全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性評(píng)估方法研究

張建軍 薛明

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094) (2 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

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全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性評(píng)估方法研究

張建軍1,2薛明1,2

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094) (2 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性評(píng)估方法主要是計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，難以復(fù)制真正的導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行條件，改變?nèi)魏我粋€(gè)參數(shù)都需要重新進(jìn)行仿真，計(jì)算量和分析量很大，并存在較大誤差。文章以衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)為落腳點(diǎn)研究導(dǎo)航信號(hào)的兼容性。首先，根據(jù)干擾信號(hào)對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)捕獲、載波跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)等的影響，推導(dǎo)了即時(shí)相關(guān)器輸出的信號(hào)功率對(duì)噪聲功率加干擾功率之比的模型，建立了基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比模型，利用相對(duì)較簡(jiǎn)單的等式就獲得了干擾的一級(jí)評(píng)估；其次，具體分析了GPS C/A碼自干擾時(shí)導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面的功率、天線增益，以及星座功率增益等參數(shù)；最后，給出GPS C/A碼自干擾時(shí)等效載噪比衰減的測(cè)試結(jié)果，在信號(hào)捕獲時(shí)，多普勒頻移為kHz的整數(shù)倍C/A碼自干擾對(duì)所需GPS C/A碼的等效載噪比衰減程度最大，達(dá)到9.6 dBHz。該方法可以為中國(guó)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)提供參考。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；兼容性；相關(guān)器；評(píng)估；等效載噪比；頻譜隔離系數(shù)

1 引言

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，世界上眾多國(guó)家紛紛加緊建設(shè)獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。美國(guó)正在實(shí)施全球全球定位系統(tǒng)(GPS)現(xiàn)代化計(jì)劃，俄羅斯加緊恢復(fù)格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)全面性能，歐盟正在建設(shè)伽利略系統(tǒng)(GALILEO)，中國(guó)正在加緊建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)。此外，日本、印度，以及巴西也有計(jì)劃建設(shè)區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正逐漸呈現(xiàn)出一種多極競(jìng)爭(zhēng)與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的嶄新局面。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的增加，衛(wèi)星導(dǎo)航頻率頻譜十分擁擠，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)相互之間的干擾不可避免，評(píng)估衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的兼容性能非常關(guān)鍵[1-3]。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的兼容性評(píng)估方法一般有四類：信號(hào)互干擾評(píng)估技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證、實(shí)物模擬仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證。信號(hào)互干擾評(píng)估技術(shù)是利用導(dǎo)航信號(hào)特性及碼/載波跟蹤理論對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中采用某一種信號(hào)體制能達(dá)到的性能進(jìn)行評(píng)估的方法。計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證是用計(jì)算機(jī)模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生、接收和處理過(guò)程，從而對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估的方法[4-5]。實(shí)物模擬仿真是在室內(nèi)用信號(hào)發(fā)生模擬器和接收機(jī)來(lái)模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生、接收和處理過(guò)程，從而評(píng)估系統(tǒng)性能的方法。試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證是通過(guò)發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，由試驗(yàn)衛(wèi)星廣播導(dǎo)航信號(hào)，在地面用實(shí)際接收機(jī)來(lái)接收處理導(dǎo)航信號(hào)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)性能的方法。這四種評(píng)估手段中，后期的驗(yàn)證手段可信度更高，但驗(yàn)證周期也越長(zhǎng)，代價(jià)也非常高昂，在未確定最終信號(hào)體制之前，無(wú)法設(shè)計(jì)實(shí)物的信號(hào)模擬器和相應(yīng)的接收機(jī)，更不可能發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，信號(hào)體制的修改都將會(huì)帶來(lái)硬件上較大的變動(dòng)，修改設(shè)計(jì)所需的周期比較長(zhǎng)，代價(jià)也非常昂貴。

本文根據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲的基本原理，針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的互干擾問(wèn)題，按照信號(hào)互干擾評(píng)估技術(shù)建立了評(píng)估信號(hào)兼容性的等效載噪比模型和基于頻譜隔離系數(shù)的等效載噪比模型，分析GPS C/A碼自干擾時(shí)導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面的參數(shù)，給出GPS C/A碼自干擾時(shí)等效載噪比衰減的測(cè)試結(jié)果，為新一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 等效載噪比模型分析

