暗室滿天星立體星座布局設計與仿真分析

王 君,何曉峰,于慧穎,郭 妍

（1.國防科技大學智能科學學院,長沙 410073;2.國防科技大學軍事職業教育技術服務中心,長沙 410073）

0 引言

隨著北斗三號全球系統建設的不斷推進,北斗產業正全面進入創新發展的新階段。國內外衛星導航系統建設應用的發展歷程均表明,衛星導航系統不可避免會面臨各種復雜的電磁環境。復雜電磁環境下,干擾信號將呈現出樣式上波形復雜、數量繁多,時間上變幻莫測、密集交迭,頻譜上擁擠重疊等眾多特點［1］。電磁環境的復雜性對導航終端的抗干擾反欺騙性能提出了嚴峻挑戰和更高性能要求,抗干擾反欺騙導航終端能否適應實戰條件的復雜電磁環境是抗干擾反欺騙技術能否發揮作用、能夠發揮多大作用的關鍵所在［2-4］。

為了對導航終端復雜電磁環境下抗干擾性能進行測試評估,需要構建相應的暗室測試系統,國內外針對暗室測試系統環境構建都開展了相應的研究,包括測試場景構建、抗干擾測試方法研究［5-10］等。傳統暗室測試系統建設方案主要有兩種,分別是基于單端口模擬器積木式無線測試系統以及基于單星多輸出模擬器一體式測試系統。積木式的測試系統將暗室空間劃分成多個區域,每個區域配置相應的發射天線,廣播該分區可見的所有信號。積木式測試系統典型的如英國Spirent公司天線陣列測試系統、美國空軍裝備研究實驗室組建的Virtual Flight Testing測試系統［11］、國內航天704所暗室測試系統等;基于單星輸出模擬器一體式測試系統如德國宇航中心、航天33所、空軍某所抗干擾有線測試系統等。英國Spirent公司的天線陣列測試系統如圖1所示,德國宇航中心的抗干擾測試系統如圖2所示。積木式構建無線測試系統的優點主要是建設簡單,對模擬器要求不高,但是存在標校難、軟硬件分散、維護復雜等問題;一體式構建無線測試系統則是建設簡單,標校維護簡單,但此建設方案對模擬器技術和集成度要求高。

圖1 英國Spirent公司天線陣列測試系統（積木式）Fig.1 Modular antenna array test system developed by Spirent Company

圖2 德國宇航中心抗干擾測試系統（一體式）Fig.2 Integrated anti-jamming test system developed by German Aerospace Center

隨著導航終端面臨電磁環境愈發復雜化以及終端抗干擾測試需求不斷提升,傳統暗室測試系統已無法滿足終端復雜電磁環境下抗干擾測試需求。滿天星立體星座仿真布局技術是隨著導航終端測試新要求以及構建與真實衛星導航系統逼真一致測試系統新要求而提出的一項新的技術,重點解決衛星星座可見衛星空間分布、導航信號播發天線布局設計以及相應工程實現問題。傳統測試系統微波暗室建設中,要么通過一個導航天線在同一方向播發所有衛星導航信號,因而不存在依據衛星星座各個可見衛星空間分布以及導航信號播發天線布局設計問題;要么分區域劃分暗室獨立播發信號,雖然能模仿導航星座立體信號播發覆蓋不同的方位俯仰,但不能夠實現對真實導航信號空間布局特性的高精度模擬。而與真實衛星導航系統一致的復雜電磁環境測試檢定系統需要結合導航終端對導航信號空間來向布局和誤差容限等指標參數,依據仿真測試的時間、軌跡以及衛星星歷等場景參數進行立體星座布局仿真設計,以及綜合考慮建設成本、復雜度和可維護性等工程問題,進行滿天星立體星座導航信號播發模式設計。本文重點開展了滿天星立體星座仿真布局的相關技術分析論證,探索了不同數量天線布局對仿真精度的影響,實現了與衛星信號空間分布特性相一致的多星座滿天星導航信號的仿真。

1 暗室測試系統主要建設需求

1.1 衛星星座信號時空特性模擬的要求

在暗室測試系統設計時,需要滿足對衛星星座信號時空特性高精度仿真模擬,主要體現在以下三個方面:

