一種衛星緊急無線電示位標GPS干擾分析

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 木建一

嘉興南湖學院 于海鵬

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 李培正 朱 坤 姚克波

隨著GPS模塊價格越來越低，現在的很多示位標設備都帶有GPS接收模塊。但由于GPS信號非常微弱，容易受到其他信號干擾，尤其是在帶有無線電發射模塊的設備中。本文對示位標里一種通過同軸電纜傳導的GPS信號干擾現象進行了分析并提出解決方案。該分析結果和解決方案可以給其他帶有GPS的電路設計提供參考。

衛星緊急無線電示位標（簡稱示位標）是一種人員、船只或飛機遇險求救裝置，工作時向國際衛星搜救組織衛星發射求救信號，衛星再將信號轉發到地面站。示位標工作時發射兩種信號，一種是406MHz附近的頻點（406.025，406.028MHz等），信息分長信息和短信息，長信息144比特包含國別、遇險類型、GPS數據等信息，短信息112比特，不含GPS數據。隨著GPS模塊價格越來越低，現在的示位標基本都帶有GPS接收模塊，發射的信號都包含GPS信息。406MHz信號每50s左右發送一次。另一種是輔助搜救信號，頻率為121.5MHz的音頻調幅信號，該信號一直發射，只有在406MHz信號發射時暫停。

導航衛星運行于距離地面20km以上的軌道中，其發射功率受電池功率的制約，信號到達地面時極其微弱。以GPS為例，其信號到達地面接收機的最小功率為-160dBW。如此微弱的信號，極易受到干擾。當同一設備中既有無線發射模塊又有GPS接收模塊時，GPS信號容易受到干擾。示位標中有GPS接收模塊和其他無線發射模塊（406MHz和121.5MHz），因此示位標的GPS信號容易受到干擾。

1 問題發現

中國電子科技集團公司第三十六研究所是國內首家取得國際衛星組織證書的衛星緊急無線電示位標生產廠家，圖1為示位標產品實物圖。在示位標的早期生產、測試過程中技術人員發現某些示位標GPS模塊定位時間過長，甚至長時間不能定位等問題。

圖1 中國電子科技集團公司第三十六研究所示位標

在一次對同一批次20多臺示位標測試時發現有多達30%的示位標存在定位困難的問題。正常示位標在1min甚至20s左右即可定位，而部分示位標長達10min仍不能定位。根據COSPAS-SARSAT組織的型式認可試驗標準，內置定位裝置的示位標定位時間不能大于10min。示位標GPS模塊若長時間不能定位，不但影響產品出廠和日常檢驗，在實際使用中萬一船只失事救援人員將無法確定失事坐標，嚴重影響救援效率，因此GPS模塊的快速定位能力非常重要。

2 原因分析

由于示位標中的GPS模塊采用的是國際知名品牌產品，而且批次相同，因此基本排除是GPS模塊的問題。GPS信號采用兩種偽碼調制，即粗捕獲碼(C/A碼)和精密碼(P(Y)碼)。其中C/A碼僅調制在L1(1575.42MHz)頻段上，而P(Y)碼同時調制在L1和L2(1227.6MHz)兩個頻段上。示位標的406MHz信號每50s左右發送一次，發送持續時間不足1s，正常的示位標甚至20s左右即可定位，而且406MHz信號的諧波離GPS頻點1575MHz較遠，因此406MHz的干擾也基本可以排除。121.5MHz信號一直處于發射狀態，只有在406MHz信號發射時暫停，且其13次諧波1579.5MHz離GPS中心頻點較近，在GPS的工作帶寬內，有可能是121.5MHz信號的諧波影響到GPS信號的接收。為印證該推測，技術人員分別切斷406MHz和121.5MHz信號輸出，結果發現切斷406MHz信號對GPS信號接收沒有改善，切斷121.5MHz信號后存在GPS接收困難的示位標故障消失。如圖2所示，406MHz和121.5MHz信號產生后通過各自的功放電路再進行耦合，兩者共用同一天線。

圖2 示位標射頻部分電路原理框圖

3 解決方案

在設計示位標電路時，為了節省空間和防止干擾，示位標電路采用兩塊電路板疊加而成，第一層電路板上裝有指示燈、閃光燈、GPS天線和GPS接收模塊。第二層電路板裝有電源電路、控制電路、406MHz和121.5MHz信號產生和放大電路、耦合電路、濾波電路，如圖3所示。

圖3 示位標電路

第一層和第二層的電路板通過插針連接，第二層電路板上的406MHz和121.5MHz射頻信號通過射頻同軸電纜穿過第一層電路板連接至發射天線。在設計初期已經考慮到為了減少GPS的干擾，把所有的數字電路、模擬電路都放在第二層電路板，第一層電路板只放GPS天線和GPS模塊以及幾個必要的指示燈和閃光燈。但是為了生產、組裝方便，射頻同軸電纜需要稍微長一點，在組裝完成后過長的射頻電纜將彎曲盤旋在兩層電路板之間。由于生產中沒有對過長的同軸電纜的走線進行約束，示位標成品射頻電纜走線隨機分布。所以在正常的示位標和定位困難的示位標之間其實只有同軸電纜的走線方式不同，定位困難的示位標同軸電纜基本是盤旋在121.5MHz電路上方，121.5MHz的諧波被同軸電纜屏蔽層吸收并傳導到GPS模塊附近，改變同軸電纜走線方向，避免其從121.5MHz電路上方經過，問題得到解決。

結論：本文對一種衛星緊急無線電示位標GPS干擾現象進行了分析，分析結果表明是射頻同軸電纜的外屏蔽層將121.5MHz諧波信號傳導給GPS模塊，造成GPS模塊接收困難。

在一般電路設計中設計師考慮較多的是如何對干擾源和接收模塊進行盡可能地隔離，并防止電源線、數據線等普通線纜的傳導干擾。在本設計中也是通過將發射電路和GPS接收模塊分置在兩塊電路板上，并間隔一定距離，電源線和數據線也盡量遠離干擾源。然而同軸電纜作為射頻傳輸電纜具有良好的屏蔽作用，其屏蔽層的傳導干擾往往被設計師忽視，正如在本例中同軸電纜由于兩端接地點有一定距離，其屏蔽層反而起到了傳導干擾的作用，變成了GPS干擾的幫兇。在有收發電路的設計中，設計師除了考慮輻射、普通電纜的傳導等干擾外還要注意同軸電纜的長度、走線、接地等，如果存在同軸電纜的傳導干擾且設計已經定型，那么可以通過改變同軸電纜走線方向、長度來盡量降低干擾。