低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)兼容性分析

張鵬程，黃新明，侯林源，李井源，歐 鋼

低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)兼容性分析

張鵬程，黃新明，侯林源，李井源，歐 鋼

（國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，長沙 410073）

為了彌補(bǔ)有關(guān)低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)的兼容性分析相關(guān)研究的不足，提出一種基于等效載噪比和譜分離系數(shù)的兼容性評(píng)估方法：該分析方法類比干擾信號(hào)評(píng)估方法，計(jì)算原信號(hào)的等效載噪比損耗和譜分離系數(shù)，信號(hào)等效載噪比損耗絕對(duì)值越大，譜分離系數(shù)越大，增強(qiáng)信號(hào)兼容性越差；并對(duì)不同調(diào)制方式的信號(hào)分別作兼容性評(píng)估，篩選適合低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)調(diào)制方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二相移相鍵控體制（BPSK）功率增強(qiáng)信號(hào)兼容性較差，可以采用二進(jìn)制偏置載波（BOC）（6,4）信號(hào)作為低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)；等效載噪比損耗低，譜分離系數(shù)小。

導(dǎo)航增強(qiáng)；等效載噪比；譜分離系數(shù)；低軌；兼容性

0 引言

隨著用戶需求的不斷提高和未來導(dǎo)航戰(zhàn)的背景影響，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）的不足逐漸突顯，無法滿足高精度用戶的需求，且抗干擾能力差[1]。傳統(tǒng)的導(dǎo)航功率增強(qiáng)受限于軌道高度和天線增益等因素，增強(qiáng)信號(hào)一般大于原信號(hào)15 dB，增強(qiáng)效果有限；而低軌衛(wèi)星系統(tǒng)具備落地電平高且?guī)缀螛?gòu)型變化快等優(yōu)點(diǎn)，可以改善遮擋條件下的定位效果和加快高精度定位收斂速度[2]，可以實(shí)現(xiàn)更高增益的導(dǎo)航功率增強(qiáng)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性和抗干擾性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)與補(bǔ)充[3]。因此，利用低軌（low Earth orbiting，LEO）衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)已經(jīng)成為導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但如果播發(fā)新的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，勢必會(huì)影響到原有導(dǎo)航信號(hào)的工作性能[4]，故需要對(duì)低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行兼容性分析。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)的信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證良好的信號(hào)兼容性，目前對(duì)于低軌導(dǎo)航增強(qiáng)的信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)較少。文獻(xiàn)[5]提出了基于等效載噪比的導(dǎo)航信號(hào)干擾分析方法；文獻(xiàn)[6]從頻譜重疊、接收信號(hào)等效載噪比2個(gè)方面分析了全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）L1信號(hào)功率增強(qiáng)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響；文獻(xiàn)[7]采用等效載噪比分析了GPS與其他導(dǎo)航系統(tǒng)同頻段信號(hào)之間的互干擾；文獻(xiàn)[8]分析了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容性；文獻(xiàn)[9]分析了導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)體制約束的關(guān)鍵要素，對(duì)低軌星座加入后的現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性進(jìn)行分析評(píng)估。目前的研究主要針對(duì)的是不同導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容性，并未對(duì)導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的兼容性進(jìn)行深入分析，沒有給出導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)調(diào)制方式的優(yōu)選方案。

當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要集中在B3頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功率增強(qiáng)，故本文主要分析在B3頻點(diǎn)播發(fā)導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)。為了便于接收機(jī)兼容接收和實(shí)現(xiàn)互操作，導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)應(yīng)與原導(dǎo)航信號(hào)位于同一頻段，且信號(hào)帶寬也應(yīng)保持一致。B3頻點(diǎn)上原導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方式為二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制（binary phase shift keying，BPSK），具體調(diào)制方式為BPSK（10），故可限定接收機(jī)前端帶寬為20 MHz。因此在限定在同一頻點(diǎn)、同一頻段的條件下，優(yōu)選增強(qiáng)信號(hào)調(diào)制方式，保證更高的兼容性。本文類比干擾信號(hào)評(píng)估方法，提出一種基于等效載噪比和譜分離系數(shù)的兼容性評(píng)估方法，對(duì)不同信號(hào)體制的增強(qiáng)信號(hào)如二進(jìn)制偏置載波（binary offset carrier，BOC）信號(hào)，分別進(jìn)行兼容性分析。

