衛星導航系統與射電天文兼容性分析

車戰武，劉志儉，申杰敏

(北京衛星導航中心，北京100094)

0 引言

射電天文業務(RAS)［1］本身并不需要主動向外發射無線電信號，不會對其他無線電業務造成有害干擾;同時，由于射電天文業務所接收的是來自宇宙的無線電波，這些無線電電波與人為發射的無線電電波相比，信號強度極其微弱，大約在10～30 Wm2Hz量級，使得射電天文觀測非常容易受到其他無線電業務的干擾［2］。因此，世界無線電通信大會在《無線電規則》中給出了明確的射電天文業務頻率劃分［3］，并形成相關建議書，對射電天文業務進行特殊保護。

北斗衛星導航區域系統已開始正式提供服務，其使用的1 559～1 610 MHz頻段［4］與射電天文業務的1 610．6 ～1 618．8 MHz頻段為相鄰頻段，北斗衛星導航系統在確保自身系統穩定運行的條件下，必須遵守《無線電規則》對射電天文業務的特殊保護要求。

國際電聯739決議僅對RAS鄰頻內的衛星導航業務(RNSS)帶外發射的門限提出限值要求，并在1583建議書(ITU-R M．1583)中給出了非GSO系統在射電天文站址處產生的無用發射電平的分析方法，基于上述決議和建議書給出的計算方法，對北斗衛星導航系統(GSO、MEO、IGSO［5］)為保護 RAS 所需進行的帶外抑制進行了仿真計算。

1 射電天文對RNSS的帶外發射限制

為保護射電天文業務，要求與射電天文業務鄰近頻段內的RNSS業務帶外發射不能超過下面門限［6］:

對于使用1 559～1 610 MHz頻段的GSO衛星而言，其泄露到射電天文頻段 1 610．6～1 613．8 MHz的功率必須小于:

①對于單反射面譜線觀測而言，在基準帶寬為20 kHz、累積時間為2 000 s的條件下，pfd在98%的概率條件下不得超過－194 dB(W/m2);

② 對于VLBI而言，在基準帶寬為20 kHz、累積時間為2 000 s的條件下，pfd在98%的概率條件下不得超過－166 dB(W/m2)。

(2)對于使用1 559～1 610 MHz頻段的NGSO衛星而言，其泄露到射電天文頻段 1 610．6～1 613.8 MHz的功率必須小于:

①對于單反射面譜線觀測而言，在基準帶寬為20 kHz、累積時間為2 000 s的條件下，epfd不得超過－258 dB(W/m2);

② 對于VLBI而言，在基準帶寬為20 kHz、累積時間為 2 000s的條件下，epfd不得超過－230 dB(W/m2)。

此外，不論何時收到俄羅斯 GLONASS/GLONASS-M衛星無線電導航系統的相關協調或通知資料，該決議均不適用于1 559～1 610 MHz頻段的GLONASS/GLONASS-M衛星無線電導航系統目前和未來的指配。由于在1 610．6～1 613．8 MHz頻段內GLONASS/GLONASS-M衛星無線電導航系統已經給予了射電天文業務足夠的保護，且這種保護將繼續沿用到俄羅斯政府以及GLONASS/GLONASS-M系統的通知主管部門與IUCAF(射電天文學和空間科學頻率分配聯合委員會)之間、以及之后與其他主管部門之間的雙邊協議中。

2 分析方法及過程

ITU-R M．1583建議書給出了評估由某個非GSO系統在射電天文站址處產生的無用發射電平的方法［7］。該方法的基礎是把天空分成尺寸幾乎相同的小區并進行統計分析，在統計分析中RAS天線的指向和衛星星群的啟動時間都是隨機變量。對于每次評估，無用發射電平(以 epfd表示)都在2 000 s的時段內平均。

