自組網通信模塊對北斗信號接收性能的影響分析

舒海翅，戚克培，鄒 璇，李洋洋，楊 佳

（1. 長江空間信息技術工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010；2. 武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430072；3. 武漢攀達時空科技有限公司，湖北 武漢 430079）

基于北斗/GNSS 的無人機集群動動定位作為當前定位領域的一個熱點方向，具有廣闊的應用前景。海軍艦隊和無人機編隊、飛行器對接以及智能駕駛、自動駕駛等領域均需獲取無人機精確的相對位置[1]。為解算無人機終端間的相對位置關系，且各無人系統之間需具備信息快速交互的能力，因此無人系統間需構成一個可靠的自組網絡[2-3]。由于北斗/GNSS 定位需要接收衛星信號，因此終端必須配備合適的天線來確保信號質量，以保證定位精度[4]。不同的北斗/GNSS衛星對定位精度的影響不同。根據運行軌道的不同，北斗衛星可分為地球同步軌道（GEO）衛星、中地球軌道（MEO）衛星和傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星。雖然GEO 衛星軌道誤差較大，但能顯著改善IGSO 衛星的位置精度因子，因此GEO+MEO+IGSO 衛星星座能保證最好的定位精度[5]。在無人機集群精密相對定位過程中，需要解算多個終端間的相對位置關系，因此無人機定位終端不僅需裝載接收衛星信號的衛星天線，還需配備集群內數據交互的通信天線。為保證定位結果的實時性，各終端間將通過通信天線進行高時頻高強度的數據傳輸[6-7]，其無線電信號發射功率一般較大，若不對其進行處理將產生嚴重的電磁干擾[8-9]，使接收的衛星信號質量嚴重下降，并影響到最終的相對定位精度。本文將從衛星信號和通信信號的強度、頻率、帶寬、信噪比、極化方式等特性出發，探究了二者互相影響的機制，并提出了在無人機集群相對定位中避免二者相互干擾的方案。

1 無人機集群高精度相對定位

隨著北斗系統定位技術與各行業的深入結合，目標多、間隔小、速度快、要求精確可信的位置服務應用更為廣泛，傳統的RTK技術已不能完全滿足應用需求，由此衍生出了流動站與基準站均移動的動態相對定位技術[10]。該技術是動態目標與動態目標之間的相對定位，可精確確定目標之間的相對位置和相對姿態信息[4]，并根據距離的遠近自動調整解算策略。

在無人機集群的相對運動過程中，如何獲取目標間精確、可信的實時相對位置是確保整個編隊正常作業的前提。為提高作業的安全性和效率，無人機編隊中各終端需針對周圍其他動態目標的不同精度位置感知需求，以自身位置為中心，與其他目標之間通過無線通信網絡進行鏈接，實時解算相對位置關系，從而自主構建與其他目標之間精確的位置關系網[11]。無人機集群的高效分布式無線自組網通信技術是各無人機間進行協同高精度相對定位作業的基礎和前提。由于協同高精度相對定位需要各終端間具備信息快速交互的能力，因此自組網內存在高密度高時頻的數據傳輸（圖1）；同時動態相對定位技術也需依賴衛星信號的接收，二者可能會產生相互干擾[8]。

