衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)集總 epfd計(jì)算與分析

葛 俠

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京100094)

0 引言

國際電聯(lián)規(guī)定在1 164～1 215MHz頻段衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)在ARNS接收機(jī)口面產(chǎn)生的集總epfd不得超過-121.5 dBW/m2/MHz[1]。利用Visualyse Professional軟件對COMPASS系統(tǒng)非靜止軌道衛(wèi)星(NGSO)epfd進(jìn)行了仿真,用VB語言在Excel實(shí)現(xiàn)了COMPASS系統(tǒng)靜止軌道衛(wèi)星(GEO)epfd和所有RNSS系統(tǒng)產(chǎn)生的集總 epfd的計(jì)算,并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析,提出了確保epfd不超過限值的思路。

1 ARNS接收機(jī)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

2000年世界無線電通信大會決定在1 164～1 215 MHz頻段為衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)新增頻率劃分。由于此頻段已劃分給應(yīng)用于民航生命安全的航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(ARNS),因此無線電規(guī)則規(guī)定:在1 164～1 215 MHz頻段 RNSS不得干擾ARNS。

民航使用的DME/TACAN設(shè)備連續(xù)波干擾門限為-129 dBW/MHz[2],ARNS接收機(jī)安裝在飛行高度為12 192 m的飛行上,其接收天線在1 164～1 215 MHz頻段的天線特性(假設(shè)極化失配損耗為2 dB)如圖1所示。

考慮安全余量及RNSS干擾占全部干擾的百分比后,可得到在1 164～1 215 MHz頻段ARNS接收機(jī)可接受的由RNSS系統(tǒng)產(chǎn)生的集總epfd最大值為-121.5 dBW/m2/MHz,如表1所示。

圖1 ARNS接收天線特性

表1 ARNS對RNSS系統(tǒng)集總 epfd的限值

2 集總epfd定義及計(jì)算方法

計(jì)算集總epfd首先應(yīng)根據(jù)各RNSS系統(tǒng)的星座、pfd和頻譜調(diào)節(jié)因子(SAF),計(jì)算在功率譜密度最大的1MHz帶寬內(nèi)的epfd;然后通過各RNSS系統(tǒng)SAF及epfd,映射疊加得出在1 164～1215MHz頻段內(nèi)每1 MHz帶寬內(nèi)由各RNSS系統(tǒng)合成的最大集總epfd。

2.1 epfd定義

《無線電規(guī)則》第22.5C.1款定義了epfd:

式中,Pi為到達(dá)接收天線入端的衛(wèi)星i的射頻功率;Gt(θi)為指向接收機(jī)方向的衛(wèi)星發(fā)射天線增益;Gr(φi)為指向衛(wèi)星方向的接收機(jī)接收天線增益;Gr,max為接收機(jī)的最大增益。

設(shè)ARNS接收機(jī)安裝在飛行高度為12 192 m的飛機(jī)上,據(jù)圖1所示ARNS接收天線特性,應(yīng)計(jì)算仰角為-3.54°～90°內(nèi)的所有 RNSS衛(wèi)星產(chǎn)生的干擾。

為了便于各RNSS系統(tǒng)進(jìn)行epfd計(jì)算,在式(1)基礎(chǔ)上,采用式(2)的計(jì)算方法:

2.2 GEO衛(wèi)星epfd計(jì)算

由于GEO衛(wèi)星的pfd、epfd與時(shí)間無關(guān),因此在Office Excel軟件上用VB編程即可計(jì)算RNSS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星pfd和epfd。

首先計(jì)算GEO衛(wèi)星軌位與地球上任意一點(diǎn)ARNS接收機(jī)的空間距離Pathm,n、ARNS接收機(jī)方向的離軸角SATANGm,n和ARNS接收機(jī)對衛(wèi)星方向的仰角ARNSELEm,n:

式中 ,cosβ=cosγ·cos(φE-φs)。

其次,根據(jù)GSO衛(wèi)星發(fā)射天線離軸增益,可得到GEO衛(wèi)星發(fā)射RNSS信號到達(dá)ARNS接收機(jī)天線口面的pfd值。

第3步,根據(jù)ARNS接收機(jī)對GEO衛(wèi)星的天線仰角,從圖1確定ARNS天線增益 Gri/Grmax,利用式(2)即可計(jì)算得到地球上任意一點(diǎn)接收到的GEO衛(wèi)星RNSS信號到達(dá)ARNS接收機(jī)天線口面的epfd。

2.3 NGSO衛(wèi)星epfd仿真計(jì)算

英國Transfinite公司Visualyse professional軟件可用于無線電通信系統(tǒng)pfd、epfd的仿真計(jì)算,并可根據(jù)需要構(gòu)建衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星座、接收站坐標(biāo)、收發(fā)天線方向圖和信號特性等。因此選用Visualyse Professional構(gòu)建RNSS系統(tǒng)NGSO星座 epfd的仿真平臺。

