电磁兼容试验中卫星信号覆盖技术研究与实现

吴佳欢舒晓莲田禾箐/ 1.上海交通大学；.上海市计量测试技术研究院

电磁兼容试验中卫星信号覆盖技术研究与实现

吴佳欢1，2舒晓莲2田禾箐2/ 1.上海交通大学；2.上海市计量测试技术研究院

分析了卫星导航、电磁兼容试验和室内移动通信信号覆盖技术的基本原理，以及卫星信号模拟器的缺陷，排除其作为卫星信号覆盖方案的可能性。根据移动通信室内信号覆盖技术的设计思路，提出一套卫星信号覆盖系统的设计方案，并对整个系统的功率链路预算进行研究，实现了硬件系统的搭建。通过驻波比、输出特性、搜星数的测试，验证了系统良好的信号覆盖功能。

卫星导航；电磁兼容；信号覆盖；链路预算

0 引言

随着卫星导航技术的迅猛发展，我国已成为卫星导航终端产品的主要出口国。然而市场中该类产品的质量良莠不齐，主要问题集中于电磁兼容指标。众所周知，一般电磁兼容试验在电磁屏蔽室内进行，由于金属外壳的阻挡，实时的卫星信号无法进入电磁屏蔽室，导致终端产品不能进入工作状态，也就无法在工况下实施电磁兼容测试。为了解决“电磁屏蔽”和“工作状态”这对矛盾，需要研究使用特殊的方法在电磁屏蔽室内进行卫星信号覆盖，这对卫星导航产品的电磁兼容检测研究具有重大意义。

1 卫星导航系统基本原理

GPS系统是迄今为止使用最为广泛的卫星导航系统，主要由三个独立部分组成，分别是空间星座、地面控制和用户设备。GPS系统能够导航定位的工作原理简单概括如下：空间星座部分的卫星群向地面发射信号，地面控制部分通过接收、测量卫星发出的信号确认卫星的运行轨道，然后将卫星轨道信息发送回卫星，再由卫星将这些轨道信息向地面转播。根据三点定位原理，用户设备部分卫星导航接收机至少接收到三颗卫星信号的数据方可解算出自身的空间位置数据。由于卫星时间和接收机时间不同步，因此在实际应用中还需要通过第四颗卫星的数据来消除时钟差。

GPS卫星信号L1波段的载波频率为1575.42 MHz。由于卫星信号在自由空间传播时损耗掉一定的能量，到达地面的信号很微弱。依据《GPS标 准定位服务（SPS）信号说明书》，卫星信号到达地球表面的功率应不小于-160 dBW（相当于-130 dBm）［2］。

对于卫星导航接收机而言，灵敏度是最为重要的性能指标，其表征了接收微弱信号的能力，通常以能够辨识的最小功率信号来表示（单位为dBm），也就是灵敏度数值越小，灵敏度越高。经过调研发现，目前GPS芯片基本上可以实现跟踪灵敏度在-160 dBm左右，该数值对本文研究装置的系统链路功率预算有重要意义。可以适当考虑降低灵敏度的数值进行设计（例如-150 dBm），确保在电磁屏蔽室内的卫星导航接收机可以正常工作。

2 卫星信号模拟器的缺陷

国外许多实验室利用卫星信号模拟器开展卫星导航产品的研发调试工作。卫星导航信号模拟器是一种高精度的标准信号源，它根据载体动态特性、电离层和对流层等因素对卫星信号的影响，模拟产生接收机接收到的各颗卫星的导航信号，从而为导航接收机的研制开发、测试提供仿真环境［3］。在普通室内研发环境中，可以采用卫星导航信号模拟器接入的解决方案。但在电磁兼容试验环境中，如果利用模拟器进行电波暗室内卫星信号覆盖（如图2）的方案存在一些缺陷。

1）通常的卫星导航信号模拟器只能模拟1颗卫星，而在真实状况下，至少需要4颗卫星才能实现定位。

2）卫星导航信号模拟器多采用N型或SMA型的同轴接口方式接入电波暗室，但多数情况下这些接口与受试的卫星导航产品不匹配，需要进行转接和直流隔离处理。

3）卫星导航信号模拟器容易受到试验电磁场的干扰。在强电磁场干扰下模拟器容易被打坏而产生故障，或对电波暗室内的电磁环境存在干扰。

4）卫星导航模拟器的功能强大，如仅提供卫星信号覆盖，则大材小用，浪费资源。

5）多颗卫星的模拟器需要具备矢量信号功能，价格非常昂贵，中小型的测试机构无力承担。

图2 卫星信号模拟器信号覆盖下的测试示意图

所以，虽然卫星信号模拟器的功能强大，足以满足令被测设备处于工作状态的要求，但是在严苛的电磁兼容试验环境下，利用卫星信号模拟器进行卫星信号覆盖的方案还是存在着诸多的缺陷和不适应。

