L頻段星載SAR與GNSS同頻干擾分析及驗(yàn)證

葉興彬 莊磊 張如偉 李楠 魏春

(1上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)(2 北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076)

頻段選取是合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)?？紤]大氣電磁傳輸效應(yīng)[1]及工業(yè)研制基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)外SAR衛(wèi)星主要采用L、S、C、X、Ku五種頻段。理論分析及試驗(yàn)表明，對(duì)于具有高程測(cè)繪、特別是有差分形變測(cè)量應(yīng)用需求的SAR衛(wèi)星系統(tǒng)而言，為了保證干涉圖像對(duì)之間的相關(guān)性并提升處理精度，應(yīng)優(yōu)選具有時(shí)間去相關(guān)、空間去相關(guān)更小的L頻段[2-3]。日本的先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星-2(ALOS-2)[4]、歐洲航天局的新一代雷達(dá)干涉衛(wèi)星系統(tǒng)(TanDEM-L)均選用了L頻段。

按照國(guó)際電聯(lián)(ITU)規(guī)定，L頻段劃分給衛(wèi)星有源探測(cè)的頻率范圍為1215～1300 MHz之間的85 MHz，該頻率范圍亦可用于衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航。同時(shí)根據(jù)腳注5.332的規(guī)定[5]，在1215～1300 MHz頻段內(nèi)衛(wèi)星地球探測(cè)有源載荷不應(yīng)對(duì)衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航、無(wú)線電定位以及其他主要?jiǎng)澐謽I(yè)務(wù)產(chǎn)生有害干擾?？梢灶A(yù)見(jiàn)，同時(shí)搭載高發(fā)射功率SAR載荷和高靈敏接收雙頻導(dǎo)航接收機(jī)的L頻段星載SAR衛(wèi)星將面臨嚴(yán)峻的同頻干擾問(wèn)題。

針對(duì)該同頻干擾問(wèn)題，本文將仿真分析與實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果相結(jié)合，明確了同頻干擾的量級(jí)，提出了規(guī)避潛在干擾的針對(duì)性措施，可用于解決L頻段SAR衛(wèi)星工程研制中SAR與GNSS的同頻干擾問(wèn)題。

1 星內(nèi)同頻干擾分析及驗(yàn)證

1.1 干擾電平量級(jí)

根據(jù)國(guó)際電聯(lián)有關(guān)文件，L頻段星載SAR衛(wèi)星SAR載荷設(shè)計(jì)的工作頻帶將與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)L2頻點(diǎn)(GPS-L2)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)B3頻點(diǎn)(BD-B3)接近乃至重疊。由于無(wú)法進(jìn)行有效頻帶隔離，且衛(wèi)星提供的空域隔離在L頻段有限(典型值50 dB以?xún)?nèi))，導(dǎo)致兩者存在同頻干擾，且干擾電平量級(jí)較大。

基于L頻段差分干涉SAR衛(wèi)星載荷參數(shù)，分析同頻干擾電平約為-19 dBm(見(jiàn)表1，基于遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果)。該干擾電平雖不至于導(dǎo)致接收機(jī)燒毀(工程實(shí)際中，典型燒毀電平取+15 dBm量級(jí))，但已超過(guò)接收機(jī)前端的飽和電平(典型值-43 dBm)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GNSS接收機(jī)的靈敏度(典型值-100 dBm，考慮擴(kuò)頻體制帶來(lái)約30 dB抗干擾能力后[6])。為確保接收機(jī)的正常工作，需要針對(duì)性地解決同頻干擾問(wèn)題。

表1 星內(nèi)同頻干擾電平計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation result of intra-satellite co-frequency interference level

