半封閉環境下衛導信號轉發系統設計

王鼎元 古 強 于海濤 張 帆 向宏偉

（成都飛機工業（集團）有限公司，四川 成都610092）

1 概述

根據衛星定位原理，衛星導航信號接收機收到不少于四顆衛星的衛星信號，信號經處理后得到衛星的空間坐標、距離測量值信息；然后接收機內部復制偽碼，并將此復制碼與其接收到的衛星信號做相關運算，最后根據所得的偽碼自相關函數的峰值來測量碼相位，進而得出飛機天線的空間位置，即實現飛機的精確定位。

然而在半封閉環境下（如機庫）飛機進行定位工作時，經常出現衛星定位失敗的情況。原因在于：在半封閉環境下，天線不僅能接收到衛星直射波信號，還能接收到穿透過多層介質和遭遇過多次反射而強度變弱的多路信號，即多路徑效應[1]；如果接收到的同一顆衛星的信號是由直射波和多個反射波疊加而成的，那么接收機內部復制的偽碼會同時與直射波和各個反射波做相關運算，使原本只反映直射波碼相位情況的自相關函數主峰遭到變形，從而嚴重時導致碼相位失鎖，即衛星定位失效[2]。

傳統的室內衛導信號轉發技術在半封閉環境下有如下缺點：只是將衛星信號濾波放大，雖然解決了信號強度問題，然而半封閉環境下到達接收機的信號既有來自室外或穿透過多層介質的直射信號，也有遭遇過室內多次反射的信號，因此傳統的轉發技術不能有效排除半封閉環境較突出的多路徑干擾。

本文提出一種適用于半封閉環境的衛導信號轉發系統，該系統能夠有效避免半封閉環境多路徑效應。

圖1 系統設計示意圖

2 系統設計及原理

本文設計的衛導信號轉發系統如圖1 所示，由庫外接收天線、信號處理機、庫內發射天線和轉發天線罩組成。

其中信號處理機由射頻前端、射頻收發通道、A/D 與D/A 轉換、數字信號控制、數據存儲、信號提純、電源轉換、監測接收機等單元組成，對外控制接口為RS232 串口，設備中數據的頻率偏移、記錄、回放以及信號增益等參數可由控制計算機通過該串口控制與輸出，工作原理圖見圖2。

圖2 信號處理機原理圖

庫外接收天線包括北斗B1/B3 和GPS L1 衛星信號接收天線，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 三個頻段的低噪聲放大電路等，其作用是對接收到的衛星導航信號進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行傳輸至室內供射頻通道電路接收。

庫內發射天線將信號處理機輸出的北斗B1/B3 和GPS L1衛星信號發射出去供目標接收機接收，發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星信號變換為中頻信號，經過A/D 轉換電路采樣后變為數字信號，由數字信號控制電路進行格式變換后進行存儲。回放的數據通過數字控制電路進行格式轉后由D/A 轉換電路轉變為中頻信號，再由發射通道轉變為射頻信號后輸出。

為了檢測抗干擾調零天線，信號提純單元選取B3 頻段數字信號進行載波與偽碼捕獲與跟蹤，提取出每顆衛星的載波與偽碼信息，然后再進行偽碼調制，從而獲得純凈的衛星導航擴頻數字信號，轉變為射頻模擬信號后用于調零天線檢測。

3 關鍵技術分析

3.1 頻率偏移可調二次轉發技術

傳統的衛導信號轉發器按照原頻率對衛導信號進行轉發，該方法在半封閉環境下無法避免室外直射信號與轉發信號之間的多路徑效應。

為避免以上問題，本裝置在信號轉發時使用頻率偏移[3]可調二次轉發技術。

如圖1 所示，一方面，本系統在首次轉發時具有頻偏功能，且偏移檔位通過串口接入軟件可調；將衛星信號的頻率偏移至特定頻率后再向機庫內發射，能夠有效避免來自室外信號的多徑干擾。

另一方面，本系統的二次轉發天線罩置于飛機衛導天線上，該天線罩的信號接收機能夠匹配接收頻偏信號，檔位同樣軟件可調；經二次轉發天線罩反變換處理后得到的真實衛星信號被轉發至飛機天線，保證飛機對真實衛星信號的接收。

轉發天線罩設計方面：不僅信號屏蔽能夠保證外部真實信號的干擾；而且內表面增加信號吸波材料，有效減少罩內信號反射產生的多徑效應。

采取頻偏可調的二次轉發技術不僅能有效減少本機接收衛星信號的多路徑干擾，而且在相鄰機位采取不同頻率進行二次轉發，還能避免同頻率轉發裝置之間的相互干擾。

經計算，當頻率偏移值設置為N×50kHz（N=0，±1，±2，…）時，可屏蔽真實衛星信號的影響。

3.2 轉發天線方向性

為保證信號區域全向覆蓋，傳統的衛星信號轉發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接收機。同時由于機庫內金屬反射物較多，全向天線不僅對目標飛機沒有指向性，而且會造成更嚴重的多徑效應。

本系統環境下飛機位置通常比較固定，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。一方面提高飛機接收信號功率，另一方面更大程度減少信號反射產生的多路徑干擾效應。

3.3 射頻收發通道設計

轉發裝置對衛導信號北斗B1/B3 和GPS L1 每個頻點的收發通道具有相同的電路架構，框圖見圖3。其中為了適應轉發環境的變化，轉發增益需要有一定的調整范圍[6]，增益的變化通過控制發射通道的數控衰減器來實現。

圖3 收發通道框圖

各頻點接收通道設計指標見表1，各頻點發射通道設計指標見表2。

4 實驗驗證

本系統樣機經過了機庫內半封閉環境的驗證，實驗中選取了多組頻率偏移和輻射功率增益值進行了對比，主要數據記錄如表3 所示。實驗情況表明，頻率偏移值和轉發功率的調節能夠有效提高目標接收機的搜星效果。

表1 接收通道設計指標

表2 發射通道主要設計指標

表3 實驗情況表

5 結論

半封閉環境下飛機不僅會接收到來自庫外的衛導直射信號，而且會收到經環境反射的多路信號。嚴重的多路徑效應使得傳統的衛星導航信號轉發裝置不適用于機庫這類半封閉環境。實驗證明，本文研究并設計的基于頻率偏移可調二次轉發的系統能夠通過頻率偏移更具方向性的垂直極化天線，以及轉發增益可調等關鍵技術手段有效避免飛機端接收信號的多路徑效應。