衛星導航系統集總 epfd計算與分析

葛 俠

(北京環球信息應用開發中心,北京100094)

0 引言

國際電聯規定在1 164～1 215MHz頻段衛星無線電導航系統在ARNS接收機口面產生的集總epfd不得超過-121.5 dBW/m2/MHz[1]。利用Visualyse Professional軟件對COMPASS系統非靜止軌道衛星(NGSO)epfd進行了仿真,用VB語言在Excel實現了COMPASS系統靜止軌道衛星(GEO)epfd和所有RNSS系統產生的集總 epfd的計算,并對計算結果進行了分析,提出了確保epfd不超過限值的思路。

1 ARNS接收機保護標準

2000年世界無線電通信大會決定在1 164～1 215 MHz頻段為衛星無線電導航業務(RNSS)新增頻率劃分。由于此頻段已劃分給應用于民航生命安全的航空無線電導航業務(ARNS),因此無線電規則規定:在1 164～1 215 MHz頻段 RNSS不得干擾ARNS。

民航使用的DME/TACAN設備連續波干擾門限為-129 dBW/MHz[2],ARNS接收機安裝在飛行高度為12 192 m的飛行上,其接收天線在1 164～1 215 MHz頻段的天線特性(假設極化失配損耗為2 dB)如圖1所示。

考慮安全余量及RNSS干擾占全部干擾的百分比后,可得到在1 164～1 215 MHz頻段ARNS接收機可接受的由RNSS系統產生的集總epfd最大值為-121.5 dBW/m2/MHz,如表1所示。

圖1 ARNS接收天線特性

表1 ARNS對RNSS系統集總 epfd的限值

2 集總epfd定義及計算方法

計算集總epfd首先應根據各RNSS系統的星座、pfd和頻譜調節因子(SAF),計算在功率譜密度最大的1MHz帶寬內的epfd;然后通過各RNSS系統SAF及epfd,映射疊加得出在1 164～1215MHz頻段內每1 MHz帶寬內由各RNSS系統合成的最大集總epfd。

2.1 epfd定義

《無線電規則》第22.5C.1款定義了epfd:

式中,Pi為到達接收天線入端的衛星i的射頻功率;Gt(θi)為指向接收機方向的衛星發射天線增益;Gr(φi)為指向衛星方向的接收機接收天線增益;Gr,max為接收機的最大增益。

設ARNS接收機安裝在飛行高度為12 192 m的飛機上,據圖1所示ARNS接收天線特性,應計算仰角為-3.54°～90°內的所有 RNSS衛星產生的干擾。

為了便于各RNSS系統進行epfd計算,在式(1)基礎上,采用式(2)的計算方法:

2.2 GEO衛星epfd計算

由于GEO衛星的pfd、epfd與時間無關,因此在Office Excel軟件上用VB編程即可計算RNSS系統GEO衛星pfd和epfd。

首先計算GEO衛星軌位與地球上任意一點ARNS接收機的空間距離Pathm,n、ARNS接收機方向的離軸角SATANGm,n和ARNS接收機對衛星方向的仰角ARNSELEm,n:

式中 ,cosβ=cosγ·cos(φE-φs)。

其次,根據GSO衛星發射天線離軸增益,可得到GEO衛星發射RNSS信號到達ARNS接收機天線口面的pfd值。

第3步,根據ARNS接收機對GEO衛星的天線仰角,從圖1確定ARNS天線增益 Gri/Grmax,利用式(2)即可計算得到地球上任意一點接收到的GEO衛星RNSS信號到達ARNS接收機天線口面的epfd。

2.3 NGSO衛星epfd仿真計算

英國Transfinite公司Visualyse professional軟件可用于無線電通信系統pfd、epfd的仿真計算,并可根據需要構建衛星通信系統的星座、接收站坐標、收發天線方向圖和信號特性等。因此選用Visualyse Professional構建RNSS系統NGSO星座 epfd的仿真平臺。

