窄带干扰信号对北斗三号B2信号质量的影响

王鹏博,贺成艳,杨倩倩,佟文华

(1. 中国科学院国家授时中心, 陕西 西安 710600; 2. 中国科学院大学微电子学院, 北京 101408;3. 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 101408)

0 引 言

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)空间信号质量的优劣决定了整个卫星导航系统的极限,是影响定位、测速和授时(position, velocity, timing, PVT)性能的关键因素。然而,导航信号质量在产生、传输和接收的每个环节均可能发生恶化,导航系统的精度、可靠性、连续性、完好性都将受到威胁,直接影响系统的服务性能。随着社会经济的飞速发展,空间电磁环境日趋复杂,人们对导航系统PVT精度需求越来越高。然而地面实际接收到的信号功率非常微弱,当有用信号的功率完全淹没于强干扰信号时,可能会对卫星信号质量造成很大影响,进而引起测距误差,影响用户定位精度,因此干扰问题对信号质量的影响不容忽视。

影响导航系统的干扰信号分为欺骗干扰和压制干扰两种,根据干扰及导航信号频谱宽度的相对大小,可将干扰分为单音干扰、窄带干扰和宽带干扰。窄带干扰是指干扰信号所占带宽小于导航信号带宽的10%,否则认为是宽带干扰。窄带干扰相比于宽带干扰的突出特点是频域集中,干扰功率集中在较小的频段内,易操作且影响效果显著,是空间环境中最常见的干扰类型,因此本文主要研究窄带干扰对信号质量的影响。

目前已有很多文献研究干扰对接收机性能的影响:受干扰环境影响,接收机的捕获和跟踪能力将会降低,接收机的量化损耗会显著增加,并与干扰功率呈正相关。文献[9-10]分析了连续波和脉冲干扰信号对全球定位系统(Global Positioning System, GPS) L1 C/A信号载噪比的影响。文献[11]重点分析了伽利略信号对窄带干扰的鲁棒性。文献[12]认为窄带干扰下伽利略1信号比GPS L1 C/A信号具有更好的跟踪性能。文献[13]研究分析窄带和宽带干扰信号对民用L1/E1信号的影响,指出在某些干扰情况下传统的GPS L1 C/A信号谱线密度较低,比现代信号具有更高的可用性。文献[14]指出软件接收机能够在干信比(jamming to signal ratio, JSR)高达45 dB的情况下依旧保持跟踪回路。针对干扰问题对信号质量信号层的时域、频域、相关域等影响的研究较少。文献[2]研究分析了干扰对GPS L1的影响,指出干扰会引起码抖动及S曲线失真,导致测距误差。文献[15-16]对比了单音干扰、多音干扰、部分频带干扰对北斗二号卫星导航系统信号功率值、星座图、相关损耗的影响,但是没有结合北斗空间信号接口文件(interface control document, ICD)规定指标及标准对影响程度进行评估,部分频带干扰中没有区分宽带干扰与窄带干扰,缺少干扰信号强度变化对信号质量及其测距性能的影响研究。

2020年7月31日,北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)(以下简称BDS-3)正式开通,标志着我国北斗事业进入全球服务新时代。BDS-3 B2信号新增播发B2a信号,采用非对称恒包络二进制偏移载波(asymmetric constant envelope binary offset carrier, ACEBOC)调制,相比于老信号结构更灵活,分量更多,带宽更宽,对空间信号质量提出了新的挑战及更高的要求。本文对B2新信号及窄带干扰信号仿真建模,结合文献[17-18]中提出的信号质量评估方法,对比ICD对信号质量指标做出的要求,重点研究窄带干扰信号中频、带宽及JSR参数变化对BDS-3 B2信号质量频域、相关域的影响情况和变化趋势,再结合昊平观测站的40 m大口径高增益天线采集窄带干扰下的实测卫星信号进行对比验证。