1.2 抗干擾臨界電平

分析干擾電平對(duì)GNSS接收機(jī)的干擾程度需綜合分析干擾的強(qiáng)度和干擾的類(lèi)型。區(qū)別于連續(xù)波干擾，SAR發(fā)射的脈沖干擾信號(hào)由于發(fā)射脈寬相對(duì)于GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)比特時(shí)間來(lái)說(shuō)很短且占空比較低，GNSS接收機(jī)通過(guò)一定的設(shè)計(jì)可以克服較大功率的SAR脈沖干擾[7]?？垢蓴_的臨界電平一般需通過(guò)實(shí)物測(cè)試獲得。

GNSS接收機(jī)的測(cè)距、定位性能與系統(tǒng)的信噪比密切相關(guān)，在白噪聲模型下，為保證接收機(jī)的性能，需確保接收機(jī)前端的噪聲電平不會(huì)被抬的太高，一般要求由射頻干擾引起的信噪比損失控制在3 dB以?xún)?nèi)。

通過(guò)對(duì)GNSS接收機(jī)施加不同量級(jí)的SAR干擾信號(hào)，試驗(yàn)以GNSS接收機(jī)載噪比下降2 dB為判據(jù)，開(kāi)展了GNSS抗SAR脈沖干擾臨界電平摸底測(cè)試。試驗(yàn)參數(shù)為L(zhǎng)頻段差分干涉SAR衛(wèi)星載荷典型參數(shù)(中心頻率1.25 GHz，帶寬120 MHz，脈沖重復(fù)頻率(PRF)取3200 Hz，脈寬50 μs，占空比16%)，測(cè)試原理圖及結(jié)果如圖1和表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)L1頻點(diǎn)(GPS-L1)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻點(diǎn)(BD-B1)受干擾的臨界電平約為-20 dBm，GPS-L2、BD-B3頻點(diǎn)受干擾的臨界電平約為-40 dBm。

圖1 抗干擾臨界電平測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of anti-interference critical level test

表2 抗干擾臨界電平測(cè)試結(jié)果Table 2 Anti-interference critical level test results

1.3 抗干擾抑制措施

文獻(xiàn)[8-9]對(duì)同頻干擾產(chǎn)生的原因、抗干擾措施進(jìn)行了論述，提出了超低副瓣天線設(shè)計(jì)、頻率捷變?cè)O(shè)計(jì)以及信號(hào)相關(guān)處理等干擾抑制措施。針對(duì)本文SAR與GNSS之間的背瓣同頻干擾，為兼顧SAR載荷距離向分辨率、系統(tǒng)靈敏度等性能指標(biāo)，空域、頻帶隔離手段已無(wú)能為力?？紤]到SAR載荷脈沖工作的特點(diǎn)，擬采用時(shí)域抗干擾措施。為此，采用了在導(dǎo)航接收機(jī)前端增加一個(gè)隨SAR脈沖信號(hào)聯(lián)動(dòng)工作電子微波開(kāi)關(guān)的抗干擾抑制措施。同頻干擾抑制措施如圖2所示，其中微波開(kāi)關(guān)的通斷由SAR分系統(tǒng)定時(shí)器模塊產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)進(jìn)行控制，且相對(duì)于發(fā)射PRF信號(hào)，控制定時(shí)信號(hào)需進(jìn)行一定的展寬(考慮多徑信號(hào)抑制，典型值2 μs)。

圖2 同頻干擾抑制實(shí)施框圖Fig.2 Implementation block diagram of co-frequency interference suppression

1.4 抗干擾措施有效性驗(yàn)證

針對(duì)同頻干擾抑制措施開(kāi)展了有效性實(shí)物驗(yàn)證，試驗(yàn)于暗室環(huán)境進(jìn)行，驗(yàn)證連接圖如圖3所示。試驗(yàn)通過(guò)比對(duì)無(wú)干擾模式(工況1)、干擾模式(工況2)和干擾抑制模式(工況3)接收機(jī)的載噪比和觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行抗干擾措施的有效性驗(yàn)證。SAR發(fā)射信號(hào)配置為：中心頻率1.227 GHz、脈寬500 μs，占空比16%，H極化，法向波位，GNSS天線接收端口干擾電平-27 dBm；GNSS模擬器輸出電平-125 dBm；微波開(kāi)關(guān)隔離度優(yōu)于30 dB。試驗(yàn)工況描述如表3所示。

