多径效应对北斗星间链路载荷校准影响的研究

赵雯雯，陈玲玲，徐连军，李 炫

（中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安 710100）

0 引 言

我国全球卫星导航系统配置了星间链路，提供高精度星间、星地观测量弥补系统监测站区域布设缺陷，提高系统综合服务性能。同时，实现卫星系统弱化地面系统支持的自主导航和自主运行。星间链路在轨随温度变化和老化等原因设备时延会发生变化，而时延的确定性和稳定性直接影响到测量精度，因此，星间链路设计了时延监测和校准。同时，星间链路采用的相控阵天线通道数目多、系统复杂，对各通道电性能指标和稳定性要求高，因此，必须对相控阵天线采取通道幅度、相位监测和校准，以确保稳定的波束性能。在实际使用中，多径信号是影响星间链路校准结果的重要误差源，本文分析了多径产生的原因，通过对多径效应进行建模与仿真，针对多径效应对时延、幅度、相位测量的影响展开分析，并给出了星间链路校准设计的一些建议。

1 星间链路校准设计

每颗北斗全球导航卫星上都配置了星间链路载荷，包括：1台星间收发信机、1副相控阵天线（含控制器）、1台相控阵电源以及高频电缆、衰减器等。星间链路采用电子扫描方式快速切换指向卫星，建立动态链路。

星间链路校准功能以星间收发信机自闭环时延监测为基础，利用相控阵天线与其校准信标天线组成闭合回路，星间收发信机对接收的校正信号进行采集，得到相应的时延、幅度和相位数据。星间收发信机通过接收耦合的发射信号来完成自闭环时延监测，如图1所示。星间链路校准分为接收通道校准和发射通道校准。星间收发信机发射信号通过相控阵天线发射，从相控阵天线的校准信标天线接收回信机完成发射通道的测量和校准；发射信号通过校准信标天线发射，从相控阵天线接收回信机完成接收通道的测量和校准。

图1 星间链路校准设计

星间收发信机对接收到的校准信号进行采集、处理，得到相应的时延、幅度和相位数据。天线波束控制器通过校准通道的幅相数据对天线通道的幅度、相位值进行修正。

2 多径效应的影响分析

在GPS、Galileo系统建设和使用中发现，GPS IIR-20（M）卫星无源导航信号、Galileo卫星星间链路信号等均遭受到了较为严重的多径干扰问题，对系统的定位精度造成了不同程度的影响。造成多径信号产生的原因不仅会发生在接收天线附近，在卫星端也会出现多径干扰的问题，并对相应的接收设备造成多径误差干扰，成为星间、星地观测的一种主要误差源，影响接收机环路对伪码观测量跟踪精度，误差干扰严重时会导致信号失锁。

2.1 多径产生原理

星间链路在进行校准时，相控阵天线会打通到校准通道上，此时，发射信号通过多种途径泄露到校准通道对校准信号形成多径干扰。

正如美国WAAS系统中GEO卫星的伪码观测量遭受着比GPS卫星伪码观测量更为严重的多径干扰。相控阵天线的内多径是多径信号的来源之一，如图2中多径1、多径2所示。这种内多径信号的特点为：内多径信号与主信号的差距一般小于几个载波周期，内多径功率与相控阵天线内部泄露路径有关，多径信号与外部环境无关。

图2 多径产生原理

多径的另一个来源是空间反射信号，主要受相控阵天线周围布局，以及所处的空间环境影响，反射路径长的多径信号较弱，反射路径短的信号较强。

多径信号引起的测量误差是影响星间链路校准的重要误差源。国内外研究了多种方法对多径进行分析，文献[10]分析了GPS系统中多径信号对接收机码跟踪环路的影响；文献[11]解释了多径信号引起测距误差的机理；文献[12]建立了详细的多径信号码跟踪误差模型，通过仿真分析了多径引入的码测距偏差；文献[13]设计了多径误差测量实验，确认了多径引入的扩频测距误差的影响量级。

存在路多径信号时，信号可表示为：

式中：a，τ，φ分别表示第路信号的幅度、时延、载波相位信息，=0代表直达信号；()为伪随机码；是载波角频率；()为噪声。

接收信号()经过载波解调后，具有以下形式：

式中：()为窄带噪声，此时载波跟踪的是直达信号与多径信号的合成信号；φ即为合成信号的相位；φ是估计误差，以下的分析忽略噪声的影响，并假设信号环境是静态的，则φ=0。

2.2 多径对时延测量的影响

仿真参数设定：

1）以时间表示的多径时延（单位为s）与以距离表示的多径时延（单位为m）满足如下关系：

式中：为光速（取3×10m/s）；p为光速修正参数（这里取1.5）。

2）多径衰减（MDR）表示为：多径信号功率a与主径信号功率的比值，可按对数（dB）形式表示。

3）伪码速率：10.23 MHz，前端带宽：24 MHz，相关间隔：1个码片间隔。

为考察多径对时延测量影响的规律性，首先取大尺度的多径延迟=[1 m，3 m，5 m，…，20 m]；多径衰减MDR取[-10 dB，-20 dB，-30 dB，-40 dB]四个档位进行仿真。仿真结果如图3所示。

