地基基站導航衛星信號兼容性探討

熊 輝，沈建軍，孫 鵬，廖 威，文軍福，文述生

（1.交通運輸部長江通信管理局，武漢 430000；2.廣州南方測繪科技股份有限公司，廣州 510000）

關鍵字：衛星導航系統；衛星信號；信號體制；兼容性對比；定位精度

0 引言

衛星導航系統作為國家安全和社會發展不可或缺的信息基礎設施，體現著1 個國家的國際地位和綜合國力。北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）是基于經濟社會發展及國家安全的需要，我國建立的重要空間基礎設施，具備自主建設與獨立運行的特點[1]。但是BDS 的導航信號與已有的衛星導航系統，例如全球定位系統（global positioning system, GPS）、伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）導航信號的頻譜之間相互重疊，導航信號之間的干擾變得嚴峻，于是無線頻率兼容問題成為大家關注的焦點。

目前主流做法是選擇等效載噪比以及相應的衰減值，作為全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）無線頻率兼容的評價指標。這個參數反映了干擾對信號載噪比的影響，卻不能反映干擾對碼跟蹤的影響。為了衡量單由系統內干擾或系統間干擾造成的碼跟蹤誤差，本文提出基于碼跟蹤誤差增量以及頻譜分離這2 個參數作為中間指標，用來對不同信號體制的兼容性進行對比，研發區域GNSS 基準站接收機[2]。該接收機具備較好的優勢，一方面可單獨接收BDS 衛星信號，另一方面也可以接收其他衛星導航系統的信號。這一模式可在BDS 上進行配置，不過在衛星數的接收方面存在一定的限制，應先進行多模多頻點接收措施的研究，隨即明確射頻前端設計方法，最后對單接收方案進行分析與優化[3]，在主板開關設計、電路優化的基礎上，實現BDS 導航衛星信號的接收與解算。

在實際應用中，形成的純單模BDS 模式可同時實現對衛星信號的接收，并實現對多種信號的接收模式隨意切換，而且在切換中，還能保證不會影響到信號質量，使板卡抗多路徑的性能得以保證[4]。

1 信號接收方案設計

基準站接收機是由3 部分構成：①天線單元；②主機單元；③電源單元。主機單元包括顯示器、變頻器、存儲器、微處理器以及信號通道[3]，具體結構如圖1 所示。

圖1 接收機工作原理

2 GNSS 衛星信號兼容性

兼容性是指多種類型衛星系統同時工作時，相對于單一系統工作模式不會產生性能的顯著降低，這是1 個設備級概念。傳統的兼容性分析方法只考慮了干擾對即時通道的影響，并沒有充分考慮干擾對碼跟蹤過程的影響[5]。為了更準確地預測干擾對碼跟蹤的影響，引入新的干擾系數，即碼跟蹤頻譜敏感系數（code tracking spectral sensitivity coefficient, CT-SSC），并提出基于碼跟蹤的 GNSS 兼容性準則與擴頻時鐘（spread spectrum clocking, SSC）概念。與SSC 相比較，CT-SSC 中包含了sin2函數的影響，該函數在積分中起到濾波的作用。

目前，國際上通常選擇等效載噪比以及相應的衰減值作為GNSS 信號體制的評價指標，用于對其兼容性進行判斷。在實際評價過程中，需要考慮多方面的因素，如空間、環境以及用戶等，存在參數較多的復雜計算[6]。碼跟蹤靈敏度及頻譜分離作為中間指標，用來配合完成兼容性評價，具有較高的優勢，即它們可以對不同信號體制具備的兼容性進行對比。

交替二進制偏移載波調制信號（alternate binary offset carrier, AltBOC）與1 種新的具有恒包絡的調制方式（phase shifted AltBOC，PS-Alt BOC）,2 者均存在有52 MHz 主瓣帶寬的調制信號[7]。以發射帶上帶寬為90 MHz 的發射信號為主要參照，將接收機前端的帶寬先定為52 MHz，對位于B2頻段3 個衛星導航系統所具備的譜分離系數進行仿真，3 個系統分別為Galileo、GPS 以及BDS，所獲得的結果具體如表1、表2 所示。

