)星信號進行對比驗證。

1 BDS-3 B2頻點信號特性

1.1 B2頻點信號基本結構

北斗B2頻點信號采用ACEBOC調制方式,載波頻率為1 191.795 MHz,B2信號由B2a和B2b兩路信號構成,其中B2a載波為1 176.45 MHz,B2b載波為1 207.14 MHz,兩個信號帶寬均為20.46 MHz,B2信號總帶寬為51 MHz。其中B2a為ACEBOC(B2a/b) 的下邊帶,采用正交相移鍵控(quadrature phase shift keying, QPSK)調制;B2b為B2的上邊帶,其正交分量B2bI和B2bQ均采用二進制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)調制,B2各支路信號的功率比為5∶5∶4∶4。根據ICD定義,兩路信號的基本參數如表1所示。

表1 B2信號結構

1.2 B2信號生成

B2信號生成原理如圖1所示。

圖1 B2信號生成圖Fig.1 B2 signal generation organigram

數據分量中待傳輸的導航電文信息通過偽碼進行擴頻,再與導頻分量通過ACEBOC調制器分配到載波上,經高功率放大器(high power amplifier, HPA)輸出即可得到B2信號。其中,B2b用于數據傳輸,B2a用于導航,且可與Galileo E5a和GPS L5實現互操作,所以本文重點研究窄帶干擾對B2a新信號的影響,B2a信號建模如下。

B2a信號由數據分量B2a_data和導頻分量B2a_pilot構成,兩者均采用BPSK(10)的調制方式進行調制,可將信號表示為經載波調制后的帶通信號:

(1)

式中:為信號載波頻率;為信號功率;()為數據分量,由導航電文數據()和測距碼()調制而成;導頻分量()僅包括測距碼()。

2 窄帶干擾信號建模

本文采用BPSK信號通過銳截止濾波器得到窄帶干擾信號,對其建模如下:

(2)

式中:表示窄帶干擾功率;表示窄帶干擾頻率;表示窄帶干擾中心頻率;()表示窄帶干擾信號偽碼;為窄帶干擾帶寬。

接收機接收到干擾下的B2信號可表示為

(3)

調整、、就可以分別調整干擾信號的功率、帶寬和中頻?？梢姼蓴_部分位于信號功率譜的頂部,因此為了表征干擾信號和導航信號相對功率強度,以JSR作為度量指標,表達式為

(4)

本文主要研究的是、、JSR 3個參數的變化對B2信號質量的影響。

3 信號質量評估參數

信號質量評估指標主要包括時域、頻域、相關域、調制域。其中,合成功率譜偏差是評估頻域的重要項,是信號失真最直觀的體現之一。相關損耗直接引起信號接收功率下降,信號載噪比降低,進而影響用戶的測距精度。S曲線過零點偏差(S-curve offset biases, SCB)是衡量導航載荷失真引起的測距誤差的關鍵指標,反映導航信號測距定位性能,信號失真時,相關函數變形,使得鑒相函數產生畸變,導致接收機超前-滯后碼跟蹤產生相應的跟蹤誤差。所以本文主要從功率譜、相關損耗、S曲線過零點偏差3個方面對受窄帶干擾的BDS-3 B2信號進行評估。

3.1 功率譜偏差

采用Welch周期圖法來評估BDS信號功率譜,設導航信號為(),分段數據長度為,則導航信號功率譜可表示為

(5)

在確保功率譜分辨率相同并優(yōu)于1 kHz情況下,將實際信號功率譜與理論信號功率譜相減,在指定的帶寬內計算功率譜殘差,通過分析功率譜殘差曲線特性可反映出信號畸變帶來的頻域影響。

3.2 相關域

導航信號相關函數常作為信號質量評估的重要內容。相關函數主要在信號跟蹤過程中,得到載波頻率和為碼相位,對接收的導航信號進行載波剝離和多普勒去除,得到兩路正交基帶信號,使用互相關方程(cross correlation function, CFF)對基帶信號與本地參考碼進行互相關運算,而相關函數異常,則會導致偽距誤差。衛(wèi)星信號的相關函數曲線為

(6)

式中:表示實測衛(wèi)星信號測距碼;Re為本地接收機產生的理想復制碼;為相關積分時間,多采用測距碼周期。通過對比實測相關函數與理想相關函數,分析實測相關函數的相關損耗,S曲線過零點偏差,可以直觀地從相關峰的對稱性和平滑性來判斷信號異常,評估接收到的受干擾衛(wèi)星信號在測距性能方面的影響。