1 低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)的信號(hào)兼容性評(píng)估方法

低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)的兼容性是確定增強(qiáng)信號(hào)的信號(hào)體制的關(guān)鍵因素，確定合適的信號(hào)體制可以使得低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)的兼容性更好。本文類比干擾信號(hào)的評(píng)估方法，基于等效載噪比損耗和譜分離系數(shù)建立信號(hào)兼容性評(píng)估方法。

1.1 等效載噪比損耗

導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)相關(guān)器輸出端的載噪比決定了信號(hào)捕獲和載波跟蹤的性能[10]，而信號(hào)存在干擾時(shí)，難以準(zhǔn)確計(jì)算接收機(jī)相關(guān)器輸出端的載噪比，通常利用等效載噪比對(duì)后續(xù)的捕獲、跟蹤進(jìn)行分析。對(duì)于B3頻點(diǎn)上原有的BPSK（10）信號(hào)，可將低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)視為干擾信號(hào)，分析B3頻點(diǎn)原信號(hào)的等效載噪比損耗，來作為信號(hào)兼容性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。等效載噪比損耗越大，則信號(hào)兼容性越差。在存在增強(qiáng)信號(hào)與白噪聲的條件下，等效載噪比的計(jì)算公式[11]為

等效載噪比損耗衡量了由于限帶和增強(qiáng)信號(hào)造成的相關(guān)器輸出載噪比與理想情況之間的差距，可以推出等效載噪比損耗的計(jì)算公式為

1.2 譜分離系數(shù)

等效載噪比衰減主要受到信號(hào)體制、導(dǎo)航星座、原信號(hào)載噪比、接收機(jī)前端帶寬的影響，可以采用譜分離系數(shù)作為計(jì)算等效載噪比衰減的中間值。譜分離系數(shù)可以體現(xiàn)原信號(hào)功率譜與增強(qiáng)信號(hào)功率譜的重疊程度，也可作為增強(qiáng)信號(hào)兼容性的評(píng)估指標(biāo)。譜分離系數(shù)計(jì)算公式為[12]

譜分離系數(shù)越大，代表增強(qiáng)信號(hào)對(duì)原信號(hào)的影響越大，兼容性越差。應(yīng)優(yōu)選信號(hào)調(diào)制方式使得譜分離系數(shù)盡可能小。

2 BPSK體制增強(qiáng)信號(hào)兼容性分析

B3頻點(diǎn)原信號(hào)調(diào)制方式為BPSK（10）。要保證接收機(jī)可以兼容接收和實(shí)現(xiàn)互操作，則低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)要與原信號(hào)保持在同一頻點(diǎn)，且位于同一頻段。當(dāng)?shù)蛙墝?dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)調(diào)制方式保持一致時(shí)，如圖1所示，此時(shí)增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率譜完全重合。

圖1 信號(hào)歸一化功率譜密度

根據(jù)式（3）可以計(jì)算此時(shí)譜分離系數(shù)為 －71.8725 dB。當(dāng)增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比為30 dB，信號(hào)載噪比為42.5 dB時(shí)，等效載噪比損耗為 －3.103 dB，增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率譜完全重合，譜分離系數(shù)大，等效載噪比損耗絕對(duì)值較大，信號(hào)兼容性差。等效載噪比損耗還會(huì)受到原信號(hào)載噪比的影響，設(shè)定增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比分別為30、20、15 dB，分析此條件下不同原信號(hào)載噪比條件下的等效載噪比損耗，可以得到等效載噪比損耗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同功率比條件下等效載噪比損耗對(duì)比

