全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)互干擾評(píng)估分析及啟示

（錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

1 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是各個(gè)國家和地區(qū)為軍事或民用目的而發(fā)展的一套使用衛(wèi)星提供位置與時(shí)間信息的系統(tǒng)，從導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)和軍艦到汽車、民用飛機(jī)、個(gè)人電腦乃至手持式通信設(shè)備，幾乎都能用到衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)［1］。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，眾多國家和地區(qū)紛紛加緊建設(shè)獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。美國正在實(shí)施GPS現(xiàn)代化計(jì)劃［3］，俄羅斯加緊恢復(fù)GLONASS全面性能［4］，歐盟正在建設(shè)GALILEO 系統(tǒng)［5］，與此同時(shí)，日本和印度也在積極建設(shè)自己的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)前，我國正在推動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）的建設(shè)，2012年底，已經(jīng)建成北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，初步覆蓋亞洲及其周邊地區(qū)，滿足公路交通、鐵路運(yùn)輸以及海上作業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

目前，國際電信聯(lián)盟（ITU）專門為無線電衛(wèi)星導(dǎo)航配置的頻段上，存在美國的GPS信號(hào)和俄羅斯的GLONASS信號(hào)，再加上計(jì)劃發(fā)射的GALILEO和COMPASS信號(hào)，以及GPS現(xiàn)代化信號(hào)，這幾個(gè)頻段已變得相當(dāng)?shù)膿頂D，除了GLONASS的頻段沒有明顯重疊之外，其它3個(gè)系統(tǒng)有的頻段部分重疊，有的完全重疊［6］，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)相互之間的干擾不可避免。一般來講，同一頻段內(nèi)GNSS互相之間的干擾分為兩種，其中同一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，來自不同衛(wèi)星的信號(hào)相互干擾對(duì)方的接收，例如GPS系統(tǒng)中不同衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)之間的干擾等，稱為自干擾或系統(tǒng)內(nèi)干擾；而在兩個(gè)不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的干擾，例如GPS 和GALILEO 信號(hào)之間的干擾等，稱為系統(tǒng)間干擾，此外，在利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號(hào)進(jìn)行遙感應(yīng)用的過程中，同一衛(wèi)星的直達(dá)信號(hào)對(duì)于反射信號(hào)的干擾也稱為自干擾［7］。

美國和歐盟為了把GPS和GALILEO 信號(hào)系統(tǒng)間的干擾降至最低，達(dá)到信號(hào)之間的兼容與互操作，展開了長期的談判。目前，歐盟與美國之間已經(jīng)基本結(jié)束在Ll和E1頻段上的信號(hào)兼容談判。我國的COMPASS系統(tǒng)在頻率上與GPS 和GALILEO都存在重疊。隨著GALILEO 和COMPASS建設(shè)進(jìn)程的加快，我國和歐盟都迫切需要評(píng)估衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)系統(tǒng)間的干擾；而在評(píng)估衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)互相之間的干擾中，基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比指標(biāo)是一種有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)這一通用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察其在各種場(chǎng)合下的特征，對(duì)于研究導(dǎo)航信號(hào)之間的互干擾特性有重要的參考價(jià)值。文章根據(jù)分析研究，提出了各方法之間的局限性。針對(duì)我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展情況，提出相應(yīng)的發(fā)展建議。

2 GNSS信號(hào)互干擾問題現(xiàn)狀

不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)占用相同的頻段會(huì)造成相互干擾而出現(xiàn)兼容問題，但同時(shí)占用相同頻段也為各個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作提供了可能性［8］。在空間存在的眾多導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航信號(hào)頻率段相互重疊。信號(hào)間存在著不同程度的干擾，如表1所示。

GALILEO 衛(wèi)星發(fā)射6 種衛(wèi)星信號(hào)，分別記做L1F，L1P，E6A，E6B，E5A 和E5B。L1F 是一個(gè)可公開訪問的信號(hào)，位于E1頻段，包括一個(gè)數(shù)據(jù)通道和一個(gè)導(dǎo)頻（或無數(shù)據(jù)）通道，它調(diào)制有未加密的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，可供所有用戶接收。