關于對GPS、GLONASS和GALILEO的仿真，所選的特性相當于德國Effelsberg射電望遠鏡，采用100 m直徑和約64 dBi的最大增益。天線方向性圖和最大天線增益取自ITU-R RA．1631建議書［8］。

2．1 分析方法(ITU-R M．1583)

考慮衛星系統和射電天文望遠鏡天線特性參數后，采用等效功率通量密度(epfd)的概念來計算NGSO衛星系統無用發射對射電天文望遠鏡的干擾。epfd是所有衛星發射等效源(主瓣峰值功率)的集合對射電天文望遠鏡的貢獻。

2．1．1 輸入條件

在計算對射電天文望遠鏡干擾時，其累積統計時間要在2 000 s。2種業務需要考慮的輸入條件有:

①NGSO衛星系統:射電天文望遠鏡觀測站的可見衛星數;衛星的軌道參數;每顆衛星的pfd值。

②射電天文望遠鏡:接收天線站址;接收天線旁瓣和天線增益;天線實際指向范圍;接收天線視軸指向;射電天文望遠鏡天線視軸與發射衛星的夾角;累積時間(2 000 s)。

2．1．2 射電天文望遠鏡接收端的epfd值計算

射電天文望遠鏡指向NGSO衛星方向的天線接收增益隨著衛星的運動發生變化，但在分析干擾時只考慮望遠鏡指向衛星方向，且接收增益大于0 dBi時的影響。計算epfd的數學公式和模型來自無線電規則的第22.5C款［9］。

式中，Na為接收端可觀測到的衛星總數;i為用于計算的發射衛星序號;Pi為在參考帶寬內，發射衛星天線輸入端的射頻功率譜，dB(W/MHz);θi為發射衛星視軸與接收指向視軸間的離軸角(°);Gt(i)為指向接收機方向的衛星發射天線離軸增益(dB);di為發射衛星與接收機間距離(m);φi為接收機指向軸與發射衛星視軸間的離軸角(°);Gr(φi)為指向發射衛星的接收機接收天線旁瓣增益(dB);Gr，max為接收機的最大增益(dB);epfd為某一時刻的接收機等效功率通量密度(dB(W/(m2·MHz)))。

但式(1)的假設前提條件是干擾產生在接收天線的視軸方向。然而就射電天文這一保護標準來說，則要求考慮到射電天文天線的0 dBi圈。因此式(1)的干擾源在0 dBi接收增益方向可以表示為:

式中，epfdGr=0dBi是2 000 s累積時間內的平均計算結果。

2．2 分析過程

首先假定天線將位于某一個特定區域，針對射電天文業務天線的指向進行隨機選擇，并隨機選擇觀測星座的起始時間，根據2 000 s的積分時間對每一時間抽樣的epfd進行評估。然后再針對所選擇的指向和觀測星座的起始時間，進行與此試驗相對應的平均epfd的計算。

重復進行此操作，以便獲得所考慮區域的epfd分布統計。此方法涉及到多次試驗，其中每個試驗均根據2 000 s的積分間隔計算平均epfd值。試驗的次數越多，此分布情況越精確。需要進行足夠次數的試驗才能獲得所需的可信值。尤其是，試驗數目與2 000 s的積分時間的乘積應顯著高于星座的階段。而且，還有必要確保星座整個階段有適當的統計抽樣。一當發現在分布中沒有進一步的顯著變化，即可得出結論，試驗的次數已經足夠。此檢查可作為模擬工作的一項不可分割的內容自動進行，或通過定期停止模擬工作人工進行。

為了全面的彌補隨機選擇的可能帶來的分析不足，對任意一個天線位置，采用遍歷算法，對天線指向以空間5°間隔建立格網，在一個衛星系統的回歸周期以100 s為間隔進行積分周期2 000 s的試驗并統計。

3 仿真計算

3．1 假設條件

所有系統均為假設特性，不代表最終北斗全球系統特性。北斗全球系統B1信號發射特性如表1所示。

表1 B1信號發射特性(未濾波)

