北斗無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)機(jī)載設(shè)備與銥星機(jī)載地球站間兼容性分析

劉瑞華， 王新添

(1.中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300300； 2.中國(guó)民航大學(xué)，民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300)

基于無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)(radio determination satellite service, RDSS)的北斗(Beidou Navigation Satellite System, BDS)短報(bào)文通信功能，是中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相較其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)最具特色的優(yōu)勢(shì)。北斗RDSS機(jī)載設(shè)備安裝應(yīng)用于民用航空器需與現(xiàn)有機(jī)載設(shè)備相兼容[1]。銥星系統(tǒng)已具備完整的適航證書(shū)，其服務(wù)規(guī)范進(jìn)入國(guó)際民用航空組織標(biāo)準(zhǔn)體系的實(shí)質(zhì)性工作已經(jīng)完成，并已在空客、波音等主要機(jī)型上集成，應(yīng)用于航空監(jiān)視領(lǐng)域以提高航空安全性[2-3]。

對(duì)于系統(tǒng)間干擾估算與協(xié)調(diào)方法，國(guó)際電信聯(lián)盟提出衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(radio navigation satellite system, RNSS)系統(tǒng)間干擾估算方法，以協(xié)調(diào)與RNSS同頻或鄰頻的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)[4]。歐洲郵電管理委員會(huì)(Confederation of European Posts and Telecommunications, CEPT)電子通信委員會(huì)(Electronic Communications Committee, ECC)在科技報(bào)告150中分析了2 483.5～2 500 MHz頻段內(nèi)RDSS與其他衛(wèi)星業(yè)務(wù)的兼容性，其中RDSS與移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)(mobile satellite service, MSS)部分，以MSS地球站天線端口處噪聲增加6%為的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估RDSS對(duì)MSS移動(dòng)地球站的影響[5]。CEPT ECC 95中給出共享1 610～1 626.5 MHz頻段，基于碼分多址的GLOBALSTAR和COURIER系統(tǒng)與時(shí)分多址的銥星系統(tǒng)間兼容性分析方法[6]。中國(guó)目前在RDSS與其鄰頻系統(tǒng)干擾共存方面研究較多，同時(shí)，劉瑞華等[7-8]分了析脈沖、連續(xù)波等不同干擾對(duì)北斗接收機(jī)性能的影響。前人研究未考慮飛機(jī)平臺(tái)的特殊性，以及天線布局、機(jī)載設(shè)備技術(shù)指標(biāo)不同等因素對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響。

飛機(jī)平臺(tái)具備航電設(shè)備密集，天線安裝相對(duì)集中，工作頻段覆蓋廣，部分發(fā)射機(jī)發(fā)射功率大，接收機(jī)靈敏度高等特點(diǎn)[9]。其中，機(jī)載天線間的隔離度是兩機(jī)載系統(tǒng)電磁兼容的重要參數(shù)。為此，通過(guò)仿真計(jì)算位于圓柱機(jī)身模型上兩天線間隔離度[10]，考慮飛機(jī)機(jī)身屏蔽效應(yīng)、極化損耗等因素對(duì)天線隔離度的影響，并根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)給出合理的天線布局、RDSS發(fā)射功率和天線極化軸比要求，為北斗RDSS機(jī)載設(shè)備射頻指標(biāo)的把控以及機(jī)載設(shè)備在民航上的適航裝機(jī)提供參考。

1 系統(tǒng)特性及參數(shù)

1.1 RDSS系統(tǒng)及信號(hào)模型

RDSS是一種基于擴(kuò)頻調(diào)制的主動(dòng)式定位技術(shù)，同時(shí)可為移動(dòng)用戶提供導(dǎo)航、測(cè)距和雙向短報(bào)文通信等服務(wù)。北斗區(qū)域短報(bào)文通信功能，由3顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星(Geosynchronous Earth Orbit, GEO)實(shí)現(xiàn)，隨著北斗三號(hào)的全球組網(wǎng)，區(qū)域通信業(yè)務(wù)將向全球擴(kuò)展。

