暗室满天星立体星座布局设计与仿真分析

2022-07-28何晓峰于慧颖

导航与控制 2022年2期

王君,何晓峰,于慧颖,郭妍

（1.国防科技大学智能科学学院,长沙 410073;2.国防科技大学军事职业教育技术服务中心,长沙 410073）

0 引言

随着北斗三号全球系统建设的不断推进,北斗产业正全面进入创新发展的新阶段。国内外卫星导航系统建设应用的发展历程均表明,卫星导航系统不可避免会面临各种复杂的电磁环境。复杂电磁环境下,干扰信号将呈现出样式上波形复杂、数量繁多,时间上变幻莫测、密集交迭,频谱上拥挤重叠等众多特点［1］。电磁环境的复杂性对导航终端的抗干扰反欺骗性能提出了严峻挑战和更高性能要求,抗干扰反欺骗导航终端能否适应实战条件的复杂电磁环境是抗干扰反欺骗技术能否发挥作用、能够发挥多大作用的关键所在［2-4］。

为了对导航终端复杂电磁环境下抗干扰性能进行测试评估,需要构建相应的暗室测试系统,国内外针对暗室测试系统环境构建都开展了相应的研究,包括测试场景构建、抗干扰测试方法研究［5-10］等。传统暗室测试系统建设方案主要有两种,分别是基于单端口模拟器积木式无线测试系统以及基于单星多输出模拟器一体式测试系统。积木式的测试系统将暗室空间划分成多个区域,每个区域配置相应的发射天线,广播该分区可见的所有信号。积木式测试系统典型的如英国Spirent公司天线阵列测试系统、美国空军装备研究实验室组建的Virtual Flight Testing测试系统［11］、国内航天704所暗室测试系统等;基于单星输出模拟器一体式测试系统如德国宇航中心、航天33所、空军某所抗干扰有线测试系统等。英国Spirent公司的天线阵列测试系统如图1所示,德国宇航中心的抗干扰测试系统如图2所示。积木式构建无线测试系统的优点主要是建设简单,对模拟器要求不高,但是存在标校难、软硬件分散、维护复杂等问题;一体式构建无线测试系统则是建设简单,标校维护简单,但此建设方案对模拟器技术和集成度要求高。

图1 英国Spirent公司天线阵列测试系统（积木式）Fig.1 Modular antenna array test system developed by Spirent Company

图2 德国宇航中心抗干扰测试系统（一体式）Fig.2 Integrated anti-jamming test system developed by German Aerospace Center

随着导航终端面临电磁环境愈发复杂化以及终端抗干扰测试需求不断提升,传统暗室测试系统已无法满足终端复杂电磁环境下抗干扰测试需求。满天星立体星座仿真布局技术是随着导航终端测试新要求以及构建与真实卫星导航系统逼真一致测试系统新要求而提出的一项新的技术,重点解决卫星星座可见卫星空间分布、导航信号播发天线布局设计以及相应工程实现问题。传统测试系统微波暗室建设中,要么通过一个导航天线在同一方向播发所有卫星导航信号,因而不存在依据卫星星座各个可见卫星空间分布以及导航信号播发天线布局设计问题;要么分区域划分暗室独立播发信号,虽然能模仿导航星座立体信号播发覆盖不同的方位俯仰,但不能够实现对真实导航信号空间布局特性的高精度模拟。而与真实卫星导航系统一致的复杂电磁环境测试检定系统需要结合导航终端对导航信号空间来向布局和误差容限等指标参数,依据仿真测试的时间、轨迹以及卫星星历等场景参数进行立体星座布局仿真设计,以及综合考虑建设成本、复杂度和可维护性等工程问题,进行满天星立体星座导航信号播发模式设计。本文重点开展了满天星立体星座仿真布局的相关技术分析论证,探索了不同数量天线布局对仿真精度的影响,实现了与卫星信号空间分布特性相一致的多星座满天星导航信号的仿真。

1 暗室测试系统主要建设需求

1.1 卫星星座信号时空特性模拟的要求

在暗室测试系统设计时,需要满足对卫星星座信号时空特性高精度仿真模拟,主要体现在以下三个方面:

1）卫星信号特性模拟;

2）卫星与接收终端相对径向运动引起的多普勒及多普勒变化;

3）卫星与接收终端相对切向运动引起的来波方向变化。

其中,对卫星信号特性模拟存在不同方向入射可能导致的通道非理想特性不一致问题,需要尽可能消除,以与真实环境对应。另外,对切向运动的模拟是区别于常规单天线接收终端测试的主要差异之一,这主要是由以下因素引起的:

