直升機(jī)環(huán)境下北斗信號(hào)旋翼遮擋問(wèn)題研究

陳　亮，王　召

(1.深圳市遠(yuǎn)東華強(qiáng)導(dǎo)航定位有限公司石家莊分公司，河北 石家莊 050081；

2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200)

直升機(jī)環(huán)境下北斗信號(hào)旋翼遮擋問(wèn)題研究

陳亮1，王召2

(1.深圳市遠(yuǎn)東華強(qiáng)導(dǎo)航定位有限公司石家莊分公司，河北 石家莊 050081；

2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200)

摘要針對(duì)北斗衛(wèi)星資源少、容易受到遮擋，尤其是在直升機(jī)環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)衰落加劇的問(wèn)題，提出一種基于接收機(jī)基帶信號(hào)組合增強(qiáng)工程技術(shù)的解決方案，對(duì)使用環(huán)境下信號(hào)分別從量化值、閾值和信噪比估計(jì)3方面建模及仿真分析，同時(shí)結(jié)合工程應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，分析和驗(yàn)證接收機(jī)對(duì)微弱衛(wèi)星信號(hào)的接收靈敏度和抗干擾性能的改進(jìn)情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，接收機(jī)產(chǎn)品達(dá)到了在金屬翼直升機(jī)上的使用要求，技術(shù)方法可行有效。

關(guān)鍵詞直升機(jī)；機(jī)載北斗設(shè)備；遮擋；信號(hào)組合增強(qiáng)

Research on Rotor Blockage on BDS Signal in Helicopter Environment

CHEN Liang1,WANG Zhao2

(1.ShenzhenFareastHuaqiangNavigation&PositionCO.,Ltd,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.HebeiFar-eastCommunicationSystemEngineeringCo.,Ltd,ShijiazhuangHebei050200,China)

AbstractIn view of less BDS satellite resources,signal blockage and signal fading in helicopter environment,this paper presents a receiver baseband combination enhancement engineering technology.The modeling and simulation analysis for signals are implemented from such three aspects as quantification value,dynamic and SNR threshold value.Combining with the measured data in engineering application scene for comparative analysis,this paper analyzes and validates the improvement of receiver in receiving sensitivity and robustness for weak satellite signals.The experiment results show that the receiver can meet the requirement of using in metal wing helicopter environment,and this technology is feasible and effective.

Key wordshelicopter;airborne BDS equipment;blockage;signal combination enhancement

0引言

目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星資源少，比GPS定位系統(tǒng)對(duì)遮擋更為敏感，加之直升機(jī)旋翼在其高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)對(duì)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的遮擋，削弱了到達(dá)機(jī)載北斗設(shè)備天線口面的衛(wèi)星信號(hào)電平，從而使機(jī)載北斗設(shè)備無(wú)法正常完成定位和通信[1]。

直升機(jī)為金屬旋翼，共6片，每片旋翼長(zhǎng)約9 m，寬0.54 m，當(dāng)直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的時(shí)候，直升機(jī)機(jī)身被完全覆蓋于旋翼下方。在實(shí)際試驗(yàn)中，當(dāng)直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)載設(shè)備定位和通信成功率為80%，旋翼轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)時(shí)，定位和通信成功率為65%，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法滿足系統(tǒng)的正常使用要求。

同時(shí)，機(jī)上裝備有多種電子設(shè)備(如無(wú)線電發(fā)射機(jī))，電磁環(huán)境復(fù)雜，從另一個(gè)方面對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備接收衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾[2]。

以上這些環(huán)境因素嚴(yán)重影響了機(jī)載北斗設(shè)備定位和通信的成功率，無(wú)法為系統(tǒng)提供持續(xù)服務(wù)[3]。為此，通過(guò)運(yùn)用基帶信號(hào)組合增強(qiáng)技術(shù)提高機(jī)載北斗設(shè)備的接收靈敏度和抗干擾能力，從而提高機(jī)載北斗設(shè)備在金屬翼直升機(jī)使用環(huán)境下的定位和通信能力。

1基帶信號(hào)組合增強(qiáng)技術(shù)

基帶信號(hào)組合增強(qiáng)技術(shù)包含3個(gè)方面：中頻信號(hào)量化值選取、動(dòng)態(tài)閾值選取和信噪比估計(jì)算法。

1.1　中頻信號(hào)量化值選取

機(jī)載北斗設(shè)備的基帶信號(hào)處理單元接收射頻模塊送來(lái)的中頻信號(hào)，完成量化、解擴(kuò)、解調(diào)以及數(shù)據(jù)后處理等工作。在一般條件下，接收到的衛(wèi)星信號(hào)電平波動(dòng)范圍離散度低，對(duì)于中頻信號(hào)的處理采用3 bit量化，在衛(wèi)星信號(hào)電平波動(dòng)離散度高的情況下信號(hào)增強(qiáng)能力差[4]。為使設(shè)備具備較強(qiáng)的信號(hào)增強(qiáng)能力，本模塊對(duì)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了二次自適應(yīng)量化并剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，使設(shè)備在衰落環(huán)境下能夠正常工作，并具備一定的抗單音干擾的能力。來(lái)自射頻模塊的低中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC以及預(yù)濾波模塊，變換為離散時(shí)間信號(hào)并去除了帶外噪聲(及干擾信號(hào))[5]。隨后，根據(jù)信號(hào)信噪比的變化以及后處理單元估計(jì)的噪聲電平，本模塊計(jì)算出二次量化的閾值，并根據(jù)閾值進(jìn)行二次量化的處理，將信號(hào)變換為2 bit寬度，以降低后處理模塊的硬件規(guī)模。同時(shí)，能夠適應(yīng)前端信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化并具有一定的抗單音干擾能力。信號(hào)組合增強(qiáng)前端原理如圖1所示。