根據(jù)GNSS接收機(jī)的工作原理，信號(hào)捕獲、載波跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)的性能依賴于接收機(jī)中即時(shí)支路，用即時(shí)相關(guān)器輸出的信號(hào)功率對(duì)噪聲功率加干擾功率之比(SNIR)來(lái)評(píng)價(jià)，當(dāng)接收機(jī)外部干擾為具有統(tǒng)計(jì)自相似性的平穩(wěn)過(guò)程，即時(shí)相關(guān)器輸出的 SNIR 定義為相關(guān)器輸出的期望的平方除以方差，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)[4]：

圖1 基于SNIR等效載噪比示意Fig.1 Principle of equivalence for the effect of the SNIR

當(dāng)干擾信號(hào)為接收機(jī)的熱噪聲時(shí)，接收機(jī)相關(guān)器輸出的載噪比(Cs/N0)為

將式(1)代入式(2)得：

其中，定義捕獲-頻譜隔離系數(shù)

可以看到捕獲-頻譜隔離系數(shù)κlS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)。

3 GPS系統(tǒng)等效載噪比分析

3.1 等效載噪比的計(jì)算

在GNSS接收機(jī)中，不同類型的干擾信號(hào)等效載噪比的計(jì)算表示為

式中IGNSS為干擾信號(hào)的等效白噪聲功率譜密度。

GNSS接收機(jī)在處理信號(hào)時(shí)，由于在濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等過(guò)程中，所需信號(hào)和白噪聲都會(huì)有損失，為了準(zhǔn)確分析GNSS信號(hào)間和信號(hào)內(nèi)干擾，在分析等效載噪比時(shí)，對(duì)這些干擾都予以考慮[8-10]，則式(5)變?yōu)?/p>

式中Ls為所需信號(hào)在接收機(jī)處理時(shí)的損失增益；Ln為噪聲在接收機(jī)處理時(shí)的損失增益。

式(6)為分析評(píng)估GNSS信號(hào)間和信號(hào)內(nèi)干擾的基本表達(dá)式，為了分析方便，在載噪比的表示過(guò)程中，計(jì)算單位的表達(dá)形式用分貝(dB)表達(dá)，則式(6)為

式中Ls為所需信號(hào)在接收機(jī)處理時(shí)的損失增益；Ln為噪聲在接收機(jī)處理時(shí)的損失增益;N0為白噪聲。上述這些值在GNSS系統(tǒng)中都為常量，而Cs和IGNSS為變量，依靠所分析的GNSS系統(tǒng)是GPS、GALILEO、GLONASS和COMPASS的不同而定。

3.2GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)功率的分析

(1)GPS衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面的功率

以GPS為例，分析GPS系統(tǒng)內(nèi)干擾對(duì)所需信號(hào)的載噪比衰減程度，特對(duì)所需信號(hào)的功率和接收天線增益取最小值，而對(duì)干擾信號(hào)的功率和接收天線增益取最大值。則所需信號(hào)的功率為

式中Csm為所需信號(hào)到達(dá)地面的最小信號(hào)功率；Gam為接收天線的最小增益。

在表1中給出了當(dāng)前GNSS系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)到達(dá)地面的最大和最小功率，可知，GPSC/A碼到達(dá)地面的最小功率為-158.5dBW。

表1 GNSS接收信號(hào)功率

(2)GPS接收機(jī)天線增益

GPS天線應(yīng)當(dāng)具有較寬的空間角，以便接收盡可能多的衛(wèi)星信號(hào)，一般接收機(jī)能夠接收仰角高于地平線5°以上的所有衛(wèi)星的信號(hào)；仰角小于5°時(shí)，因誤差過(guò)大，GPS接收機(jī)通常不能對(duì)該衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。

所選用的用戶天線為L(zhǎng)1機(jī)載微帶天線，假設(shè)天線工作在頂點(diǎn)方向，在仰角5°時(shí)天線增益為-4.5dBic。

(3)GNSS星座總計(jì)功率增益的分析

對(duì)于干擾信號(hào)的功率，依據(jù)表2，GALILEOE1波段干擾信號(hào)的最大功率為-154dBW[11-13]。GNSS星座的總計(jì)增益由信號(hào)功率、空間損失和用戶天線增益決定，GNSS星座的總計(jì)功率增益如表2所示。