321 相關損耗

相關損耗指的是同頻帶帶寬下實測信號與理想信號的功率差,表達式如下:

=max(20lg(CCF())

(7)

CL=CCF-CCF

(8)

式中:CCF表示實測信號功率,CCF表示理想信號功率,單位為dB;CL表示相關損耗,單位為dB。相關損耗值越大,信號相關峰峰值下降程度越嚴重。ICD中規(guī)定B2的相關損耗不超過06 dB。

322 SCB

理論上,接收機碼環(huán)鑒相曲線的過零點,即碼環(huán)的鎖定點,應位于碼跟蹤誤差為零處,而實際上由于各種干擾的影響會引起碼環(huán)鎖定存在偏差,相關峰的對稱性發(fā)生畸變,由于用戶接收機設置帶寬和相關器間隔之間的差異,會造成嚴重的測距誤差。

以具有代表性的非相干超前減滯后功率型鑒相器為例,設其相關器的超前-滯后間距為, S曲線的表達式為

(9)

S曲線偏差()滿足

((),)=0

(10)

則SCB表示為

SCB=max(())-min(())

(11)

4 干擾對B2信號質量影響研究

4.1 仿真建模

本文依據第2和第3節(jié)內容,仿真建模B2信號和干擾信號,其中B2信號仿真的是BDS-3 偽隨機噪聲碼PRN=22的衛(wèi)星信號,時長為1.5 s,中頻為62.5 MHz,采樣率為250 MHz,干擾信號參數設置如表2所示。

表2 干擾信號參數設置表

(1) 干擾中頻:選擇47.5 MHz及52.5 MHz頻點。圖2給出了未加干擾、干擾帶寬為4.092 MHz且JSR為12 dB條件下,不同干擾中頻的B2功率譜對比圖。

圖2 不同干擾中頻下的B2信號功率譜對比圖Fig.2 Comparison of the B2 signal power spectrum under interference of different center frequencies

(2) 干擾帶寬:B2信號帶寬為51 MHz,B2a信號帶寬為20.46 MHz。干擾信號帶寬選擇1.023 MHz、2.046 MHz、4.092 MHz,分別為B2信號帶寬的2%、4%、8%。圖3給出了干擾中頻為47.5 MHz且JSR為0 dB條件下,干擾帶寬分別為1.023 MHz、2.046 MHz、4.092 MHz以及未加干擾的B2功率譜對比圖。JSR為0 dB時,導航信號和干擾信號功率相等,由于干擾帶寬較窄,所以即使干擾功率低于信號功率,干擾功率峰值仍然會高于信號峰值,所以仍能監(jiān)測到干擾,并且在相同干擾功率情況下,干擾功率譜峰值隨干擾帶寬增大而降低。

圖3 不同干擾帶寬下的B2信號功率譜對比圖Fig.3 Comparison of the B2 signal power spectrum under interference signals of different bandwidths

(3) JSR:本文仿真分析了JSR值分別為-15、-14、-13、-12、-9、-6、-3、0、3、6、9、12 dB時的窄帶干擾信號對信號質量的影響情況。這里為了便于分析說明,圖4僅給出了未加干擾、JSR為0 dB、3 dB和6 dB時的B2功率譜對比圖。從圖4中可以看出隨JSR增大, B2信號中疊加干擾信號處的功率譜峰值隨之增高。

圖4 不同JSR下的B2信號功率譜對比圖Fig.4 Comparison of the B2 signal power spectrum under interference signals of different JSRs

圖5給出了圖4條件下B2a的相關曲線對比圖。

圖5 不同JSR下的B2a相關曲線對比圖Fig.5 Comparison of the B2a branch correlation curve under interference signals of different JSRs

由圖5分析可得,未加干擾的相關峰值在橫坐標為0時達到最高為1,干擾存在后,相關峰峰值下降,隨JSR增大,相關峰峰值下降幅度明顯加大,在JSR為6 dB時,相關峰峰值最大值接近0.55,相關曲線受到很大影響,所以下一節(jié)我們將重點研究不同程度的干擾對信號質量影響情況。

