COMPASS和Galileo系統(tǒng)間信號(hào)干擾研究

胡 媛， 劉 衛(wèi)

（1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）是目前世界上發(fā)展最迅速的信息技術(shù)之一，可以提供三維定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，同時(shí)具有全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和高精度等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著本世紀(jì)頭20年內(nèi)多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，屆時(shí)將有120余顆衛(wèi)星在天上，完全可以利用多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行組合為各類用戶提供無縫的全球范圍導(dǎo)航定位服務(wù)，而多系統(tǒng)的存在和組合首先必須考慮系統(tǒng)間干擾所造成的兼容性問題。其中，兼容性是指兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，確保某系統(tǒng)在提供單一系統(tǒng)服務(wù)時(shí)，其它系統(tǒng)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不可接受或降低精度的干擾。目前，我國“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（COMPASS）已經(jīng)確定“先區(qū)域后全球”的發(fā)展道路，COMPASS區(qū)域系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入組網(wǎng)階段[2]；歐洲Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃也已經(jīng)完成最終部署方案，其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段正在實(shí)施[1]。對(duì)于正在建設(shè)的兩大新系統(tǒng)而言，COMPASS與Galileo系統(tǒng)間信號(hào)的干擾問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，如何有效的評(píng)價(jià)COMPASS和Galileo系統(tǒng)間干擾已經(jīng)成為雙方系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)和接收機(jī)應(yīng)用所面臨的突出問題。

文中首先建立有效評(píng)價(jià)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間信號(hào)干擾的方法，其次分析COMPASS和Galileo系統(tǒng)的星座構(gòu)型和信號(hào)體制參數(shù)，最后對(duì)兩大系統(tǒng)間的所有民用信號(hào)間干擾進(jìn)行仿真分析，并給出基于系統(tǒng)間干擾的信號(hào)體制設(shè)計(jì)和接收機(jī)應(yīng)用的參考意見。

1 系統(tǒng)間干擾的評(píng)價(jià)模型及方法

由衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理可知，干擾信號(hào)的引入影響著接收機(jī)對(duì)所需信號(hào)的捕獲、載波跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)和碼跟蹤性能，特別是前3種性能依賴于接收機(jī)的即時(shí)支路，用即時(shí)相關(guān)器輸出的信號(hào)功率對(duì)噪聲功率加干擾功率之比（SNIR）來評(píng)價(jià)[3]。當(dāng)噪聲和干擾同時(shí)存在時(shí)，如果相關(guān)器輸出的SNIR已知，可定義有效載噪比（Cs/N0）eff來有效評(píng)價(jià)干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)處理性能影響[4]。因此，建立下式：

其中，Gs（f）為歸一化功率譜密度，Cs為信號(hào)載波功率，N0為噪聲功率譜密度，βr為接收機(jī)雙邊帶寬，T為接收機(jī)預(yù)積分時(shí)間。

對(duì)式（1）進(jìn)一步求解，可得有效載噪比（Cs/N0）eff為

其中，第j個(gè)干擾信號(hào)歸一化功率譜密度為 Glj（f），干擾信號(hào)載波功率為Clj；IGNSS稱為等效噪聲功率譜密度，可進(jìn)一步化簡為：

當(dāng)存在兩個(gè)或者多個(gè)GNSS系統(tǒng)時(shí)，總等效噪聲功率譜密度IGNSS為兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間干擾的等效噪聲功率譜密度之和

其中，IIntra為系統(tǒng)內(nèi)干擾的等效噪聲功率譜密度，IInter為系統(tǒng)間干擾的等效噪聲功率譜密度。

由于有效載噪比衰減為加入干擾信號(hào)后的有效載噪比與原來有效載噪比之比，因此有效載噪比衰減可以衡量新加入的干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響程度。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)共同存在時(shí)，需要計(jì)算引入的系統(tǒng)對(duì)原有系統(tǒng)的影響情況。因此以系統(tǒng)間有效載噪比衰減來衡量干擾的程度將比有效載噪比更加直觀和有效。根據(jù)式（2）系統(tǒng)間有效載噪比衰減 Δ（C/N0）eff可表示為

2 COMPASS和Galileo的系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)COMPASS和Galileo所公布的用戶接口文檔[5-6]，歐盟的Galileo系統(tǒng)基線星座由27顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星均勻分布在3個(gè)以相對(duì)赤道56度角的傾斜軌道面上，每個(gè)軌道面9顆衛(wèi)星。另外，3顆備用衛(wèi)星（每個(gè)軌道面1顆衛(wèi)星）可用來補(bǔ)充基線星座。COMPASS區(qū)域系統(tǒng)空間星座由14顆組網(wǎng)衛(wèi)星組成，其中包括5顆地球靜止軌道（GEO）和9顆非地球靜止軌道（Non-GEO）衛(wèi)星組成。其中，Non-GEO衛(wèi)星包括4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星。 GEO 衛(wèi)星分別定點(diǎn)于東經(jīng) 58.75°、80°、110.5°、140°和160°，兩大系統(tǒng)的星座參數(shù)如表1所示。