3 移动通信室内信号覆盖技术

在调研中发现，在一些大型地下停车场、新建的大型超市、办公楼、地铁内部的卫星信号很差，导航仪经常搜不到足够的卫星。乘坐地铁时大家都会有这样的经历，当地铁车厢在高速前进时甚至连移动通信的手机信号都没有，电话经常会拨不通或者通话突然中断。这种信号被阻隔情况与在电波暗室或电磁屏蔽室里的情况类似，其原因主要是建筑物、地层对信号有着阻挡作用，从而形成了信号的盲区。但是一旦地铁进入站台之后，手机4G信号就会恢复。移动运营商采用室内信号覆盖系统来解决盲点区域信号覆盖的问题。系统主要由信号接入和信号分布两部分组成（如图3），其原理为通过不同的信号接入方式和室内分布系统，将基站信号科学、合理、均匀分配到室内每一个角落，而又不产生相互干扰。互不干扰的原则与电磁兼容追求的目标也是一致的。信号从覆盖天线到手机终端的无线链路中存在着自由空间损耗，工程上常用估算公式计算该损耗。电波从发射机到接收机的自由空间损耗为引入自由空间损耗Lo，计算公式如下：

式中：d——发射机到接收机的距离，km；

f——系统的工作频率，MHz

图3 典型室内信号覆盖系统示意图

4 系统设计方案及实现

4.1 系统硬件结构图

借鉴移动通信的成熟技术，一个完整室内信号覆盖装置的基本组成部分包括信号接入和信号分布系统两大部分。考虑室内和电波暗室等实验室条件，本项目的信号接入模块与移动通信大体相同，信号分布模块则分为信号转发、信号发射、信号传输三部分。本卫星信号覆盖系统的架构如图4所示。

图4 卫星信号覆盖装置硬件结构

4.2 系统链路预算

根据图4，为保证卫星信号通过整个信号覆盖系统的覆盖效果，系统输出的功率通过屏蔽室内自由空间链路后，应不小于卫星导航接收机的灵敏度-150 dBm，由此可以得到整个卫星信号覆盖系统的链路功率预算模型为

式中：Pin——接收天线处的卫星信号输入功率；

Gsys——整个信号覆盖系统中的增益；

Lsys——整个信号覆盖系统中的损耗；

Lo——卫星信号从发射天线到卫星接收机的自由空间传播损耗

由于卫星信号到达地球表面的功率应不小于-160 dBW（相当于-130 dBm），则可得Pin= -130 dBm。根据室外至电波暗室的距离，整个系统设计使用了一根30 m和两根10 m的同轴电缆，总长度在50 m左右。根据该类电缆每米约为0.5 dB的损耗数，估算整个系统的电缆损耗约为Lsys= 25 dB左右。以GPS系统L1端为例，载波频率f = 1 577.42 MHz。对于标准十米法半电波暗室来说，暗室内空间尺寸要求一般为20 m×10 m×8 m。经过计算，暗室最长的直线距离为对角线长度24.7 m，除去四周吸波材料长度约2 m，并考虑天线、被测设备距墙1 m以上的放置要求，发射天线到被测设备的最大距离为19 m，即d≈0.019 km。将已知条件代入式（1）可计算得：

根据以上已知条件，代入式（2）可得：

即当系统增益Gsys≥67 dB时就能满足暗室内卫星导航接收机最小接收功率的要求。

整个系统的增益Gsys由接收天线的低噪声放大器增益Gr和信号转发器增益Gamp两部分内容组成。根据卫星导航接收天线调研情况，现在的有源天线基本上可以达到40 dB的增益，所以信号转发器的增益只要选择不小于27 dB的产品就能满足暗室内卫星信号覆盖的要求。为了给系统留足功率的余量，考虑选择转发器增益Gamp＞ 50 dB的设备。

4.3 系统实现

根据系统硬件设计内容，采用有源接收天线、信号转发器、无源发射天线等设备搭建卫星信号覆盖系统。

4.3.1 有源接收天线

安置于室外的有源卫星信号接收天线如图5所示，该天线内置的低噪声放大器可以令增益达到40 dB。安装接收天线时其信号接收面应平行于地面，以达到最佳接收效果。天线和电缆线铺设时，应远离高压线及强电场、磁场、电源线、电话线等干扰源。电缆线长度多出时不要盘起，应拉直，以免产生电磁场导致信号衰减。如天线长期安置于建筑屋顶等环境，为防止因馈线感应雷击冲击过电压而对接收设备造成损害，应在天线馈线上加装避雷装置。

4.3.2 卫星信号转发器

卫星信号转发器是本套系统中最重要的设备，其安置于实验室室内（非暗室内），主要是对接收天线传输的卫星信号进行放大和滤波等处理。卫星信号转发器的正面和背面如图6所示。正面显示增益高低，背面是信号输入/输出口和电源接口，方便电缆连接。该卫星信号转发器最大增益达到80 dB左右，可以满足4.2章节中系统功率链路预算Gamp＞50 dB的设计值。

图5 有源卫星信号接收天线

图6 卫星信号转发器（正反面）

4.3.3 发射天线

参照移动通信室内信号覆盖系统，发射系统采用的是无源器件，主要考虑其无噪声累积的优点。发射天线如图7所示。

图7 发射天线

5 系统功能验证

在系统搭建的过程中启动了天线、部分模块的功能验证工作。待系统搭建完毕后，为了验证整个系统功能是否实现，设计了试验方法，并将部分试验数据与卫星信号模拟器的数据进行比对，证明了卫星信号覆盖系统的良好性能。