從圖3可以看出，原信號(hào)載噪比越大，則等效載噪比損耗絕對(duì)值越大。當(dāng)增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比為30 dB，信號(hào)載噪比為45 dB時(shí)，等效載噪比損耗為－4.556 dB；且在相同原信號(hào)載噪比條件下，增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比越大，等效載噪比損耗也越大。

3 BOC體制增強(qiáng)信號(hào)兼容性分析

低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率譜完全重合時(shí)，信號(hào)兼容性較差。當(dāng)采用BOC體制的增強(qiáng)信號(hào)時(shí)，信號(hào)功率譜會(huì)呈現(xiàn)多峰形式，實(shí)現(xiàn)頻譜分離，可以有效降低譜分離系數(shù)，提升信號(hào)兼容性。在保證接收機(jī)兼容接收和互操作的前提下，即功率增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)位于同一頻段，本文主要分析BOC（5,5）和BOC（6,4）2種調(diào)制方式。

3.1 BOC（5,5）

若低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)采用BOC（5,5）信號(hào)調(diào)制方式，導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)處在同一頻帶，但頻譜分離，將BOC（5,5）信號(hào)與BPSK（10）信號(hào)疊加，信號(hào)歸一化功率譜密度如圖4所示。

圖4 信號(hào)歸一化功率譜密度

圖5 BOC（5,5）功率增強(qiáng)信號(hào)的等效載噪比損耗變化曲線

根據(jù)式（3）可以計(jì)算此時(shí)譜分離系數(shù)為 －73.1369 dB。當(dāng)增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比為 30 dB，信號(hào)載噪比為42.5 dB時(shí)，等效載噪比損耗為－2.503 dB，增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率譜重合度降低，譜分離系數(shù)變小，等效載噪比損耗絕對(duì)值相比于BPSK體制變小，信號(hào)兼容性較好。等效載噪比損耗還會(huì)受到原信號(hào)載噪比的影響，設(shè)定增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比分別為30、20、15 dB，分析此條件下不同原信號(hào)載噪比條件下的等效載噪比損耗，可以得到等效載噪比損耗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同功率比條件下等效載噪比損耗對(duì)比

從圖6可以看出，原信號(hào)載噪比越大，則等效載噪比損耗絕對(duì)值越大。當(dāng)增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比為30 dB，信號(hào)載噪比為45 dB時(shí)，等效載噪比損耗為－3.778 dB；且在相同原信號(hào)載噪比條件下，增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比越大，等效載噪比損耗也越大。

3.2 BOC（6,4）

若將低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)功率譜與原信號(hào)進(jìn)一步分開，采用BOC（6,4）信號(hào)調(diào)制方式，導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)處在同一頻帶且頻譜分離，將BOC（6,4）信號(hào)與BPSK（10）信號(hào)疊加。信號(hào)歸一化功率譜密度如圖7所示。

圖7 信號(hào)歸一化功率譜密度

根據(jù)式（3）可以計(jì)算此時(shí)譜分離系數(shù)為 －74.8226 dB。當(dāng)增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比為 30 dB，信號(hào)載噪比為42.5 dB時(shí)，等效載噪比損耗為－1.844 dB，增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率譜重合度進(jìn)一步降低，譜分離系數(shù)變小，等效載噪比損耗絕對(duì)值相比于BOC（5,5）體制進(jìn)一步變小，信號(hào)兼容性更好。等效載噪比損耗還會(huì)受到原信號(hào)載噪比的影響，設(shè)定增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比分別為30、20、15 dB，分析此條件下不同原信號(hào)載噪比條件下的等效載噪比損耗，可以得到等效載噪比損耗結(jié)果如圖9所示。

圖8 BOC（5,5）功率增強(qiáng)信號(hào)的等效載噪比損耗變化曲線

圖9 不同功率比條件下等效載噪比損耗對(duì)比

從圖9可以看出，原信號(hào)載噪比越大，則等效載噪比損耗絕對(duì)值越大。當(dāng)增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比為30 dB，信號(hào)載噪比為45 dB時(shí)，等效載噪比損耗為－2.879 dB；且在相同原信號(hào)載噪比條件下，增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)功率比越大，等效載噪比損耗也越大。