表1 COMPASS和Galileo的星座參數(shù)Tab.1 Constellation parameters of COMPASS and Galileo

由于目前COMPASS和Galileo均采用相同的CDMA傳輸模式，且在L1頻段頻譜重疊嚴(yán)重，因此本將對(duì)這兩大系統(tǒng)在L1頻段的民用信號(hào)兼容性進(jìn)行仿真評(píng)估和分析，以期揭示兩大系統(tǒng)在該頻段民用信號(hào)受到干擾的程度。COMPASS和Galileo兩大系統(tǒng)在L1頻段的信號(hào)體制參數(shù)如表2所示[5-6]。

表2 COMPASS和Galileo的信號(hào)體制參數(shù)Tab.2 Signal structure parameters of COMPASSand Galileo

3 仿真及結(jié)果分析

基于文中所建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間干擾的評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建導(dǎo)航系統(tǒng)間信號(hào)兼容性仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行COMPASS和Galileo系統(tǒng)間干擾進(jìn)行仿真分析，該仿真系統(tǒng)由空間星座及信號(hào)模塊、空間環(huán)境模塊、參考接收機(jī)特性模塊、兼容評(píng)估模塊以及輸入控制及輸出顯示等部分組成。仿真和計(jì)算參數(shù)如表3所示。

考慮到目前COMPASS和Galileo在L1頻段頻譜重疊嚴(yán)重的實(shí)際情況，文中重點(diǎn)考慮以下場(chǎng)景：

場(chǎng)景 1：Galileo E1 OS← COMPASS（Galileo E1 OS信號(hào)受到COMPASS所有信號(hào)干擾）

場(chǎng)景 2：COMPASSB1-I← Galileo（COMPASSB1-I信號(hào)受到Galileo所有信號(hào)干擾）

圖1表示Galileo E1 OS民用信號(hào)受到COMPASS所有信號(hào)干擾的最大有效載噪比衰減情況，可以發(fā)現(xiàn)，Galileo E1 OS信號(hào)受到干擾的載噪比衰減的最大值為0.004 1 dB，該信號(hào)在亞太區(qū)域受到的干擾最嚴(yán)重，這是由于COMPASS在該區(qū)域的GSO和IGSO衛(wèi)星的信號(hào)干擾造成的。而圖2表示COMPASSB1-I受到Galileo E1頻段所有信號(hào)干擾的最大有效載噪比衰減情況，可以發(fā)現(xiàn)，COMPASSB1-I所受到的干擾造成的載噪比衰減的最大值為0.312 6 dB，遠(yuǎn)大于Galileo在該頻段受到COMPASS干擾的情況，這是主要由于Galileo E1 PRS授權(quán)信號(hào)頻譜主瓣遠(yuǎn)離1 575.42 MHz而跟COMPASS B1-I民用信號(hào)重疊造成的。

表3 仿真和計(jì)算參數(shù)Tab.3 Simulation and computation parameters

圖1 GalileoE1OS信號(hào)受到COMPASS所有信號(hào)干擾的最大C/N0衰減Fig.1 Max C/N0 degradation of Galileo E1 OSdue to COMPASS intersystem interference

圖2 COMPASSB1-I信號(hào)受到Galileo所有信號(hào)干擾的最大C/N0衰減Fig.2 Max C/N0 degradation of COMPASSB1-I due to Galileo intersystem interference

由以上仿真分析可知，對(duì)于COMPASS和Galileo兩大系統(tǒng)的信號(hào)體制頂層設(shè)計(jì)而言，需要盡量避免頻譜重疊的情況，特別是Galileo E1 PRS授權(quán)信號(hào)對(duì)COMPASSB1-I信號(hào)的重疊；對(duì)接收機(jī)設(shè)計(jì)而言，由于兩大系統(tǒng)的中心頻點(diǎn)偏離14.322 MHz，Galileo E1 OS信號(hào)受到COMPASS的影響很小，可忽略不僅，在COMPASS接收機(jī)設(shè)計(jì)中，需要在可接受的性能條件下減小前端帶寬，以減小Galileo E1 PRS授權(quán)信號(hào)的干擾。

4 結(jié) 論

隨著COMPASS和Galileo兩大系統(tǒng)的建設(shè)，兩大系統(tǒng)間信號(hào)的干擾問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。文中通過建立有效評(píng)價(jià)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間信號(hào)干擾[7]的方法，對(duì)兩大系統(tǒng)間的所有民用信號(hào)間干擾進(jìn)行仿真及分析，所建立的評(píng)價(jià)模型、方法和成果可為導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)體制頂層設(shè)計(jì)和接收機(jī)應(yīng)用提供理論參考。

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