GNSS兼容性研究綜述

王建爭

摘要：本文對GNSS兼容性問題進行了研究。介紹了系統兼容性和帶外干擾的研究現狀，在信號結構方面，分析了調制波形和擴頻碼技術的研究現狀，為GNSS兼容性研究提供了一些理論參考。

關鍵詞：GNSS，兼容性；信號調制；擴頻碼

中圖分類號：TN76 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0059-02

1 引言

全球導航衛星系統（GNSS）是個綜合性概念，泛指全球所有的衛星導航系統，包括全球導航系統、區域導航系統和星基增強系統[1]。目前GNSS的L頻段集中了BDS、GPS、GLONASS、Galileo等4個全球衛星導航系統和廣域增強系統（WAAS）、歐洲對地靜止導航服務（EGNOS）等星基增強系統，這些系統的信號中心頻率完全相同或特別接近，導致GNSS之間相互干擾從而引發兼容性問題。2000年世界無線電通信大會（ICG），C頻段（5010-5030MHz）分配給導航衛星系統，使得GNSS又多出了一個頻段，但有限頻段同樣也會衍生GNSS的兼容性問題。目前，衛星無線電測定服務（RDSS）使用的S頻段（2483.5～2500MHz）與地面移動通信服務2.5G以上的頻段已實現天線共用，這同樣也帶來了兼容性問題[2]。

2 兼容性技術概述

2007年ICG大會，定義兼容性為單獨和同時使用全球衛星系統的導航定位授時服務時，對各自系統產生的干擾在可被接受的范圍內。

2.1 系統兼容性

在兼容規范標準上，國際電信聯盟（ITU）建議使用《工作在1164-1215MHz頻段內的所有無線電導航-衛星業務系統的航空無線電導航業務站上的最大合計等量功率通量密度的評估方法》、《RNSS系統間干擾估計的協調方法》等標準或理論，來進行GNSS信號兼容評估。

在兼容評估理論上，主要有：（1）美國MITRE公司J.Betz博士在GNSS信號兼容評估和分析上，提出了SSC方法來評估信號頻譜的分離程度。（2）歐洲宇航防務集團的F.Soualle推導出了CT_SSC方法來評估干擾信號對碼跟蹤的影響情況。（3）慕尼黑國防大學的S.Wallner分析了擴頻碼對功率譜密度（PSD）計算的影響。（4）上海交通大學的劉莉等對兼容評估模型進行了改進，并采用改進模型在L1頻段評估了BDS II與GPS、Galileo、WAAS以及EGNOS的兼容性。（5）上海交通大學的劉衛等分析了GPS、Galileo、BDS在L1頻段的受干擾情況。

2.2 帶外干擾

2.2.1 L頻段帶外干擾

L頻段上，射電天文（RA）學科用于恒星起源研究的頻段為：1610.6-1613.8MHz，GLONASS L1頻段頻率范圍是：1598.0625-1604.25MHz，而BDS B1c、GPS L1和Galileo E1頻段的中心頻點均為1575.42MHz，RA與GNSS之間的頻段太過接近同時RA采用被動接收體制，使得GNSS對RA的干擾不可避免。

在GNSS對RA的信號干擾計算上有：（1）法國O.Julien分別創建了GNSS信號處理模塊和RA信號處理模塊，采用了先剝離GNSS信號，后專門處理RA信號的方法。（2）中科院的H.Zhou分析得到了靜止軌道衛星（GEO）和非GEO衛星的最小功率抑制門限[3]。

在削弱對RA干擾問題上有：（1）美國S.Ellingson提出了利用參數估計技術把GLONASS C/A信號從RA信號中消除的方法。（2）由于GNSS信號的相位和幅度具有閉環關系，荷蘭F.Briggs根據這一原理對RA干擾計算方法進行了改進，校正了RA的頻譜。

2.2.2 C頻段帶外干擾

相較L頻段，C頻段5010-5030MHz具有抗電離層影響和抗多路徑性能好等優點，C頻段帶外干擾主要有對RA干擾評估、對精確著陸系統（MLS）干擾評估。

（1）對RA干擾評估：與L頻段的干擾原理相同，GNSS信號C頻段將會對射電望遠鏡產生干擾。目前研究現狀主要有：FAF的A.Rodriguez等分析了C頻段SPR和PRS兩種服務的GNSS對RA的干擾情況，評估了GNSS對RA影響程度。（2）對MLS干擾評估：MLS是全天候的精確著陸系統，其工作頻段為：5030-5091MHz，與C頻段GNSS信號比較接近，因此MLS與GNSS之間會產生相互干擾。目前，研究現狀主要有：A.Rodriguez等通過計算落在MLS接收機接收頻段單位面積內的PFD，分析了C頻段GNSS信號對MLS的干擾情況，該方法能方便有效的評估出其影響程度。