RDSS信號(hào)為短突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)，新體制的RDSS信號(hào)采用多子載波信號(hào)調(diào)制，單個(gè)子載波采用二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)，以提高有限帶寬內(nèi)的信息服務(wù)能力[11]。其基帶信號(hào)表達(dá)式為

(1)

式(1)中：t為時(shí)間；A為信號(hào)幅度；D(t)為信號(hào)電文；C(t)為偽碼，碼率為4.08 MHz；對(duì)于新體制RDSS信號(hào)，有3個(gè)子載波，即子載波1、子載波2、子載波3其頻率f1、f2、f3分別為1 614.26、1 618.34、1 622.42 MHz；K1、K2、K3分別為其子載波上信號(hào)數(shù)量，i=0,1,…,K1、j=0,1,…,K2、m=0,1,…,K3，因RDSS信號(hào)具有短突發(fā)信號(hào)特性，故K1、K2、K3并非固定值，RDSS信號(hào)功率譜如圖1所示。從圖1可以看出，三路子載波中心頻率的間隔為4.08 MHz。在系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)中，子載波1和子載波2為民用信號(hào)頻譜。

圖1 RDSS信號(hào)功率譜

1.2 銥星系統(tǒng)特性

銥星用戶鏈路上、下行信號(hào)均采用右旋圓極化方式、正交相移鍵控(quadrature phase shift keying, QPSK)調(diào)制方式和卷積編碼方式。多址方式為空分多址(space division multiple access, SDMA)/頻分多址(frequency division multiple access, FDMA)/時(shí)分多址(time division multiple access, TDMA)/時(shí)分雙工(time division duplexing, TDD)，采用SDMA將每顆衛(wèi)星48個(gè)點(diǎn)波束中相鄰12個(gè)波束分為一組，再按FDMA方式將每個(gè)波束內(nèi)的頻帶分為多條TDMA信道。在每個(gè)TDMA載波內(nèi)使用TDD，即同一用戶的上、下行鏈路分別處于同一條TDMA載波的同一幀的不同時(shí)隙內(nèi)。銥星系統(tǒng)用戶鏈路TMDA幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每個(gè)TDMA幀長(zhǎng)90 ms，分配的頻帶寬度為41.67 kHz，其中工作帶寬31.50 kHz保護(hù)帶寬10.17 kHz。每個(gè)TDMA幀分配給單工信道、雙工信道以及其他應(yīng)用。其中，單工信道占用時(shí)隙20.32 ms，雙工信道占用均為8.28 ms的4個(gè)上行鏈路時(shí)隙和4個(gè)下行鏈路時(shí)隙。

圖2 銥星系統(tǒng)用戶鏈路TDMA幀結(jié)構(gòu)

1.3 機(jī)載設(shè)備參數(shù)

銥星機(jī)載地球站(Airborne Earth Station, AES)根據(jù)航空無(wú)線電通信公司(Aeronautical Radio Inc., ARINC)第二代航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)飛機(jī)安裝規(guī)定(ARINC 761-5-2012)[12]與航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)(Radio Technical Commission for Aeronautics, RTCA)支持下一代衛(wèi)星系統(tǒng)的航空電子設(shè)備的最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)(RTCA DO-262C)[13]附錄D確定的主要參數(shù)，如表1所示。

北斗RDSS機(jī)載設(shè)備根據(jù)《北斗用戶終端RDSS單元性能要求及測(cè)試方法》(BD 420007—2015)[14]與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)位置報(bào)告/短報(bào)文型終端通用規(guī)范(預(yù))確定的主要參數(shù)，如表2所示。

表1 銥星機(jī)載地球站設(shè)備參數(shù)

表2 北斗RDSS機(jī)載設(shè)備參數(shù)