首先根據(jù)RNSS系統(tǒng)星座組成及相位關(guān)系,生成RNSS系統(tǒng)星座;第2步根據(jù)各RNSS系統(tǒng)發(fā)射天線離軸增益,生成RNSS衛(wèi)星發(fā)射天線和發(fā)射功率模型;第 3步根據(jù) ARNS接收機(jī)天線特性,生成ARNS接收天線模型;第4步,在全球范圍內(nèi),按照經(jīng)、緯度1°或5°柵格布設(shè)ARNS接收機(jī);第5步設(shè)定期望信號鏈路和干擾信號鏈路;第6步設(shè)定輸出參數(shù)及文件格式,最后設(shè)定總仿真時(shí)間和仿真時(shí)間步長。

為了得到干擾最大時(shí)的最惡劣情況,總仿真時(shí)間至少為星座重復(fù)周期。為了獲得精確的結(jié)果,仿真時(shí)間步長應(yīng)盡可能小。由圖1 ARNS天線特性可知:在仰角為-3.54°～+3°范圍內(nèi)的ARNS天線接收增益最大。因此為了達(dá)到精度要求,非靜止軌道衛(wèi)星落入ARNS接收機(jī)天線最大增益范圍時(shí),應(yīng)至少進(jìn)行5次測量,即在以增天線接收變化3 dB時(shí),星座運(yùn)行1°為基準(zhǔn)確定仿真時(shí)間步長。

2.4 集總epfd定義

集總epfd定義為:

式中,SAFk,p是第k個(gè)RNSS系統(tǒng)相對于最壞1 MHz頻段內(nèi)的頻譜在頻點(diǎn)p的頻譜調(diào)節(jié)因子(SAF);Nsys為RNSS系統(tǒng)個(gè)數(shù)。

在Office Excel軟件上用VB編程即可實(shí)現(xiàn)RNSS系統(tǒng)集總epfd計(jì)算。

3 COMAPSS系統(tǒng) epfd計(jì)算

COMPASS系統(tǒng)星座由 27顆中圓軌道衛(wèi)星(MEO)、3顆傾斜軌道衛(wèi)星(IGSO)和 5顆靜止軌道衛(wèi)星(GEO)組成,其NGSO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星RNSS信號SAF如圖2所示。COMPASS系統(tǒng)NGSO衛(wèi)星RNSS信號到達(dá)ARNS接收機(jī)天線口面的pfd如圖3所示。

圖2 COMPASS系統(tǒng) SAF

圖3 COMAPSS系統(tǒng)衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的pfd

對于COMPASS系統(tǒng)IGSO衛(wèi)星,設(shè)定其總仿真時(shí)長為24 h,對于COMPASS系統(tǒng)MEO衛(wèi)星,設(shè)定其總仿真時(shí)長為8 d,仿真時(shí)間步長為30 s。各緯度上最大值如圖4所示。

圖4 COMPASS系統(tǒng)MEO和IGSO星座epfd

另外,對ARNS接收機(jī)按1°或 5°柵格布設(shè)分別進(jìn)行了仿真計(jì)算。相對于按5°柵格布設(shè)ARNS接收機(jī),按 1°柵格布設(shè)時(shí),MEO星座最大 epfd高0.001 dB,IGSO星座最大epfd高0.159 dB。

利用 Visualyse Professional構(gòu)建的 RNSS系統(tǒng)epfd仿真平臺,在對衛(wèi)星發(fā)射特性進(jìn)行調(diào)整后,即可用于其他RNSS系統(tǒng)的epfd仿真,并可用于RNSS系統(tǒng)間的干擾仿真。

4 所有RNSS系統(tǒng)集總epfd計(jì)算

根據(jù)各RNSS系統(tǒng)提供[3]的系統(tǒng)星座、SAF、到達(dá)ARNS接收機(jī)的pfd,經(jīng)過計(jì)算,最大集總epfd為-121.97dBW/MHz/m2@1176MHz,距離-121.5 dBW/MHz/m2的限值,還有0.47 dB余量,如圖5所示。

圖5 RNSS系統(tǒng)集總 epfd結(jié)果

根據(jù)各國目前向國際電聯(lián)申報(bào)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)情況,已投入運(yùn)行、在建或有明確計(jì)劃的RNSS系統(tǒng)包括20個(gè)靜止軌道 RNSS衛(wèi)星和6個(gè)非靜止軌道RNSS系統(tǒng)如表2和表3所示。

表2 參與集總epfd計(jì)算的靜止軌道RNSS系統(tǒng)

表3 參與集總 epfd計(jì)算的非靜止軌道RNSS系統(tǒng)

5 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全方面的保障作用日益突顯,越來越多的國家加入到建設(shè)RNSS系統(tǒng)的行列中。為了確保RNSS系統(tǒng)集總epfd不超過限值,建議從幾個(gè)方面著手進(jìn)行研究:①各RNSS系統(tǒng)間功率不平衡,甚至相差10 dB以上,不利于系統(tǒng)間兼容,因此RNSS系統(tǒng)間兼容評估時(shí)可尋求相對平衡的功率電平;②新的RNSS系統(tǒng)使用1 164～1 215 MHz內(nèi)不超過限值的部分頻段的可行性,盡管中心頻率不同,但在共同的頻段內(nèi),仍可實(shí)現(xiàn)民用導(dǎo)航信號的互操作;③更新epfd計(jì)算方法;④研究集總epfd超限后RNSS系統(tǒng)多邊磋商機(jī)制。

[1]ITU.RESOLUTION 609[S],2008.

[2]ITU.RECOMMENDATION ITU-R M.1639-1[S],2007.