全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性評估方法研究

張建軍 薛明

(1 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094) (2 錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室，北京 100094)

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全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性評估方法研究

張建軍1,2薛明1,2

(1 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094) (2 錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室，北京 100094)

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性評估方法主要是計算機仿真驗證，難以復(fù)制真正的導(dǎo)航系統(tǒng)運行條件，改變?nèi)魏我粋€參數(shù)都需要重新進(jìn)行仿真，計算量和分析量很大，并存在較大誤差。文章以衛(wèi)星導(dǎo)航接收機為落腳點研究導(dǎo)航信號的兼容性。首先，根據(jù)干擾信號對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機捕獲、載波跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)等的影響，推導(dǎo)了即時相關(guān)器輸出的信號功率對噪聲功率加干擾功率之比的模型，建立了基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比模型，利用相對較簡單的等式就獲得了干擾的一級評估；其次，具體分析了GPS C/A碼自干擾時導(dǎo)航信號到達(dá)地面的功率、天線增益，以及星座功率增益等參數(shù)；最后，給出GPS C/A碼自干擾時等效載噪比衰減的測試結(jié)果，在信號捕獲時，多普勒頻移為kHz的整數(shù)倍C/A碼自干擾對所需GPS C/A碼的等效載噪比衰減程度最大，達(dá)到9.6 dBHz。該方法可以為中國新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號設(shè)計提供參考。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；兼容性；相關(guān)器；評估；等效載噪比；頻譜隔離系數(shù)

1 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，世界上眾多國家紛紛加緊建設(shè)獨立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。美國正在實施全球全球定位系統(tǒng)(GPS)現(xiàn)代化計劃，俄羅斯加緊恢復(fù)格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)全面性能，歐盟正在建設(shè)伽利略系統(tǒng)(GALILEO)，中國正在加緊建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)。此外，日本、印度，以及巴西也有計劃建設(shè)區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正逐漸呈現(xiàn)出一種多極競爭與優(yōu)勢互補的嶄新局面。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增加，衛(wèi)星導(dǎo)航頻率頻譜十分擁擠，衛(wèi)星導(dǎo)航信號相互之間的干擾不可避免，評估衛(wèi)星導(dǎo)航信號的兼容性能非常關(guān)鍵[1-3]。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號的兼容性評估方法一般有四類：信號互干擾評估技術(shù)、計算機模擬仿真驗證、實物模擬仿真驗證和試驗衛(wèi)星驗證。信號互干擾評估技術(shù)是利用導(dǎo)航信號特性及碼/載波跟蹤理論對實際系統(tǒng)中采用某一種信號體制能達(dá)到的性能進(jìn)行評估的方法。計算機模擬仿真驗證是用計算機模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號產(chǎn)生、接收和處理過程，從而對系統(tǒng)性能進(jìn)行評估的方法[4-5]。實物模擬仿真是在室內(nèi)用信號發(fā)生模擬器和接收機來模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號產(chǎn)生、接收和處理過程，從而評估系統(tǒng)性能的方法。試驗衛(wèi)星驗證是通過發(fā)射試驗衛(wèi)星，由試驗衛(wèi)星廣播導(dǎo)航信號，在地面用實際接收機來接收處理導(dǎo)航信號，從而驗證系統(tǒng)性能的方法。這四種評估手段中，后期的驗證手段可信度更高，但驗證周期也越長，代價也非常高昂，在未確定最終信號體制之前，無法設(shè)計實物的信號模擬器和相應(yīng)的接收機，更不可能發(fā)射試驗衛(wèi)星，信號體制的修改都將會帶來硬件上較大的變動，修改設(shè)計所需的周期比較長，代價也非常昂貴。

本文根據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號捕獲的基本原理，針對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的互干擾問題，按照信號互干擾評估技術(shù)建立了評估信號兼容性的等效載噪比模型和基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比模型，分析GPS C/A碼自干擾時導(dǎo)航信號到達(dá)地面的參數(shù)，給出GPS C/A碼自干擾時等效載噪比衰減的測試結(jié)果，為新一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)導(dǎo)航信號體制設(shè)計提供依據(jù)。

