無線電指向標(biāo)-差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（RBN-DGNSS）覆蓋距離估算

高萬明

（交通運(yùn)輸部東海航海保障中心，上海 200086）

1 RBN-DGNSS

沿海無線電指向標(biāo)-差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（RBN-DGNSS）是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)地基增強(qiáng)系統(tǒng)的重要組成部分，包括無線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGPS）、無線電指向標(biāo)-差分北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（RBN-DBDS）等系統(tǒng)。系統(tǒng)在中波無線電頻率上播發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的偽距差分修正數(shù)據(jù)，頻率范圍是283.5 kHz-325 kHz，為沿海用戶提供高精度定位服務(wù)，為我國近海的海上軍、民用戶帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

自2012年開始，交通運(yùn)輸部東海航海保障中心組織實施的無線電指向標(biāo)-差分北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（RBN-DBDS）改造，研發(fā)兼容我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國全球定位系統(tǒng)（GPS）的RBN-DGNSS 系統(tǒng)，對推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海上的應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

RBN-DGNSS 系統(tǒng)包括播發(fā)站和用戶接收機(jī)組成。研究播發(fā)站覆蓋距離、覆蓋的信號強(qiáng)度和接收機(jī)信噪比的關(guān)系，對提高接收的穩(wěn)定性、提升系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量具有重要意義。

2 覆蓋范圍估算

決定覆蓋距離的因素主要有三個方面[2]：一是發(fā)射信號隨距離衰減后的信號強(qiáng)度；二是接收地點的無線電噪聲；三是接收機(jī)對信噪比要求。

RBN-DGNSS 發(fā)射信號屬于中波頻段，主要通過地波傳輸，對于發(fā)射信號隨距離衰減后的信號強(qiáng)度，可以采用國國際電信聯(lián)盟ITU-R 相關(guān)建議書對中波無線電信號的傳輸模型進(jìn)行計算[3]。該建議書提供了頻率在30 MHz 以下的無線電信號地波傳播的場強(qiáng)。

對于接收地點的無線電噪聲，傳統(tǒng)的計算方法一般只考慮接收機(jī)的熱噪聲，實際無線電噪聲主要包括背景噪聲、雷電噪聲、各種電氣噪聲、大氣氣體和水象的輻射噪聲、天線波束內(nèi)的地面或其它輻射噪聲、天體無線電輻射噪聲，ITU-R P.372建議書[4]提供了有關(guān)0.1 Hz 至100 GHz 范圍內(nèi)無線電噪聲的計算方法。

對于接收機(jī)滿足一定誤碼率的下的信噪比要求，則根據(jù)接收機(jī)的帶寬和MSK 調(diào)制方式[5]，通過仿真誤碼率和信噪比的對應(yīng)關(guān)系，計算其信噪比要求。

下面給出了覆蓋距離的具體步驟和方法。

2.1 無線電傳輸信號傳播距離和場強(qiáng)計算

對于RBD-DGNSS，其播發(fā)站一般位于海岸或海島，用戶接收機(jī)位于海上，為簡化計算，只考慮無線電沿著海面進(jìn)行地波傳播的情況，采用ITU GRWAVE 軟件計算距離和場強(qiáng)的關(guān)系，其中σ（電導(dǎo)率）和ε（相對介電常數(shù)）分別設(shè)為5 S/m和70，發(fā)射和接收天線高度分別設(shè)為36m 和10m，頻率取300 kHz，天線的效率取20%[6][7]，根據(jù)我國RBN-DGNSS 發(fā)射機(jī)常見情況，發(fā)射功率分別為200W 和500W，即輻射功率分別是40W和100W，如圖1所示。

圖1 距離和場強(qiáng)的關(guān)系

500W 發(fā)射功率（100W 輻射功率）在300km 處場強(qiáng)是47dBμV/m；200W 發(fā)射功率（40W 輻射功率）相應(yīng)場強(qiáng)是43dBμV/m。

2.2 外部噪聲系數(shù)計算

根據(jù)ITU 相關(guān)建議書[2]，計算外部噪聲系數(shù)的上界值Fa見公式（1）：

式中，kT0B 以10log 表示；kT0為環(huán)境溫度為290K 時，環(huán)境溫度與玻爾茲曼常數(shù)的乘積；B 為接收系統(tǒng)噪聲功率帶寬（Hz）；Fam為外部噪聲系數(shù)中值；Ds為對于所要求的時間百分比預(yù)期的信號電平變化，它相當(dāng)于由IMO 規(guī)定作為衰落余量的3dB 因子；Dt為對于所要求的時間百分比預(yù)期的噪聲電平變化。

