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多体制转发式卫星导航信号源的总体设计许志民【摘要】为解决机载接收机无法正常接收真实卫星导航信号的问题，提出了一种多体制转发式卫星导航信号源的总体设计方案，并分析了涉及的关键技术。
采用“接收机+发射机”的原理，通过对卫星导航信号接收、解扩解调、抗干扰、频率变换、调制扩频和放大等处理，实现信号的转发。
该方案支持当前全球多种主流卫星导航系统体制，例如 GPS、BDS 和 GLONASS 等信号，实际试验证明了其有效性。
该技术方案还可用于导航设备研制、调试和通信导航的集成验证等特殊场景。
%To solve the problem that airborne receiver cannot receive real satellite navigation signals,an o-verall design scheme of multi-band RF retransmission satellite navigation signals simulator is presented and related key techniques are analyzed. According to the prin ciple of “a receiver+a transmitter”,the RF sig-nals of satellite are retransmitted through receiving navigation signal,de-spread-spectrum and demodula-tion,anti-interference processing,changing carrier frequency modulation and spread-spectrum amplifying. The scheme is suitable for GPS,BDS and GLONASS signals. Engineering application proves its effective-ness. The scheme can be used extensively in satellite navigation equipment development and verification of integration of communication and navigation.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】6页(P3-8)【关键词】卫星导航接收机;多频段;导航信号源;转发式;机载设备【作者】许志民【作者单位】中电科航空电子有限公司，成都 611731【正文语种】中文【中图分类】TN967在卫星导航接收机研制及卫星导航应用领域，卫星导航信号源都不可或缺。
卫星通信系统设计一、设计要求1.覆盖东南亚地区（地面终端为手持机）；2.波束：卫星天线有140个点波束，EIRP：73dbw, G/T :15.3db/k；3.支持数据速率9.6kbps，至少提供10000路双向信道；4.频段：L波段，上行 1626--1660MHZ;下行 1525--1559MHZ。
二、总体设计方案1.系统组成卫星通信系统由卫星星载转发器、地球站接收、地球站发送设备组成。
本设计系统卫星定位与赤道上空123oE，加里曼丹（即婆罗洲）上空。
距地面3.6KM，属地球同步卫星。
系统组成如图1所示发送端输入的信息经过处理和编码后，进入调制器对载波（中频）进行调制；以调的中频信号经过上变频器将频率搬移至所需求的上行射频频率，最后经过高功率放大器放大后，馈送到发送天线发往卫星。
卫星转发器对所接受的上行信号提供足够的增益，还将上行频率变换为下行频率，之后卫星发射天线将信号经下行链路送至接受地球站。
地球站将接受的微弱信号送入低噪声模块和下变频器。
低噪声模块前端是具有低噪声温度的放大器，保证接收信号的质量。
下变频、解调器和解码与发送端的编码、调制和上变频相对应。
