無線電指向標-差分全球導航衛星系統（RBN-DGNSS）覆蓋距離估算

高萬明

（交通運輸部東海航海保障中心，上海 200086）

1 RBN-DGNSS

沿海無線電指向標-差分全球導航衛星系統（RBN-DGNSS）是全球導航衛星系統地基增強系統的重要組成部分，包括無線電指向標-差分全球定位系統（RBN-DGPS）、無線電指向標-差分北斗衛星導航系統（RBN-DBDS）等系統。系統在中波無線電頻率上播發衛星導航系統的偽距差分修正數據，頻率范圍是283.5 kHz-325 kHz，為沿海用戶提供高精度定位服務，為我國近海的海上軍、民用戶帶來巨大的社會效益和經濟效益[1]。

自2012年開始，交通運輸部東海航海保障中心組織實施的無線電指向標-差分北斗衛星導航系統（RBN-DBDS）改造，研發兼容我國北斗衛星導航系統（BDS）和美國全球定位系統（GPS）的RBN-DGNSS 系統，對推動北斗衛星導航系統在海上的應用發揮了重要作用。

RBN-DGNSS 系統包括播發站和用戶接收機組成。研究播發站覆蓋距離、覆蓋的信號強度和接收機信噪比的關系，對提高接收的穩定性、提升系統服務質量具有重要意義。

2 覆蓋范圍估算

決定覆蓋距離的因素主要有三個方面[2]：一是發射信號隨距離衰減后的信號強度；二是接收地點的無線電噪聲；三是接收機對信噪比要求。

RBN-DGNSS 發射信號屬于中波頻段，主要通過地波傳輸，對于發射信號隨距離衰減后的信號強度，可以采用國國際電信聯盟ITU-R 相關建議書對中波無線電信號的傳輸模型進行計算[3]。該建議書提供了頻率在30 MHz 以下的無線電信號地波傳播的場強。

對于接收地點的無線電噪聲，傳統的計算方法一般只考慮接收機的熱噪聲，實際無線電噪聲主要包括背景噪聲、雷電噪聲、各種電氣噪聲、大氣氣體和水象的輻射噪聲、天線波束內的地面或其它輻射噪聲、天體無線電輻射噪聲，ITU-R P.372建議書[4]提供了有關0.1 Hz 至100 GHz 范圍內無線電噪聲的計算方法。

對于接收機滿足一定誤碼率的下的信噪比要求，則根據接收機的帶寬和MSK 調制方式[5]，通過仿真誤碼率和信噪比的對應關系，計算其信噪比要求。

下面給出了覆蓋距離的具體步驟和方法。

2.1 無線電傳輸信號傳播距離和場強計算

對于RBD-DGNSS，其播發站一般位于海岸或海島，用戶接收機位于海上，為簡化計算，只考慮無線電沿著海面進行地波傳播的情況，采用ITU GRWAVE 軟件計算距離和場強的關系，其中σ（電導率）和ε（相對介電常數）分別設為5 S/m和70，發射和接收天線高度分別設為36m 和10m，頻率取300 kHz，天線的效率取20%[6][7]，根據我國RBN-DGNSS 發射機常見情況，發射功率分別為200W 和500W，即輻射功率分別是40W和100W，如圖1所示。

圖1 距離和場強的關系

500W 發射功率（100W 輻射功率）在300km 處場強是47dBμV/m；200W 發射功率（40W 輻射功率）相應場強是43dBμV/m。

2.2 外部噪聲系數計算

根據ITU 相關建議書[2]，計算外部噪聲系數的上界值Fa見公式（1）：

式中，kT0B 以10log 表示；kT0為環境溫度為290K 時，環境溫度與玻爾茲曼常數的乘積；B 為接收系統噪聲功率帶寬（Hz）；Fam為外部噪聲系數中值；Ds為對于所要求的時間百分比預期的信號電平變化，它相當于由IMO 規定作為衰落余量的3dB 因子；Dt為對于所要求的時間百分比預期的噪聲電平變化。

DGNSS 覆蓋所需要的可用度為99.5%[5]，為了達到這一點，公式（2）中替換為Dt=Du+3dB。Fam和Du通過運行隨ITU-R NOISEDAT 軟件包噪聲1程序來確定。程序要求有所需要的季節、站址、頻率、人為噪聲的電平或類別、要求的輸出數據類型（選擇Fa）、本地平均時間和要求的統計參數（選擇總數的中值）。為預測船站上的外部噪聲系數，使用參考值–142 dBW 作為甲板上噪聲[2]。

取下列3 個臺站進行計算，分別為：大三山（38.87N，121.83E）、 大 戢 山（30.82N，122.17E）、 三 亞（18.28N，109.35E），外部噪聲系數計算結果如圖2所示。

（1）大三山

（2）大戢山

圖2 Fa隨季節、時間段變化曲線

（3）三亞

2.3 接收機對信號場強的要求

系統采用MSK 調制，調制速率最高為200 b/s，在AWGN噪聲下，誤碼率和信噪比的關系如圖3所示：

圖3 BER與Eb/N0的關系

這里取誤碼率在10-3時對應的信噪比，即Eb/N0=7dB。

ITU-R P.372建議書[4]，外部噪聲系數可按以下公式轉換為外部噪聲的場強。

En=Fa+20log（f）+10log（BW）-96.8 （2）

式中，En 為噪聲的場強，單位為dBμV/m；F 為中心頻率，單位為MHz；BW 為接收機帶寬，單位為Hz，這里為240 Hz[8]；

那么在接收機處，對信號的場強有以下最低要求：

Pr=En+ Eb/N0 +10log（R/BW）+ NF （3）

式中，Pr 為接收信號場強，單位為dBμV/m；R 為通信數據率，單位為b/s，這里為200b/s；Eb/N0為信噪比取7 dB（誤碼率為10-3）；NF 為接收機噪聲系數，由于中波接收機射頻前端噪聲系數較小，取1dB。

2.4 覆蓋距離

最后按照發射機分別為功率500W（100W 輻射功率）和200W（40W 輻射功率），可以得到距離和Fa 的關系，如圖4所示：

將具體位置的Fa 代入圖4，就可以得到大三山、大戢山和三亞RBD-DGNSS 的覆蓋距離范圍，如表1所示。

圖4 覆蓋距離隨Fa的變化曲線

表1 RBN-DGNSS覆蓋距離

3 結束語

雖然美國海岸警衛隊（USCG）2018年宣布未來將分階段停止海上差分全球定位系統（DGPS）站點服務[9]，但是從全球各國和國際航標協會（IALA）來看，DGNSS 依然是海上重要的導航手段。

通過對RBN-DGNSS 覆蓋距離的估算可以看到，一方面，隨著緯度的升高，覆蓋距離也相應擴大；另一方面，中波頻段的外部噪聲會隨著季節和晝夜會發生較大的變化，使覆蓋建立也響應發生改變。根據IALA 發布的DGNSS 臺站相關文件[10]，我國DGNSS 臺站的覆蓋距離全部為300 km，覆蓋邊緣信號強度應不小于75 V/m。因此，有必要遠程監視發射信號的功率和信噪比等參數，根據接收質量的情況，隨時調整發射機功率以滿足服務質量的要求。