表2 GNSS星座的總計(jì)功率增益

(4)等效噪聲功率的計(jì)算

在GPS信號(hào)接收過(guò)程中，RF干擾可能來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)，也可能來(lái)自系統(tǒng)間，因此，等效噪聲功率的計(jì)算需考慮各種的干擾形式。根據(jù)式(4)和式(7)，在捕獲狀態(tài)干擾信號(hào)的等效噪聲功率表示為

式(9)變?yōu)?/p>

對(duì)于GNSS星座干擾信號(hào)功率，由式(8)：

式中Ck,max,sat為衛(wèi)星干擾信號(hào)的最大功率；Gagg為接收天線增益。

式(10)變?yōu)?/p>

3.3 等效載噪比衰減的計(jì)算

(1)熱噪聲時(shí)等效載噪比的計(jì)算

根據(jù)表1，設(shè)定接收天線增益和所需信號(hào)的功率為最小值，即接收天線增益Gant,min為-4.5dB，Cs為-158.5dBW，信號(hào)在接收機(jī)處理時(shí)的損失增益Ls為-2dB，熱噪聲在接收機(jī)處理時(shí)的損失增益為0dB，GPS熱噪聲功率譜密度為-201.5dBW/Hz，則GPS接收機(jī)熱噪聲時(shí)的等效載噪比為

dBHz

(2)GPSC/A碼的自干擾等效載噪比的計(jì)算

對(duì)于GPSC/A碼之間的自干擾計(jì)算等效載噪比：

1)計(jì)算GPSC/A碼的自干擾等效噪聲功率密度。設(shè)定干擾信號(hào)的功率和接收天線增益為最大，則CCMS為-153dBW，接收天線增益Gagg為12dB，干擾信號(hào)在接收機(jī)處理時(shí)的損失增益LC/A為-1dB，在捕獲狀態(tài)時(shí)GPSC/A碼的頻譜隔離系數(shù)存在變化，取它的最大值。多普勒頻移的不同對(duì)頻譜隔離系數(shù)的計(jì)算存在影響，在多普勒頻移最大為-61.9dB/Hz，此時(shí)等效噪聲密度為

IGPS=CC/A+Gagg+LC/A+κC/A=-192 dB

2)捕獲階段，考慮多普勒頻移對(duì)頻譜隔離系數(shù)影響時(shí)的等效載噪比為

dBHz

(3)GPSC/A碼的自干擾等效載噪比衰減計(jì)算

根據(jù)前面對(duì)熱噪聲時(shí)等效載噪比和GPSC/A碼的自干擾等效載噪比的計(jì)算，計(jì)算GPS接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)C/A碼自干擾的等效載噪比衰減程度，考慮多普勒頻移對(duì)GPS接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)C/A碼自干擾的等效載噪比衰減為

dBHz

由上述計(jì)算分析可知，在捕獲階段，在多普勒頻移為1 000Hz的整數(shù)倍數(shù)時(shí)對(duì)等效載噪比的衰減最大。

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張建軍 1979年生，2010年獲中科院光電研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容與互操作技術(shù)，基于認(rèn)知技術(shù)先進(jìn)空間信息系統(tǒng)。

(編輯：車曉玲)

Research on Performance Analysis Method of Global Satellite Navigation System Signal

ZHANG Jianjun1,2XUE Ming1,2

(1 China Academy of Space Technology，Beijing 100094) (2 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094)

So far, computer simulation is the main evaluation method for the compatibility performance of the satellite navigation signals. The modeling was used to simulate the measuring condition and step，but it is impossible to reproduce the operating condition of the real navigation system. Any parameter change will lead to the re-simulation，a very large amount of computation and analysis，and large errors. Based on the satellite navigation receiver，the compatibility of the navigation signal was studied. Firstly, the model was deduced by the ratio of the output signal power of instant corrugator to the sum of the noise power and the interference power，according to the effect of the interference signal on GNSS receiver capture，carrier tracking and data conditioning. To obtain the optimal assessment of the inference，the equivalent carrier to noise ratio model was established by a relatively simple formula，based on a spectral isolation factor. Secondly，the power，the antenna gain and the constellation power gain of the navigation signals were analyzed concretely when signal arrived at the ground as the GPS C/A code self-disturbed. Finally，the attenuation testing result of the equivalent carrier to noise ratio was shown when the GPS C/A code self-disturbed. It provides reference for the signal design of the new satellite navigation system.

Global satellite navigation system；Compatibility；Assessment；Equivalent CNR；Spectrum separation coefficient

2015-01-30。收修改稿日期：2015-06-01

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.04.002