1）衛星信號特性模擬;

2）衛星與接收終端相對徑向運動引起的多普勒及多普勒變化;

3）衛星與接收終端相對切向運動引起的來波方向變化。

其中,對衛星信號特性模擬存在不同方向入射可能導致的通道非理想特性不一致問題,需要盡可能消除,以與真實環境對應。另外,對切向運動的模擬是區別于常規單天線接收終端測試的主要差異之一,這主要是由以下因素引起的:

1）星座周期特性。對于地表指定位置,不同時刻由于衛星的運動,使得導航信號來波方向發生變化。

2）地球自轉特性。地球自轉也將影響信號來波方向,對信號來波方向變化的速度、加速度等參數均會產生影響。

3）用戶位置的變化。對于指定時刻,由于用戶所處的經度、緯度不同,導航信號的來波方向也不同。這樣,動態用戶經緯度的變化將直接引起導航信號來波方向的變化。

4）用戶姿態變化。本質上,陣列接收是對信號來波方向相對于接收陣列所在平面的夾角敏感,因此相對于衛星運動而言,用戶姿態的變化成為上述夾角動態變化的快變分量。

綜上所述,暗室測試系統的衛星星座模擬信號在時間上應能覆蓋導航衛星星座的整個周期,在空間上需要模擬全球范圍內信號來波方向的靜態、動態空間特性。為實現全球范圍內所有位置衛星星座全周期內可視弧段的模擬,具體細化衛星星座空時特性模擬的基本要求為:

1）模擬衛星信號數目:最多18顆北斗衛星導航信號;

2）模擬信號來向:方位角0°～360°,仰角0°～90°;

3）模擬來波方向變化率:根據用戶動態及姿態變化計算;

4）模擬發射信號通道一致性要求:模擬信號從不同方向入射時通道引起的非理想特性應一致;

5）為保證模擬衛星信號的同一性、相干性和穩定性,應使用原子鐘作為系統參考基準,并定期校準。

1.2 抗干擾測試對衛星星座模擬的要求

暗室測試系統需要通過對導航星座的高精度仿真從而滿足針對各種導航終端（如波束成形導航終端）的抗干擾測試需求。在導航終端的諸多抗干擾技術中,波束形成技術對衛星星座模擬有著較為嚴格和苛刻的要求,也是本系統星座模擬應該重點分析和解決的核心關鍵技術和復雜工程問題之一。波束形成技術是通過一組天線陣元以某種空間配置形式組成天線陣列,某方向衛星信號入射到達各天線陣元具有不同的波程差延遲,將各陣元的接收衛星信號分別作適當的延遲補償后相加,可形成天線陣的波束對準衛星信號來向,以保證衛星信號的有效接收。在波束形成技術中,需要根據衛星星歷中的衛星位置和載體姿態來估算衛星信號到達接收機的入射方向,并在此方向上設置約束條件形成波束。

因此,在采用波束形成技術的用戶接收機抗干擾測試中,需要使暗室測試系統具備真實衛星星座布局仿真能力,滿足信號來向與衛星星歷相對應,該設置可以準確控制載體姿態并將姿態參數發送到抗干擾評估系統中。

在波束形成抗干擾技術測試中,需要對波束寬度進行測定,可以通過一定角度范圍內衛星信號增益是否增加來判定波束是否覆蓋該角度范圍內的衛星信號。因此,為了對波束寬度進行有效評定,測試中衛星信號發射天線間的空間發射角度應該小于波束寬度。

此外,在波束成形抗干擾技術測試時,為了實現對波束成形指向偏差的測試評估,暗室測試系統中仿真的衛星信號與真實導航信號之間的來向偏差需要滿足被測終端天線陣元的指向誤差要求,即信號來向偏差在波束指向偏差（3dB波束寬度）以內,如圖3所示。

圖3 波束成形抗干擾信號來向允許偏差示意Fig.3 Allowable deviation of beam forming anti-interference signal

綜上所述,在進行波束形成技術測試時,對衛星星座模擬的要求如下:

2）各軌道間同一方位角的衛星信號的仰角夾角也應該滿足不同波束寬度指標的波束形成技術測試;