DGNSS 覆蓋所需要的可用度為99.5%[5]，為了達(dá)到這一點，公式（2）中替換為Dt=Du+3dB。Fam和Du通過運(yùn)行隨ITU-R NOISEDAT 軟件包噪聲1程序來確定。程序要求有所需要的季節(jié)、站址、頻率、人為噪聲的電平或類別、要求的輸出數(shù)據(jù)類型（選擇Fa）、本地平均時間和要求的統(tǒng)計參數(shù)（選擇總數(shù)的中值）。為預(yù)測船站上的外部噪聲系數(shù)，使用參考值–142 dBW 作為甲板上噪聲[2]。

取下列3 個臺站進(jìn)行計算，分別為：大三山（38.87N，121.83E）、 大 戢 山（30.82N，122.17E）、 三 亞（18.28N，109.35E），外部噪聲系數(shù)計算結(jié)果如圖2所示。

（1）大三山

（2）大戢山

圖2 Fa隨季節(jié)、時間段變化曲線

（3）三亞

2.3 接收機(jī)對信號場強(qiáng)的要求

系統(tǒng)采用MSK 調(diào)制，調(diào)制速率最高為200 b/s，在AWGN噪聲下，誤碼率和信噪比的關(guān)系如圖3所示：

圖3 BER與Eb/N0的關(guān)系

這里取誤碼率在10-3時對應(yīng)的信噪比，即Eb/N0=7dB。

ITU-R P.372建議書[4]，外部噪聲系數(shù)可按以下公式轉(zhuǎn)換為外部噪聲的場強(qiáng)。

En=Fa+20log（f）+10log（BW）-96.8 （2）

式中，En 為噪聲的場強(qiáng)，單位為dBμV/m；F 為中心頻率，單位為MHz；BW 為接收機(jī)帶寬，單位為Hz，這里為240 Hz[8]；

那么在接收機(jī)處，對信號的場強(qiáng)有以下最低要求：

Pr=En+ Eb/N0 +10log（R/BW）+ NF （3）

式中，Pr 為接收信號場強(qiáng)，單位為dBμV/m；R 為通信數(shù)據(jù)率，單位為b/s，這里為200b/s；Eb/N0為信噪比取7 dB（誤碼率為10-3）；NF 為接收機(jī)噪聲系數(shù)，由于中波接收機(jī)射頻前端噪聲系數(shù)較小，取1dB。

2.4 覆蓋距離

最后按照發(fā)射機(jī)分別為功率500W（100W 輻射功率）和200W（40W 輻射功率），可以得到距離和Fa 的關(guān)系，如圖4所示：

將具體位置的Fa 代入圖4，就可以得到大三山、大戢山和三亞RBD-DGNSS 的覆蓋距離范圍，如表1所示。

圖4 覆蓋距離隨Fa的變化曲線

表1 RBN-DGNSS覆蓋距離

3 結(jié)束語

雖然美國海岸警衛(wèi)隊（USCG）2018年宣布未來將分階段停止海上差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）站點服務(wù)[9]，但是從全球各國和國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）來看，DGNSS 依然是海上重要的導(dǎo)航手段。

通過對RBN-DGNSS 覆蓋距離的估算可以看到，一方面，隨著緯度的升高，覆蓋距離也相應(yīng)擴(kuò)大；另一方面，中波頻段的外部噪聲會隨著季節(jié)和晝夜會發(fā)生較大的變化，使覆蓋建立也響應(yīng)發(fā)生改變。根據(jù)IALA 發(fā)布的DGNSS 臺站相關(guān)文件[10]，我國DGNSS 臺站的覆蓋距離全部為300 km，覆蓋邊緣信號強(qiáng)度應(yīng)不小于75 V/m。因此，有必要遠(yuǎn)程監(jiān)視發(fā)射信號的功率和信噪比等參數(shù)，根據(jù)接收質(zhì)量的情況，隨時調(diào)整發(fā)射機(jī)功率以滿足服務(wù)質(zhì)量的要求。