1 BDS-3 B2频点信号特性

1.1 B2频点信号基本结构

北斗B2频点信号采用ACEBOC调制方式,载波频率为1 191.795 MHz,B2信号由B2a和B2b两路信号构成,其中B2a载波为1 176.45 MHz,B2b载波为1 207.14 MHz,两个信号带宽均为20.46 MHz,B2信号总带宽为51 MHz。其中B2a为ACEBOC(B2a/b) 的下边带,采用正交相移键控(quadrature phase shift keying, QPSK)调制;B2b为B2的上边带,其正交分量B2bI和B2bQ均采用二进制相移键控(binary phase shift keying, BPSK)调制,B2各支路信号的功率比为5∶5∶4∶4。根据ICD定义,两路信号的基本参数如表1所示。

表1 B2信号结构

1.2 B2信号生成

B2信号生成原理如图1所示。

图1 B2信号生成图Fig.1 B2 signal generation organigram

数据分量中待传输的导航电文信息通过伪码进行扩频,再与导频分量通过ACEBOC调制器分配到载波上,经高功率放大器(high power amplifier, HPA)输出即可得到B2信号。其中,B2b用于数据传输,B2a用于导航,且可与Galileo E5a和GPS L5实现互操作,所以本文重点研究窄带干扰对B2a新信号的影响,B2a信号建模如下。

B2a信号由数据分量B2a_data和导频分量B2a_pilot构成,两者均采用BPSK(10)的调制方式进行调制,可将信号表示为经载波调制后的带通信号:

(1)

式中:为信号载波频率;为信号功率;()为数据分量,由导航电文数据()和测距码()调制而成;导频分量()仅包括测距码()。

2 窄带干扰信号建模

本文采用BPSK信号通过锐截止滤波器得到窄带干扰信号,对其建模如下:

(2)

式中:表示窄带干扰功率;表示窄带干扰频率;表示窄带干扰中心频率;()表示窄带干扰信号伪码;为窄带干扰带宽。

接收机接收到干扰下的B2信号可表示为

(3)

调整、、就可以分别调整干扰信号的功率、带宽和中频。可见干扰部分位于信号功率谱的顶部,因此为了表征干扰信号和导航信号相对功率强度,以JSR作为度量指标,表达式为

(4)

本文主要研究的是、、JSR 3个参数的变化对B2信号质量的影响。

3 信号质量评估参数

信号质量评估指标主要包括时域、频域、相关域、调制域。其中,合成功率谱偏差是评估频域的重要项,是信号失真最直观的体现之一。相关损耗直接引起信号接收功率下降,信号载噪比降低,进而影响用户的测距精度。S曲线过零点偏差(S-curve offset biases, SCB)是衡量导航载荷失真引起的测距误差的关键指标,反映导航信号测距定位性能,信号失真时,相关函数变形,使得鉴相函数产生畸变,导致接收机超前-滞后码跟踪产生相应的跟踪误差。所以本文主要从功率谱、相关损耗、S曲线过零点偏差3个方面对受窄带干扰的BDS-3 B2信号进行评估。

3.1 功率谱偏差

采用Welch周期图法来评估BDS信号功率谱,设导航信号为(),分段数据长度为,则导航信号功率谱可表示为

(5)

在确保功率谱分辨率相同并优于1 kHz情况下,将实际信号功率谱与理论信号功率谱相减,在指定的带宽内计算功率谱残差,通过分析功率谱残差曲线特性可反映出信号畸变带来的频域影响。

3.2 相关域

导航信号相关函数常作为信号质量评估的重要内容。相关函数主要在信号跟踪过程中,得到载波频率和为码相位,对接收的导航信号进行载波剥离和多普勒去除,得到两路正交基带信号,使用互相关方程(cross correlation function, CFF)对基带信号与本地参考码进行互相关运算,而相关函数异常,则会导致伪距误差。卫星信号的相关函数曲线为

(6)

式中:表示实测卫星信号测距码;Re为本地接收机产生的理想复制码;为相关积分时间,多采用测距码周期。通过对比实测相关函数与理想相关函数,分析实测相关函数的相关损耗,S曲线过零点偏差,可以直观地从相关峰的对称性和平滑性来判断信号异常,评估接收到的受干扰卫星信号在测距性能方面的影响。