3）暗室測試系統播發衛星信號與真實衛星信號夾角偏差能夠滿足被測終端波束成形指向偏差需求。

為了盡可能模擬真實衛星星座并滿足長時間抗干擾測試的需求,瞄準構建與真實衛星導航系統高度逼真的室內測試系統環境,根據衛星相對被測導航裝備的方位角和俯仰角,選擇相對位置最為接近且滿足信號來波方位一致性偏差的天線發射衛星信號,以模擬不同真實環境中不同來向衛星信號的需求。因而,需要結合測試需求和系統建設要求,合理設計衛星信號發射天線布設方案,重點論證解決立體星座設計相關技術,支持衛星導航復雜電磁環境構建模擬,滿足各類導航裝備在各種測試場景下衛星星座模擬的要求。因而,開展立體星座仿真技術分析論證時,需要結合測試系統導航信號模擬、抗干擾測試需求,合理選擇暗室天線星座模擬方案,開展暗室天線空間分布仿真設計。同時,也將結合工程建設實際和系統總體性能,論證分析立體星座復雜電磁環境布設。

2 暗室天線星座模擬方案選擇

導航信號播發的核心要求是:獨立天線離散分布,最大程度地接近于真實衛星星座的時間和空間變化,可根據實際設置多種不同DOP值的衛星分布,同時天線陣能夠覆蓋所有類型的接收終端測試需求。根據國內外的建設經驗以及暗室的結構約束,大體上有三種信號布局模式,包括:滑軌移動式天線陣、立方體離散天線陣、穹頂式滿天星天線陣,如圖4所示。不同方案在星座模擬的覆蓋性、復雜性、可靠性、可維護性、可擴展性、經濟性等方面具有較大差別。

圖4 不同天線布局模式Fig.4 The different mode of antenna layout

滑軌移動式天線陣設計中,導航天線安裝在滑動軌道上,主要是為了在抗干擾測試中能夠模擬衛星信號來向隨時間及衛星運動變化而變化的情況,并且在長時間仿真測試情況下,暗室內發射天線與被測對象之間的相對關系與測試場景提供的衛星軌道與被測對象之間的相對關系盡可能保持一致。考慮到增加滑動導軌會大幅增加暗室建設以及后期標校維護的難度,在設計滑軌布局時可以采用“GEO+IGSO星座”與“GEO+IGSO+MEO星座”兩種布局方式。

立方體離散天線陣布局模式將導航天線置于暗室的各個角落,所有天線水平位置固定、高度可調,能夠模擬覆蓋高/低仰角的星座布局。此種布局模式結構簡單、經濟可靠、安裝維護方便,基本能夠滿足抗干擾測試需求,適用于老暗室改造或暗室較小的情況。

卓松生[22]以臨界流化速度為衡量標準，選用Syamlal-O′brien曳力雙流體模型，分析了振動和粒徑對床層縱向顆粒分布(顆粒體積分數)及均勻性(顆粒體積分數標準差)的影響，結果如圖3所示。

“滿天星”穹頂式布局模式將導航天線按照不同仰角、不同方位角布設于暗室內部空間,天線布設的數量與空間位置分布可根據用戶不同需求確定。測試期間,測試系統根據仿真時刻真實的導航星座分布選擇對應的就近位置的導航天線播發導航信號,從而實現仿真星座與真實星座基本一致的測試需求。當用戶暗室空間足夠大、能夠布設較多的導航天線時,可高密度地布設導航天線。此時,需要注意三點:一是要注意避免臨近天線間的互干擾;二是要注意導航天線與被測用戶的距離滿足遠場條件;三是要注意天線數量增多引起的標校維護工作量的增大。當用戶暗室空間有限只能布設較少數量導航天線時,可以在滿足最低/最高仰角約束、最佳DOP分布的情況下,布設數量有限的導航天線。此時需要注意,由于導航天線數量有限,能夠使用的場景也就比較有限。方便起見,可以預先設計若干組最佳匹配場景用于終端測試。

針對以上三種布局,表1羅列了各布局之間的性能差異。

表1 不同信號天線布局效果差異比對Table1 Comparison of different signal antenna layout effects

考慮以上因素,在保證能全面檢測北斗RNSS以及其他導航衛星系統單獨或同時工作的場景（包括低仰角衛星的較惡劣場景）時,本文選擇“滿天星”穹頂式天線陣模擬方案,其暗室天線具體空間分布見下節的仿真設計分析。