傳統(tǒng)的GPS導(dǎo)航信號(hào)在L1和L2兩個(gè)載波頻率上發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，另外GPS計(jì)劃廣播3種新的信號(hào)，其中一個(gè)位于1 176.45 MHz，稱為L5信號(hào)，新的軍用M 碼信號(hào)也將被疊加到L1和L2上。

GPS與GALILEO 的主要系統(tǒng)間干擾集中在下面兩種形式的信號(hào)：①GALILEO 系統(tǒng)E5A 與GPS系統(tǒng)L5 之間的干擾；②GALILEO 系統(tǒng)L1F與GPS系統(tǒng)L1之間的干擾。

表1 GNSS相同頻段分布Table 1 GNSS band distributions

3 GNSS信號(hào)互干擾評(píng)估方法研究

美國是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展較早的國家，為了防止其它國家發(fā)展的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)GPS產(chǎn)生干擾，美國率先在互干擾評(píng)估方法上進(jìn)行了研究，其方法始終根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展而不斷調(diào)整。歐盟為了與美國在信號(hào)頻譜設(shè)計(jì)談判中保持同等地位，在此方面也進(jìn)行了大量的工作。目前，GNSS信號(hào)互干擾評(píng)估方法主要集中在2種方法：多徑誤差評(píng)估理論和載噪比評(píng)估理論。其中，載噪比評(píng)估理論由于其精確的數(shù)學(xué)解析，得到各國研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。

3.1 多徑誤差評(píng)估理論

多徑誤差是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的主要誤差源之一，并且它依賴于接收機(jī)天線周圍的環(huán)境，在空間上的相關(guān)性很小，無法通過差分的方法加以消除。因此，多徑誤差是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)與評(píng)估中的一個(gè)重要考慮因素。目前，關(guān)于多徑減輕技術(shù)的研究比較多，多徑誤差的理論分析相對(duì)較少。多徑誤差分析方法主要有4類：

（1）外場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，即通過對(duì)接收機(jī)的實(shí)際定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而分析多徑效應(yīng)的影響；

（2）模擬仿真方法，即通過建立多徑信號(hào)模型，由信號(hào)模擬器產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào)，軟件接收機(jī)處理和統(tǒng)計(jì)分析；

（3）數(shù)值分析方法，即假定導(dǎo)航接收機(jī)采用非相干鑒別算法和窄相關(guān)技術(shù)，建立多徑誤差的隱式表達(dá)式，用數(shù)值分析方法求解方程的根，從而獲得多徑誤差；

（4）純理論解析方法，它能夠給出多徑誤差包絡(luò)的直接表達(dá)式。目前，記錄采用這種方法的文獻(xiàn)均將導(dǎo)航信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)用直線來分段表示，通過計(jì)算疊加多徑信號(hào)之后的鑒別曲線，推算出多徑誤差。

多徑誤差評(píng)估理論的不足，主要體現(xiàn)在：通過計(jì)算疊加多徑信號(hào)之后的鑒別曲線，推算出多徑誤差。這種自相關(guān)函數(shù)模型，使得目前的理論解析法僅適用于發(fā)射和接收帶寬均遠(yuǎn)大于碼速率的情況，不能滿足一般情況下的應(yīng)用。

