地基基站導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)兼容性探討

熊 輝，沈建軍，孫 鵬，廖 威，文軍福，文述生

（1.交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江通信管理局，武漢 430000；2.廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司，廣州 510000）

關(guān)鍵字：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；衛(wèi)星信號(hào)；信號(hào)體制；兼容性對(duì)比；定位精度

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國(guó)家安全和社會(huì)發(fā)展不可或缺的信息基礎(chǔ)設(shè)施，體現(xiàn)著1 個(gè)國(guó)家的國(guó)際地位和綜合國(guó)力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）是基于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及國(guó)家安全的需要，我國(guó)建立的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，具備自主建設(shè)與獨(dú)立運(yùn)行的特點(diǎn)[1]。但是BDS 的導(dǎo)航信號(hào)與已有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，例如全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）導(dǎo)航信號(hào)的頻譜之間相互重疊，導(dǎo)航信號(hào)之間的干擾變得嚴(yán)峻，于是無(wú)線頻率兼容問題成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前主流做法是選擇等效載噪比以及相應(yīng)的衰減值，作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）無(wú)線頻率兼容的評(píng)價(jià)指標(biāo)。這個(gè)參數(shù)反映了干擾對(duì)信號(hào)載噪比的影響，卻不能反映干擾對(duì)碼跟蹤的影響。為了衡量單由系統(tǒng)內(nèi)干擾或系統(tǒng)間干擾造成的碼跟蹤誤差，本文提出基于碼跟蹤誤差增量以及頻譜分離這2 個(gè)參數(shù)作為中間指標(biāo)，用來(lái)對(duì)不同信號(hào)體制的兼容性進(jìn)行對(duì)比，研發(fā)區(qū)域GNSS 基準(zhǔn)站接收機(jī)[2]。該接收機(jī)具備較好的優(yōu)勢(shì)，一方面可單獨(dú)接收BDS 衛(wèi)星信號(hào)，另一方面也可以接收其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)。這一模式可在BDS 上進(jìn)行配置，不過在衛(wèi)星數(shù)的接收方面存在一定的限制，應(yīng)先進(jìn)行多模多頻點(diǎn)接收措施的研究，隨即明確射頻前端設(shè)計(jì)方法，最后對(duì)單接收方案進(jìn)行分析與優(yōu)化[3]，在主板開關(guān)設(shè)計(jì)、電路優(yōu)化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)BDS 導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的接收與解算。

在實(shí)際應(yīng)用中，形成的純單模BDS 模式可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收，并實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信號(hào)的接收模式隨意切換，而且在切換中，還能保證不會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量，使板卡抗多路徑的性能得以保證[4]。

1 信號(hào)接收方案設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)站接收機(jī)是由3 部分構(gòu)成：①天線單元；②主機(jī)單元；③電源單元。主機(jī)單元包括顯示器、變頻器、存儲(chǔ)器、微處理器以及信號(hào)通道[3]，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 接收機(jī)工作原理

2 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)兼容性

兼容性是指多種類型衛(wèi)星系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，相對(duì)于單一系統(tǒng)工作模式不會(huì)產(chǎn)生性能的顯著降低，這是1 個(gè)設(shè)備級(jí)概念。傳統(tǒng)的兼容性分析方法只考慮了干擾對(duì)即時(shí)通道的影響，并沒有充分考慮干擾對(duì)碼跟蹤過程的影響[5]。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)干擾對(duì)碼跟蹤的影響，引入新的干擾系數(shù)，即碼跟蹤頻譜敏感系數(shù)（code tracking spectral sensitivity coefficient, CT-SSC），并提出基于碼跟蹤的 GNSS 兼容性準(zhǔn)則與擴(kuò)頻時(shí)鐘（spread spectrum clocking, SSC）概念。與SSC 相比較，CT-SSC 中包含了sin2函數(shù)的影響，該函數(shù)在積分中起到濾波的作用。

目前，國(guó)際上通常選擇等效載噪比以及相應(yīng)的衰減值作為GNSS 信號(hào)體制的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于對(duì)其兼容性進(jìn)行判斷。在實(shí)際評(píng)價(jià)過程中，需要考慮多方面的因素，如空間、環(huán)境以及用戶等，存在參數(shù)較多的復(fù)雜計(jì)算[6]。碼跟蹤靈敏度及頻譜分離作為中間指標(biāo)，用來(lái)配合完成兼容性評(píng)價(jià)，具有較高的優(yōu)勢(shì)，即它們可以對(duì)不同信號(hào)體制具備的兼容性進(jìn)行對(duì)比。

交替二進(jìn)制偏移載波調(diào)制信號(hào)（alternate binary offset carrier, AltBOC）與1 種新的具有恒包絡(luò)的調(diào)制方式（phase shifted AltBOC，PS-Alt BOC）,2 者均存在有52 MHz 主瓣帶寬的調(diào)制信號(hào)[7]。以發(fā)射帶上帶寬為90 MHz 的發(fā)射信號(hào)為主要參照，將接收機(jī)前端的帶寬先定為52 MHz，對(duì)位于B2頻段3 個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具備的譜分離系數(shù)進(jìn)行仿真，3 個(gè)系統(tǒng)分別為Galileo、GPS 以及BDS，所獲得的結(jié)果具體如表1、表2 所示。

