專欄特約主編：桂林電子科技大學 紀元法 教授
紀元法，桂林電子科技大學信息與通信學院教授，長期從事衛星通信、衛星導航及數字信號處理研究工作，具有紮實的理論基礎和豐富的實踐經驗。近年主持和參與“973”、"863"、國家自然科學基金、國防預研項目、國家重大專項－北斗示範應用項目、科技部中小企業創新基金等多項科研項目；獲中國專利獎1項、廣西技術發明一等獎1項、廣西技術發明二等獎1項、廣西科技進步二等獎1項、衛星導航定位科技進步二等獎1項、深圳市科技進步獎1項，廣西發明成果獎金獎1項、廣西發明成果獎銀獎2項；為桂林市拔尖人才，國家自然科學基金、雲南省科技廳、福建科技廳、廣西科技廳項目評審專家；發表學術論文100餘篇,EI、SCI收錄20餘篇；申請國家發明專利、實用新型專利40餘項，軟件著作權60多項。
專欄特約主編：中科院微電子所、中科院大學 巴曉輝 研究員
巴曉輝，中國科學院微電子研究所研究員，中國科學院大學崗位教授，長期從事衛星導航算法及芯片設計研究。先後參與了863計劃“高性能衛星導航芯片與移動芯片的集成技術”、中科院知識創新重大工程“新型定位系統接收機基帶芯片設計”、中科院裝發預研聯合基金、自然科學基金、中科院交叉創新團隊等項目。作為課題組長研發了多款衛星導航芯片，研發的航芯5號接收機獲第14屆高交會優秀產品獎。曾獲中國科學院微電子研究所研究生喜愛的導師。在國內外重要學術刊物和會議上發表論文55篇，申請專利6項。
摘 要 ：
由於高軌SAR衛星信號設計頻段可能與多種已投入使用的GNSS信號所在頻段共用或重疊，導致地面GNSS接收機受到由高軌SAR信號產生的脈衝射頻干擾。為評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機性能的影響，提出了一種基於ITU相關標準的參數化理論模型。該模型使用“源-路徑-接收機”的分析方法，分別從高軌SAR信號、信號傳播路徑以及用於干擾評估的接收機模型三個方面提取參數，然後根據ITU相關標準，評估高軌SAR信號作為加性脈衝射頻干擾時，對GNSS接收機性能產生的影響。以具有代表性的B3I信號為例，評估在設定參數條件下，高軌SAR信號對不同類型的B3I接收機性能的影響。結果表明，在當前設定的高軌SAR信號干擾存在情況下，接收機性能略有下降，但仍然能夠正常工作。
中文引用格式：趙冠先，趙思浩，崔曉偉. 高軌SAR信號對GNSS接收機性能影響評估方法[J].電子技術應用，2020，46(3)：14-18.
英文引用格式：Zhao Guanxian，Zhao Sihao，Cui Xiaowei. Evaluation method for the performance of GNSS receiver influenced by GEO SAR signal[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(3)：14-18.