2 等效載噪比模型分析

根據(jù)GNSS接收機的工作原理，信號捕獲、載波跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)的性能依賴于接收機中即時支路，用即時相關(guān)器輸出的信號功率對噪聲功率加干擾功率之比(SNIR)來評價，當(dāng)接收機外部干擾為具有統(tǒng)計自相似性的平穩(wěn)過程，即時相關(guān)器輸出的 SNIR 定義為相關(guān)器輸出的期望的平方除以方差，表示成載噪比、傳輸函數(shù)、所需信號與干擾信號功率譜密度的函數(shù)[4]：

圖1 基于SNIR等效載噪比示意Fig.1 Principle of equivalence for the effect of the SNIR

當(dāng)干擾信號為接收機的熱噪聲時，接收機相關(guān)器輸出的載噪比(Cs/N0)為

將式(1)代入式(2)得：

其中，定義捕獲-頻譜隔離系數(shù)

可以看到捕獲-頻譜隔離系數(shù)κlS依賴于所期望信號的譜和干擾的譜，如果兩個導(dǎo)航信號之間的譜峰相互重疊，它們之間的捕獲頻譜隔離系數(shù)就越大，等效載噪比的衰減就會愈明顯，相互之間的干擾就越強。

3 GPS系統(tǒng)等效載噪比分析

3.1 等效載噪比的計算

在GNSS接收機中，不同類型的干擾信號等效載噪比的計算表示為

式中IGNSS為干擾信號的等效白噪聲功率譜密度。

GNSS接收機在處理信號時，由于在濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等過程中，所需信號和白噪聲都會有損失，為了準(zhǔn)確分析GNSS信號間和信號內(nèi)干擾，在分析等效載噪比時，對這些干擾都予以考慮[8-10]，則式(5)變?yōu)?/p>

式中Ls為所需信號在接收機處理時的損失增益；Ln為噪聲在接收機處理時的損失增益。

式(6)為分析評估GNSS信號間和信號內(nèi)干擾的基本表達(dá)式，為了分析方便，在載噪比的表示過程中，計算單位的表達(dá)形式用分貝(dB)表達(dá)，則式(6)為

式中Ls為所需信號在接收機處理時的損失增益；Ln為噪聲在接收機處理時的損失增益;N0為白噪聲。上述這些值在GNSS系統(tǒng)中都為常量，而Cs和IGNSS為變量，依靠所分析的GNSS系統(tǒng)是GPS、GALILEO、GLONASS和COMPASS的不同而定。

3.2GNSS接收機接收衛(wèi)星信號功率的分析

(1)GPS衛(wèi)星信號到達(dá)地面的功率

以GPS為例，分析GPS系統(tǒng)內(nèi)干擾對所需信號的載噪比衰減程度，特對所需信號的功率和接收天線增益取最小值，而對干擾信號的功率和接收天線增益取最大值。則所需信號的功率為

式中Csm為所需信號到達(dá)地面的最小信號功率；Gam為接收天線的最小增益。

在表1中給出了當(dāng)前GNSS系統(tǒng)發(fā)射的信號到達(dá)地面的最大和最小功率，可知，GPSC/A碼到達(dá)地面的最小功率為-158.5dBW。

表1 GNSS接收信號功率

(2)GPS接收機天線增益

GPS天線應(yīng)當(dāng)具有較寬的空間角，以便接收盡可能多的衛(wèi)星信號，一般接收機能夠接收仰角高于地平線5°以上的所有衛(wèi)星的信號；仰角小于5°時，因誤差過大，GPS接收機通常不能對該衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。

所選用的用戶天線為L1機載微帶天線，假設(shè)天線工作在頂點方向，在仰角5°時天線增益為-4.5dBic。

(3)GNSS星座總計功率增益的分析

對于干擾信號的功率，依據(jù)表2，GALILEOE1波段干擾信號的最大功率為-154dBW[11-13]。GNSS星座的總計增益由信號功率、空間損失和用戶天線增益決定，GNSS星座的總計功率增益如表2所示。