321 相关损耗

相关损耗指的是同频带带宽下实测信号与理想信号的功率差,表达式如下:

=max(20lg(CCF())

(7)

CL=CCF-CCF

(8)

式中:CCF表示实测信号功率,CCF表示理想信号功率,单位为dB;CL表示相关损耗,单位为dB。相关损耗值越大,信号相关峰峰值下降程度越严重。ICD中规定B2的相关损耗不超过06 dB。

322 SCB

理论上,接收机码环鉴相曲线的过零点,即码环的锁定点,应位于码跟踪误差为零处,而实际上由于各种干扰的影响会引起码环锁定存在偏差,相关峰的对称性发生畸变,由于用户接收机设置带宽和相关器间隔之间的差异,会造成严重的测距误差。

以具有代表性的非相干超前减滞后功率型鉴相器为例,设其相关器的超前-滞后间距为, S曲线的表达式为

(9)

S曲线偏差()满足

((),)=0

(10)

则SCB表示为

SCB=max(())-min(())

(11)

4 干扰对B2信号质量影响研究

4.1 仿真建模

本文依据第2和第3节内容,仿真建模B2信号和干扰信号,其中B2信号仿真的是BDS-3 伪随机噪声码PRN=22的卫星信号,时长为1.5 s,中频为62.5 MHz,采样率为250 MHz,干扰信号参数设置如表2所示。

表2 干扰信号参数设置表

(1) 干扰中频:选择47.5 MHz及52.5 MHz频点。图2给出了未加干扰、干扰带宽为4.092 MHz且JSR为12 dB条件下,不同干扰中频的B2功率谱对比图。

图2 不同干扰中频下的B2信号功率谱对比图Fig.2 Comparison of the B2 signal power spectrum under interference of different center frequencies

(2) 干扰带宽:B2信号带宽为51 MHz,B2a信号带宽为20.46 MHz。干扰信号带宽选择1.023 MHz、2.046 MHz、4.092 MHz,分别为B2信号带宽的2%、4%、8%。图3给出了干扰中频为47.5 MHz且JSR为0 dB条件下,干扰带宽分别为1.023 MHz、2.046 MHz、4.092 MHz以及未加干扰的B2功率谱对比图。JSR为0 dB时,导航信号和干扰信号功率相等,由于干扰带宽较窄,所以即使干扰功率低于信号功率,干扰功率峰值仍然会高于信号峰值,所以仍能监测到干扰,并且在相同干扰功率情况下,干扰功率谱峰值随干扰带宽增大而降低。

图3 不同干扰带宽下的B2信号功率谱对比图Fig.3 Comparison of the B2 signal power spectrum under interference signals of different bandwidths

(3) JSR:本文仿真分析了JSR值分别为-15、-14、-13、-12、-9、-6、-3、0、3、6、9、12 dB时的窄带干扰信号对信号质量的影响情况。这里为了便于分析说明,图4仅给出了未加干扰、JSR为0 dB、3 dB和6 dB时的B2功率谱对比图。从图4中可以看出随JSR增大, B2信号中叠加干扰信号处的功率谱峰值随之增高。

图4 不同JSR下的B2信号功率谱对比图Fig.4 Comparison of the B2 signal power spectrum under interference signals of different JSRs

图5给出了图4条件下B2a的相关曲线对比图。

图5 不同JSR下的B2a相关曲线对比图Fig.5 Comparison of the B2a branch correlation curve under interference signals of different JSRs

由图5分析可得,未加干扰的相关峰值在横坐标为0时达到最高为1,干扰存在后,相关峰峰值下降,随JSR增大,相关峰峰值下降幅度明显加大,在JSR为6 dB时,相关峰峰值最大值接近0.55,相关曲线受到很大影响,所以下一节我们将重点研究不同程度的干扰对信号质量影响情况。

4.2 干扰对信号质量影响仿真分析

4.2.1 功率谱偏差仿真分析

图6是干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时功率谱偏差变化对比图,图中纯色矩形条为干扰中频为47.5 MHz时的评估结果,斜线矩形条为干扰中频为52.5 MHz时的评估结果。