圖3 同頻干擾抑制措施有效性驗(yàn)證測(cè)試連接圖Fig.3 Connection diagram for effectiveness verification test of co-frequency interference suppression measures

表3 同頻干擾抑制措施有效性驗(yàn)證測(cè)試工況Table 3 Test conditions for effectiveness verification test of co-frequency interference suppression measures

3個(gè)工況下的載噪比變化及導(dǎo)航原始觀測(cè)數(shù)據(jù)(偽距、載波相位)質(zhì)量評(píng)估情況如圖4～圖9所示。由圖可見(jiàn)不加抗干擾抑制措施時(shí)，干擾時(shí)段接收機(jī)的載噪比及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降明顯，增加微波開(kāi)關(guān)抗干擾措施后，干擾時(shí)段載噪比及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量得到明顯改善，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果Table 4 Results of quality assessment of observation data

圖4 工況1載噪比變化(GPS)Fig.4 C/N0 change of test-condition 1(GPS)

圖5 工況2載噪比變化(GPS)Fig.5 C/N0 change of test-condition 2(GPS)

圖6 工況3載噪比變化(GPS)Fig.6 C/N0 change of test-condition 3(GPS)

星載GNSS接收機(jī)接收導(dǎo)航有用信號(hào)存在一定的動(dòng)態(tài)范圍。為進(jìn)一步驗(yàn)證抗干擾措施的有效性，開(kāi)展了模擬器5種不同輸出(-119 dBm，-123 dBm，-125 dBm，128 dBm，-131 dBm)、覆蓋強(qiáng)弱電平下的干擾抑制性能比對(duì)測(cè)試，抽取5種電平條件下的通道平均載噪比結(jié)果如圖10所示(導(dǎo)航模擬器不同電平輸出)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，增加干擾抑制措施后，干擾信號(hào)造成L1、L2信號(hào)載噪比損失為1.25 dB和3.12 dB(5種電平條件下的平均值)，期間接收機(jī)在多種導(dǎo)航信號(hào)強(qiáng)度情況下各通道均工作正常，抗同頻干擾抑制措施有效。分析載噪比損失主要由2個(gè)方面造成：①接收通道引入微波開(kāi)關(guān)后，插損帶來(lái)載噪比損失；②在隔斷SAR同頻干擾信號(hào)進(jìn)入GNSS接收機(jī)的同時(shí)，部分GNSS信號(hào)也無(wú)法進(jìn)入GNSS接收機(jī)，一定程度上影響了接收機(jī)導(dǎo)航信號(hào)處理，帶來(lái)信噪比的損失。微波開(kāi)關(guān)選擇時(shí)，需綜合考慮開(kāi)關(guān)的隔離度指標(biāo)與插損指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)微波開(kāi)關(guān)對(duì)干擾信號(hào)抑制的同時(shí)帶來(lái)較小的有用信號(hào)的載噪比損失。

圖7 工況1的偽碼測(cè)距精度和載波相位實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Pseudo-code and carrier phase results of test-condition 1

圖8 工況2的偽碼測(cè)距精度和載波相位實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.8 Pseudo-code and carrier phase results of test-condition 2

圖9 工況3的偽碼測(cè)距精度和載波相位實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.9 Pseudo-code and carrier phase results of test-condition 3

圖10 同頻干擾抑制措施有效性驗(yàn)證測(cè)試Fig.10 Verification test of co-frequency interference suppression measures

2 星地同頻干擾分析

鑒于衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的天然重要性，在完成星內(nèi)同頻干擾分析與驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展L頻段星載SAR衛(wèi)星與無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的共用分析。