图3 多径延迟对时延测量的影响

从仿真结果可以看出：在多径时延小于约55 ns（11 m）情况下，测量误差相对于多径时延呈线性增长趋势；在多径时延大于55 ns情况下，测量误差相对于多径时延呈线性下降趋势。多径衰减绝对值越大，测量误差越小。

由于所研究链路环境多径误差在55 ns（11 m）以下，现针对这种情况做进一步分析。取合理情况的多径时延=[1 m，2 m，3 m，4 m（]对应多径时延[5 ns，10 ns，15 ns，20 ns]）；多径衰减MDR依然取[-10 dB，-20 dB，-30 dB，-40 dB]四个档位进行仿真。仿真结果如图4所示。

图4 多径衰减对时延测量的影响

不同多径时延下测量误差相对多径衰减的定量关系，可以简要总结如下：

①在多径衰减≥-20 dB情况下，针对所研究范围的多径时延（5~20 ns），测量误差均大于0.5 ns；

②在多径衰减为-30 dB时，只有当多径时延＜5 ns（1 m）时，测量误差才会小于0.16 ns；

③在多径衰减为-40 dB时，只有当多径时延＜15 ns（3 m）时，测量误差才会小于0.15 ns。

2.3 多径对幅度测量的影响

分析多径对幅度测量的影响，需要考虑将多径分为同向和反向考虑。当多径与主径相位同向时，幅度测量值偏大，完全同向时，偏至最大；当多径与主径相位反向时，幅度测量值偏小，完全反向时，偏至最小。针对任意可能的相位情况及所研究的多径延迟范围下，偏大偏小的程度几乎完全由多径衰减决定。

针对多径衰减为[-10 dB，-20 dB，-30 dB，-40 dB]四个档位情况下，多径对幅度测量影响的仿真结果如图5所示。

图5 多径衰减对幅度测量的影响

仿真结果有如下规律：多径衰减≤-20 dB时，幅度测量误差＜1 dB；多径衰减≤-30 dB时，幅度测量误差＜0.3 dB。

2.4 多径对相位测量的影响

多径信号与主径信号相位叠加会导致相位测量偏差。不难发现，当多径、主径合成信号相位与多径信号相位正交时，所导致的相位测量偏差最大。针对多径信号能量远小于主径信号能量的情况，当多径信号相位与合成信号相位正交时，它也近似与主径信号相位正交。所以可通过令多径信号与主径信号相位正交来近似计算最大相位测量偏差，而偏差的程度几乎完全由多径衰减决定。

针对多径衰减为[-10 dB，-20 dB，-30 dB，-40 dB]四个档位情况下，多径对相位测量影响的仿真结果如图6所示。从仿真结果可以看出，多径衰减＜-30 dB时，相位测量误差＜1.8°。

图6 多径衰减对相位测量的影响

此外，在仿真中发现，对于不同的多径对测量影响的模型得到的仿真结果是不同的，差别主要体现在影响结果的数值上，影响的趋势和规律是相同的，具体哪种模型更合理还需根据具体情况进一步分析选择。

3 星间链路校准设计建议

对于多径干扰所带来的影响，学者们都提出了各种不同的抑制方法，将其归类可分为以下三种：改进接收机天线的抑制技术、接收机内部信号处理技术以及数据后处理技术。

根据上节的分析结果，对于星间链路校准设计，首先要优化相控阵天线周围布局，减少由于反射引起的多径信号；其次，应采取多种措施提高射频通道电磁泄露，减少接收设备的内多径效应，从根源上减小测量误差；时分双工体制要特别注意接收和发射时间的设计，避免出现接收和发射同时工作的情况。最后，针对无法消除的多径信号，可以通过增加衰减、延长路径等措施，减小多径效应的影响。

通过在相控阵天线内部增加10 dB衰减器，减小信标天线与相控阵天线辐射阵面间的空间耦合信号。经实际测试，在正常信号满足星间收发信机接收动态范围的前提下，多径信号减小10 dB，星间链路时延校准误差由0.8 ns提升至0.1 ns，相控阵天线幅度、相位校准结果改善情况如表1所示。

表1 幅度、相位校准结果数据 %

此外，在实际的工程应用中，经常采用数据后处理方法对伪距或载波相位观测量中的多径误差进行处理。此类方法利用不同的数学分析工具对多径误差进行抑制，但是很难服务于实时定位用户，算法实现通常较为复杂，主要应用在静态接收机中。

4 结 论

本文介绍了星间链路校准系统多径效应产生的原理，建立了多径信号测量误差仿真模型，分析了多径延迟、多径衰减对时延、幅度和相位测量的影响：多径信号路径越长（大于11 m），衰减越大，对测量的影响越小。评估了不同延迟、不同衰减多径信号对测量误差的定量影响，并根据分析结果对星间链路校准设计给出了一些建议，通过实测，验证了该方法的有效性。