2.系统传输技术体制○1，调制方式本系统采用π／4-QPSK调制机制QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)正交相移键控，是一种数字调制方式。
在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。
但是，当QPSK进行脉冲成形（信号发送前的滤波，减小信号间干扰，将信号通过设定滤波器实现）时，将会失去恒包络性质，偶尔发生的弧度为π的相移（当码组0011或0110时，产生180°的载波相位跳变），会导致信号的包络在瞬时通过零点。
任何一种在过零点的硬限幅或非线性放大，都将由于信号在低电压时的失真而在传输过程中带来已被滤除的旁瓣。
多通道卫星导航信号实时转发系统的设计摘要：为了进一步提升卫星导航信号在作战时的精准性，当前多通道卫星导航信号转发系统经过研发，已经应用在了卫星导航结构中，能够有效实现数据的实时采集以及可控延时性转发，可以有效的抵抗部分综合干扰环境中的影响因素。
本文围绕多通道卫星导航信号实时转发系统展开分析，意在通过本文论述，能够提升多通道，卫星导航信号转发系统的应用价值。
关键词：多通道；卫星导航；信号实时转发系统；设计引言由于传统的转发式欺骗干扰技术，在卫星导航信号转发系统中的应用具有较多的问题，其技术难度较大，且需要落实多项技术环节，因此建立在当前卫星导航信号的采集以及回放需求基础上，落实多通道的卫星导航信号实时采集系统是当前极为重要的研发任务。
该系统建立在转发式欺骗干扰技术的基础上，结合卫星导航数据传输和接收的相关需求来综合分析，能够有效的进行数据的实时采集，并且可控制原始转发，因此全面分析多套卫星导航信号实时转发系统的结构原理，不仅是本文论述的重点，也是当前优化卫星导航系统结构性能的主要方式。
一、方案设计当前多通道卫星导航信号实时转发系统设计的主要目的是能够分别接收不同的可见卫星发出的信号，并且将已经接收到的数据信号利用延时的方式进行转发，整体系统结构的工作原理以多天线阵列为主，能够实现不同卫星信号的接收，利用了具备自动控制增益效果的adc功能来实现平射断信号下变频的中频信号转移，并且利用ad模块将其转变成数字信号，同时，需要对接收到的不同信号进行延时处理，处理之后，再次利用da模块将其恢复成模拟信号，经过上变频模块进行设频段调制，将所有的信号整合成一路信号之后，进行发送。
综合上述工作原理，我们可以看出当前组成多通道卫星导航信号实时转发系统的主要结构以上、下变频模块、信号调理模块、延时模块、ad模块、da模块、控制器、aGc模块组成，另外由于对于卫星信号的转发要有实时性，因此，整体结构利用嵌入式的方式组成，详细的系统工作原理，如图1所示。
卫星转发器的三个主要参数为：G_T SFD与EIRP 卫星转发器的三个主要参数为G/T、SFD与EIRP。
G/T和SFD反映卫星接收系统在其服务区内的性能，它们与卫星接收天线的增益分布线性相关。
EIRP反映转发器的下行功率，它与卫星发送天线的增益分布线性相关。
卫星天线增益G随天线指向与工作频率而变。
因此，转发器参数随服务区内的不同地点而变，同一地点的不同转发器参数也有差异。
特定地点的转发器参数可从城市参数列表或等值线分布图中查到。
G/TG/T为接收系统的品质因数（figure of merit）,单位为dB/k。
G/T值是反映地面站接收系统的一项重要技术性能指标。
其中G为接收天线增益，T为表示接收系统噪声性能的等效噪声温度。
G/T 值越大，说明地面站接收系统的性能越好。
目前，国际上把G/T≥35dB/K的地面站定为A型标准站，把G/T≥31.7dB/K的站定为B型标准站，而把G/T＜31.7dB/K的站称为非标准站。
G/T的计算公式为：G/T = G R– T S式中的G R为卫星天线的接收增益，T S为卫星接收系统的噪声温度。
SFDSFD为饱和通量密度。
当转发器被推到饱和工作点时，上行载波在接收天线口面所达到的通量密度。
它反映卫星转发器对上行功率的需求量，单位为dBW/m2。
SFD与G/T的关系为SFD = constant + attn – G/T式中的constant为反映转发器增益的计算常数，其数值多在-100与-90之间，constant越小，转发器的增益就越高；attn为转发器的增益调整量，它可由地面遥控改变，用于调整SFD的灵敏度。