圖1 無人機自組通信網絡

2 自組網通信模塊及其對北斗信號的干擾

2.1 自組網通信模塊

為解算無人機集群的實時相對位置，需要各無人機終端構建一個自組網絡。由于無人機集群具有規模大、移動速度快、數據通信復雜的特點，因此采用可配置的遠距和近距混合無線通信技術。無人機集群規模越大，相對定位所需解算的基線數目越多，單位時間內自組網通信量就越大；且由于無人機飛行速度快、作業范圍廣，對于自組網數據傳輸距離和延遲也有較高要求。針對無人機集群高精度相對定位的特點，選用西安思后的WR 系列Ipmeshnet 遠距離無線通信模塊，發射功率為33 dBm(2W)，收發采用頻分雙工方式，工作頻段選擇1 415 MHz 頻段，帶寬為10 MHz。中心頻率為1 415 MHz 的通信模塊的特點為：①通信范圍大，最大數據通信距離可達10 km；②帶寬高，各通信節點間最大傳輸速率超過1 Mbps；③延遲低，平均延遲可控制在0.1 s內；④質量輕，各自組網通信終端重量小于300 g。針對自組網中通信模塊多屬性可配置的特性，設計多通道異構拓撲結構和層次型組網機制。網絡化多通道通信模塊包括WiFi和SC-FDE/OFDM 兩個通信單元，前者適用于近距離范圍（200 m）聯動目標集群的高速低延遲通信；后者適用于遠距離范圍（10 km）聯動目標集群的高可靠通信。無線通信單元由單片射頻收發前端電路和FPGA數字基帶處理器組成，前者采用Lime Microsystems公司的LMS6002D 芯片，實現零中頻到射頻的雙向變換；后者采用Altera 公司的MAX10 系列FPGA 芯片，實現2DPSK的基帶調制與解調以及接收同步功能。與無線通信單元的接口采用高速EMIF 接口，實現TMS320DM6446 內的DSP 內核與無線通信單元的FPGA高速交換信號，可為通信信號處理提供可能。

2.2 北斗衛星信號特性

目前北斗系統提供的主要信號特性見表1。北斗信號調制方式包括二進制相移進控調制（BPSK）和正交相移鍵控調制（QPSK），B1C 還包含二進制偏移載波調制（BOC）。發射信號極化方式基本為右旋圓極化（RHCP）[12-13]。BPSK 調制下的衛星導航信號數學模型為：

表1 北斗衛星信號特性

式中，n=1,2,…,N；為第i顆衛星的測距碼；為第i顆衛星的數據碼電平值；fc為載波頻率；θ為載波初始相位；fs為信號采樣頻率[9]。

2.3 信號干擾分析

為探究自組網信號對北斗衛星信號的干擾機制，本文對典型的干擾信號進行分析。由于現代技術手段的飛速發展，空間電磁環境日趨復雜，北斗信號在傳播路徑中將遇到諸多考驗，將對導航系統的PVT精度產生很大影響。影響導航系統的干擾信號可分為欺騙干擾和壓制干擾。根據干擾和導航信號頻譜寬度的相對大小，可將干擾分為單音干擾、窄帶干擾和寬帶干擾，窄帶干擾是指干擾信號所占帶寬小于目標帶寬10%的干擾，否則為寬帶干擾[9]。由于自組網通信模塊的發射功率較大、帶寬較寬，可認為是壓制干擾、寬帶干擾[14]。

本文通過信噪比來衡量二者的干擾特性，計算公式為：

式中，Ps為衛星信號的平均功率；Pn為噪聲信號的平均功率。

3 干擾測試

2021年3 月23 日在武漢市進行測試和對比分析。測試設備采用武漢大學自研的聯動目標高精度相對定位終端，通信模塊采用西安思后的WR 系列Mesh 自組網電臺，北斗板塊采用上海司南803 板塊。在通電5 min 后北斗信號穩定時，分別記錄北斗衛星的信噪比和可用衛星數，以衡量北斗信號的質量。本文分別測試不同通信天線安裝方式、天線間距離對北斗衛星信號接收的影響，測試方案見表2。為探究信號干擾的干擾源是否是通信天線，在不同的安裝方案下選擇性地添加屏蔽鋁板。GEO、IGSO 和MEO 衛星的信噪比和可用衛星數見表3，可以看出，通信天線安裝方式和天線間距離均會對接收的北斗衛星信號質量產生影響，無論通信天線豎直向上或傾斜30°向上都會導致GEO 衛星信噪比為0（方案2、3）；距離為0.2 m時，即使加裝屏蔽鋁板，GEO 衛星的信噪比仍為0，無法阻止通信信號對衛星信號接收的干擾（方案10、11）；同樣的安裝方式，若二者距離在0.1 m以內（方案6、7），則GEO 衛星的3 個頻點信噪比能保持在40 dBHz 以上，說明近距離加裝屏蔽鋁板能抑制天線間的信號干擾；通信天線朝下時，不會發生信號間的干擾（方案1、4）；當兩種天線朝向相同，即通信天線朝上時，可用衛星數由13降至9，即GEO衛星均表現為不可用，說明在通信天線與北斗天線方向朝向相同，且距離為0.2 m 時，會使GEO 衛星信號受到干擾，信噪比降至0，無可用衛星；當兩種天線朝向相反時，北斗3頻信號保持正常。若發生干擾，GEO衛星信噪比即表現為0，否則可保持在40 dBHz，因此可排除添加鋁板前后造成的多路徑效應對實驗的影響。