表1 采用Alt BOC 調制BDS B3 導航信號的SSC 情況

表2 采用PS-Alt BOC 調制BDS B3 導航信號的SSC 情況

干擾信號與期望信號存在一定的相關性，而頻譜分離系數的存在是2 者相關性的直接表達，其數值越大，表示2 個信號之間存在越為嚴重的頻譜重疊情況。從表1、表2 可以看出，當接收機前端帶寬為 52 MHz 時，無論是 GPS、Galileo 還是BDS，信號的自譜分離系數均大于與其他信號之間的譜分離系數，這說明信號間的干擾主要來自于系統的內干擾。與BDS B3 信號采用的 Alt BOC調制相比，采用 PS-Alt BOC 調制后的BDS B3 頻段信號的自譜分離系數下降了0.02 dB/Hz，GPS L2頻段的信號卻提高了0.73 dB/Hz，但與Galileo 相比，衛星信號之間卻大幅度縮小了14.18 dB/ Hz。在BDS 采用Alt BOC 調制的信號頻段上，BDS 和Galileo 的信號在有互干擾或自干擾的情況下，都存在較大的頻譜分離系數（＞-60 dB/Hz）；此外，在這一頻段上，GPS 信號的自干擾及與其他系統干擾中產生的頻譜分離系數均在-70 dB/Hz 之下[8]。所以，可以通過適當犧牲GPS 自身的兼容性實現其他2 個系統干擾的下降與兼容性的提升。在3 個衛星導航系統仿真分析中，GPS L5C 與BDS 信號產生的頻譜分離系數高于其自譜分離系數，不過2者差異不是很大，證明GPS 受這2 種信號的干擾程度相近[9]。

表3、表4 為BDS、GPS 及Galileo 間CT-SSC的仿真結果。

表3 B3 頻點各導航信號CT-SSC(原B3 信號)

從表3、表4 可以看出：新型BDS B3 信號同原有信號相比較，沒有較大的差異；但同Galileo E5 信號相比較，得到了較為明顯的提升[10-11]，與上述SSC 分析得出的結果相同。這一現象表明，使用新型BDS 信號，在立足碼跟蹤環路的基礎上，既能夠保證系統的兼容性，又能夠很好地對Galileo E5 信號進行兼容[12]。

表4 B3C 頻點各導航信號CT-SSC 情況(新B3 信號)

3 兼容性測試

為了更加直觀地測試BDS、GPS 及Galileo 導航衛星信號定位效果的差異，以便判斷BDS 接收機兼容性的優劣，本文設計了1 種測試方案，測試方案中包括定位精度、定位時效性、星座可用性等多個方面的指標。

首先準備1 個已知的觀測點，該觀測點的觀測環境滿足無遮擋、遠離發射塔等高功率設備、遠離大面積水面等容易發生多路徑效應的地段[12]。在該觀測點架設儀器，要求精確對中、整平儀器，并用安裝有精準對中整平裝置的三腳架進行固定；分別在不同時段，通過儀器手簿進行操作，以切換不同星座組合進行網絡實時動態差分（realtime kinematic, RTK）定位測量[13]，并記錄相關結果；綜合對比分析以上成果，從而分析衡量出BDS接收機對不同衛星信號的兼容性。測試結果如表5所示。

表5 BDS 為主導的基準站接收機兼容性測試

4 結束語

本文以實際生產項目為依托，設計了1 臺兼容多星座衛星信號的基準站接收機，建設區域BDS地基增強系統，實現了不同星座信號的分離和自由切換及多種星座組合下的衛星導航定位，通過定位的可用性、時效性、精度等方面的測試來衡量其兼容性，得出以下結論：

1）通過基準站接收機板卡的電路設計，可實現不同星座衛星信號的自由重組和切換，從而實現不同星座組合定位。

2）通過更改板卡硬件結構，可實現單BDS 衛星信號的接收，并據此提出建立基于BDS 的地基增強系統，該系統為GNSS 基準站接收機模型機。

3）在觀測條件良好的情況下，多星座組合定位時效性更快、定位精度更良好、定位效率更高。