0引言
地球同步軌道合成孔徑雷達(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar，GEO SAR)即高軌SAR，是一種新體制星載SAR，能夠將地球同步軌道的軌位優勢與SAR衛星穿透能力強、不受氣象與光照條件影響的優勢結合起來，實現對地全天候、大範圍、高時間分辨率的觀測[1]。考慮到信號衰減及穿透能力，高軌SAR衛星信號計劃使用L頻段，該頻段上現已存在多種全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)業務，高軌SAR計劃頻段與多種GNSS信號頻段重疊或鄰近。由於衛星導航信號自身的特點，其到達地面的功率非常小，非常容易受到各種無線電干擾[2]。為保證地面GNSS接收機在高軌SAR信號存在時仍能夠正常工作，有必要對高軌SAR信號對GNSS地面接收機的性能影響進行分析與評估，結果可作為高軌SAR項目立項及未來開展國內外頻率協調工作的理論依據。對於GNSS接收機來說，高軌SAR信號可看作是脈衝射頻干擾(Radio Frequency Interference，RFI)。近年來，已有許多有關脈衝射頻干擾對導航接收機影響的分析方法，國際電聯(International Telecommunication Union，ITU)給出了多個相關的標準可供借鑑：其中ITU-R M.1902給出了工作在1 215～1 300 MHz頻段的地面GNSS接收機的工作特性和保護標準，其中特定的接收機工作特性在分析高軌SAR信號干擾時具有參考意義[3]。ITU-R M.2220包含了用於干擾評估、計算綜合脈衝干擾參數的背景知識和基本計算方法，舉例計算了在多種射頻干擾存在的複雜環境下，不同類型的GNSS接收機受干擾情況的評估方法和結果[4]。ITU-R M.2030針對兩種不同類型的基本GNSS接收機給出了等效載噪比衰減公式，提出評估加性脈衝RFI影響的方法[5]。ITU-R RS.2311包含了主動地球探測衛星業務(Earth Exploration Satellite Service，EESS)對衛星導航接收機影響的兩個獨立研究結果[6]。本文整理了上述文獻，提出用於評估高軌SAR信號對GNSS接收機性能的影響的方法。
1干擾場景及評估方法
本文采用典型的“源-路徑-接收機”方法評估高軌SAR信號對GNSS接收機性能影響，這種方法需要生成(仿真)以下三個基本的且具有相關性的關鍵因素，或從已有的標準中收集相關信息：
(1)高軌SAR信號的位置及相關參數；
(2)高軌SAR信號及GNSS信號在干擾場景下的傳播路徑中的參數；
(3)用於接收機性能評估的GNSS接收機模型。
干擾場景構成了這三個關鍵因素的基礎，本文分析的干擾場景為高軌SAR衛星載荷工作時對地面接收機進行持續干擾。為了便於分析，將其他脈衝干擾源以及連續干擾源對GNSS接收機性能產生的影響作為干擾基準，單顆高軌SAR衛星信號作為加性干擾源。高軌SAR信號的參數包括衛星軌道、天線特性、發射波形、功率電平以及頻率；傳播路徑考慮了各種信號傳播過程當中的衰減，提供了計算到達接收機的信號功率的方法；而接收機模型提供了用於確定高軌SAR信號對於接收機影響的性能參數。
評估流程如下：首先將高軌SAR信號、傳播路徑、接收機模型參數彙總，計算到達接收機天線的接收功率；接著將接收功率與接收機生存電平與壓縮電平進行比較，若均不超過門限值，則進行等效載噪比計算；最後通過等效載噪比評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機的影響，評估流程圖如圖1所示。
2參數彙總
2.1 高軌SAR信號特性及參數
SAR一般通過發射矩形包絡的線性調頻信號獲得距離向的高分辨率，矩形包絡且幅度歸一化線性調頻信號的復指數形式為[7]：
高軌SAR設計頻段與當前已經存在的多種GNSS信號存在頻率重疊或相近的情況，如圖2所示。
由圖2可以看出，B3I信號頻段完全被高軌SAR信號頻段覆蓋，具有代表性，故本文選取北斗B3I信號通用接收機進行分析。
2.2 傳播路徑分析
在理想情況下，高軌SAR及GNSS信號在自由空間內進行傳播。電磁波在自由空間中傳播時僅存在因信號能量擴散引發的衰減，不存在任何其他形式的損耗。傳播模型是在Friis傳輸公式的基礎上經過一定簡化、處理得來的，該模型的對數形式如下[8]：
其中，PRmax為接收最大功率(dBW)；PTmax為發射最大功率(dBW)；GTmax為發射天線最大增益(dB)；GRmax為接收天線最大增益(dB)；Lpolar為極化失配損耗(dB)，當SAR為線極化而B3I接收機採用圓極化時，該值取1.46 dB；LA為大氣損耗，約為2 dB；Lpath為路徑損耗(dB)，其計算公式如下：
