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        利用雙極化天線陣列緩解實際環境下的干擾

        2019-03-21 來源:上海北斗導航創新研究院 作者: 北研君 字號:

        1、雙重考量

        不同極化的天線陣列將空間和極化域的信號處理相結合,可以顯著提高接收機的抗干擾能力。

        極化。在日常用語中,“極化” 指將兩個群體按照截然不同的觀點或信仰分為兩組,但在物理和電氣工程領域,這個詞有另外一層含義,即用來描述電磁波的特性。電磁波,無論光波還是無線電波,都存在電場和磁場的相互垂直振動,并沿傳播方向移動。如果電場(相應地磁場)在一個特定的非變化平面內振動,我們就說波是線性極化的。

        在地面無線電通信中,信號通常以線性極化波的形式進行傳輸。同時,電場在垂直方向或水平方向上振動。

        如果電場和磁場的振動平面隨著信號傳播均勻旋轉,會出現圓極化的情況。因為旋轉的方向可以是順時針或逆時針的,所以我們可以接收到分別沿左、右手指彎曲方向的左圓極化(LHCP)和右圓極化(RHCP)信號。圓極化通常用于中低地球軌道衛星,如GNSS衛星的信號,其發射和接收天線的相對方位是不固定的。

        GNSS接收天線并不完美,特別是對于直接視距低仰角信號而言。LHCP主天線可以捕獲RHCP信號中的大部分能量,并在視距信號消失或極為微弱的時候對反射信號做出強烈的反應。因此,在極端情況下使用雙極化天線可以提高定位能力。此外,由于干擾信號可以是任意極化的,具有波束形成能力的雙極化天線能更好地分離和削弱這種干擾。

        對于GNSS的應用來說,從生命安全到執法、交通、通信、金融等關鍵領域的信號干擾都是一個嚴重的問題。在這些關鍵性應用中,即使以增加成本和系統的復雜性為代價,也要保證GNSS接收機最低水平的可靠性和魯棒性。為滿足這些需求,一些制造商和研究機構已開始研發具備抗干擾功能的GNSS接收機。

        本文中,我們提議采取一種新的干擾抑制法,通過配置具有不同極化天線陣列的GNSS接收機,以一種新的方式將空間和極化域的信號處理結合起來,并將現有的兩步盲自適應波束形成算法擴展到包含極化域的新算法,在德國Julich附近的Aldenhoven汽車測試中心進行了一次測試,并利用從該測試中收集到的數據對新算法進行了評估。我們使用了不同的干擾源,包括被稱為個人隱私裝置(PPDS)的低成本干擾器,在真實場景中驗證干擾抑制方面的顯著成效。

        測試結果表明,與普通的SP法相比,使用DP法時,接收機的抗干擾性能有了顯著提升。

        2、信號模式

        平面波的極化。假定接收的電磁信號為窄帶,輻射源位于遠場。在自由空間中,平面波的傳播方向正交于電場和磁場矢量,這使極化波的電場e可以用兩個正交于傳播方向的單位矢量進行完整描述。

        其中,∈x和∈y 為電場分量的實值非負振幅,Φx和Φy為場分量,ω為載波角頻率,k為波數。

        等式(1)中,只有實數部分與包含振蕩場相位信息的復指數實際相關。

        從線性基向量組轉換至圓形基向量組:

        其中,分別是RHCP和LHCP分量的單位矢量。明顯的時間和空間依賴性忽略不計,我們可以將歸一化的電場分量表示為:

        電磁信號的極化狀態由∈R和∈L進行描述。

        一般來說,任何沖擊天線平面波的電場都可以用這個方程式表示。

        雙極化天線陣列。圓形雙極化(DP)天線具有兩個正交的圓形極化輸出端口,這意味著每個元件分別在兩個不同的天線端口上成功接收由RHCP和LHCP場分量感應的電壓。由于天線的不完善和耦合效應,部分接收到的RHCP字段被LHCP端口接收,反之亦然。這些非想望的電壓造成了交叉極化元件的出現。

        有鑒于此,我們將天線表征為對圓極化平面波的響應,并在圓形基的基礎上使用瓊斯矢量法將電場表示為:

