0 引言

    地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar，GEO SAR)即高軌SAR，是一種新體制星載SAR，能夠?qū)⒌厍蛲杰壍赖能壩粌?yōu)勢(shì)與SAR衛(wèi)星穿透能力強(qiáng)、不受氣象與光照條件影響的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)地全天候、大范圍、高時(shí)間分辨率的觀測(cè)^[1]。考慮到信號(hào)衰減及穿透能力，高軌SAR衛(wèi)星信號(hào)計(jì)劃使用L頻段，該頻段上現(xiàn)已存在多種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)業(yè)務(wù)，高軌SAR計(jì)劃頻段與多種GNSS信號(hào)頻段重疊或鄰近。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)自身的特點(diǎn)，其到達(dá)地面的功率非常小，非常容易受到各種無線電干擾^[2]。為保證地面GNSS接收機(jī)在高軌SAR信號(hào)存在時(shí)仍能夠正常工作，有必要對(duì)高軌SAR信號(hào)對(duì)GNSS地面接收機(jī)的性能影響進(jìn)行分析與評(píng)估，結(jié)果可作為高軌SAR項(xiàng)目立項(xiàng)及未來開展國內(nèi)外頻率協(xié)調(diào)工作的理論依據(jù)。

    對(duì)于GNSS接收機(jī)來說，高軌SAR信號(hào)可看作是脈沖射頻干擾(Radio Frequency Interference，RFI)。近年來，已有許多有關(guān)脈沖射頻干擾對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)影響的分析方法，國際電聯(lián)(International Telecommunication Union，ITU)給出了多個(gè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可供借鑒：其中ITU-R M.1902給出了工作在1 215～1 300 MHz頻段的地面GNSS接收機(jī)的工作特性和保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，其中特定的接收機(jī)工作特性在分析高軌SAR信號(hào)干擾時(shí)具有參考意義^[3]。ITU-R M.2220包含了用于干擾評(píng)估、計(jì)算綜合脈沖干擾參數(shù)的背景知識(shí)和基本計(jì)算方法，舉例計(jì)算了在多種射頻干擾存在的復(fù)雜環(huán)境下，不同類型的GNSS接收機(jī)受干擾情況的評(píng)估方法和結(jié)果^[4]。ITU-R M.2030針對(duì)兩種不同類型的基本GNSS接收機(jī)給出了等效載噪比衰減公式，提出評(píng)估加性脈沖RFI影響的方法^[5]。ITU-R RS.2311包含了主動(dòng)地球探測(cè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)(Earth Exploration Satellite Service，EESS)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)影響的兩個(gè)獨(dú)立研究結(jié)果^[6]。本文整理了上述文獻(xiàn)，提出用于評(píng)估高軌SAR信號(hào)對(duì)GNSS接收機(jī)性能的影響的方法。

1 干擾場(chǎng)景及評(píng)估方法

    本文采用典型的“源-路徑-接收機(jī)”方法評(píng)估高軌SAR信號(hào)對(duì)GNSS接收機(jī)性能影響，這種方法需要生成(仿真)以下三個(gè)基本的且具有相關(guān)性的關(guān)鍵因素，或從已有的標(biāo)準(zhǔn)中收集相關(guān)信息：

    (1)高軌SAR信號(hào)的位置及相關(guān)參數(shù)；

    (2)高軌SAR信號(hào)及GNSS信號(hào)在干擾場(chǎng)景下的傳播路徑中的參數(shù)；

    (3)用于接收機(jī)性能評(píng)估的GNSS接收機(jī)模型。

    干擾場(chǎng)景構(gòu)成了這三個(gè)關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)，本文分析的干擾場(chǎng)景為高軌SAR衛(wèi)星載荷工作時(shí)對(duì)地面接收機(jī)進(jìn)行持續(xù)干擾。為了便于分析，將其他脈沖干擾源以及連續(xù)干擾源對(duì)GNSS接收機(jī)性能產(chǎn)生的影響作為干擾基準(zhǔn)，單顆高軌SAR衛(wèi)星信號(hào)作為加性干擾源。高軌SAR信號(hào)的參數(shù)包括衛(wèi)星軌道、天線特性、發(fā)射波形、功率電平以及頻率；傳播路徑考慮了各種信號(hào)傳播過程當(dāng)中的衰減，提供了計(jì)算到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)功率的方法；而接收機(jī)模型提供了用于確定高軌SAR信號(hào)對(duì)于接收機(jī)影響的性能參數(shù)。