用户在作链路计算时，应向卫星公司了解相关转发器attn的当前设置值，并且据此对从图表查到的SFD数据作修正。
EIRPEIRP(Effective Isotropic Radiated Power)有效全向辐射功率。
EIRP也称为等效全向辐射功率，它的定义是地球站或卫星的天线发送出的功率（P）和该天线增益（G）的乘积，即：EIRP=P*G如果用dB计算，则为EIRP(dBW) = P(dBW) + G(dBW)EIRP表示了发送功率和天线增益的联合效果。
GNSS卫星信号转发器说明书北京卫信杰科技发展有限公司 Beijing Wintek Science & Technology Development Co. Ltd前言当前，随着科学技术的不断发展，全球卫星定位技术日趋成熟，其应用也越来越广泛，已经从最初单纯的军事应用发展到现在的军民共用阶段。
然而，由于卫星信号不能够穿透建筑物，致使在生产车间、实验室等室内环境下的测试工作遇到了困难。
为了彻底解决上述问题，我们研发了GNSS信号转发器，它可实现卫星信号从室外到室内的转发，保障了室内测试工作的正常进行。
GNSS卫星信号转发器是由我司独立设计生产，具有完全自主知识产权。
它涵盖了WXJ-TRANS全系列的卫星信号转发器产品。
在设计过程中，考虑到信号转发器的工作环境、用户实际需求等因素，推出了一系列具有不同功能的产品。
为方便用户使用，特编写此手册作为参考。
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目 录前言 (1)目录 (2)一、公司简介 (3)二、产品简介 (5)三、应用范围 (6)四、产品特点 (6)五、基本操作 (10)六、产品配置 (12)附页1 发射天线场强示意图 (13)附页2 载噪比与信号强度的关系 (14)附页3 产品规格及技术指标 (15)一、公司简介北京卫信杰科技发展有限公司位于北京市海淀科技园区，是一家多年来一直从事于卫星定位导航和无线数据通信产品的系统集成、研发和技术服务的高新技术企业。
公司以研发为基础，以市场为先导，不断开拓在卫星定位领域的深度与广度，并且与多家科研院所以及高等院校建立了紧密的合作关系，共同承担并完成了多项军事、民用领域的大型GPS系统项目。
公司现设研发部、系统部、销售部、技术支持部等四个主要业务部门：研发部作为公司的心脏,以卫星定位、无线数据通讯为核心，主要进行系统集成和产品研发：·系统集成，量身打造最适合您需求的系统，已与航天部、兵器工业部等多家单位有过成功合作经验，并曾参与多项新武器的定型研制；·研发WXJ-TRANSE-300双频三系统系列转发器填补了国内空白，性能指标国际领先，作用距离10～200米可选，并通过国家的新产品认证；·多目标实时监控系统，可实时监控上百个高动态目标，更新率1～5Hz，定位精度0.5～15米可选，是监测和指挥调度系统的最佳助手；系统部以双系统和无源北斗、北斗二产品为主导，为客户提供各种卫星定位的产品和解决方案,产品涵盖了卫星信号转发器、GPS、双系统、无源北斗、北斗二、三合一、定向测姿产品等，并承接各种系统工程，为客户提供全方位技术服务： ·美国Javad公司JNS100、GGD160T/112T、Euro GG/GD/GDA系列产品，工作稳定、性能可靠，深受专业客户的青睐；·Magellan公司A12、AC12、GG12、GG24、GD14、DG14、DG16系列产品；·俄罗斯宇航局GG16接收机：体积最小、重量最轻、功耗最低；·新加坡I-Louts公司M12M/M12MT系列产品，其中M12MT授时型，已在中兴、华为、大唐等公司广泛应用；·无源北斗接收板，国内首家推出基于我国“北斗一号”系统的具备定位和授时功能的核心OEM板产品；销售部主要销售GPS与北斗二 OEM、整机类产品，产品涵盖了手持机、GIS数据采集以及各类测量产品等。
实验一 卫星转发器仿真设计
一 设计思想
卫星转发器的任务是把接收信号放大，并利用变频器变换为下行频率再发射出去。
通过Matlab 可以对接受信号的下变频、中频放大、上变频、行波管放大等过程进行仿真。