3.2 信干噪比評(píng)估方法

信干噪比評(píng)估理論來源于偽碼跟蹤理論，1977年，Simon首先提出偽碼跟蹤理論，闡述了兩種非相干的偽碼跟蹤環(huán)路——延遲鎖定環(huán)（DLL）和τ抖動(dòng)環(huán)，并分析了其中的碼跟蹤性能，在Simon的分析過程中，擴(kuò)頻信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)被當(dāng)成理想的三角形，這只有在碼片形狀為矩形，且前段帶寬為無限的假設(shè)條件下才能成立，因而在對(duì)碼跟蹤精度要求很嚴(yán)格的導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用受限。隨著技術(shù)的發(fā)展，τ抖動(dòng)環(huán)在節(jié)約相關(guān)器資源方面的優(yōu)勢(shì)被削弱，而延遲鎖定環(huán)則被廣泛采用。另一方面，隨著GPS應(yīng)用的推廣，開始尋求提高碼跟蹤精度的方法，并致力提出更精確的碼跟蹤性能分析方法［9］。2000年，美國GPS現(xiàn)代化信號(hào)體制的John W.Betz，將前端帶寬引入到了碼跟蹤精度分析過程中，分析出綜合信號(hào)功率譜、前端帶寬、相關(guān)器間隔、碼環(huán)帶寬、預(yù)積分時(shí)間因素在內(nèi)的信干噪比表達(dá)式，并總結(jié)了這些因素對(duì)信號(hào)互相關(guān)干擾性能的影響。

信干噪比（SNIR），即信號(hào)和噪聲加干擾比，是指被傳輸?shù)目捎眯盘?hào)與來自其它或相同信道的干擾信號(hào)（噪聲）加干擾的比率。它是傳輸質(zhì)量的量度標(biāo)準(zhǔn)。SNIR 的計(jì)算為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)值均值的平方與方差的比值：

式中：T為相關(guān)器的積分時(shí)間；Cs是GNSS接收機(jī)天線輸入端接收到的有用信號(hào)功率；?（·）表示括號(hào)內(nèi)函數(shù)的實(shí)部；βr 為接收機(jī)雙邊前端帶寬；Gs（f）是歸一化為無窮帶寬上單位面積內(nèi)的信號(hào)功率譜密度；HT（f）為衛(wèi)星發(fā)射機(jī)的傳遞函數(shù)；HR（f）為接收機(jī)濾波器的傳遞函數(shù)；τ為時(shí)間延遲；f為載波頻率；θ為初始相位；e為指數(shù)表達(dá)形式；i為復(fù)數(shù)表達(dá)形式；Cl為接收到干擾信號(hào)功率；Gl（f）是歸一化為無窮帶寬上單位面積內(nèi)的總干擾信號(hào)功率譜密度。

SNIR 的不足主要體現(xiàn)在：由于是被傳輸?shù)目捎眯盘?hào)與來自其它或相同信道的干擾信號(hào)（噪聲）加干擾的比率。它是傳輸質(zhì)量的量度標(biāo)準(zhǔn)，但在計(jì)算信干噪比過程中，任何非白干擾也必須被計(jì)算在內(nèi)，且必須以其功率譜密度和功率來表征。因此對(duì)互相關(guān)干擾下相關(guān)器輸出的SNIR 的分析是非常麻煩的，并且在干擾條件下的分析也不全面。因此，有必要在國外的模型基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的理論推導(dǎo)驗(yàn)證和改進(jìn)分析。

4 基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比評(píng)估方法

4.1 即時(shí)相關(guān)器輸出信號(hào)干噪比

假設(shè)GNSS接收機(jī)接收到的基帶處理信號(hào)為

式中：s（t）為GNSS基帶信號(hào)；θ為載波相位；t0為時(shí)間延遲；n（t）為接收的高斯白噪聲；ι（t）為干擾信號(hào)，其概率密度函數(shù)為高斯分布。

接收的信號(hào)數(shù)據(jù)長度為Tobs，即0＜t≤Tobs，假設(shè)GPS 基帶信號(hào)被接收機(jī)濾波后的信號(hào)為s1（t），因此，接收的信號(hào)數(shù)據(jù)為

SNIR 的計(jì)算為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)值均值的平方與方差的比值，則即時(shí)相關(guān)器輸出信干噪比為