    評(píng)估流程如下：首先將高軌SAR信號(hào)、傳播路徑、接收機(jī)模型參數(shù)匯總，計(jì)算到達(dá)接收機(jī)天線的接收功率；接著將接收功率與接收機(jī)生存電平與壓縮電平進(jìn)行比較，若均不超過門限值，則進(jìn)行等效載噪比計(jì)算；最后通過等效載噪比評(píng)估高軌SAR信號(hào)對(duì)GNSS地面接收機(jī)的影響，評(píng)估流程圖如圖1所示。

2 參數(shù)匯總

2.1 高軌SAR信號(hào)特性及參數(shù)

    SAR一般通過發(fā)射矩形包絡(luò)的線性調(diào)頻信號(hào)獲得距離向的高分辨率，矩形包絡(luò)且幅度歸一化線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)指數(shù)形式為^[7]：

    高軌SAR設(shè)計(jì)頻段與當(dāng)前已經(jīng)存在的多種GNSS信號(hào)存在頻率重疊或相近的情況，如圖2所示。

    由圖2可以看出，B3I信號(hào)頻段完全被高軌SAR信號(hào)頻段覆蓋，具有代表性，故本文選取北斗B3I信號(hào)通用接收機(jī)進(jìn)行分析。

2.2 傳播路徑分析

    在理想情況下，高軌SAR及GNSS信號(hào)在自由空間內(nèi)進(jìn)行傳播。電磁波在自由空間中傳播時(shí)僅存在因信號(hào)能量擴(kuò)散引發(fā)的衰減，不存在任何其他形式的損耗。傳播模型是在Friis傳輸公式的基礎(chǔ)上經(jīng)過一定簡(jiǎn)化、處理得來的，該模型的對(duì)數(shù)形式如下^[8]：

其中，P_Rmax為接收最大功率(dBW)；P_Tmax為發(fā)射最大功率(dBW)；G_Tmax為發(fā)射天線最大增益(dB)；G_Rmax為接收天線最大增益(dB)；L_polar為極化失配損耗(dB)，當(dāng)SAR為線極化而B3I接收機(jī)采用圓極化時(shí)，該值取1.46 dB；L_A為大氣損耗，約為2 dB；L_path為路徑損耗(dB)，其計(jì)算公式如下：

其中，f_c為信號(hào)頻率(MHz)；D為傳輸距離(km)，即衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。

    根據(jù)自由空間傳播模型，在已知高軌SAR信號(hào)及GNSS接收機(jī)相關(guān)參數(shù)的情況下，能夠計(jì)算出信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的功率電平，以此與GNSS接收機(jī)的生存電平、輸入壓縮電平作比較判斷高軌SAR信號(hào)是否對(duì)GNSS接收機(jī)產(chǎn)生影響。

2.3 用于脈沖射頻干擾評(píng)估的接收機(jī)模型

    本文主要分析高軌SAR信號(hào)對(duì)B3I通用接收機(jī)的影響，通用接收機(jī)設(shè)計(jì)用于車輛導(dǎo)航、步行導(dǎo)航、一般定位等。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，給出B3I信號(hào)通用接收機(jī)參數(shù)如表2所示。

