半封闭环境下卫导信号转发系统设计

王鼎元 古 强 于海涛 张 帆 向宏伟

（成都飞机工业（集团）有限公司，四川 成都610092）

1 概述

根据卫星定位原理，卫星导航信号接收机收到不少于四颗卫星的卫星信号，信号经处理后得到卫星的空间坐标、距离测量值信息；然后接收机内部复制伪码，并将此复制码与其接收到的卫星信号做相关运算，最后根据所得的伪码自相关函数的峰值来测量码相位，进而得出飞机天线的空间位置，即实现飞机的精确定位。

然而在半封闭环境下（如机库）飞机进行定位工作时，经常出现卫星定位失败的情况。原因在于：在半封闭环境下，天线不仅能接收到卫星直射波信号，还能接收到穿透过多层介质和遭遇过多次反射而强度变弱的多路信号，即多路径效应[1]；如果接收到的同一颗卫星的信号是由直射波和多个反射波叠加而成的，那么接收机内部复制的伪码会同时与直射波和各个反射波做相关运算，使原本只反映直射波码相位情况的自相关函数主峰遭到变形，从而严重时导致码相位失锁，即卫星定位失效[2]。

传统的室内卫导信号转发技术在半封闭环境下有如下缺点：只是将卫星信号滤波放大，虽然解决了信号强度问题，然而半封闭环境下到达接收机的信号既有来自室外或穿透过多层介质的直射信号，也有遭遇过室内多次反射的信号，因此传统的转发技术不能有效排除半封闭环境较突出的多路径干扰。

本文提出一种适用于半封闭环境的卫导信号转发系统，该系统能够有效避免半封闭环境多路径效应。

图1 系统设计示意图

2 系统设计及原理

本文设计的卫导信号转发系统如图1 所示，由库外接收天线、信号处理机、库内发射天线和转发天线罩组成。

其中信号处理机由射频前端、射频收发通道、A/D 与D/A 转换、数字信号控制、数据存储、信号提纯、电源转换、监测接收机等单元组成，对外控制接口为RS232 串口，设备中数据的频率偏移、记录、回放以及信号增益等参数可由控制计算机通过该串口控制与输出，工作原理图见图2。

图2 信号处理机原理图

库外接收天线包括北斗B1/B3 和GPS L1 卫星信号接收天线，均为右旋圆极化天线。库外射频前端包括北斗B1/B3 以及GPS L1 三个频段的低噪声放大电路等，其作用是对接收到的卫星导航信号进行低噪声放大与滤波，并提供足够的增益，以便通过射频电缆对其进行传输至室内供射频通道电路接收。

库内发射天线将信号处理机输出的北斗B1/B3 和GPS L1卫星信号发射出去供目标接收机接收，发射天线采用的是垂直极化天线。

射频接收通道将接收到的卫星信号变换为中频信号，经过A/D 转换电路采样后变为数字信号，由数字信号控制电路进行格式变换后进行存储。回放的数据通过数字控制电路进行格式转后由D/A 转换电路转变为中频信号，再由发射通道转变为射频信号后输出。

为了检测抗干扰调零天线，信号提纯单元选取B3 频段数字信号进行载波与伪码捕获与跟踪，提取出每颗卫星的载波与伪码信息，然后再进行伪码调制，从而获得纯净的卫星导航扩频数字信号，转变为射频模拟信号后用于调零天线检测。

3 关键技术分析

3.1 频率偏移可调二次转发技术

传统的卫导信号转发器按照原频率对卫导信号进行转发，该方法在半封闭环境下无法避免室外直射信号与转发信号之间的多路径效应。

为避免以上问题，本装置在信号转发时使用频率偏移[3]可调二次转发技术。

如图1 所示，一方面，本系统在首次转发时具有频偏功能，且偏移档位通过串口接入软件可调；将卫星信号的频率偏移至特定频率后再向机库内发射，能够有效避免来自室外信号的多径干扰。

另一方面，本系统的二次转发天线罩置于飞机卫导天线上，该天线罩的信号接收机能够匹配接收频偏信号，档位同样软件可调；经二次转发天线罩反变换处理后得到的真实卫星信号被转发至飞机天线，保证飞机对真实卫星信号的接收。

转发天线罩设计方面：不仅信号屏蔽能够保证外部真实信号的干扰；而且内表面增加信号吸波材料，有效减少罩内信号反射产生的多径效应。

采取频偏可调的二次转发技术不仅能有效减少本机接收卫星信号的多路径干扰，而且在相邻机位采取不同频率进行二次转发，还能避免同频率转发装置之间的相互干扰。

经计算，当频率偏移值设置为N×50kHz（N=0，±1，±2，…）时，可屏蔽真实卫星信号的影响。

3.2 转发天线方向性

为保证信号区域全向覆盖，传统的卫星信号转发天线通常采用右旋圆极化[4]方式，此类方式将信号向所有方向均匀辐射出去，因此它辐射的信号功率只有很少一部分传播到目标接收机。同时由于机库内金属反射物较多，全向天线不仅对目标飞机没有指向性，而且会造成更严重的多径效应。

本系统环境下飞机位置通常比较固定，所以采用更具方向性的垂直极化天线[5]，从而保证信号主瓣更具指向性。一方面提高飞机接收信号功率，另一方面更大程度减少信号反射产生的多路径干扰效应。

3.3 射频收发通道设计

转发装置对卫导信号北斗B1/B3 和GPS L1 每个频点的收发通道具有相同的电路架构，框图见图3。其中为了适应转发环境的变化，转发增益需要有一定的调整范围[6]，增益的变化通过控制发射通道的数控衰减器来实现。

图3 收发通道框图

各频点接收通道设计指标见表1，各频点发射通道设计指标见表2。

4 实验验证

本系统样机经过了机库内半封闭环境的验证，实验中选取了多组频率偏移和辐射功率增益值进行了对比，主要数据记录如表3 所示。实验情况表明，频率偏移值和转发功率的调节能够有效提高目标接收机的搜星效果。

表1 接收通道设计指标

表2 发射通道主要设计指标

表3 实验情况表

5 结论

半封闭环境下飞机不仅会接收到来自库外的卫导直射信号，而且会收到经环境反射的多路信号。严重的多路径效应使得传统的卫星导航信号转发装置不适用于机库这类半封闭环境。实验证明，本文研究并设计的基于频率偏移可调二次转发的系统能够通过频率偏移更具方向性的垂直极化天线，以及转发增益可调等关键技术手段有效避免飞机端接收信号的多路径效应。