首先根據RNSS系統星座組成及相位關系,生成RNSS系統星座;第2步根據各RNSS系統發射天線離軸增益,生成RNSS衛星發射天線和發射功率模型;第 3步根據 ARNS接收機天線特性,生成ARNS接收天線模型;第4步,在全球范圍內,按照經、緯度1°或5°柵格布設ARNS接收機;第5步設定期望信號鏈路和干擾信號鏈路;第6步設定輸出參數及文件格式,最后設定總仿真時間和仿真時間步長。

為了得到干擾最大時的最惡劣情況,總仿真時間至少為星座重復周期。為了獲得精確的結果,仿真時間步長應盡可能小。由圖1 ARNS天線特性可知:在仰角為-3.54°～+3°范圍內的ARNS天線接收增益最大。因此為了達到精度要求,非靜止軌道衛星落入ARNS接收機天線最大增益范圍時,應至少進行5次測量,即在以增天線接收變化3 dB時,星座運行1°為基準確定仿真時間步長。

2.4 集總epfd定義

集總epfd定義為:

式中,SAFk,p是第k個RNSS系統相對于最壞1 MHz頻段內的頻譜在頻點p的頻譜調節因子(SAF);Nsys為RNSS系統個數。

在Office Excel軟件上用VB編程即可實現RNSS系統集總epfd計算。

3 COMAPSS系統 epfd計算

COMPASS系統星座由 27顆中圓軌道衛星(MEO)、3顆傾斜軌道衛星(IGSO)和 5顆靜止軌道衛星(GEO)組成,其NGSO衛星和GEO衛星RNSS信號SAF如圖2所示。COMPASS系統NGSO衛星RNSS信號到達ARNS接收機天線口面的pfd如圖3所示。

圖2 COMPASS系統 SAF

圖3 COMAPSS系統衛星到達接收機的pfd

對于COMPASS系統IGSO衛星,設定其總仿真時長為24 h,對于COMPASS系統MEO衛星,設定其總仿真時長為8 d,仿真時間步長為30 s。各緯度上最大值如圖4所示。

圖4 COMPASS系統MEO和IGSO星座epfd

另外,對ARNS接收機按1°或 5°柵格布設分別進行了仿真計算。相對于按5°柵格布設ARNS接收機,按 1°柵格布設時,MEO星座最大 epfd高0.001 dB,IGSO星座最大epfd高0.159 dB。

利用 Visualyse Professional構建的 RNSS系統epfd仿真平臺,在對衛星發射特性進行調整后,即可用于其他RNSS系統的epfd仿真,并可用于RNSS系統間的干擾仿真。

4 所有RNSS系統集總epfd計算

根據各RNSS系統提供[3]的系統星座、SAF、到達ARNS接收機的pfd,經過計算,最大集總epfd為-121.97dBW/MHz/m2@1176MHz,距離-121.5 dBW/MHz/m2的限值,還有0.47 dB余量,如圖5所示。

圖5 RNSS系統集總 epfd結果

根據各國目前向國際電聯申報的衛星網絡情況,已投入運行、在建或有明確計劃的RNSS系統包括20個靜止軌道 RNSS衛星和6個非靜止軌道RNSS系統如表2和表3所示。

表2 參與集總epfd計算的靜止軌道RNSS系統

表3 參與集總 epfd計算的非靜止軌道RNSS系統

5 結束語

隨著衛星導航系統在社會經濟發展和國防安全方面的保障作用日益突顯,越來越多的國家加入到建設RNSS系統的行列中。為了確保RNSS系統集總epfd不超過限值,建議從幾個方面著手進行研究:①各RNSS系統間功率不平衡,甚至相差10 dB以上,不利于系統間兼容,因此RNSS系統間兼容評估時可尋求相對平衡的功率電平;②新的RNSS系統使用1 164～1 215 MHz內不超過限值的部分頻段的可行性,盡管中心頻率不同,但在共同的頻段內,仍可實現民用導航信號的互操作;③更新epfd計算方法;④研究集總epfd超限后RNSS系統多邊磋商機制。

[1]ITU.RESOLUTION 609[S],2008.

[2]ITU.RECOMMENDATION ITU-R M.1639-1[S],2007.