3 暗室天線空間分布設計

為了盡可能模擬真實衛星星座并滿足長時間抗干擾和波束成形的測試需求,暗室采用穹頂式滿天星天線布置方案,根據衛星相對被測對象的方位角和俯仰角選擇相對位置最為接近的天線發射衛星信號,以模擬不同真實環境中不同來向衛星信號的需求。

在暗室仿真測試時,通過暗室內部天線布局來模擬真實衛星信號分布。如果選取的測試場景是靜態場景,則天線可以按照靜態場景下衛星相對于待測終端的方位俯仰進行布設,因此不存在角度偏差;但如果選取的測試場景是動態連續場景,則由于暗室天線中天線布局是固定的,而實際天上衛星是時刻在運動中,因此采用暗室固定天線布局進行模擬真實衛星信號來向時會存在一定的角度偏差。

在實際波束成形抗干擾測試中,由于波束成形抗干擾終端天線陣元存在一定的波束張角,因此允許一定范圍內的天線布局與真實衛星之間的偏差,只要偏差角度范圍在3dB波束張角范圍內,導航終端都可以接收到相應的導航信號,可以完成波束成形抗干擾測試。抗干擾終端的3dB波束張角與終端內部天線陣元數量有關,一般天線陣元數越大,3dB波束角越小,仿真測試時暗室天線布局也就越密集。目前工程水平下,不同數量陣列天線陣元導航終端波束成形3dB波束角如表2所示。

表2 不同天線陣列成形波束寬度Table2 Beam forming3dB angle width of different antenna arrays

例如,針對7陣元導航終端抗干擾測試需求,3dB波束帶寬為±20.5°,因此其可允許的角度偏差在±20.5°內。

為了滿足接收機不同天線陣列的測試需求,分別仿真分析了96天線設計方案、69天線設計方案和41天線設計方案。經過仿真分析,96天線方案可以滿足36陣元及以下天線陣列測試需求,69天線方案可以滿足25陣元及以下天線陣列測試需求,41天線方案可以滿足16陣元及以下天線陣列測試需求。

3.1 采用96個天線布設方案

采用96個天線布設方案,可以滿足36陣元陣列天線測試,實現天線布設方案設計。

圖5給出了天線安裝位置的平面投影圖,分別布設在仰角15°、30°、45°、60°和75°平面,各平面天線數量分別為28個、27個、24個、20個、15個和9個,同時在天頂位置即仰角90°位置安裝1個,兼做RDSS入站天線。

圖5 96天線布設示意圖Fig.5 Schematic diagram of96antennas layout

各平面天線方位角定義如表3所示。其中,第96號天線為暗室頂點天線,俯仰角90°不存在方位角。

表3 96發射天線方位俯仰角Table3 Azimuth and pitching angle of96antennas

3.2 采用69個天線布設方案

采用69個天線布設方案,可以滿足25陣元陣列天線測試,實現天線布設方案設計。

圖6給出了天線安裝位置的平面投影圖,分別布設在仰角15°、30°、45°、60°和75°平面,各平面天線數量分別為24個、18個、12個、9個和5個,同時在天頂位置即仰角90°位置安裝1個,兼做RDSS入站天線。

圖6 69天線布設示意圖Fig.6 Schematic diagram of69antennas layout

各平面天線方位角定義如表4所示。其中,第69號天線為暗室頂點天線,俯仰角90°不存在方位角。

表4 69發射天線方位俯仰角Table4 Azimuth and pitching angle of69antennas

3.3 采用41個天線布設方案

采用41個天線布設方案,可以滿足16陣元陣列天線測試,實現天線布設方案設計。

圖7給出了天線安裝位置的平面投影圖,分別布設在仰角15°、35°、55°和75°平面,各平面天線數量分別為15個、12個、9個和4個,同時在天頂位置即仰角90°位置安裝1個,兼做RDSS入站天線。