其中，fc為信號頻率(MHz)；D為傳輸距離(km)，即衛星到接收機的距離。
根據自由空間傳播模型，在已知高軌SAR信號及GNSS接收機相關參數的情況下，能夠計算出信號到達接收機的功率電平，以此與GNSS接收機的生存電平、輸入壓縮電平作比較判斷高軌SAR信號是否對GNSS接收機產生影響。
2.3 用於脈衝射頻干擾評估的接收機模型
本文主要分析高軌SAR信號對B3I通用接收機的影響，通用接收機設計用於車輛導航、步行導航、一般定位等。根據文獻[3]，給出B3I信號通用接收機參數如表2所示。
3高軌SAR信號對GNSS接收機影響評估模型
3.1 接收機功率輸入分析
根據對高軌SAR信號參數、傳播路徑以及接收機參數，首先判斷接收到的SAR信號峰值功率是否超過接收機的生存電平。由第2節提到的自由空間傳播模型，將表1中的高軌SAR信號參數及表2中的接收機參數帶入公式(2)，得到接收機接收功率：PRmax=-97.36 dBW。未超過接收機生存電平-20 dBW及輸入壓縮電平-70 dBW，進行下一步分析。
3.2 接收機等效噪聲功率變化分析[4，5]
前述各標準中採用的分析指標均為等效噪聲功率的變化值。由於通用接收機實現方式多樣，本文分別對使用脈衝消隱方式和使用脈衝飽和方式的接收機進行等效噪聲功率變化分析。
3.2.1 脈衝消隱接收機
有些接收機會使用快速數字脈衝消隱器減少脈衝射頻干擾的影響。脈衝消隱是指當接收到的信號功率高於消隱閾值時，將信號、干擾及噪聲全部歸零；而低於消隱閾值的信號、干擾及噪聲則正常通過。這種接收機稱為脈衝消隱接收機。
對於這種類型的接收機，其相關器輸出處的等效噪聲功率譜密度為：
其中，N0是接收機系統熱噪聲功率譜密度(W/Hz)；I0，WB是所有連續RFI干擾的功率譜密度，本文主要分析高軌SAR信號的強脈衝干擾，因此將這一項歸納到場景基準RFI當中，不做詳細討論；RI是低於消隱器閾值的平均脈衝干擾功率譜密度與接收機噪聲溫度之比，與上一項相同，不做考慮；PDCB是所有超出消隱門限的強脈衝RFI的淨佔空比，對於有多個脈衝RFI干擾源的情況，PDCB的計算公式如下：
其中，PDCB，j是第j個干擾源超出消隱門限的強脈衝RFI佔空比。
3.2.2 脈衝飽和接收機
另有一些接收機沒有采用脈衝消隱的方式，其射頻前端將會被幹擾源的強脈衝造成短暫飽和，稱為脈衝飽和接收機。
對於這一類接收機，其相關器輸出處的等效噪聲功率譜密度為：
其中，N0、I0，WB、PDCLIM、RI與脈衝消隱的情況基本相同，對於RI的閾值變為飽和閾值(對應於消隱閾值)，對於PDCLIM變為輸入飽和電平(對應於輸入壓縮電平)；NLIM是接收機A/D飽和電平與AGC的1 σ噪聲電壓之比，該值與A/D實現方式有關，對於硬限制的1 bit接收機來說，NLIM=1。
3.2.3 將高軌SAR作為加性脈衝RFI
如前所述，本文將高軌SAR信號作為加性干擾引入干擾基準場景當中，當高軌SAR信號存在時，對於脈衝消隱接收機，等效載噪比的變化為：
其中，N0，EFF+SAB是添加了高軌SAR信號後的等效載噪比，PDCSAR是高軌SAR信號等效佔空比，RSAR是低於消隱器閾值的高軌SAR信號功率譜密度與接收機噪聲溫度之比。PDCSAR與RSAR都是以接收機輸入壓縮電平作為功率參考點進行估算的。
同理，對於脈衝飽和接收機，載噪比的變化為：
其中，τPW是發射脈寬(s)；BWoverlap是高軌SAR信號帶寬與GNSS接收機RF/IF濾波器帶寬重合部分的帶寬(MHz)；BWchirp是高軌SAR信號發射帶寬(MHz)。當公式(11)中的τPW，EFF為零時，PDCSAR=0。
將表1和表2中的相關參數帶入公式(9)及公式(10)可得接收機等效噪聲功率的變化值。不同脈衝重複頻率情況下，兩種接收機的等效噪聲功率變化值如圖3所示。
從圖3中可以看出，脈衝消隱接收機的等效噪聲功率譜密度的變化為相同參數時脈衝飽和接收機的一半，且兩者變化量都不大，在0.4 dB以內。
根據得到的等效噪聲功率變化值，在信號功率不變的情況下，可以得到增加了高軌SAR信號後的等效載噪比：
其中，C/N0是未加入高軌SAR信號情況下的載噪比，ΔN0，EFF根據接收機類型進行選擇。射頻干擾對GNSS接收機測距精度產生影響，主要體現在碼跟蹤環路的熱噪聲顫動，而通過C/N0和C/N0，EFF即可計算出加入高軌SAR信號前後碼環熱噪聲均方誤差值，並進一步確定測距精度變化。由於本例中ΔN0，EFF較小，未超過門限，對測距精度產生的影響也較小，故不作詳細討論。
4軟件實現
為了方便進行參數修改，對不同參數的高軌SAR信號、不同參數的接收機進行分析，明確每個參數對接收機影響程度的大小，根據上述分析流程編寫軟件，界面如圖4所示。