        其中,是由RHCP端口接收到的復合總電場,是在RHCP端口處由純RHCP電磁波誘導的復雜電場,表示為同極分量。是通過用純LHCP電磁波激勵天線所獲得的電場,φ 是方位角,θ是假設天線位于球坐標系原點時,沖擊信號的仰角。類似的表述適用于由LHCP端口接收的總電場以及同極性()和交叉極性()分量。

        問題公式化。天線陣列收集到的模擬信號通過接收機前端進行放大、過濾并轉移到基帶。所得到的復合基帶信號具有帶寬B,由配置M DP傳感器元件的天線陣列在極化端口P處接收。

        其中,sp(t)定義疊加的衛星信號副本,l = 1標識LOS信號,l = 2,...,L為非LOS(多路徑)信號,zp(t)表示i從1到I的疊加射頻干擾(RFI)信號。

        3、測量行動

        除提供LHCP通道輸出所需的附加混合耦合器之外,在我們的工作中還要使用一個2×2配置的平面四單元矩形DP陣列天線,類似于我們之前使用過的天線。每個元件有一個雙饋源,一個理想地接收RHCP場,另一個理想地接收極化輸入信號的LHCP場,共形成八個輸出信道。單天線元件被設計用于接收GPS L1、L5以及伽利略E1和E5頻段信號,但是在此次工作中,我們只關注GPS L1信號的接收。

        八個信號經過一個前端,在這里被放大、濾波并下變頻至2.5MHz的中頻。模擬信號隨后以每秒8兆的采樣率進行數字化,將生成的8比特位數據進行收集并存儲在固態驅動器中,隨后通過GNSS軟件接收機對數據進行處理和分析。

        測試場景描述。DP系統已由測定數據進行了驗證,以評估其對提高LOS信號接收質量和應對非故意RFI及干擾的魯棒性。如前所述,測試在Aldenhoven汽車測試中心進行。該中心提供七條不同長度、傾斜度和形狀的車道。測試所用的試車跑道即高速公路,在每個方向上提供兩條車道,總長度為1000米(見圖1)。

        在本文中,我們匯報并分析了三種基于不同測試場景的結果。在第一個測試中,我們在無干擾的環境里收集了超過60秒的GPS L1數據。該基線場景的目的在于驗證附加的LHCP信道是否改善了基于載波噪聲密度比(C/N0)和PVT誤差的信號接收性能。

        第二個測試場景中,安裝在桅桿上的喇叭天線在GPS L1波段上發送連續波(CW)干擾信號,并朝接收天線的方向轉向,如圖2所示。在測量間隔期間,喇叭天線和接收天線均保持靜態。

        第三個測試場景的目標是對類似于“紐瓦克場景”的真實干擾場景進行復制:一輛載有GPS干擾器的卡車駛過紐瓦克自由國際機場,使地基和星基增強系統接收機都出現了故障。為了進行這個測試,我們準備了一臺GPS L1波段的K-320 PPD干擾發射機(見圖3),將其安裝在車載12伏輔助電源輸出端,駕駛該車輛,靠近并經過接收機。

        4、結論

        測試結果表明,與普通的單極化個案相比,采用雙極化方法時,接收機的定位精度和魯棒性能都得到了顯著提高。到達角度低于30°的衛星得到了2 dB C/N0的改進,接收機的定位精度因此得以提升。雖然在我們的測試中,PVT精度的優點并不明顯,但在可視衛星數量較少或LOS信號受阻的情況下,如城市環境中,其優勢應更為顯著。接收機魯棒性的提高得益于極化域中進行濾波的可能性及靈活的可用自由度,從而使其在干擾嚴重的情況下進行信號跟蹤并實現PVT解決方案成為可能。使用雙極化陣列的有效PVT解決方案仍可用于53 dB的干擾信號比,而單極化陣列卻無法提供有效的位置。盡管這些改進值得關注,但由于待處理的信道數量增加了一倍,接收系統的成本和復雜性也因此實際提升了。

        作者:Matteo Sgammini, Stefano Caizzone, Achim Hornbostel , Michael Meurer

        注: 原文載自《GPS World》2017年2月號創新欄目。

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