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                《電子技術應用》
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                高軌SAR信號對GNSS接收機性能影響評估方法
                2020年電子技術應用第3期
                趙冠先,趙思浩,崔曉偉
                清華大學 電子工程系,北京100084
                摘要: 由於高軌SAR衛星信號設計頻段可能與ξ 多種已投入使用的GNSS信號所在頻段共用或重疊,導致地面GNSS接收機受到从安月茹身上由高軌SAR信號產生的脈沖射頻幹擾。為評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機性能的影響,提出了一種基於ITU相關標準的參數化理論模型。該模『型使用“源-路徑-接收機”的分析方法,分別從高軌SAR信號、信號傳十月无月播路徑以及用於幹擾評估的接收機模型三個方面提取參數,然後根據ITU相關標準,評估高軌SAR信號作為加性脈沖射頻幹擾時,對GNSS接收機性能產生的影響。以具有代表性的B3I信號為例,評估在設定參數條件下,高軌SAR信號對不同』類型的B3I接收機性能的影響。結果表明,在當前設定的高亲我顶你軌SAR信號幹擾︼存在情況下,接收機性能略有下降,但仍然能夠正常工作。
                中圖分類號: TN965.5
                文獻標識碼: A
                DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191049
                中文引用格式: 趙冠先,趙思浩,崔曉偉. 高軌SAR信號對GNSS接收機性能影響評估方法[J].電子技術應用,2020,46(3):14-18.
                英文引用格式: Zhao Guanxian,Zhao Sihao,Cui Xiaowei. Evaluation method for the performance of GNSS receiver influenced by GEO SAR signal[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(3):14-18.
                Evaluation method for the performance of GNSS receiver influenced by GEO SAR signal
                Zhao Guanxian,Zhao Sihao,Cui Xiaowei
                Department of Electronic Engineering, Tsinghua University,Beijing 100084,China
                Abstract: Because the designed frequency band of Geosynchronous synthetic aperture radar(GEO SAR) satellite signal possibly shares or overlaps with the frequency band of various Global Navigation Satellite System(GNSS) signals which have been put into use, the ground GNSS receiver may be subject to the pulse radio frequency interference generated by GEO SAR signal. In order to evaluate the influence of GEO SAR signal on the performance of GNSS ground receiver, a parametric theoretical model based on International Telecommunication Union(ITU) related standards is proposed in this paper. The model uses the "source-path-receiver" analysis method to extract parameters from the three aspects of GEO SAR signal, signal propagation path and receiver model for interference evaluation. Then, according to ITU standards, the influence of high-orbit SAR signal as additive pulse radio frequency interference on the performance of GNSS receiver is evaluated. Taking the representative B3I signal as an example, this paper evaluates the performance of different types of B3I receivers for GEO SAR signal under the condition of the assumed design parameters. The results show that the performance of the receiver decreases slightly in the presence of high-orbit SAR signal interference, but it can still work normally.
                Key words : satellite navigation;GNSS receiver;radio frequency interference

                0 引言

                    地球同步軌道合成孔徑雷達(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar,GEO SAR)即高軌SAR,是一種▓新體制星載SAR,能夠將地球同步軌道的軌位優勢與SAR衛星穿透能力強、不受氣象與光告诉他照條件影響的優勢結合起來,實現對地全天候、大範圍、高時間分辨率的觀測[1]。考慮到信號衰減及穿透能力,高軌SAR衛星信號那个道士那么传奇計劃使用L頻段,該頻段上現已存在多種▅全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)業務,高軌SAR計劃頻段與多種GNSS信號頻段重疊或鄰近。由於衛星導航信號自身的特點,其到達地Ψ 面的功率非常小,非常容易受到各種無線電幹擾[2]。為保證地面GNSS接收機在高軌SAR信號存在時仍能夠正常工作,有必要對高軌SAR信號對GNSS地面接收機的性能影響進行分析與評估,結果可胖子身子一软作為高軌SAR項目立項及未來開展國內外頻率協調工作的理論依據。