4.2 干擾對信號質量影響仿真分析

4.2.1 功率譜偏差仿真分析

圖6是干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時功率譜偏差變化對比圖,圖中純色矩形條為干擾中頻為47.5 MHz時的評估結果,斜線矩形條為干擾中頻為52.5 MHz時的評估結果。

圖6 干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時功率譜偏差變化仿真對比圖Fig.6 Comparison of power spectrum bias assessment simulation results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

從圖6中可以看出:

(1) 干擾越接近主瓣中心處,對功率譜偏差影響越大。相同干擾帶寬,相同JSR條件下,干擾中頻為47.5 MHz比中頻為52.5 MHz的功率譜偏差最大差1 dB。

(2) 功率譜偏差受JSR影響較大。相同干擾中頻及帶寬條件下,JSR由-15 dB增大至12 dB,干擾信號功率譜峰值增高,功率譜偏差變化范圍從1.1～1.6 dB增大至16.7～20.5 dB,上升趨勢先平緩后逐漸陡峭,說明隨JSR遞增,評估結果增幅逐漸加大。在帶寬為4.092 MHz條件下,JSR為12 dB時比JSR為9 dB時的功率譜偏差大4.2 dB,此時增幅相對較大,為圖6功率譜偏差結果中的最大增幅。

(3) 功率譜偏差受帶寬影響較大。相同干擾中頻及JSR條件下,干擾帶寬由1.023 MHz增大至4.092 MHz,干擾信號功率譜峰值降低,功率譜偏差隨之增大,且增長趨勢先平緩后逐漸陡峭,增幅從0.1 dB增大到1.5 dB。

4.2.2 相關損耗仿真分析

JSR為-14 dB時相關損耗已經接近指標臨界值,因此為清晰地體現超差變化,圖7只給出截取臨界值附近的相關損耗變化對比圖。

圖7 干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時的相關損耗 變化仿真對比圖Fig.7 Comparison of correlation loss assessment simulation results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

從圖7中可以看出:

(1) 干擾越接近主瓣中心處,對相關損耗影響越大。相同干擾帶寬、相同JSR條件下,干擾中頻為47.5 MHz時比中頻為52.5 MHz時的相關損失最大差0.02 dB。

(2) 相關損耗受JSR影響較大。JSR為-14 dB時,相關損耗在指標范圍臨界處(規(guī)定標準0.6 dB);JSR為-13 dB時,相關損耗結果超差,且超差隨JSR增大而愈加嚴重。

(3) 相關損耗受干擾帶寬影響甚微。相同干擾中頻、相同JSR條件下,干擾帶寬增大,相關損耗各結果之間相差小于0.005 dB。

4.2.3 SCB仿真分析

SCB數值較小,因此圖8只給出干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時數值變化較明顯的SCB對比圖。

圖8 干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時的SCB變化 仿真對比圖Fig.8 Comparison of SCB assessment simulation results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

從圖8中可以看出:

(1) SCB結果未超差,但存在超差趨勢。

(2) 干擾越接近主瓣中心處,對SCB影響越大。相同干擾帶寬、JSR條件下,干擾中頻為47.5 MHz時比干擾中頻為52.2 MHz時的SCB結果最大差0.023 ns。

(3) SCB受干擾JSR影響較大。相同干擾條件下,JSR由0 dB遞增至12 dB,SCB變化范圍從0.003～0.014 ns增大到0.024～0.075 ns,上升趨勢先平緩后陡峭,說明隨JSR遞增,評估結果增幅逐漸加大,在帶寬為4.092 MHz條件下,JSR為12 dB比JSR為9 dB的SCB大0.13 ns,為圖8所示結果中的最大增幅。

(4) SCB受干擾帶寬影響較大。相同干擾中頻及JSR條件下,干擾帶寬由1.023 MHz增大至4.092 MHz,SCB隨之增大,且增長趨勢愈加陡峭,增幅從0.001 ns增大到0.028 ns。

5 實測數據驗證分析

本文采用某觀測站40 m大口徑高增益天線采集BDS-3 B2頻點PRN=22的衛(wèi)星信號,干擾信號由E8267D矢量信號發(fā)生器生成,天線采集的B2頻點信號經LNA和射頻通道后,與干擾信號在合路器進行疊加,利用頻譜儀得到受干擾的信號頻譜圖,由采集卡采集1.5 s的數據,中頻為62.5 MHz,采樣率為250 MHz,在軟件接收機搜索帶寬為5 kHz,相關器間隔為0.2碼片條件下進行捕獲、跟蹤以及評估分析。實測數據采集框圖如圖9所示。