这里用到的行波管放大是一种非线性放大。
通过仿真，可以验证转发器的原理，观察非线性放大带来的干扰。
二 实现流程
Figure 1 转发器整体框图
9
i=1Xin(t)=cos 2()cos 2i i c f t f t
πτπ-∑6GHz 4GHz Xin(t)
Figure 2 转发器具体实现流程
这里in()X t 表示输入信号为9路DSB 信号之和，代表9地球站的上行信号之和（采用FDMA 制）。
上行信号采用6GHz ，相邻2路信号载波间隔为300MHz ，DSB 信号带宽为100MHz 。
接收信号首先经过本地载波相干解调，再通过低通滤波器滤出低频部分，恢复出中频信号。
之后经过中频线性放大，再进行上变频到4GHz 。
之后通过行波管功率放大。
进行TWTA 放大时应用非线性放大模型。
三 结论分析
Figure 3
图3显示了接收信号的时域波形和频谱。
通过频谱可以看出，接收信号是一个以6GHz 为中心的一簇信号。
Figure 4
图4显示了经过下变频之后的信号和其频谱。
通过频谱可以看出，此时信号相当于集中分布在低频和高频段。
假设一路信号为()cos cos i i c x t t t ωω=，则与6GHz 相乘之后，得到：
()cos cos cos cos 21
cos 211cos cos 2cos 22
i i c c c i i c i y t t t t
t t t t t ωωωωωωωω=+==+
则频谱分量中有低频i ω，高频2c i ωω±。
为了得到中频信号，下一步进行带通滤波。
Figure 5
图5显示了经过下变频之后的信号再经过BPF 之后得到的中频信号和其频谱。
这里使用4阶的巴特沃斯带通滤波器，截止频率设为0.1GHz ，2GHz 。
可以看到中频信号得到了很好的恢复。
由于变频之后幅度有衰减，于是对信号进行线性放大，也就是乘以2倍。
Figure 6
图6显示了经过4GHz上变频的信号及其频谱，可以看到中频的已放大信号完全线性搬移到了4GHz频段上。
Figure 7
图7显示了经过TWTA放大的下行信号及其频谱。
这里可以看到经过非线性放大之后，信号波形与放大前有了很大变化，且有了新的频谱分量，低旁瓣被放大。
这里就必须考虑非线性放大效应。
因此，作出了TWTA输出功率-输入功率以及TWTA相移-输入功率曲线图。
可以看到，在较低输入功率段TWTA输出功率近似与输入功率成线性关系，但是在高输入功率段，出现了非线性部分。
当输入功率较大时，相移也表现出非线性的关系，由于在一定条件下相移会转化为频率变化，即产生新的频率分量（AM/PM转换），所以才对于多载波输入时TWTA放大会引起频率上的干扰。
Figure 8
图8显示了非线性放大器的输入-输出功率和相移-输入功率曲线图。
可以看到当输入功率大于-4dB后出现了明显的非线性特性，而且在输入功率为0dB时达到饱和。
这时如果我们将输入功率回退到一定范围，则可以保证输出功率与输入功率近似成线性关系。
因此我们将输入功率人为降低，也即回退到较小值。
Figure 9
图9中设定回退量为40dB。
可以看出虽然还是有一些新的频率分量产生，但是干扰比较小。
如果回退量继续增大，则干扰进一步减小直至没有（如回退60dB），但是会引起此时TWTA放大信号功率大幅减小。
四思考题解答
（一）思考卫星转发器的各种模型？
1.双变频转发器
接收信号变换到中频，经过放大、限幅，然后变换到发射频率，再经行波管功率放大。
2.单变频转发器
接收信号直接放大，直接变频为下行频率，再经行波管功率放大。
3.处理转发器
接收信号变换到中频，进行相干检测和数据处理，从而得到基带数字信号，再调制到中频，再上变频到下行频率上。
这其中，单变频转发器适用于多载波输入的情形。
处理转发器适用于数字卫星通信，通过解调、纠错、编码、调制一系列过程，有利于消除噪声积累。
（二）处理转发器与透明转发器之间比较，须增加哪些模块？
处理转发器由于要得到基带数字信号，还需要增加解调、调制模块。
由于要进行数据处理，所以还需要检错、纠错模块。
由于要对信号进行再编码，所以还需要加入信道编码模块。
相当于进行了一个完整的解调、再调制过程。
五源代码及说明。