表2 GNSS星座的總計功率增益

(4)等效噪聲功率的計算

在GPS信號接收過程中，RF干擾可能來自系統(tǒng)內(nèi)，也可能來自系統(tǒng)間，因此，等效噪聲功率的計算需考慮各種的干擾形式。根據(jù)式(4)和式(7)，在捕獲狀態(tài)干擾信號的等效噪聲功率表示為

式(9)變?yōu)?/p>

對于GNSS星座干擾信號功率，由式(8)：

式中Ck,max,sat為衛(wèi)星干擾信號的最大功率；Gagg為接收天線增益。

式(10)變?yōu)?/p>

3.3 等效載噪比衰減的計算

(1)熱噪聲時等效載噪比的計算

根據(jù)表1，設(shè)定接收天線增益和所需信號的功率為最小值，即接收天線增益Gant,min為-4.5dB，Cs為-158.5dBW，信號在接收機處理時的損失增益Ls為-2dB，熱噪聲在接收機處理時的損失增益為0dB，GPS熱噪聲功率譜密度為-201.5dBW/Hz，則GPS接收機熱噪聲時的等效載噪比為

dBHz

(2)GPSC/A碼的自干擾等效載噪比的計算

對于GPSC/A碼之間的自干擾計算等效載噪比：

1)計算GPSC/A碼的自干擾等效噪聲功率密度。設(shè)定干擾信號的功率和接收天線增益為最大，則CCMS為-153dBW，接收天線增益Gagg為12dB，干擾信號在接收機處理時的損失增益LC/A為-1dB，在捕獲狀態(tài)時GPSC/A碼的頻譜隔離系數(shù)存在變化，取它的最大值。多普勒頻移的不同對頻譜隔離系數(shù)的計算存在影響，在多普勒頻移最大為-61.9dB/Hz，此時等效噪聲密度為

IGPS=CC/A+Gagg+LC/A+κC/A=-192 dB

2)捕獲階段，考慮多普勒頻移對頻譜隔離系數(shù)影響時的等效載噪比為

dBHz

(3)GPSC/A碼的自干擾等效載噪比衰減計算

根據(jù)前面對熱噪聲時等效載噪比和GPSC/A碼的自干擾等效載噪比的計算，計算GPS接收機系統(tǒng)內(nèi)C/A碼自干擾的等效載噪比衰減程度，考慮多普勒頻移對GPS接收機系統(tǒng)內(nèi)C/A碼自干擾的等效載噪比衰減為

dBHz

由上述計算分析可知，在捕獲階段，在多普勒頻移為1 000Hz的整數(shù)倍數(shù)時對等效載噪比的衰減最大。

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張建軍 1979年生，2010年獲中科院光電研究院計算機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師。研究方向為先進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容與互操作技術(shù)，基于認(rèn)知技術(shù)先進(jìn)空間信息系統(tǒng)。

(編輯：車曉玲)

Research on Performance Analysis Method of Global Satellite Navigation System Signal

ZHANG Jianjun1,2XUE Ming1,2

(1 China Academy of Space Technology，Beijing 100094) (2 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094)

So far, computer simulation is the main evaluation method for the compatibility performance of the satellite navigation signals. The modeling was used to simulate the measuring condition and step，but it is impossible to reproduce the operating condition of the real navigation system. Any parameter change will lead to the re-simulation，a very large amount of computation and analysis，and large errors. Based on the satellite navigation receiver，the compatibility of the navigation signal was studied. Firstly, the model was deduced by the ratio of the output signal power of instant corrugator to the sum of the noise power and the interference power，according to the effect of the interference signal on GNSS receiver capture，carrier tracking and data conditioning. To obtain the optimal assessment of the inference，the equivalent carrier to noise ratio model was established by a relatively simple formula，based on a spectral isolation factor. Secondly，the power，the antenna gain and the constellation power gain of the navigation signals were analyzed concretely when signal arrived at the ground as the GPS C/A code self-disturbed. Finally，the attenuation testing result of the equivalent carrier to noise ratio was shown when the GPS C/A code self-disturbed. It provides reference for the signal design of the new satellite navigation system.

Global satellite navigation system；Compatibility；Assessment；Equivalent CNR；Spectrum separation coefficient

2015-01-30。收修改稿日期：2015-06-01

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.04.002