                    對於GNSS接收¤機來說,高軌SAR信號可看作是脈沖射頻幹擾(Radio Frequency Interference,RFI)。近年來,已有許多有關脈沖射頻幹擾對導航一点2接收機〒影響的分析方法,國際電聯(International Telecommunication Union,ITU)給出了多個相關的標準可供借鑒:其中ITU-R M.1902給他说得很轻出了工作在1 215~1 300 MHz頻段的地面GNSS接收機的工→作特性和保護標準,其中特定的接收機工作特性在分析高軌SAR信號幹擾時具有參考意義[3]。ITU-R M.2220包含了用於幹擾評估、計算綜合脈沖幹擾參數的背景知識和基本計算方法,舉例計算了在多種射頻幹擾存在的復雜環境大人之意下,不同類型的GNSS接收機受幹擾情況的評估方法和結果[4]。ITU-R M.2030針對兩種不同類型的基本缘随℡风飘GNSS接收機給出了等效載噪比衰減公式,提出評估加性脈沖RFI影響的方法[5]。ITU-R RS.2311包含了主動地球探測衛星業務(Earth Exploration Satellite Service,EESS)對衛星導航接大脑不得不说大有关系收機影響的兩個獨立研究結果[6]。本文整理了上述文〓獻,提出用於評估高軌SAR信號對GNSS接收機性能的影響的方法。

                1 幹擾場景及評估方法

                    本文采用典型的“源-路徑-接收機”方法評估高軌SAR信號對GNSS接收機性能影響,這種方法需要生成(仿真)以下三個基本的且具有相關性的關鍵因素,或從已有的標準中收集相關信息:

                    (1)高軌SAR信號的位置及相關參數;

                    (2)高軌SAR信號及GNSS信號在幹擾場景下的傳播路徑中的參數;

                    (3)用於接收機性∏能評估的GNSS接收機模型。

                    幹擾場景構成了這三怎么没听说过個關鍵因素的基礎,本文分析的幹擾場景為高軌SAR衛星載荷︽工作時對地面接收機進行持續幹擾。為了便於分析,將其他脈沖幹擾源以及連續幹擾源對GNSS接收機性能產生的影響作為幹擾基準,單顆高軌SAR衛星信號作為▲加性幹擾源。高軌SAR信號的參數包括衛星軌道、天線特性、發射波形、功率電朗风平以及頻率;傳播路徑考慮了各種信號傳播過程當中的◣衰減,提供了計算到達接收機的信號功率的方法;而接收機模型提供了用於確定高軌SAR信號對於接收機影響的性能參數。

                    評估流程如下:首先將高軌SAR信號、傳播路徑、接收機模型參數匯影风幻空總,計算到達接收機天線的接收功率;接著將↓接收功率與接收機生存電平與壓縮電平進行比較,若均不超過門限值,則進行等效載噪比▆計算;最後通過等效載噪比評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機的影響,評估流程疼痛圖如圖1所示。

                wxdh4-t1.gif

                2 參數匯總

                2.1 高軌SAR信號特性及參數

                    SAR一般通過發射矩形包絡的線〓性調頻信號獲得距離向的高分辨率,矩形包絡且幅度歸一化線性調頻信號的復指數形式為[7]

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                    高軌SAR設計頻段與當前已經存在的多種GNSS信號存在頻率重疊或相近的情況,如圖2所示。

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                    由圖2可以看出,B3I信號頻段完全被高軌SAR信號頻段覆蓋,具有代表性,故本文選取北鬥B3I信號通用接收機進行分析。

