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)勢結(jié)合起來,，實現(xiàn)對地全天候、大范圍,、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(wèi)星信號計劃使用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計劃頻段與多種GNSS信號頻段重疊或鄰近,。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號自身的特點,，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(jī)的性能影響進(jìn)行分析與評估，結(jié)果可作為高軌SAR項目立項及未來開展國內(nèi)外頻率協(xié)調(diào)工作的理論依據(jù),。

    對于GNSS接收機(jī)來說,，高軌SAR信號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信號干擾時具有參考意義^[3],。ITU-R M.2220包含了用于干擾評估,、計算綜合脈沖干擾參數(shù)的背景知識和基本計算方法，舉例計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)受干擾情況的評估方法和結(jié)果^[4],。ITU-R M.2030針對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(wèi)星業(yè)務(wù)(Earth Exploration Satellite Service,，EESS)對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)影響的兩個獨立研究結(jié)果^[6]。本文整理了上述文獻(xiàn),，提出用于評估高軌SAR信號對GNSS接收機(jī)性能的影響的方法,。

1 干擾場景及評估方法

    本文采用典型的“源-路徑-接收機(jī)”方法評估高軌SAR信號對GNSS接收機(jī)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(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信號的位置及相關(guān)參數(shù),；

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

    (3)用于接收機(jī)性能評估的GNSS接收機(jī)模型,。

    干擾場景構(gòu)成了這三個關(guān)鍵因素的基礎(chǔ),，本文分析的干擾場景為高軌SAR衛(wèi)星載荷工作時對地面接收機(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)星信號作為加性干擾源。高軌SAR信號的參數(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傳播過程當(dāng)中的衰減,，提供了計算到達(dá)接收機(jī)的信號功率的方法,；而接收機(jī)模型提供了用于確定高軌SAR信號對于接收機(jī)影響的性能參數(shù)。

    評估流程如下：首先將高軌SAR信號,、傳播路徑,、接收機(jī)模型參數(shù)匯總，計算到達(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)行等效載噪比計算,；最后通過等效載噪比評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機(jī)的影響,，評估流程圖如圖1所示。

2 參數(shù)匯總

2.1 高軌SAR信號特性及參數(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)頻信號的復(fù)指數(shù)形式為^[7]：

    高軌SAR設(shè)計頻段與當(dāng)前已經(jīng)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。

    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，故本文選取北斗B3I信號通用接收機(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信號在自由空間內(nèi)進(jìn)行傳播。電磁波在自由空間中傳播時僅存在因信號能量擴(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)過一定簡化、處理得來的,，該模型的對數(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,，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)，其計算公式如下：

其中,，f_c為信號頻率(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信號及GNSS接收機(jī)相關(guān)參數(shù)的情況下,，能夠計算出信號到達(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信號是否對GNSS接收機(jī)產(chǎn)生影響,。

2.3 用于脈沖射頻干擾評估的接收機(jī)模型

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

3 高軌SAR信號對GNSS接收機(jī)影響評估模型

3.1 接收機(jī)功率輸入分析

    根據(jù)對高軌SAR信號參數(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)實現(xiàn)方式多樣,，本文分別對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)接收到的信號功率高于消隱閾值時,，將信號、干擾及噪聲全部歸零,；而低于消隱閾值的信號,、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信號的強(qiáng)脈沖干擾,，因此將這一項歸納到場景基準(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，對于有多個脈沖RFI干擾源的情況,，PDC_B的計算公式如下：

其中,，PDC_B，j是第j個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,，對于RI的閾值變?yōu)轱柡烷撝?對應(yīng)于消隱閾值)，對于PDC_LIM變?yōu)檩斎腼柡碗娖?對應(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實現(xiàn)方式有關(guān)，對于硬限制的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信號作為加性干擾引入干擾基準(zhǔn)場景當(dāng)中,，當(dāng)高軌SAR信號存在時,，對于脈沖消隱接收機(jī)，等效載噪比的變化為：

其中,，N_0,，EFF+SAB是添加了高軌SAR信號后的等效載噪比，PDC_SAR是高軌SAR信號等效占空比,，R_SAR是低于消隱器閾值的高軌SAR信號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進(jìn)行估算的。

    同理,，對于脈沖飽和接收機(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信號發(fā)射帶寬(MHz),。當(dāng)公式(11)中的τ_PW，EFF為零時,，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,，在信號功率不變的情況下,，可以得到增加了高軌SAR信號后的等效載噪比：

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

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

4 軟件實現(xiàn)

    為了方便進(jìn)行參數(shù)修改，對不同參數(shù)的高軌SAR信號,、不同參數(shù)的接收機(jī)進(jìn)行分析,，明確每個參數(shù)對接收機(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)模型三個方面設(shè)置了干擾評估相關(guān)參數(shù),，通過計算接收機(jī)功率、等效噪聲變化值評估高軌SAR信號對GNSS地面接收機(jī)的性能影響,；最終通過軟件實現(xiàn)了多種不同參數(shù)的SAR信號對不同類型GNSS接收機(jī)影響的分析,。

    理論推導(dǎo)及計算結(jié)果表明：第一，在脈沖的消隱/飽和閾值相同時,，脈沖干擾對使用脈沖消隱方式接收機(jī)的影響為其對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)計的高軌SAR信號對B3I接收機(jī)會造成一定程度的干擾,，但對性能的影響不大,，不會影響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)