3 高軌SAR信號(hào)對(duì)GNSS接收機(jī)影響評(píng)估模型

3.1 接收機(jī)功率輸入分析

    根據(jù)對(duì)高軌SAR信號(hào)參數(shù)、傳播路徑以及接收機(jī)參數(shù)，首先判斷接收到的SAR信號(hào)峰值功率是否超過接收機(jī)的生存電平。由第2節(jié)提到的自由空間傳播模型，將表1中的高軌SAR信號(hào)參數(shù)及表2中的接收機(jī)參數(shù)帶入公式(2)，得到接收機(jī)接收功率：P_Rmax=-97.36 dBW。未超過接收機(jī)生存電平-20 dBW及輸入壓縮電平-70 dBW，進(jìn)行下一步分析。

3.2 接收機(jī)等效噪聲功率變化分析^[4，5]

    前述各標(biāo)準(zhǔn)中采用的分析指標(biāo)均為等效噪聲功率的變化值。由于通用接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方式多樣，本文分別對(duì)使用脈沖消隱方式和使用脈沖飽和方式的接收機(jī)進(jìn)行等效噪聲功率變化分析。

3.2.1 脈沖消隱接收機(jī)

    有些接收機(jī)會(huì)使用快速數(shù)字脈沖消隱器減少脈沖射頻干擾的影響。脈沖消隱是指當(dāng)接收到的信號(hào)功率高于消隱閾值時(shí)，將信號(hào)、干擾及噪聲全部歸零；而低于消隱閾值的信號(hào)、干擾及噪聲則正常通過。這種接收機(jī)稱為脈沖消隱接收機(jī)。

    對(duì)于這種類型的接收機(jī)，其相關(guān)器輸出處的等效噪聲功率譜密度為：

其中，N₀是接收機(jī)系統(tǒng)熱噪聲功率譜密度(W/Hz)；I_0，WB是所有連續(xù)RFI干擾的功率譜密度，本文主要分析高軌SAR信號(hào)的強(qiáng)脈沖干擾，因此將這一項(xiàng)歸納到場(chǎng)景基準(zhǔn)RFI當(dāng)中，不做詳細(xì)討論；R_I是低于消隱器閾值的平均脈沖干擾功率譜密度與接收機(jī)噪聲溫度之比，與上一項(xiàng)相同，不做考慮；PDC_B是所有超出消隱門限的強(qiáng)脈沖RFI的凈占空比，對(duì)于有多個(gè)脈沖RFI干擾源的情況，PDC_B的計(jì)算公式如下：

其中，PDC_B，j是第j個(gè)干擾源超出消隱門限的強(qiáng)脈沖RFI占空比。

3.2.2 脈沖飽和接收機(jī)

    另有一些接收機(jī)沒有采用脈沖消隱的方式，其射頻前端將會(huì)被干擾源的強(qiáng)脈沖造成短暫飽和，稱為脈沖飽和接收機(jī)。

    對(duì)于這一類接收機(jī)，其相關(guān)器輸出處的等效噪聲功率譜密度為：

其中，N₀、I_0，WB、PDC_LIM、R_I與脈沖消隱的情況基本相同，對(duì)于RI的閾值變?yōu)轱柡烷撝?對(duì)應(yīng)于消隱閾值)，對(duì)于PDC_LIM變?yōu)檩斎腼柡碗娖?對(duì)應(yīng)于輸入壓縮電平)；N_LIM是接收機(jī)A/D飽和電平與AGC的1 σ噪聲電壓之比，該值與A/D實(shí)現(xiàn)方式有關(guān)，對(duì)于硬限制的1 bit接收機(jī)來說，N_LIM=1。

3.2.3 將高軌SAR作為加性脈沖RFI

    如前所述，本文將高軌SAR信號(hào)作為加性干擾引入干擾基準(zhǔn)場(chǎng)景當(dāng)中，當(dāng)高軌SAR信號(hào)存在時(shí)，對(duì)于脈沖消隱接收機(jī)，等效載噪比的變化為：

其中，N_0，EFF+SAB是添加了高軌SAR信號(hào)后的等效載噪比，PDC_SAR是高軌SAR信號(hào)等效占空比，R_SAR是低于消隱器閾值的高軌SAR信號(hào)功率譜密度與接收機(jī)噪聲溫度之比。PDC_SAR與R_SAR都是以接收機(jī)輸入壓縮電平作為功率參考點(diǎn)進(jìn)行估算的。