圖1　信號(hào)組合增強(qiáng)前端原理

對(duì)應(yīng)3 bit和2 bit動(dòng)態(tài)量化的量化閾值與信噪比損失的仿真圖形分別如圖2和圖3所示。

圖2　3 bit損失的仿真圖形

圖3　2 bit損失的仿真圖形

可以看到，對(duì)于2 bit情況，當(dāng)采用最佳量化值時(shí)，量化損失不足0.6 dB，而帶來(lái)的好處是后續(xù)信號(hào)處理的比特寬度大大降低了。另外，當(dāng)采用動(dòng)態(tài)量化后，接收機(jī)不會(huì)受到接收信號(hào)電平波動(dòng)的影響，在將近40 dB的范圍都有著良好的信號(hào)增強(qiáng)能力以及最小的量化損失[6]。這對(duì)于設(shè)備在直升機(jī)金屬旋翼遮擋造成的衛(wèi)星信號(hào)電平波動(dòng)環(huán)境下的穩(wěn)定工作有很大幫助。

1.2　動(dòng)態(tài)閾值選取

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)仿真結(jié)果的指導(dǎo)，采取了動(dòng)態(tài)閾值設(shè)定的方法，這是因?yàn)橛捎谳斎胄l(wèi)星信號(hào)以及干擾信號(hào)的電平波動(dòng)，若采用固定閾值，則很難兼顧高低電平動(dòng)態(tài)的變化[7]。在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)3個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)獲得對(duì)閾值的有效估計(jì)(噪聲電平的估計(jì)、輸入信號(hào)電平的估計(jì)以及解調(diào)后信噪比的估計(jì))，可以獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)閾值[8]。

1.3　信噪比估計(jì)算法

設(shè)計(jì)采用了一種先進(jìn)的信噪比估計(jì)算法，接收機(jī)信號(hào)處理單元配有一個(gè)信噪比估計(jì)模塊，該模塊用純軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)相關(guān)器通道將衛(wèi)星出站信號(hào)鎖定后，信噪比估計(jì)模塊就可以對(duì)該通道的歸一化信噪比C/N0進(jìn)行估計(jì),估計(jì)的結(jié)果作為信號(hào)實(shí)時(shí)強(qiáng)度檢測(cè)的依據(jù)[9]。

相關(guān)器的輸出為有用信號(hào)與噪聲功率的疊加，并可視為寬帶信號(hào)，對(duì)其功率進(jìn)行M次累加，可得

經(jīng)解擴(kuò)后，相關(guān)器輸出的信號(hào)為窄帶信號(hào)[10]，功率可表示為：

將窄帶功率歸一化，得到

對(duì)上式進(jìn)行K次累積，得到

則信噪比估計(jì)可表示為：

信噪比估計(jì)的信號(hào)流程如圖4所示。

圖4　信噪比估計(jì)的信號(hào)流程

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)支撐基帶信號(hào)組合增強(qiáng)技術(shù)，使設(shè)備獲得了足夠的信息，可以保證最優(yōu)的動(dòng)態(tài)閾值的設(shè)定，以此來(lái)保證在受旋翼遮擋衛(wèi)星信號(hào)電平波動(dòng)時(shí)的機(jī)載北斗設(shè)備接收靈敏度和抗干擾水平，進(jìn)而保證設(shè)備定位和通信功能[11]。

機(jī)載北斗設(shè)備天線在飛機(jī)平臺(tái)上的布置位置如圖5所示。

圖5　機(jī)載北斗設(shè)備天線布置

運(yùn)用該技術(shù)前后在直升機(jī)平臺(tái)上的設(shè)備工作定位和通信成功率的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　定位和通信成功率對(duì)比測(cè)試結(jié)果

在接收靈敏度和抗干擾特性提高后，對(duì)比產(chǎn)品定位性能，成功率由之前的65%提升至99%，能夠滿足載體對(duì)定位的需求，可作為組合導(dǎo)航的位置源；通信性能，成功率由65%提升至99%，能夠滿足空地通信的要求?？傊?，引入該工程技術(shù)后，其能夠有效抵消遮擋和電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)的衰減，產(chǎn)品的性能顯著提升。

3結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用機(jī)載北斗設(shè)備基帶信號(hào)組合增強(qiáng)技術(shù)后設(shè)備的定位和通信成功率顯著提升，能夠滿足直升機(jī)使用環(huán)境的要求，同時(shí)此方法只是針對(duì)信號(hào)層面進(jìn)行了算法改進(jìn)，在信息層面的分析可在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)一步展開(kāi)，以獲得更好的適應(yīng)性。

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陳亮男，(1982—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品及其應(yīng)用。

王召男，(1988—)，助理工程師。主要研究方向：工程總體。

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：科技部國(guó)際合作項(xiàng)目(2013DFA10540)；發(fā)展基金(XX131450001)。

收稿日期：2015-05-11

中圖分類(lèi)號(hào)TN828.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0080-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.22

引用格式：陳亮，王召.直升機(jī)環(huán)境下北斗信號(hào)旋翼遮擋問(wèn)題研究[J].無(wú)線電工程，2015，45(8)：80-82.