图6 干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时功率谱偏差变化仿真对比图Fig.6 Comparison of power spectrum bias assessment simulation results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

从图6中可以看出:

(1) 干扰越接近主瓣中心处,对功率谱偏差影响越大。相同干扰带宽,相同JSR条件下,干扰中频为47.5 MHz比中频为52.5 MHz的功率谱偏差最大差1 dB。

(2) 功率谱偏差受JSR影响较大。相同干扰中频及带宽条件下,JSR由-15 dB增大至12 dB,干扰信号功率谱峰值增高,功率谱偏差变化范围从1.1～1.6 dB增大至16.7～20.5 dB,上升趋势先平缓后逐渐陡峭,说明随JSR递增,评估结果增幅逐渐加大。在带宽为4.092 MHz条件下,JSR为12 dB时比JSR为9 dB时的功率谱偏差大4.2 dB,此时增幅相对较大,为图6功率谱偏差结果中的最大增幅。

(3) 功率谱偏差受带宽影响较大。相同干扰中频及JSR条件下,干扰带宽由1.023 MHz增大至4.092 MHz,干扰信号功率谱峰值降低,功率谱偏差随之增大,且增长趋势先平缓后逐渐陡峭,增幅从0.1 dB增大到1.5 dB。

4.2.2 相关损耗仿真分析

JSR为-14 dB时相关损耗已经接近指标临界值,因此为清晰地体现超差变化,图7只给出截取临界值附近的相关损耗变化对比图。

图7 干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时的相关损耗 变化仿真对比图Fig.7 Comparison of correlation loss assessment simulation results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

从图7中可以看出:

(1) 干扰越接近主瓣中心处,对相关损耗影响越大。相同干扰带宽、相同JSR条件下,干扰中频为47.5 MHz时比中频为52.5 MHz时的相关损失最大差0.02 dB。

(2) 相关损耗受JSR影响较大。JSR为-14 dB时,相关损耗在指标范围临界处(规定标准0.6 dB);JSR为-13 dB时,相关损耗结果超差,且超差随JSR增大而愈加严重。

(3) 相关损耗受干扰带宽影响甚微。相同干扰中频、相同JSR条件下,干扰带宽增大,相关损耗各结果之间相差小于0.005 dB。

4.2.3 SCB仿真分析

SCB数值较小,因此图8只给出干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时数值变化较明显的SCB对比图。

图8 干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时的SCB变化 仿真对比图Fig.8 Comparison of SCB assessment simulation results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

从图8中可以看出:

(1) SCB结果未超差,但存在超差趋势。

(2) 干扰越接近主瓣中心处,对SCB影响越大。相同干扰带宽、JSR条件下,干扰中频为47.5 MHz时比干扰中频为52.2 MHz时的SCB结果最大差0.023 ns。

(3) SCB受干扰JSR影响较大。相同干扰条件下,JSR由0 dB递增至12 dB,SCB变化范围从0.003～0.014 ns增大到0.024～0.075 ns,上升趋势先平缓后陡峭,说明随JSR递增,评估结果增幅逐渐加大,在带宽为4.092 MHz条件下,JSR为12 dB比JSR为9 dB的SCB大0.13 ns,为图8所示结果中的最大增幅。

(4) SCB受干扰带宽影响较大。相同干扰中频及JSR条件下,干扰带宽由1.023 MHz增大至4.092 MHz,SCB随之增大,且增长趋势愈加陡峭,增幅从0.001 ns增大到0.028 ns。

5 实测数据验证分析

本文采用某观测站40 m大口径高增益天线采集BDS-3 B2频点PRN=22的卫星信号,干扰信号由E8267D矢量信号发生器生成,天线采集的B2频点信号经LNA和射频通道后,与干扰信号在合路器进行叠加,利用频谱仪得到受干扰的信号频谱图,由采集卡采集1.5 s的数据,中频为62.5 MHz,采样率为250 MHz,在软件接收机搜索带宽为5 kHz,相关器间隔为0.2码片条件下进行捕获、跟踪以及评估分析。实测数据采集框图如图9所示。