    同理，對(duì)于脈沖飽和接收機(jī)，載噪比的變化為：

其中，τ_PW是發(fā)射脈寬(s)；BW_overlap是高軌SAR信號(hào)帶寬與GNSS接收機(jī)RF/IF濾波器帶寬重合部分的帶寬(MHz)；BW_chirp是高軌SAR信號(hào)發(fā)射帶寬(MHz)。當(dāng)公式(11)中的τ_PW，EFF為零時(shí)，PDC_SAR=0。

    將表1和表2中的相關(guān)參數(shù)帶入公式(9)及公式(10)可得接收機(jī)等效噪聲功率的變化值。不同脈沖重復(fù)頻率情況下，兩種接收機(jī)的等效噪聲功率變化值如圖3所示。

    從圖3中可以看出，脈沖消隱接收機(jī)的等效噪聲功率譜密度的變化為相同參數(shù)時(shí)脈沖飽和接收機(jī)的一半，且兩者變化量都不大，在0.4 dB以內(nèi)。

    根據(jù)得到的等效噪聲功率變化值，在信號(hào)功率不變的情況下，可以得到增加了高軌SAR信號(hào)后的等效載噪比：

其中，C/N₀是未加入高軌SAR信號(hào)情況下的載噪比，ΔN_0，EFF根據(jù)接收機(jī)類型進(jìn)行選擇。

    射頻干擾對(duì)GNSS接收機(jī)測(cè)距精度產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在碼跟蹤環(huán)路的熱噪聲顫動(dòng)，而通過C/N₀和C/N_0，EFF即可計(jì)算出加入高軌SAR信號(hào)前后碼環(huán)熱噪聲均方誤差值，并進(jìn)一步確定測(cè)距精度變化。由于本例中ΔN_0，EFF較小，未超過門限，對(duì)測(cè)距精度產(chǎn)生的影響也較小，故不作詳細(xì)討論。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

    為了方便進(jìn)行參數(shù)修改，對(duì)不同參數(shù)的高軌SAR信號(hào)、不同參數(shù)的接收機(jī)進(jìn)行分析，明確每個(gè)參數(shù)對(duì)接收機(jī)影響程度的大小，根據(jù)上述分析流程編寫軟件，界面如圖4所示。

    通過軟件界面可以對(duì)高軌SAR參數(shù)、接收機(jī)參數(shù)進(jìn)行配置，給定相應(yīng)的門限，即可計(jì)算出當(dāng)前參數(shù)配置是否超過門限。

5 結(jié)論

    本文將高軌SAR信號(hào)作為GNSS接收機(jī)的脈沖射頻干擾，參考ITU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用“源-路徑-接收機(jī)”的分析方法，從干擾源、傳播路徑、接收機(jī)模型三個(gè)方面設(shè)置了干擾評(píng)估相關(guān)參數(shù)，通過計(jì)算接收機(jī)功率、等效噪聲變化值評(píng)估高軌SAR信號(hào)對(duì)GNSS地面接收機(jī)的性能影響；最終通過軟件實(shí)現(xiàn)了多種不同參數(shù)的SAR信號(hào)對(duì)不同類型GNSS接收機(jī)影響的分析。

    理論推導(dǎo)及計(jì)算結(jié)果表明：第一，在脈沖的消隱/飽和閾值相同時(shí)，脈沖干擾對(duì)使用脈沖消隱方式接收機(jī)的影響為其對(duì)使用脈沖飽和方式接收機(jī)影響的一半(dB)；第二，按照當(dāng)前參數(shù)設(shè)計(jì)的高軌SAR信號(hào)對(duì)B3I接收機(jī)會(huì)造成一定程度的干擾，但對(duì)性能的影響不大，不會(huì)影響B(tài)3I接收機(jī)的正常使用。

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作者信息:

趙冠先，趙思浩，崔曉偉

(清華大學(xué) 電子工程系，北京100084)