4.2 等效載噪比評(píng)估模型

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲、載波跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)的特性，提出基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比模型，針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)體制，推導(dǎo)了頻譜隔離系數(shù)。當(dāng)總的干擾可以建模為統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)過程，且干擾或有用信號(hào)（或兩者）的頻譜可以很好的近似為某一帶寬（這一帶寬是相關(guān)中所用的累計(jì)時(shí)間的倒數(shù)）上的一條直線時(shí)，即時(shí)相關(guān)器的輸出SNIR 可以表示成載噪比、傳輸函數(shù)、所需信號(hào)與干擾信號(hào)功率譜密度的函數(shù)：

假設(shè)干擾信號(hào)之間相互獨(dú)立，并與所需信號(hào)不相關(guān)，干擾信號(hào)所造成的相關(guān)器輸出的SNIR，相當(dāng)于只有噪聲單獨(dú)存在時(shí)相關(guān)器輸出的SNIR，即相當(dāng)于把干擾“白化”為熱噪聲，由此轉(zhuǎn)化為等效噪聲功率譜密度。等價(jià)關(guān)系如圖1所示，則利用這一等效白噪聲得到的同樣正確的等效噪聲功率譜密度（Cs／N0）eff。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)干擾信號(hào)等效載噪比Fig.1 Equivalent CNR of interference signals within the system

式中：κlS為頻譜隔離系數(shù)。

通過式（7）可以看到頻譜隔離系數(shù)依賴于所期望信號(hào)的譜和干擾的譜，如果兩個(gè)導(dǎo)航信號(hào)之間的譜峰相互重疊，它們之間的捕獲頻譜隔離系數(shù)就越大，等效載噪比的衰減就會(huì)愈明顯，相互之間的干擾就越強(qiáng)。

4.3 GNSS信號(hào)間的頻譜隔離系數(shù)分析

基于頻譜隔離系數(shù)計(jì)算模型，表2與表3分別給出了GPS、GALILEO 和COMPASS 系統(tǒng)在L1頻段9種不同類型信號(hào)在各自的實(shí)際發(fā)射帶寬下仿真計(jì)算結(jié)果。由此可知，接收機(jī)前端帶寬越小，功率譜密度主瓣遠(yuǎn)離中心頻點(diǎn)的信號(hào)對(duì)其它信號(hào)的干擾就越小；GPS系統(tǒng)的M 碼、GALILEO 系統(tǒng)E1PRS和COMPASS系統(tǒng)B1A 的3個(gè)授權(quán)信號(hào)與其它信號(hào)的頻譜分離比較明顯，這是由于它們遠(yuǎn)離中心頻點(diǎn)的緣故；隨著接收機(jī)前端帶寬的減小，頻譜隔離系數(shù)SSC 值越來越小，頻譜重疊程度越低；另外，3個(gè)系統(tǒng)的MBOC 互操作信號(hào)比GPS系統(tǒng)L1C／A 碼有更好的頻譜分離能力。

表2 L1頻段的頻譜隔離系數(shù)（接收機(jī)前端帶寬：24 MHz）Table 2 Spectral separation coefficients in L1band（Receiver front-end bandwidth：24 MHz）

表3 L1頻段的頻譜隔離系數(shù)（接收機(jī)前端帶寬：12 MHz）Table 3 Spectral separation coefficients in L1band（Receiver front-end bandwidth：12 MHz）

5 GNSS信號(hào)互干擾評(píng)估理論發(fā)展建議

本文主要研究了GNSS 信號(hào)互干擾問題對(duì)GNSS系統(tǒng)性能的影響。包括GNSS信號(hào)間干擾分析，系統(tǒng)內(nèi)干擾評(píng)估方法等，對(duì)今后我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展具有參考意義。