圖9 實測數據采集框圖Fig.9 Actual signal data collection organigram

5.1 功率譜偏差驗證分析

圖10是干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時的功率譜偏差結果變化對比圖。

圖10 干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時功率譜偏差 變化實測對比圖Fig.10 Comparison of power spectrum bias assessment actual results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

從圖10中可以看出:

(1) 相同條件下,實測信號與仿真信號評估結果相近,相差不到0.02 dB。

(2) 實測結果與仿真結果變化趨勢相同。實測信號功率譜偏差隨JSR、帶寬增大而增大,且上升趨勢線的上升角度先平緩后愈加陡峭;干擾越接近主瓣中心處,對信號質量影響越大。

5.2 相關損耗驗證分析

圖11是干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時的相關損耗結果變化對比圖。

圖11 干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時的相關損耗 結果變化實測對比圖Fig.11 Comparison of correlation loss assessment actual results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

從圖11中可以看出:

(1) 實測信號經過空間信道傳輸、通過射頻通道由采集卡采集,不可避免地受到空間電磁干擾及實驗器件的影響,由于本文主要分析信號質量隨干擾變化趨勢之間的關系,所以在計算相關損耗時并未扣除空間和地面接收通道的影響。從圖7和圖11中可以看出實測數據比仿真信號的評估結果大0.02 dB,但整體來看變化趨勢與仿真信號相同。

(2) 干擾越接近主瓣中心處,對相關損耗影響越大。相同干擾帶寬及JSR條件下,干擾中頻為47.5 MHz時比中頻為52.5 MHz時的相關損耗最大差0.1 dB。

(3) 相關損耗受JSR影響較大。JSR為-14 dB時,相關損耗在指標范圍臨界處;JSR為-3 dB時,相關損耗最小為1.2 dB,超差嚴重,且超差隨JSR增大而愈加嚴重。

(4) 相關損耗受干擾帶寬影響甚微。相同干擾中頻及JSR條件下,干擾帶寬增大,相關損耗各結果之間相近。

5.3 SCB驗證分析

圖12是干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時的S曲線過零點偏差結果變化對比圖。

圖12 干擾中頻分別為47.5 MHz和52.5 MHz時的SCB 變化實測對比圖Fig.12 Comparison of SCB assessment actual results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

從圖12中可以看出:

(1) 從圖8和圖12中可以看出受空間電磁干擾及器件的影響,實測數據比仿真信號的評估結果大0.13 ns,說明該指標對通道特性比較敏感,能夠比較好的反映信號質量情況。但仍在指標要求范圍內,整體來看SCB隨著干擾功率增大存在超差趨勢,與仿真結果變化趨勢相同。

(2) 實測結果與仿真結果變化趨勢相同:實測信號功率譜偏差隨JSR、帶寬增大而增大;干擾越接近主瓣中心處,對信號質量影響越大。

不同窄帶干擾參數對信號質量影響結果如表3所示。

表3 不同窄帶干擾參數對BDS-3 B2信號質量影響結果

6 結 論

本文在窄帶干擾條件下對BDS-3 B2信號質量進行評估,仿真分析了干擾信號中頻、帶寬參數及JSR變化對功率譜、相關損耗和S曲線過零點偏差的影響,并用實測信號對比驗證。可以看出:

(1) 干擾越接近主瓣中心處對信號質量影響越大。

(2) 功率譜偏差受干擾帶寬和JSR影響較大。功率譜偏差隨JSR和干擾帶寬增大而增大,功率譜畸變嚴重,信號質量堪憂,將對用戶的接收產生較大影響,用戶定位結果的可靠性受到威脅。

(3) 相關損耗受JSR影響較大,受干擾帶寬甚微。相關損耗隨JSR增大而增大,在JSR為-14 dB處達到指標臨界值,而后超差,產生測距誤差且呈惡化趨勢,進而對用戶定位產生惡劣影響。

(4) S曲線過零點偏差受干擾帶寬和JSR影響較大。S曲線過零點偏差隨JSR和干擾帶寬增大而增大,相關函數畸變,從而導致偽距測量誤差,進而影響用戶定位精度。