图9 实测数据采集框图Fig.9 Actual signal data collection organigram

5.1 功率谱偏差验证分析

图10是干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时的功率谱偏差结果变化对比图。

图10 干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时功率谱偏差 变化实测对比图Fig.10 Comparison of power spectrum bias assessment actual results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

从图10中可以看出:

(1) 相同条件下,实测信号与仿真信号评估结果相近,相差不到0.02 dB。

(2) 实测结果与仿真结果变化趋势相同。实测信号功率谱偏差随JSR、带宽增大而增大,且上升趋势线的上升角度先平缓后愈加陡峭;干扰越接近主瓣中心处,对信号质量影响越大。

5.2 相关损耗验证分析

图11是干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时的相关损耗结果变化对比图。

图11 干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时的相关损耗 结果变化实测对比图Fig.11 Comparison of correlation loss assessment actual results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

从图11中可以看出:

(1) 实测信号经过空间信道传输、通过射频通道由采集卡采集,不可避免地受到空间电磁干扰及实验器件的影响,由于本文主要分析信号质量随干扰变化趋势之间的关系,所以在计算相关损耗时并未扣除空间和地面接收通道的影响。从图7和图11中可以看出实测数据比仿真信号的评估结果大0.02 dB,但整体来看变化趋势与仿真信号相同。

(2) 干扰越接近主瓣中心处,对相关损耗影响越大。相同干扰带宽及JSR条件下,干扰中频为47.5 MHz时比中频为52.5 MHz时的相关损耗最大差0.1 dB。

(3) 相关损耗受JSR影响较大。JSR为-14 dB时,相关损耗在指标范围临界处;JSR为-3 dB时,相关损耗最小为1.2 dB,超差严重,且超差随JSR增大而愈加严重。

(4) 相关损耗受干扰带宽影响甚微。相同干扰中频及JSR条件下,干扰带宽增大,相关损耗各结果之间相近。

5.3 SCB验证分析

图12是干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时的S曲线过零点偏差结果变化对比图。

图12 干扰中频分别为47.5 MHz和52.5 MHz时的SCB 变化实测对比图Fig.12 Comparison of SCB assessment actual results when center frequencies are 47.5 MHz and 52.5 MHz respectively

从图12中可以看出:

(1) 从图8和图12中可以看出受空间电磁干扰及器件的影响,实测数据比仿真信号的评估结果大0.13 ns,说明该指标对通道特性比较敏感,能够比较好的反映信号质量情况。但仍在指标要求范围内,整体来看SCB随着干扰功率增大存在超差趋势,与仿真结果变化趋势相同。

(2) 实测结果与仿真结果变化趋势相同:实测信号功率谱偏差随JSR、带宽增大而增大;干扰越接近主瓣中心处,对信号质量影响越大。

不同窄带干扰参数对信号质量影响结果如表3所示。

表3 不同窄带干扰参数对BDS-3 B2信号质量影响结果

6 结 论

本文在窄带干扰条件下对BDS-3 B2信号质量进行评估,仿真分析了干扰信号中频、带宽参数及JSR变化对功率谱、相关损耗和S曲线过零点偏差的影响,并用实测信号对比验证。可以看出:

(1) 干扰越接近主瓣中心处对信号质量影响越大。

(2) 功率谱偏差受干扰带宽和JSR影响较大。功率谱偏差随JSR和干扰带宽增大而增大,功率谱畸变严重,信号质量堪忧,将对用户的接收产生较大影响,用户定位结果的可靠性受到威胁。

(3) 相关损耗受JSR影响较大,受干扰带宽甚微。相关损耗随JSR增大而增大,在JSR为-14 dB处达到指标临界值,而后超差,产生测距误差且呈恶化趋势,进而对用户定位产生恶劣影响。

(4) S曲线过零点偏差受干扰带宽和JSR影响较大。S曲线过零点偏差随JSR和干扰带宽增大而增大,相关函数畸变,从而导致伪距测量误差,进而影响用户定位精度。