2 干擾場(chǎng)景及評(píng)估方法

2.1 干擾場(chǎng)景

北斗RDSS機(jī)載設(shè)備與銥星AES間干擾的主要場(chǎng)景如圖3所示。

旨在對(duì)北斗RDSS機(jī)載設(shè)備與銥星AES間的干擾進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果給出兩系統(tǒng)天線兼容性建議，對(duì)于機(jī)載設(shè)備上行信號(hào)對(duì)衛(wèi)星接收機(jī)的影響本文不做討論。由圖1可以看出，位于L頻段的銥星用戶鏈路信號(hào)與S頻段的RDSS下行鏈路存在良好的頻率隔離，其對(duì)北斗RDSS機(jī)載設(shè)備接收RDSS衛(wèi)星發(fā)射的下行信號(hào)影響可以忽略。因此，研究重點(diǎn)為北斗RDSS機(jī)載設(shè)備上行信號(hào)對(duì)銥星AES接收銥星下行信號(hào)的干擾。

2.2 干擾評(píng)估方法

基于TDMA的銥星系統(tǒng)干擾評(píng)估準(zhǔn)則采用最小載干比(C/I)，銥星系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制，在誤碼率低于1%的要求下，所需載干比大于18 dB。分析飛機(jī)巡航階段兩系統(tǒng)間的干擾情況。忽略天線輻射特性受地面影響，傳播環(huán)境可視為自由空間傳播。

銥星AES天線采用全向右旋圓極化天線，則銥星AES接收機(jī)天線端口所接收到的干擾功率電平(單位為dBm)可表示為

I=EIRPt+10lg(Br/Bt)+Gr-LLoss

(2)

式(2)中：EIRPt為RDSS機(jī)載設(shè)備的發(fā)射等效全向輻射功率，EIRPt=Pt+Gt，dBm；Br和Bt分別為銥星接收機(jī)帶寬與RDSS發(fā)射機(jī)帶寬，Hz；Gr和Gt分別為發(fā)射端和接收端天線增益，dBi；LLoss為發(fā)射端到接收端的損耗，包括自由空間路徑損耗(Lbf)、RDSS發(fā)射機(jī)饋線損耗(Lfl)及銥星AES接收機(jī)的極化損耗(Lp)，以dB為單位的計(jì)算公式為

LLoss=Lbf+Lfl+Lp

(3)

自由空間路徑損耗或隔離度計(jì)算公式為

Lbf=32.4+20lgf+20lgd

(4)

式(4)中：f為信號(hào)頻率，MHz；d為傳播路徑距離，取天線間的最短距離，km。

圖3 RDSS與銥星系統(tǒng)間干擾主要場(chǎng)景

由于RDSS上行鏈路與銥星用戶鏈路頻率重疊，采用正交極化復(fù)用以增大兩系統(tǒng)間的隔離度即交叉極化隔離度。實(shí)際上收、發(fā)天線均不可能做成理想的圓極化，而是橢圓極化。極化損耗或隔離度與收、發(fā)天線軸比和軸向夾角(通常以長(zhǎng)半軸為參考軸)有關(guān)[15]。

極化損耗(Lp)可表示為

(5)

式(5)中，ARr、ARt分別為接收、發(fā)射天線極化軸比；α為接收、發(fā)射天線極化橢圓長(zhǎng)軸間夾角；4ARrARt相的符號(hào)由收發(fā)電波旋向確定，一致時(shí)為正，相反時(shí)取負(fù)。

反旋向最小極化損失表示為

(6)

根據(jù)干擾保護(hù)準(zhǔn)則(C/I≥18 dB)，可得銥星AES可接受的最大干擾功率電平單位：(dBm)計(jì)算公式為

Imax=Sr-(C/I)min

(7)

式(7)中：Sr為銥星AES接收到銥星信號(hào)功率電平，銥星接收機(jī)靈敏度為-106 dBm。

干擾余量(IM)定義為

IM=Imax-I

(8)