1）星座周期特性。对于地表指定位置,不同时刻由于卫星的运动,使得导航信号来波方向发生变化。

2）地球自转特性。地球自转也将影响信号来波方向,对信号来波方向变化的速度、加速度等参数均会产生影响。

3）用户位置的变化。对于指定时刻,由于用户所处的经度、纬度不同,导航信号的来波方向也不同。这样,动态用户经纬度的变化将直接引起导航信号来波方向的变化。

4）用户姿态变化。本质上,阵列接收是对信号来波方向相对于接收阵列所在平面的夹角敏感,因此相对于卫星运动而言,用户姿态的变化成为上述夹角动态变化的快变分量。

综上所述,暗室测试系统的卫星星座模拟信号在时间上应能覆盖导航卫星星座的整个周期,在空间上需要模拟全球范围内信号来波方向的静态、动态空间特性。为实现全球范围内所有位置卫星星座全周期内可视弧段的模拟,具体细化卫星星座空时特性模拟的基本要求为:

1）模拟卫星信号数目:最多18颗北斗卫星导航信号;

2）模拟信号来向:方位角0°～360°,仰角0°～90°;

3）模拟来波方向变化率:根据用户动态及姿态变化计算;

4）模拟发射信号通道一致性要求:模拟信号从不同方向入射时通道引起的非理想特性应一致;

5）为保证模拟卫星信号的同一性、相干性和稳定性,应使用原子钟作为系统参考基准,并定期校准。

1.2 抗干扰测试对卫星星座模拟的要求

暗室测试系统需要通过对导航星座的高精度仿真从而满足针对各种导航终端（如波束成形导航终端）的抗干扰测试需求。在导航终端的诸多抗干扰技术中,波束形成技术对卫星星座模拟有着较为严格和苛刻的要求,也是本系统星座模拟应该重点分析和解决的核心关键技术和复杂工程问题之一。波束形成技术是通过一组天线阵元以某种空间配置形式组成天线阵列,某方向卫星信号入射到达各天线阵元具有不同的波程差延迟,将各阵元的接收卫星信号分别作适当的延迟补偿后相加,可形成天线阵的波束对准卫星信号来向,以保证卫星信号的有效接收。在波束形成技术中,需要根据卫星星历中的卫星位置和载体姿态来估算卫星信号到达接收机的入射方向,并在此方向上设置约束条件形成波束。

因此,在采用波束形成技术的用户接收机抗干扰测试中,需要使暗室测试系统具备真实卫星星座布局仿真能力,满足信号来向与卫星星历相对应,该设置可以准确控制载体姿态并将姿态参数发送到抗干扰评估系统中。

在波束形成抗干扰技术测试中,需要对波束宽度进行测定,可以通过一定角度范围内卫星信号增益是否增加来判定波束是否覆盖该角度范围内的卫星信号。因此,为了对波束宽度进行有效评定,测试中卫星信号发射天线间的空间发射角度应该小于波束宽度。

此外,在波束成形抗干扰技术测试时,为了实现对波束成形指向偏差的测试评估,暗室测试系统中仿真的卫星信号与真实导航信号之间的来向偏差需要满足被测终端天线阵元的指向误差要求,即信号来向偏差在波束指向偏差（3dB波束宽度）以内,如图3所示。

图3 波束成形抗干扰信号来向允许偏差示意Fig.3 Allowable deviation of beam forming anti-interference signal

综上所述,在进行波束形成技术测试时,对卫星星座模拟的要求如下:

2）各轨道间同一方位角的卫星信号的仰角夹角也应该满足不同波束宽度指标的波束形成技术测试;

3）暗室测试系统播发卫星信号与真实卫星信号夹角偏差能够满足被测终端波束成形指向偏差需求。

为了尽可能模拟真实卫星星座并满足长时间抗干扰测试的需求,瞄准构建与真实卫星导航系统高度逼真的室内测试系统环境,根据卫星相对被测导航装备的方位角和俯仰角,选择相对位置最为接近且满足信号来波方位一致性偏差的天线发射卫星信号,以模拟不同真实环境中不同来向卫星信号的需求。因而,需要结合测试需求和系统建设要求,合理设计卫星信号发射天线布设方案,重点论证解决立体星座设计相关技术,支持卫星导航复杂电磁环境构建模拟,满足各类导航装备在各种测试场景下卫星星座模拟的要求。因而,开展立体星座仿真技术分析论证时,需要结合测试系统导航信号模拟、抗干扰测试需求,合理选择暗室天线星座模拟方案,开展暗室天线空间分布仿真设计。同时,也将结合工程建设实际和系统总体性能,论证分析立体星座复杂电磁环境布设。