3．2 北斗全球系統MEO軌道特性

BD全球MEO星座由27顆衛星組成，軌道高度27 878 km，3 個軌道面，間隔120°，軌道傾角 55°，同一軌道面衛星間隔為45°，偏心率為0。軌道回歸周期為8天。

3．3 北斗全球系統IGSO軌道特性

BD全球IGSO星座由3顆衛星組成，軌道高度42 164.2 km，3 個軌道面，間隔120°，軌道傾角 55°，偏心率為0，與地球赤道交點為118°E。軌道回歸周期為1天。

3．4 分析計算

3．4．1 GEO 衛星

GEO衛星遵循表1規則，直接采用鏈路計算方法計算，可知在假設條件下，GEO衛星在帶外頻譜自然降低的條件下抑制16 dB后可滿足RAS的保護需求。

3．4．2 MEO 衛星

采用第3節計算方法，對于某一位置，需進行9 455 616次2 000 s的積分計算，計算量巨大，極為耗時，因此僅僅選取高、中和低緯3個位置進行了計算，結果如表2所示。

表2 MEO衛星計算結果

3．4．3 IGSO 衛星

采用第3節計算方法，對于某一位置，需進行9 455 616次2 000 s的積分計算，計算量巨大，極為耗時。IGSO衛星僅僅覆蓋有限區域，因此僅對覆蓋區域內中緯度的一個位置進行了計算，結果如表3所示。

表3 IGSO衛星計算結果

3．5 結論

根據計算結果可見，在假定的信號調制方式和星座構型條件下，MEO在帶外頻譜自然降低的條件下再抑制39 dB即可滿足RAS保護要求;IGSO衛星在帶外頻譜自然降低的條件下再抑制28 dB即可滿足RAS保護要求，GEO衛星在帶外頻譜自然降低的條件下抑制16 dB即可滿足RAS保護要求。

綜合考慮以下4方面因素，建議將MEO帶外需求設定為40 dB，IGSO帶外需求設定為30 dB，GEO帶外需求設定為16 dB:

①由于計算時間的關系，沒有對RAS天線位置進行遍歷仿真，有可能存在比39 dB更為嚴格的抑制需求;

②多GNSS系統的存在，導致多系統同時使用時RAS可能受到干擾;

③在計算中使用了最大EIRP，未考慮發射天線離軸角，使計算條件過于嚴苛，根據RAD文件，北斗發射天線增益最大最小差異為2 dB;

④在MEO和IGSO共同覆蓋區域，帶外抑制要求將大于以上計算結果。

4 結束語

隨著全球衛星導航系統的廣泛使用，人們在活動的各個領域對衛星定位導航服務的依賴越來越強。國際電聯739決議要求RAS業務鄰頻的RNSS業務對其進行保護，這不僅是對北斗導航信號發射功率的約束，也是實現北斗衛系統服務可用性的重要因素，采用1583建議書的計算方法進行計算，并綜合考慮相關因素，正是為北斗導航信號帶外抑制設計提供了合理、可行的仿真數據，保證北斗全球系統合法有效的使用1 559～1 610 MHz導航頻段，為用戶提供可靠、穩定的服務。

［1］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012．

［2］ 劉 斌，方 正．射電天文業務的無線電管理淺析［J］．中國無線電，2009(3):51 －56．

［3］ Intemationd Telecommunication union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012．

［4］ 譚述森．衛星導航定位工程(第2版)［M］．北京:國防工業出版社，2010．

［5］ 朱立東，吳廷勇．衛星通信導論［M］．北京:電子工業出版社，2010．

［6］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Resolutions and Recommendations［R］．Geneva，2012:367－372．

［7］ International Telecommunication Union．Radio Regulations ITU-R Recommendations［R］．Geneva，2012:401 －407．

［8］ International Telecommunication Union．Radio Regulations ITU-R Recommendations［R］．Geneva，2012:433 －436．

［9］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012:272．