2.2.3 S頻段帶外干擾

隨著通信和天線技術的發展，S頻段（2483.5-2500MHz）已經用來發展區域無線電測定服務，因此在S頻段上GNSS服務與地面移動通信服務的融合發展已成為必然趨勢。S頻段GNSS信號的大量使用，帶來了GNSS信號與移動通信信號的干擾問題。S頻段帶外干擾主要有與全球星系統干擾評估、與FS干擾評估等。

（1）與全球星系統干擾評估：全球星系統（Globalstar）是一種利用LEO衛星組成一個連續覆蓋全球的衛星移動通信系統。Globalstar的下行通信頻段與S頻段GNSS信號重合。目前，研究現狀主要有：對于GNSS與Globalstar之間的信號干擾問題，I Mateu等提出了載噪比衰減方法，分析了CBOC等調制波形的GNSS與Globalstar的干擾情況；解放軍理工大學的趙陽等使用同種方法分析了BPSK、BOC等調制波形產生的載噪比衰減情況。（2）與FS干擾評估：固定業務簡稱FS，主要包括固定網本地電話業務、IP電話業務、國內（際）長途電話業務和國際通信設施服務業務等。FS的頻段為0.1-70GHz，同樣與S頻段GNSS信號重合。目前，研究現狀主要有：CNES的I.Mateu等建立了一種FS系統改進參考模型，將落在FS系統基站天線內的功率譜密度門限值作為評價指標加入系統模型來分析GNSS對FS的干擾。

3 GNSS信號結構研究概述

基于目前L頻段頻譜擁擠的現狀，下一代導航信號的頻譜將逐漸向中心頻率兩邊分裂已成為廣泛接受的趨勢。同時，數據、導頻的分離與定位服務的細化導致播發信號個數持續增加。頻率資源受限以及發射功率受限的現狀對擴頻調制和復用設計提出了苛刻的要求[4]。

3.1 調制波形技術

GNSS信號由載波信號、調制波形、擴頻碼和導航電文等組成，信號功率譜密度是影響系統兼容性和帶外干擾的主要因素，而信號調制波形形狀主要決定了信號的功率譜密度。

目前，研究現狀主要有：J.Betz提出了二進制偏移載波（BOC）調制方式并衍生了多種調制方式，如GPS L1C信號的時分復用方式、BDS B1C信號的正交復用方式以及ACE-BOC等；劉衛等提出了MSK-BCS、GBOC新調制方式，在跟蹤、定位精度以及兼容性都具有較好性能。

3.2 擴頻碼技術

GNSS信號的擴頻碼是一種偽隨機序列碼，其具有較好的自相關特性和互相關特性。GNSS現代化過程中，擴頻碼在原來的主碼上添加了副碼，一個副碼碼片對應著主碼的一個碼周期，使得擴頻碼相關周期更長，有利于電文同步和頻譜分離，改善了對窄帶干擾的抑制[4]。在擴頻碼的選擇標準方面，F.Soualle等提出了Mean Excess Welch Square Distance方法來改善相關捕獲性能，提出了優化因子來改善跟蹤穩定性。

4 結語

本文對GNSS兼容性問題進行了綜述，首先介紹了系統兼容性、帶外干擾技術的研究現狀。在信號結構方面，從調制波形和擴頻碼技術兩個方面的進行了研究現狀綜述，為提高GNSS的兼容性能提供了一些理論參考。

參考文獻

[1]曹沖.全球導航衛星系統體系化發展趨勢探討[J].導航定位學報，2013，（1）：72-77.

[2]陸明泉，姚錚，張嘉怡，等.北斗衛星導航系統信號設計的進展及發展趨勢[J].衛星應用，2015，（12）：27-31.

[3]HC Zhou ， P Li ， JJ Zheng ， ZG Chen ， J Wang .Impact Analysis of Navigation Signal in the Radio Astronomy Band [J].Springer Berlin Heidelberg ， 2013 ， 244 ：115-123.

[4]Wallner，S.，Avila-Rodriguez，J.-A.，Hein，G.W.，etc.Galileo E1 OS and GPS L1C Pseudo Random Noise Codes-Requirements，Generation，Optimization and Comparison[A].In Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation（ION GNSS 2007）[C]，Fort Worth，TX 2007：1549-1563.