以L頻段差分干涉SAR衛(wèi)星為例，考慮最?lèi)毫忧闆r(即收發(fā)天線波束正對(duì)情況)，得出地面GNSS接收機(jī)接收到的SAR干擾信號(hào)強(qiáng)度約為-45.8 dBm，低于接收機(jī)飽和電平，如表5所示。

表5 星地同頻干擾電平計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation result of satellite-ground segment co-frequency interference level

與星內(nèi)干擾分析不同，除干擾強(qiáng)度外，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，SAR載荷干擾信號(hào)對(duì)地面某一固定目標(biāo)的影響還需考慮照射時(shí)間及照射概率。根據(jù)某衛(wèi)星SAR參數(shù)及衛(wèi)星重訪特性，分析了SAR發(fā)射信號(hào)一天內(nèi)照射GNSS接收機(jī)目標(biāo)的時(shí)間T(單位：s)以及目標(biāo)被照射概率Q。

分析輸入條件如下。

(1)衛(wèi)星平均重訪時(shí)間T1(單位：h)：由衛(wèi)星軌道參數(shù)及SAR入射角決定。L頻段差分干涉SAR衛(wèi)星的平均重訪時(shí)間約為11.71～24 h，取11.71 h。

(2)衛(wèi)星合成孔徑時(shí)間T2(單位：s)，根據(jù)SAR原理[10]：

T2=Ls/Vst=Rλ/(LaVst)

(1)

式中：Vst為衛(wèi)星運(yùn)行速度；La為天線方位向孔徑尺寸；R為衛(wèi)星高度；λ為工作波長(zhǎng)。T2經(jīng)計(jì)算，取4 s。

(3)SAR發(fā)射信號(hào)占空比P，取16%。

根據(jù)上述輸入條件，計(jì)算了接收機(jī)被照射時(shí)間和照射概率：T=24/T1×T2×P=1.31 s，Q=(T/86 400)×100%=0.001 52%。可見(jiàn)，由于SAR載荷合成孔徑及脈沖工作的特點(diǎn)，地面GNSS接收機(jī)目標(biāo)一天內(nèi)被照射的時(shí)間僅1 s左右，照射概率為萬(wàn)分之一量級(jí)，且照射強(qiáng)度低于接收機(jī)飽和電平，綜合分析該干擾電平信號(hào)不會(huì)對(duì)接收機(jī)造成影響，L頻段星載SAR與地面GNSS的同頻干擾問(wèn)題較星內(nèi)干擾要小。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)L頻段星載SAR衛(wèi)星高發(fā)射功率SAR載荷和高靈敏接收雙頻導(dǎo)航接收機(jī)存在的同頻干擾進(jìn)行了分析及實(shí)物驗(yàn)證，主要結(jié)論如下。

(1)SAR與GNSS在星內(nèi)存在較為突出的同頻干擾問(wèn)題，干擾信號(hào)超過(guò)GNSS接收機(jī)抗SAR干擾臨界電平(實(shí)測(cè)值GPS-L1、BD-B1頻點(diǎn)約為-20 dBm，GPS-L2、BD-B3約為-40 dBm)，需要針對(duì)性實(shí)施干擾抑制措施。本文采用在導(dǎo)航接收機(jī)前端，增加隨SAR載荷發(fā)射脈沖信號(hào)聯(lián)動(dòng)工作的電子微波開(kāi)關(guān)的抗干擾抑制措施，經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證抗干擾措施有效，建議后續(xù)類(lèi)似衛(wèi)星采取類(lèi)似措施加以規(guī)避。

(2)本文開(kāi)展了L頻段星載SAR衛(wèi)星與無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的共用分析。由于SAR載荷的工作特點(diǎn)，使得地面GNSS接收機(jī)被SAR載荷照射的概率為萬(wàn)分之一量級(jí)，且照射強(qiáng)度也低于接收機(jī)的飽和電平，預(yù)期不會(huì)對(duì)接收機(jī)造成影響。