5.1 接收/发射天线接电缆的驻波比测试

虽然接收天线和发射天线的技术指标中都标注了驻波比，但是连接电缆后线上衰减增加，驻波比会发生变化，考虑使用微波网络分析仪来测量驻波比。网络分析仪扫频范围设置为1.5～1.6 GHz，该频段为本系统的最佳功能频段，同时也覆盖了GPS系统L1频段和北斗B1频段的范围。测量结果如图8所示。从图中可以发现，发射/接收天线接电缆模块的驻波比随着频率的变化而变化。最大的驻波比为小于2.5左右，相当于传输功率的81.63%；最小的驻波比为1.13左右，相当于传输功率的99.6%。频标1.575GHz处的驻波比为2.0左右，相当于传输功率的88.9%，也就是说，有88.9%的功率被传输出去了。由此可见，在1.5～1.6 GHz的最佳工作频率范围内，系统的功率传输率达到了81.63%以上。

图8 系统发射/接收天线在最佳工作频段的驻波比曲线

5.2.2 系统输出特性测试

卫星导航信号覆盖装置搭建完成后，对系统的信号输出特性进行了验证。将电波暗室内的发射天线撤去，换成频谱分析仪接入整个信号覆盖系统。将信号转发器增益设置为高增益，对电波暗室内覆盖系统的输出电平进行测试。频谱分析仪中心频率设置为1.575 GHz（GPS L1频段载波频率），扫描频率（scan）设置为150 MHz，分辨力带宽（RBW）设置为10 MHz，视频带宽（VBW）设置为10 MHz，测试结果如图9所示。由图9可见，测得的卫星信号电平典型值稳定在-30 dBm（上线）左右。为了与卫星信号模拟器的输出信号电平值作一个比较，将卫星信号模拟器的输出端同时接入频谱分析仪的第二输入通道，结果显示为图9中电平值-60 dBm （下线）。由此可见，系统的输出电平远高于常规卫星信号模拟器的最大输出电平值（-60 dBm），信号接收情况满足要求。

图9 卫星信号覆盖系统和卫星信号模拟器输出特性测量电平比较

5.2.3 卫星导航接收机搜星数测试

对接收天线、发射口都做了测试，获得满意的结果后，最终还是要验证卫星导航接收机在电波暗室中是否能搜到足够的卫星数量并解算出位置数据。利用卫星信号接收机上的状态监控软件对卫星信号进行解码测试，结果如图10所示。从接收机显示界面中可见，在卫星信号覆盖系统下，可见卫星的总数为16颗，可用卫星的总数为12颗，其中信噪比大于30 dB的卫星数量有6个，最高的信噪比可以达到41 dB，符合卫星导航定位原理中三点空间定位和第四星求解时钟差的原则，满足了可用卫星4颗以上的定位要求。同时与卫星导航信号模拟器数据作一个比较，通常卫星信号模拟能模拟的最大卫星数也仅10颗，因此本信号覆盖系统也超出了卫星信号模拟器可模拟的星数。

7 结语

本文实现的电磁兼容试验环境下卫星信号覆盖系统具备了简单而真实的特点。系统结构简单、容易实现，卫星导航终端设备可以在电波暗室中直接接收到真实卫星信号，实现的定位状态与设备实际所在地完全一致。通过与卫星信号模拟器的相关数据作比较，本套卫星信号覆盖系统的输出电平和搜星数都优于卫星信号模拟器的指标。系统研制和调试安装的经费支出只需数千元，与动辄数十万元人民币的卫星信号模拟器相比，具有更好的经济效果和实用效果。

图10 卫星导航接收机搜星数情况

［1］郝艳萍. 1957年苏联人造地球卫星与美国高等教育改革［J］. 黑龙江高教研究，2011，03：9-12.

［2］Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification， Second Editions， June 2， 1995. Available at： http：//www. navcen.uscg.gov.

［3］DONG Lei. IF GPS signal simulator development and verifica-tion ［D］. Calgary Alberta：Department of Geomatics Engineering，2003.

［4］陈穷，蒋全兴. 电磁兼容工程设计手册［M］. 北京：国防工业出版社，1993.

Research and implementation of satellite signal coverage technique in electromagnetic compatibility testing

Wu Jiahuan1，2，Shu Xiaolian2，Tian Heqing2
（1.Shanghai Jiaotong University；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper analyzes the basic principles of satellite navigation，electromagnetic compatibility test and indoor mobile communication signal coverage technique， and discusses the defects of the satellite signal simulator，which is excluded as a satellite signal coverage scheme. According to the design idea of indoor mobile communication signal coverage technique， this paper proposes a design scheme of satellite signal coverage， and conductes the research to the link power budget for the whole system， meanwhile realizes the building of hardware system. The good signal coverage function of the system is verified by the test of standing-wave ratio， output characteristic and the number of searching stars.

satellite navigation； electromagnetic compatibility； signal coverage； link budget