綜上所述，針對(duì)不同調(diào)制方式的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，設(shè)置不同接收機(jī)前端帶寬和原信號(hào)載噪比，當(dāng)導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)大于原信號(hào)30 dB時(shí)，原信號(hào)等效載噪比損耗結(jié)果可總結(jié)如表1所示。

表1 譜分離系數(shù)和等效載噪比損耗結(jié)果表 dB

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于等效載噪比損耗和譜分離系數(shù)的低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)兼容性分析方法，優(yōu)選增強(qiáng)信號(hào)調(diào)制方式，使得信號(hào)兼容性更好。仿真結(jié)果表明：

1）在B3頻點(diǎn)上播發(fā)低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)，增強(qiáng)信號(hào)與原信號(hào)頻譜交疊越少，譜分離系數(shù)越小，信號(hào)的等效載噪比損耗絕對(duì)值越小，信號(hào)兼容性越好。當(dāng)增強(qiáng)信號(hào)調(diào)制方式為BOC（6,4）時(shí)，此時(shí)譜分離系數(shù)為-74.823 dB。

2）原信號(hào)載噪比越大，等效載噪比損耗越大。信號(hào)載噪比為45 dB時(shí)的損耗明顯比信號(hào)載噪比為42.5 dB時(shí)的損耗大。

故B3頻點(diǎn)上低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)可以采用BOC（6,4）信號(hào)調(diào)制方式，也可以設(shè)計(jì)新的信號(hào)調(diào)制方式，使得信號(hào)在滿足同一頻帶的條件下，譜分離系數(shù)更小，信號(hào)兼容性更好。本文分析結(jié)果可為我國未來的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)頻段和調(diào)制方式的選擇提供參考。后續(xù)將會(huì)對(duì)增強(qiáng)信號(hào)的多徑性能、碼跟蹤精度影響等進(jìn)行優(yōu)化分析。

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Compatibility analysis on low-orbit navigation power enhancement signals

ZHANG Pengcheng, HUANG Xinming, HOU Linyuan, LI Jingyuan, OU Gang

（College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

In order to make up for the insufficiency of related study on the compatibility analysis of low-orbit navigation power enhancement signals, the papaer proposed a compatibility evaluation method based on equivalent carrier-to-noise ratio and spectral separation coefficient: analogous to the interference signal evaluation method, the equivalent carrier-to-noise ratio loss and spectral separation coefficient of the original signals were calculated by the analysis method, getting that the larger the absolute value of the signal equivalent carrier-to-noise ratio loss was, the greater the spectral separation coefficient was, and the worse the enhanced signal compatibility was; and compatibility evaluations were made for the signals of different modulation modes; then the modulation modes suitable for low Earth orbiting (LEO) navigation power enhancement signals were screened. Experimental result showed that the binary phase shift keying system (BPSK) power enhancement signals would have poor compatibility, and the binary offset carrier (BOC) (6,4) signals could be used as the low orbit navigation power enhancement signals; meanwhile, the equivalent carrier-to-noise ratio loss would be low, and the spectral separation factor would be small.

navigation enhancement; equivalent carrier-to-noise ratio; spectral separation factor; low orbit; compatibility

張鵬程, 黃新明, 侯林源, 等. 低軌導(dǎo)航功率增強(qiáng)信號(hào)兼容性分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(3): 119-124.（ZHANG Pengcheng, HUANG Xinming, HOU Linyuan, et al. Compatibility analysis on low-orbit navigation power enhancement signals[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 119-124.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230316.

P228

A

2095-4999(2023)03-0119-06

2022-08-03

張鵬程（1999—），男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾腔鶎?dǎo)航與定位技術(shù)。

黃新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，講師，研究方向?yàn)樾请H導(dǎo)航與定位技術(shù)。