                2.2 傳播路徑分卐析

                    在理想情況下,高軌SAR及GNSS信號在自由空間施施然出了山门內進行傳播。電磁波在自由空間中傳播時僅存在因信號能量擴№散引發的衰減,不存在任何其他形式的損耗。傳播模型是在Friis傳輸公额不过顾及到大师兄你就在跟前式的基礎上經過一定簡化、處理得◇來的,該模型的對數形式如下[8]

                    wxdh4-gs2.gif

                其中,PRmax為接收最委屈大功率(dBW);PTmax為發射最大功率(dBW);GTmax為發射天線最大↑增益(dB);GRmax為接收天線最大增益(dB);Lpolar為極化失配損耗(dB),當SAR為線極化而B3I接收機采用圓極化時,該值取1.46 dB;LA為大氣損耗,約為2 dB;Lpath為路徑損耗(dB),其計不好意思啊算公式如下:

                    wxdh4-gs3.gif

                其中,fc為信號頻率(MHz);D為傳輸距離(km),即衛星在他剑下纷纷惨呼毙命到接收機的距離。

                    根據自由空間傳播模型,在↑已知高軌SAR信號及GNSS接收機相關參數的情況下,能夠計算出信號到達接收機的功率電平,以此與GNSS接收機的生存電道平、輸Ψ 入壓縮電平作比較判斷高軌SAR信號是否對GNSS接收霸天機產生影響。

                2.3 用於脈沖射頻幹擾評估的接收機模型

                    本文主要分析卐高軌SAR信號對B3I通用接收機的影響,通用接收機設計用於車輛導航、步行導航、一般定位等。根據文獻[3],給出B3I信號通用接收機參數如表2所示。

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                3 高軌SAR信號對GNSS接收機影響評估模型

                3.1 接收機功率輸入但却畏惧对方任凭毒打而不还手分析

                    根據對高軌SAR信號參數、傳播路徑以及接收機參數,首先判斷接收到的SAR信號峰值功率是否超過接收好气运機的生存電平。由第2節提到的自由空間傳播模型,將表1中的高軌SAR信號參◥數及表2中的接收機參數帶入公式(2),得到接收機接收功率:PRmax=-97.36 dBW。未超過接收機生存電平-20 dBW及輸入壓縮電平-70 dBW,進行下一步分析。

                3.2 接收機等效噪只是李冰清欲言又止聲功率變化分析[4,5]

                    前述各標準中采用的分析指標均為等效噪聲⊙功率的變化值。由於通用接收機實現方式多樣,本文分別對使用脈沖消隱方式和使用脈看来这些人是醋意大发沖飽和方式的接收機進行等效噪聲功率變化分析。

                3.2.1 脈沖消隱接收機

                    有些接收機會小宝baby使用快速數字脈沖消隱器时候減少脈沖射頻幹擾的影響。脈沖消隱是指當接收到的信號功∞率高於消隱閾值時,將信號、幹擾及噪这便说明聲全部歸零;而低於消隱閾值的信號、幹擾及噪聲則正常通過。這種接收機稱為脈沖消隱接收機。

                    對於這種類型的接收機,其相關器輸出處的等效有条不紊噪聲功率譜密度為:

                    wxdh4-gs4.gif

                其中,N0是接收機Ψ系統熱噪聲功率譜密度(W/Hz);I0,WB是所有連續RFI幹他感觉快没知觉了擾的功率譜密度,本文主要分析高軌SAR信號的ぷ強脈沖幹擾,因此將這一項歸納到場景基準RFI當中,不做詳細討論;RI是低於消隱器閾值的平均脈沖幹擾功率譜密度與接收機噪聲溫度之比,與上一項相同,不做考慮;PDCB是所有超出消隱門限的強脈沖RFI的凈占空比,對於〗有多個脈沖RFI幹擾源的情況,PDCB的接下来計算公式如下:

                    wxdh4-gs5.gif

                其中,PDCB,j是第j個幹擾源超出消隱門限的強脈沖RFI占空比。

                3.2.2 脈沖飽和接↓收機

                    另有一些接收機沒有采用脈沖消隱的方式,其射頻前端將會被幹擾源的強脈沖造成短有时间暫飽和,稱為脈沖飽和接收機。

                    對於這一類接收機,其相關器輸出處的等效噪聲功率譜密度為:

                    wxdh4-gs6.gif

                其中,N0、I0,WB、PDCLIM、RI與脈沖消隱的情況基本相同,對於RI的閾值〗變為飽和閾值⌒ (對應於消隱閾值),對於PDCLIM變為輸入飽和電平(對應於居然觉得有些飘飘然起来輸入壓縮電平);NLIM是接收機A/D飽和電平與AGC的1 σ噪聲電壓之比,該值與A/D實現方这么想式有關,對於硬限制的1 bit接收機來說,NLIM=1。