表1 采用Alt BOC 調(diào)制BDS B3 導(dǎo)航信號(hào)的SSC 情況

表2 采用PS-Alt BOC 調(diào)制BDS B3 導(dǎo)航信號(hào)的SSC 情況

干擾信號(hào)與期望信號(hào)存在一定的相關(guān)性，而頻譜分離系數(shù)的存在是2 者相關(guān)性的直接表達(dá)，其數(shù)值越大，表示2 個(gè)信號(hào)之間存在越為嚴(yán)重的頻譜重疊情況。從表1、表2 可以看出，當(dāng)接收機(jī)前端帶寬為 52 MHz 時(shí)，無(wú)論是 GPS、Galileo 還是BDS，信號(hào)的自譜分離系數(shù)均大于與其他信號(hào)之間的譜分離系數(shù)，這說(shuō)明信號(hào)間的干擾主要來(lái)自于系統(tǒng)的內(nèi)干擾。與BDS B3 信號(hào)采用的 Alt BOC調(diào)制相比，采用 PS-Alt BOC 調(diào)制后的BDS B3 頻段信號(hào)的自譜分離系數(shù)下降了0.02 dB/Hz，GPS L2頻段的信號(hào)卻提高了0.73 dB/Hz，但與Galileo 相比，衛(wèi)星信號(hào)之間卻大幅度縮小了14.18 dB/ Hz。在BDS 采用Alt BOC 調(diào)制的信號(hào)頻段上，BDS 和Galileo 的信號(hào)在有互干擾或自干擾的情況下，都存在較大的頻譜分離系數(shù)（＞-60 dB/Hz）；此外，在這一頻段上，GPS 信號(hào)的自干擾及與其他系統(tǒng)干擾中產(chǎn)生的頻譜分離系數(shù)均在-70 dB/Hz 之下[8]。所以，可以通過適當(dāng)犧牲GPS 自身的兼容性實(shí)現(xiàn)其他2 個(gè)系統(tǒng)干擾的下降與兼容性的提升。在3 個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真分析中，GPS L5C 與BDS 信號(hào)產(chǎn)生的頻譜分離系數(shù)高于其自譜分離系數(shù)，不過2者差異不是很大，證明GPS 受這2 種信號(hào)的干擾程度相近[9]。

表3、表4 為BDS、GPS 及Galileo 間CT-SSC的仿真結(jié)果。

表3 B3 頻點(diǎn)各導(dǎo)航信號(hào)CT-SSC(原B3 信號(hào))

從表3、表4 可以看出：新型BDS B3 信號(hào)同原有信號(hào)相比較，沒有較大的差異；但同Galileo E5 信號(hào)相比較，得到了較為明顯的提升[10-11]，與上述SSC 分析得出的結(jié)果相同。這一現(xiàn)象表明，使用新型BDS 信號(hào)，在立足碼跟蹤環(huán)路的基礎(chǔ)上，既能夠保證系統(tǒng)的兼容性，又能夠很好地對(duì)Galileo E5 信號(hào)進(jìn)行兼容[12]。

表4 B3C 頻點(diǎn)各導(dǎo)航信號(hào)CT-SSC 情況(新B3 信號(hào))

3 兼容性測(cè)試

為了更加直觀地測(cè)試BDS、GPS 及Galileo 導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)定位效果的差異，以便判斷BDS 接收機(jī)兼容性的優(yōu)劣，本文設(shè)計(jì)了1 種測(cè)試方案，測(cè)試方案中包括定位精度、定位時(shí)效性、星座可用性等多個(gè)方面的指標(biāo)。

首先準(zhǔn)備1 個(gè)已知的觀測(cè)點(diǎn)，該觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境滿足無(wú)遮擋、遠(yuǎn)離發(fā)射塔等高功率設(shè)備、遠(yuǎn)離大面積水面等容易發(fā)生多路徑效應(yīng)的地段[12]。在該觀測(cè)點(diǎn)架設(shè)儀器，要求精確對(duì)中、整平儀器，并用安裝有精準(zhǔn)對(duì)中整平裝置的三腳架進(jìn)行固定；分別在不同時(shí)段，通過儀器手簿進(jìn)行操作，以切換不同星座組合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（realtime kinematic, RTK）定位測(cè)量[13]，并記錄相關(guān)結(jié)果；綜合對(duì)比分析以上成果，從而分析衡量出BDS接收機(jī)對(duì)不同衛(wèi)星信號(hào)的兼容性。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 BDS 為主導(dǎo)的基準(zhǔn)站接收機(jī)兼容性測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為依托，設(shè)計(jì)了1 臺(tái)兼容多星座衛(wèi)星信號(hào)的基準(zhǔn)站接收機(jī)，建設(shè)區(qū)域BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同星座信號(hào)的分離和自由切換及多種星座組合下的衛(wèi)星導(dǎo)航定位，通過定位的可用性、時(shí)效性、精度等方面的測(cè)試來(lái)衡量其兼容性，得出以下結(jié)論：

1）通過基準(zhǔn)站接收機(jī)板卡的電路設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)不同星座衛(wèi)星信號(hào)的自由重組和切換，從而實(shí)現(xiàn)不同星座組合定位。

2）通過更改板卡硬件結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單BDS 衛(wèi)星信號(hào)的接收，并據(jù)此提出建立基于BDS 的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為GNSS 基準(zhǔn)站接收機(jī)模型機(jī)。

3）在觀測(cè)條件良好的情況下，多星座組合定位時(shí)效性更快、定位精度更良好、定位效率更高。