2 暗室天线星座模拟方案选择

导航信号播发的核心要求是:独立天线离散分布,最大程度地接近于真实卫星星座的时间和空间变化,可根据实际设置多种不同DOP值的卫星分布,同时天线阵能够覆盖所有类型的接收终端测试需求。根据国内外的建设经验以及暗室的结构约束,大体上有三种信号布局模式,包括:滑轨移动式天线阵、立方体离散天线阵、穹顶式满天星天线阵,如图4所示。不同方案在星座模拟的覆盖性、复杂性、可靠性、可维护性、可扩展性、经济性等方面具有较大差别。

图4 不同天线布局模式Fig.4 The different mode of antenna layout

滑轨移动式天线阵设计中,导航天线安装在滑动轨道上,主要是为了在抗干扰测试中能够模拟卫星信号来向随时间及卫星运动变化而变化的情况,并且在长时间仿真测试情况下,暗室内发射天线与被测对象之间的相对关系与测试场景提供的卫星轨道与被测对象之间的相对关系尽可能保持一致。考虑到增加滑动导轨会大幅增加暗室建设以及后期标校维护的难度,在设计滑轨布局时可以采用“GEO+IGSO星座”与“GEO+IGSO+MEO星座”两种布局方式。

立方体离散天线阵布局模式将导航天线置于暗室的各个角落,所有天线水平位置固定、高度可调,能够模拟覆盖高/低仰角的星座布局。此种布局模式结构简单、经济可靠、安装维护方便,基本能够满足抗干扰测试需求,适用于老暗室改造或暗室较小的情况。

卓松生[22]以临界流化速度为衡量标准，选用Syamlal-O′brien曳力双流体模型，分析了振动和粒径对床层纵向颗粒分布(颗粒体积分数)及均匀性(颗粒体积分数标准差)的影响，结果如图3所示。

“满天星”穹顶式布局模式将导航天线按照不同仰角、不同方位角布设于暗室内部空间,天线布设的数量与空间位置分布可根据用户不同需求确定。测试期间,测试系统根据仿真时刻真实的导航星座分布选择对应的就近位置的导航天线播发导航信号,从而实现仿真星座与真实星座基本一致的测试需求。当用户暗室空间足够大、能够布设较多的导航天线时,可高密度地布设导航天线。此时,需要注意三点:一是要注意避免临近天线间的互干扰;二是要注意导航天线与被测用户的距离满足远场条件;三是要注意天线数量增多引起的标校维护工作量的增大。当用户暗室空间有限只能布设较少数量导航天线时,可以在满足最低/最高仰角约束、最佳DOP分布的情况下,布设数量有限的导航天线。此时需要注意,由于导航天线数量有限,能够使用的场景也就比较有限。方便起见,可以预先设计若干组最佳匹配场景用于终端测试。

针对以上三种布局,表1罗列了各布局之间的性能差异。

表1 不同信号天线布局效果差异比对Table1 Comparison of different signal antenna layout effects

考虑以上因素,在保证能全面检测北斗RNSS以及其他导航卫星系统单独或同时工作的场景（包括低仰角卫星的较恶劣场景）时,本文选择“满天星”穹顶式天线阵模拟方案,其暗室天线具体空间分布见下节的仿真设计分析。

3 暗室天线空间分布设计

为了尽可能模拟真实卫星星座并满足长时间抗干扰和波束成形的测试需求,暗室采用穹顶式满天星天线布置方案,根据卫星相对被测对象的方位角和俯仰角选择相对位置最为接近的天线发射卫星信号,以模拟不同真实环境中不同来向卫星信号的需求。

在暗室仿真测试时,通过暗室内部天线布局来模拟真实卫星信号分布。如果选取的测试场景是静态场景,则天线可以按照静态场景下卫星相对于待测终端的方位俯仰进行布设,因此不存在角度偏差;但如果选取的测试场景是动态连续场景,则由于暗室天线中天线布局是固定的,而实际天上卫星是时刻在运动中,因此采用暗室固定天线布局进行模拟真实卫星信号来向时会存在一定的角度偏差。

在实际波束成形抗干扰测试中,由于波束成形抗干扰终端天线阵元存在一定的波束张角,因此允许一定范围内的天线布局与真实卫星之间的偏差,只要偏差角度范围在3dB波束张角范围内,导航终端都可以接收到相应的导航信号,可以完成波束成形抗干扰测试。抗干扰终端的3dB波束张角与终端内部天线阵元数量有关,一般天线阵元数越大,3dB波束角越小,仿真测试时暗室天线布局也就越密集。目前工程水平下,不同数量阵列天线阵元导航终端波束成形3dB波束角如表2所示。