表2 安裝方案

表3 不同方案下GEO、IGSO和MEO衛星的信噪比和可用衛星數

將安裝距離控制在0.2 m，本文對不同通信天線安裝方案影響下的北斗3頻信號整體表現進行探究，信噪比圖形見圖2，可以看出，3 個頻點中B2 頻段受影響最小，通信天線豎直向下和兩側水平安裝對接收的北斗3頻信號質量影響較小，整體信噪比在40 dBHz以上，可滿足北斗定位需求；而當通信天線與北斗天線朝向相同，即向上安裝時，北斗3頻信號的信噪比整體下降，特別是兩根通信天線分向上下的情況，整體信噪比降至20 dBHz左右，北斗信號的質量出現嚴重下滑。

不同通信天線安裝方案影響下北斗不同星座受干擾情況見圖3，可以看出，無人機自組網通信信號對GEO 衛星和MEO/IGSO 衛星信號的影響差異明顯，GEO衛星受其影響較大，錯誤的安裝方式會導致GEO衛星信號接收困難，豎直向下和兩側水平兩種方案獲得的信噪比接近，可保持在40 dBHz 以上，通信天線向上時，整體信噪比會發生陡降，且會出現GEO衛星信號失鎖使可用衛星數下降的情況；MEO/IGSO 衛星受其影響不大，豎直向下安裝時信噪比最差，約為37 dBHz，信噪比最好的安裝方式仍為豎直向下和兩側水平，平均可用衛星數整體穩定在10~11 顆。其原因在于，GEO衛星的運行軌道較高、信號覆蓋范圍很廣，具有良好的抗遮蔽性；但距離地面遠，在衛星發射功率相同的情況下，在地球表面接收到的GEO衛星信號就更加微弱，如B1I 的最低信號功率為-163 dBw，更易受到電磁干擾，特別是自組網通信信號的發射功率可達33 dBw，對GEO衛星信號的影響更大。

綜上所述，通信天線豎直向下和兩側水平安裝接收的衛星信號質量較好，受干擾影響較小，但在實際自組網中，兩側水平安裝會導致自組網通信信號較差，應采用豎直向下安裝方式以避免兩種信號的相互干擾。因此，將通信天線豎直向下安裝，北斗天線與通信天線水平、豎直均間隔0.2 m 以上，即可較好避免二者之間的干擾。

4 結 語

本文分析聯動目標自組網北斗定位中北斗定位信號和自組網通信信號的特性發現，二者在工作中存在一定的干擾，易影響接收的北斗定位信號質量，若天線之間安裝方式不當將導致接收機搜索不到GEO 衛星。通過分析比較不同安裝方式、安裝距離發現，在北斗天線豎直向上安裝的前提下，將通信天線豎直向下安裝、水平和豎直間隔控制在0.2 m 以上時，可以很好地避免二者之間的干擾，北斗信號信噪比能控制到40 dBHz 左右，可確保整體北斗自組網定位解算的順利進行。