1）明確衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)互干擾評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)性能既好、又與其它系統(tǒng)的信號(hào)之間互干擾最低的信號(hào)，這是目前世界各國研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。這兩方面通常無法同時(shí)兼顧，經(jīng)常是在這兩方面進(jìn)行折中。而折中的依據(jù)就是GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)互干擾評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，另外，民用信號(hào)受到系統(tǒng)間干擾影響比較大，最壞情況時(shí)，C／A 碼受到的系統(tǒng)間干擾引起的最大最小載噪比衰減比較明顯，這樣就對(duì)GALILEO 信號(hào)的設(shè)計(jì)提出更嚴(yán)格的要求，因?yàn)闇p掉系統(tǒng)內(nèi)干擾引起的干擾之后，剩下的可用的載噪比干擾就很小了，這也意味著，我國的COMPASS系統(tǒng)面臨著更高的挑戰(zhàn)。因此，互干擾測(cè)試評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是GNSS信號(hào)互干擾測(cè)試評(píng)估的統(tǒng)一值。我國的COMPASS系統(tǒng)必須在這方面積極做準(zhǔn)備，利用等效載噪比方法研究這一標(biāo)準(zhǔn)，使其在今后的信號(hào)設(shè)計(jì)中，處于有利地位。

2）研制GNSS信號(hào)的設(shè)計(jì)方法

從分析GNSS信號(hào)間干擾、提出GNSS互干擾評(píng)估參數(shù)，以及GNSS基帶信號(hào)功率譜的推導(dǎo)和長碼的界定，到分析GPS和GALILEO 在L1頻段上的相互干擾，這些為如何設(shè)計(jì)滿足互干擾最低要求的信號(hào)奠定初步基礎(chǔ)。本文對(duì)無線頻率兼容的理論進(jìn)行了研究，這些基礎(chǔ)使對(duì)如何設(shè)計(jì)滿足兼容要求的信號(hào)有了初步想法，在信號(hào)設(shè)計(jì)初期，干擾系數(shù)和碼跟蹤干擾系數(shù)是評(píng)估無線頻率兼容的最好中間參數(shù)，而這兩個(gè)參數(shù)與信號(hào)的功率譜密切相關(guān)，于是信號(hào)功率譜的設(shè)計(jì)是信號(hào)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不少文獻(xiàn)也強(qiáng)調(diào)了功率譜的重要，并分析了功率譜測(cè)量的方法和碼的選擇對(duì)功率譜的影響，可以基于式（5），分析干擾系數(shù)和碼跟蹤干擾系數(shù)與載噪比衰減值和碼跟蹤誤差增量的關(guān)系，依據(jù)此關(guān)系，為設(shè)計(jì)高性能的信號(hào)提供技術(shù)支持。

3）盡快制定針對(duì)性的試驗(yàn)驗(yàn)證

基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比理論分析的方法相對(duì)比較簡單，可以在減小復(fù)雜度的基礎(chǔ)上提供一種近似的評(píng)估結(jié)果，而且這個(gè)方法還可以部分結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬仿真或?qū)嶒?yàn)室實(shí)物測(cè)量來提高評(píng)估精度，而不需要進(jìn)行端到端的仿真，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，理論分析方法較為重要。但實(shí)際應(yīng)用前還需要試驗(yàn)驗(yàn)證。2004年6月，美國和歐盟同意采用計(jì)算載噪比衰減值的方法來評(píng)估GPS／GALILEO 的互干擾性，并就此方法展開試驗(yàn)驗(yàn)證。國內(nèi)目前針對(duì)該方法可靠性的驗(yàn)證工作尚未展開，因此，在開展理論研究的同時(shí)，應(yīng)開展大量的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，即在多個(gè)GNSS同時(shí)工作的情況下，利用實(shí)際接收機(jī)捕獲、跟蹤目標(biāo)信號(hào)，需要在不同的地理位置測(cè)量并記錄系統(tǒng)參數(shù)，在不同地理位置進(jìn)行長時(shí)間的大量測(cè)量。

6 結(jié)束語

本文描述了GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)互干擾評(píng)估問題，介紹了GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)互干擾的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)多徑誤差評(píng)估理論、載噪比評(píng)估理論的產(chǎn)生及發(fā)展進(jìn)行了分析，并提出發(fā)展建議。對(duì)于進(jìn)一步開展GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)互干擾評(píng)估理論的研究，具有一定的借鑒意義。

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