表2 不同天线阵列成形波束宽度Table2 Beam forming3dB angle width of different antenna arrays

例如,针对7阵元导航终端抗干扰测试需求,3dB波束带宽为±20.5°,因此其可允许的角度偏差在±20.5°内。

为了满足接收机不同天线阵列的测试需求,分别仿真分析了96天线设计方案、69天线设计方案和41天线设计方案。经过仿真分析,96天线方案可以满足36阵元及以下天线阵列测试需求,69天线方案可以满足25阵元及以下天线阵列测试需求,41天线方案可以满足16阵元及以下天线阵列测试需求。

3.1 采用96个天线布设方案

采用96个天线布设方案,可以满足36阵元阵列天线测试,实现天线布设方案设计。

图5给出了天线安装位置的平面投影图,分别布设在仰角15°、30°、45°、60°和75°平面,各平面天线数量分别为28个、27个、24个、20个、15个和9个,同时在天顶位置即仰角90°位置安装1个,兼做RDSS入站天线。

图5 96天线布设示意图Fig.5 Schematic diagram of96antennas layout

各平面天线方位角定义如表3所示。其中,第96号天线为暗室顶点天线,俯仰角90°不存在方位角。

表3 96发射天线方位俯仰角Table3 Azimuth and pitching angle of96antennas

3.2 采用69个天线布设方案

采用69个天线布设方案,可以满足25阵元阵列天线测试,实现天线布设方案设计。

图6给出了天线安装位置的平面投影图,分别布设在仰角15°、30°、45°、60°和75°平面,各平面天线数量分别为24个、18个、12个、9个和5个,同时在天顶位置即仰角90°位置安装1个,兼做RDSS入站天线。

图6 69天线布设示意图Fig.6 Schematic diagram of69antennas layout

各平面天线方位角定义如表4所示。其中,第69号天线为暗室顶点天线,俯仰角90°不存在方位角。

表4 69发射天线方位俯仰角Table4 Azimuth and pitching angle of69antennas

3.3 采用41个天线布设方案

采用41个天线布设方案,可以满足16阵元阵列天线测试,实现天线布设方案设计。

图7给出了天线安装位置的平面投影图,分别布设在仰角15°、35°、55°和75°平面,各平面天线数量分别为15个、12个、9个和4个,同时在天顶位置即仰角90°位置安装1个,兼做RDSS入站天线。

图7 41天线布设示意图Fig.7 Schematic diagram of41antennas layout

各平面天线方位角定义如表5所示。其中,第41号天线为暗室顶点天线,俯仰角90°不存在方位角。

表5 41发射天线方位俯仰角Table5 Azimuth and pitching angle of41antennas

4 暗室不同天线数量仿真精度分析

为了充分比较三种不同天线方案的测试适应性,选取北京、长沙、广州、黄岩岛四地分别进行了模拟仿真,仿真时长为24h,仿真步长为300s。

5 暗室测试系统应用实例

在针对不同数量满天星天线布局仿真分析以及实际测试需求基础上,以某单位暗室测试系统为例进行应用说明,该测试系统满天星布局选择69天线满天星星座布局,如图8所示,角度平均偏差小于8°。经过测试验证,该方案可以满足25阵元及以下天线阵列测试需求。

该暗室满天星测试系统能够满足卫星星座信号空时特性模拟、抗干扰测试,其指标如下:

1）单星信号天线数目:空间布设不少于69个信号发射天线;

2）能够实现25阵元及以下波束成形抗干扰测试需求;

3）信号来波方向:方位角0°～360°,仰角10°～90°,信号空间来向一致性平均偏差小于8°,满足被测导航装备波束指向误差要求;

4）来波方向变化率:根据用户动态及姿态变化,能够随动模拟信号空间来向变化;

5）导航信号通道一致性要求:模拟卫星信号从不同方向入射到被测导航装备时一致性满足测试系统指标要求。

6 结论

本文针对导航终端复杂电磁环境暗室测试系统构建对暗室满天星立体星座布局仿真技术展开论述,分析了暗室测试系统对卫星星座信号时空特性高精度仿真模拟、抗干扰测试应用需求,然后在此基础上比较了目前常见的暗室测试系统天线布局方案优缺点,并选择穹顶式满天星天线分布方案开展了不同天线数量（96、69、41）的设计与仿真论证。结果表明,暗室测试系统中穹顶满天星天线阵列方案最能够实现对真实导航星座的仿真模拟,且仿真精度一般随天线数量增加而增加,69天线满天星布局能够满足25阵元及以下波束成形抗干扰测试需求。最后,基于仿真结果以及实际建设需求将仿真分析成果成功应用并得到有效验证。