通過(guò)比較銥星AES天線所接收到來(lái)自北斗RDSS的干擾功率電平(I)和銥星AES可接受最大干擾功率電平(Imax)來(lái)評(píng)估RDSS機(jī)載設(shè)備對(duì)銥星AES的干擾情況。當(dāng)IM值為正時(shí)表示干擾程度可接受，反之為負(fù)時(shí)超出可接受的干擾范圍，需采取一定的兼容措施。

3 天線間距及機(jī)身屏蔽系數(shù)

3.1 天線間最短距離

兩機(jī)載天線間的最短距離取決于其在飛機(jī)上的相對(duì)位置，為了估算機(jī)載天線間的距離，將飛機(jī)形狀理想化，從而計(jì)算天線間的最短距離。

為了不影響銥星AES和RDSS天線接收衛(wèi)星信號(hào)，天線一般安裝于飛機(jī)機(jī)身頂部。將飛機(jī)機(jī)身想化為純金屬的光滑圓柱表面，固定銥星AES接收天線位置，調(diào)整RDSS發(fā)射天線位置于圓柱上表面移動(dòng)，圓柱體機(jī)身模型上兩天線位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 機(jī)身圓柱體模型上兩天線位置關(guān)系

圖4中，A(x1，y1，z1)為銥星接收天線位置坐標(biāo)，B(x2，y2，z2)為發(fā)射天線位置坐標(biāo)。由此可知，兩天線間最短距離(d)確定為沿圓柱機(jī)身表面的一段螺旋線，其表達(dá)式為

(9)

式(9)中：ρ為圓柱體半徑，m；θ為安裝與圓柱體表面的兩天線間的夾角，rad。

3.2 機(jī)身屏蔽系數(shù)

考慮到飛機(jī)機(jī)身的屏蔽特性，即無(wú)線電波繞射機(jī)身所產(chǎn)生的衰減效應(yīng)，因此在計(jì)算機(jī)載平臺(tái)天線間隔離度上引入屏蔽系數(shù)為

A=10lgAC

(10)

(11)

式中：A和AC均為機(jī)身屏蔽系數(shù)，其中A為AC以dB的形式表示。

(12)

(13)

(14)

考慮屏蔽系數(shù)后，LLoss可寫(xiě)成

LLoss=Lbf+Lfl+LP-A

(15)

式中：M為衰減因子；η和ξ為與M相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；λ為1.6 GHz信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，m；機(jī)身屏蔽系數(shù)A為負(fù)值，由于圓柱的屏蔽性，因此總衰減應(yīng)減去A。

4 仿真結(jié)果分析

參考空中客車(chē)A320-100的參數(shù)信息，給出計(jì)算時(shí)所使用的飛機(jī)機(jī)身尺寸：機(jī)身為長(zhǎng)度37.57 m，半徑3 m的圓柱體。為方便計(jì)算固定位置坐標(biāo)為A(0,0,3)，調(diào)整RDSS發(fā)射天線位置于機(jī)身上表面移動(dòng)，得出當(dāng)收、發(fā)天線距離大于3 m時(shí)自由空間路徑損耗Lbf和機(jī)身屏蔽系數(shù)A隨天線間相對(duì)位置的變化如圖5、圖6所示。

圖5 d>3 m時(shí)的自由空間路徑損耗

圖6 d>3 m時(shí)的機(jī)身屏蔽衰減

圖5為兩機(jī)載天線距離d>3 m時(shí)的自由空間路徑損耗，從圖5可以看出，自由空間路徑損耗隨兩天線間距離的增大而增大。但受飛機(jī)平臺(tái)體積的限制，以及航電設(shè)備相對(duì)集中的安裝在飛機(jī)前部機(jī)腹電子設(shè)備艙內(nèi)，因此兩天線間距離很大程度受此限制。當(dāng)d>3 m時(shí)最小自由空間路徑損耗為46.12 dB。