圖7 41天線布設示意圖Fig.7 Schematic diagram of41antennas layout

各平面天線方位角定義如表5所示。其中,第41號天線為暗室頂點天線,俯仰角90°不存在方位角。

表5 41發射天線方位俯仰角Table5 Azimuth and pitching angle of41antennas

4 暗室不同天線數量仿真精度分析

為了充分比較三種不同天線方案的測試適應性,選取北京、長沙、廣州、黃巖島四地分別進行了模擬仿真,仿真時長為24h,仿真步長為300s。

相關術語定義如下:

1）理論用戶至衛星單位矢量:根據用戶位置和衛星理論位置（根據衛星星歷計算）計算的用戶至衛星的單位矢量。

2）實際用戶至天線單位矢量:在暗室中,用戶設備安置于測試位置,衛星信號通過某個天線發射,安裝位置至該天線的單位矢量為實際用戶至天線單位矢量。

3）指向偏差:實際用戶至天線單位矢量與理論用戶至衛星單位矢量之間的偏差,代表由于通過分離天線模擬連續衛星而引入的指向偏差,是衡量暗室天線布設方案是否滿足測試對象需求的核心指標。

4）評價指標包括:

平均偏差:全部仿真時刻、全部可觀測衛星的指向偏差的平均值;

最大偏差:全部仿真時刻、全部可觀測衛星的指向偏差的最大值;

大于期望指標的比例:全部仿真時刻、全部可觀測衛星的指向偏差的超標數量。

表6分別給出了北京、長沙、廣州、黃巖島四地不同位置全部仿真時刻、三個方案、全部可觀測衛星的指向偏差統計結果。

表6 北京、長沙、廣州、黃巖島四地不同位置仿真偏差Table6 Simulation deviation of different locations in Beijing,Changsha,Guangzhou and Huangyan island

從統計分析角度來講,一般暗室天線布局的天線數量越多,平均偏差越小。但實際仿真角度偏差也與所仿真的星座運行的路徑有很大關系,如果較少數量的天線布局與所仿真的星座布局較為接近,也會出現天線數量少但角度偏差也小的情況。比較而言,96天線方案最大角度偏差在10°以內,平均偏差在6°以內,可滿足36陣元天線的測試要求,在滿足目前測試需求的基礎上,為未來進一步發展預留了一定的空間;69天線方案可滿足25陣元以內天線的測試,但是在低緯度地區超差部分達13%,不能全時段滿足要求;41天線方案可滿足16陣元以內天線的測試,但是在低緯度地區超差部分達18%,不能全時段滿足要求。

5 暗室測試系統應用實例

在針對不同數量滿天星天線布局仿真分析以及實際測試需求基礎上,以某單位暗室測試系統為例進行應用說明,該測試系統滿天星布局選擇69天線滿天星星座布局,如圖8所示,角度平均偏差小于8°。經過測試驗證,該方案可以滿足25陣元及以下天線陣列測試需求。

該暗室滿天星測試系統能夠滿足衛星星座信號空時特性模擬、抗干擾測試,其指標如下:

1）單星信號天線數目:空間布設不少于69個信號發射天線;

2）能夠實現25陣元及以下波束成形抗干擾測試需求;

3）信號來波方向:方位角0°～360°,仰角10°～90°,信號空間來向一致性平均偏差小于8°,滿足被測導航裝備波束指向誤差要求;

4）來波方向變化率:根據用戶動態及姿態變化,能夠隨動模擬信號空間來向變化;

5）導航信號通道一致性要求:模擬衛星信號從不同方向入射到被測導航裝備時一致性滿足測試系統指標要求。

6 結論

本文針對導航終端復雜電磁環境暗室測試系統構建對暗室滿天星立體星座布局仿真技術展開論述,分析了暗室測試系統對衛星星座信號時空特性高精度仿真模擬、抗干擾測試應用需求,然后在此基礎上比較了目前常見的暗室測試系統天線布局方案優缺點,并選擇穹頂式滿天星天線分布方案開展了不同天線數量（96、69、41）的設計與仿真論證。結果表明,暗室測試系統中穹頂滿天星天線陣列方案最能夠實現對真實導航星座的仿真模擬,且仿真精度一般隨天線數量增加而增加,69天線滿天星布局能夠滿足25陣元及以下波束成形抗干擾測試需求。最后,基于仿真結果以及實際建設需求將仿真分析成果成功應用并得到有效驗證。