通過軟件界面可以對高軌SAR參數、接收機參數進行配置，給定相應的門限，即可計算出當前參數配置是否超過門限。
5結論
本文將高軌SAR信號作為GNSS接收機的脈衝射頻干擾，參考ITU相關標準，使用“源-路徑-接收機”的分析方法，從干擾源、傳播路徑、接收機模型三個方面設置了干擾評估相關參數，通過計算接收機功率、等效噪聲變化值評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機的性能影響；最終通過軟件實現了多種不同參數的SAR信號對不同類型GNSS接收機影響的分析。
理論推導及計算結果表明：第一，在脈衝的消隱/飽和閾值相同時，脈衝干擾對使用脈衝消隱方式接收機的影響為其對使用脈衝飽和方式接收機影響的一半(dB)；第二，按照當前參數設計的高軌SAR信號對B3I接收機會造成一定程度的干擾，但對性能的影響不大，不會影響B3I接收機的正常使用。
參考文獻
[1] 張薇，楊思全，範一大，等.高軌SAR衛星在綜合減災中的應用潛力和工作模式需求[J].航天器工程，2017(1)：127-131.
[2] 何瑞珠，劉彥明.通用導航接收機的脈衝干擾評估方法[J].移動通信，2017(11)：40-43.
[3] Recommendation ITU-R M.1902.Characteristics and protection criteria for receiving earth stations in the radionavigation-satellite service (space-to-Earth) operating in the band 1215-1300 MHz[R].International Telecommunications Union，2012.
[4] Recommendation ITU-R M.2220-0.Calculation method to determine aggregate interference parameters of pulsed RF systems operating in and near the bands 1164-1215 MHz and 1215-1300 MHz that may impact radionavigation-satellite service airborne and ground-based receivers operating in those frequency bands[R].International Telecommunications Union，2011.
[5] Recommendation ITU-R M.2030.Evaluation method for pulsed interference from relevant radio sources other than in the radionavigation-satellite service to the radionavigation-satellite service systems and networks operating in the 1164-1215 MHz, 1215-1300 MHz and 1559-1610 MHz frequency bands[R].International Telecommunications Union，2012.
[6] Recommendation ITU-R RS.2311.Pulsed radio frequency signal impact measurements and possible mitigation techniques between Earth exploration-satellite service(active) systems and RNSS systems and networks in the band 1215-1300 MHz[R].International Telecommunications Union，2014.
[7] 汪海波.大時帶寬線性調頻信號產生方法與系統實現技術研究[D].長沙：中國人民解放軍國防科學技術大學，2002.
[8] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2009.
作者信息:
趙冠先，趙思浩，崔曉偉
(清華大學 電子工程系，北京100084)
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