                3.2.3 將高軌SAR作為加性脈沖RFI

                    如前所述,本文將高而不是跟曹雪芹大大一样軌SAR信號作為⌒ 加性幹擾引入幹擾基準場景當中,當高軌SAR信號存在時,對於脈沖消隱接收機,等效載噪比的變化為:

                     wxdh4-gs7.gif

                其中,N0,EFF+SAB是添加了高軌SAR信號後的等效載噪比,PDCSAR是高軌SAR信號等效占空比,RSAR是低於消唉隱器閾值的高軌SAR信號功率譜密度與接〗收機噪聲溫度之比。PDCSAR與RSAR都是以接收機輸入壓縮電平作為功率參考點進行估算的。

                    同理,對於脈沖飽和接收时候機,載噪比的變化為:

                wxdh4-gs8-12.gif

                其中,τPW是發射脈寬(s);BWoverlap是高軌SAR信號帶寬與GNSS接收機RF/IF濾波器帶寬重合部分的帶充满了太多寬(MHz);BWchirp是高軌SAR信號發射帶寬(MHz)。當公式(11)中的τPW,EFF為零時,PDCSAR=0。

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

                wxdh4-t3.gif

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

                    根據得到的等效噪聲功率變化那可不是开玩笑值,在信號功率不變的情況下,可以▂得到增加了高軌SAR信號後的等效載噪比:

                    wxdh4-gs13.gif

                其中,C/N0是未加入高軌SAR信號情太子有识人之明況下的載噪比,ΔN0,EFF根據接收機類型進行選擇。

                    射頻幹擾對GNSS接收機測距精谢德伦看着匕首来势凶猛度產生影響,主要體現在碼跟蹤環我很满足路的熱噪聲顫動,而通過C/N0和C/N0,EFF即可計算出加入高】軌SAR信號前後碼環熱噪聲均方誤差值,並進一步確定測距长久精度變化。由於本例中ΔN0,EFF較小,未超過門限,對測距精度產生的影響也較小,故不作詳細討論。

                4 軟件實現

                    為了方便進行參數修改,對不同參『數的高軌SAR信號、不同參數的接收機進行分析,明確每個參數對接没说什么没说什么啊收機影響程度的大小,根據上述分析流程編寫軟件,界面如圖4所示。

                wxdh4-t4.gif

                    通過軟件界面可以對◥高軌SAR參數、接收機參數進行配置,給定相應的門限,即可計算出當前參數配置是否超過門限。

                5 結論

                    本文將高軌SAR信號作為GNSS接收機的脈沖射頻幹擾,參考ITU相關標準,使用“源-路徑-接收機”的分析方法,從幹擾源、傳播路徑、接收機模小道弯弯曲曲型三個方面設置了幹擾評估相關█參數,通過計算接收機功率、等效噪甚至在心情极端恶劣聲變化值評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機的性能影響;最終◥通過軟件實現了多種不同參數的SAR信號對不同類型GNSS接收機影響的分析。

                    理論推導及計算結果时候谈表明:第一,在□脈沖的消隱/飽和閾值相同時,脈沖幹让武狂云对他尊敬之极擾對使用脈沖消隱方式接收機的影響為其對使用脈沖飽和方式接收機影≡響的一半(dB);第二,按照當前參數設計的高軌SAR信號對B3I接收機會造成一定程度的幹擾,但對性能的醉落影響不大,不會影響B3I接收機的正常使用。

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                作者信息:

                趙冠先,趙思浩,崔曉偉

                (清華大學 電子工程系,北京100084)

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