圖6為兩機(jī)載天線距離d>3 m時(shí)的飛機(jī)機(jī)身屏蔽效應(yīng)引起的損耗圖。損耗值在9.04～15.08 dB，由于將飛機(jī)機(jī)身理想化為純金屬的光滑圓柱表面，未考慮實(shí)際飛機(jī)蒙皮電阻值有限，機(jī)體表面的凹縫、凸釘以及形狀的變化，而這些因素都將增大兩機(jī)載天線的隔離度。

接收電磁波與天線極化相反時(shí)，最小極化損耗如圖7所示。

圖7 最小極化損耗

圖7仿真了接收天線極化軸比分別為0.4、1、2、3 dB時(shí)，最小極化損耗隨發(fā)射天線極化軸比的變化曲線。由圖7可知，最小極化損耗隨軸比的增大而降低。應(yīng)將由極化失配引起的極化損耗設(shè)置在20 dB以上，結(jié)合圖7可知，接收、發(fā)射天線極化軸比都應(yīng)控制在1.06(0.506 dB)以下。

經(jīng)計(jì)算，銥星AES可接受的最大干擾功率電平為-124 dBm，設(shè)置極化損耗20 dB，饋線損耗3 dB。北斗RDSS終端上行發(fā)射EIRP分別取33.5、40、49 dBm，仿真得到兩天線間距離大于3 m時(shí)，兩系統(tǒng)天線兼容情況加所需附加的額外隔離度如圖8所示。

從圖8可以看出，在滿足兩系統(tǒng)兼容條件下，所需附加的隔離度大小受兩機(jī)載天線的相對(duì)安裝位置(天線間最短距離、夾角)影響很大，合理的控制發(fā)射功率也尤為重要。當(dāng)相對(duì)安裝位置逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，所需的附加隔離度也隨之降低，當(dāng)兩天線相距大于3 m時(shí)，所需的附加隔離度分別小于56.42、62.92、71.92 dB。

據(jù)RTCA-262C附錄D銥AMS(R)S設(shè)備的規(guī)范性要求知，當(dāng)銥星AES與Inmarsat SATCOM同時(shí)收發(fā)時(shí)，為避免可能產(chǎn)生有害干擾，建議安裝人員在Inmarsat系統(tǒng)天線和銥星系統(tǒng)天線之間至少保持45 ft(即13.716 m)的間隔。當(dāng)兩天線距離d>13.716 m時(shí)，所需附加隔離度分別小于40.38、46.88、55.85 dB。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)北斗RDSS機(jī)載設(shè)備與銥星AES進(jìn)行兼容性評(píng)估，分析兩系統(tǒng)天線布局、收發(fā)天線間極化軸比、發(fā)射EIRP對(duì)兩系統(tǒng)間兼容所需隔離度的影響。通過(guò)仿真分析得出以下結(jié)論。

(1)合理控制發(fā)射天線EIRP，EIRP越大所需的天線隔離度就越高，建議EIRP不大于40 dBm。

(2)優(yōu)化天線布局，可有效提高天線間隔離度，建議設(shè)置天線距離間隔大于45 ft(即13.716 m)。

(3)收發(fā)天線極化軸比會(huì)影響交叉極化隔離度的數(shù)值，天線極化越接近圓極化兩系統(tǒng)兼容性越好，建議天線的極化軸比控制在1.06(0.506 dB)以下。

(4)在不采取額外隔離措施情況下，北斗RDSS機(jī)載設(shè)備會(huì)對(duì)銥星AES造成有害干擾。

研究結(jié)果可為北斗RDSS機(jī)載設(shè)備發(fā)射EIRP、天線極化軸比等技術(shù)指標(biāo)的制定提供參考，同時(shí)，對(duì)北斗RDSS機(jī)載設(shè)備在民航上的適航裝機(jī)具備參考價(jià)值。