北斗RDSS入站信號(hào)對(duì)GNSS信號(hào)的干擾分析及應(yīng)對(duì)策略

王君，郭思遠(yuǎn)，王嘉偉

（1.國防科技大學(xué)，長沙 410000；2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是我國從大國地位需求出發(fā)，完全由我國自主設(shè)計(jì)建設(shè)的全球第三大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在全球范圍內(nèi)為用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，是我國的國之重器，為我國的國家建設(shè)將提供必要的保障。衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（Radio-Determination Satellite Service，RDSS）是北斗系統(tǒng)特色優(yōu)勢服務(wù)，可為我國及周邊用戶提供快速定位、位置報(bào)告及短報(bào)文通信服務(wù)。北斗RDSS業(yè)務(wù)自2003年正式開通以來，服務(wù)連續(xù)穩(wěn)定、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在我國國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面都發(fā)揮了重要作用[1]。2020年7月30日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，新一代RDSS正式提供服務(wù)。相比于北斗二號(hào)，北斗三號(hào)RDSS實(shí)現(xiàn)了覆蓋區(qū)域拓展、服務(wù)容量擴(kuò)大、終端功耗降低等升級(jí)[2]。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)的限制，使得其極易受各類電磁干擾的影響[3]。北斗 RDSS入站信號(hào)的頻段在1 610～1 626.5 MHz，與北斗系統(tǒng)的B1頻點(diǎn)、GPS系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)、GLONASS系統(tǒng)的G1頻點(diǎn)鄰近，發(fā)射功率在3～10 W左右，比GNSS信號(hào)的落地電平功率高近140 dB，因此北斗RDSS入站信號(hào)會(huì)對(duì)相鄰頻段的GNSS業(yè)務(wù)造成干擾。

本文針對(duì)北斗RDSS入站信號(hào)與GNSS信號(hào)的兼容性問題，首先分析了北斗RDSS入站信號(hào)特征，然后從理論上分析了GNSS信號(hào)受RDSS入站信號(hào)的干擾影響因素，從不同角度提出了降低北斗 RDSS入站信號(hào)對(duì)GNSS信號(hào)干擾的策略，最后利用實(shí)際設(shè)備進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

1 北斗RDSS入站信號(hào)特征分析

北斗三號(hào) RDSS的信號(hào)體制在北斗二號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)。隨著北斗三號(hào)正式開通，北斗三號(hào)RDSS將逐步取代北斗二號(hào)RDSS，向用戶提供服務(wù)。為此，本文以北斗三號(hào)RDSS為例，對(duì)北斗RDSS入站信號(hào)特征進(jìn)行分析。

RDSS入站鏈路是指RDSS用戶機(jī)向主控站發(fā)送服務(wù)申請的信號(hào)鏈路，RDSS的入站信號(hào)位于L頻段，具體頻率為1 610～1 626.5 MHz，由于入站信號(hào)頻段與GNSS信號(hào)頻段相隔較近，因此，下面主要分析RDSS的入站信號(hào)。

RDSS入站信號(hào)采用直接擴(kuò)頻序列，頻段為1 610～1 626.5 MHz，工作帶寬16.5 MHz，調(diào)制方式為BPSK。由圖1可知入站發(fā)射信號(hào)對(duì)下行RDSS接收的影響主要是由于調(diào)制產(chǎn)生的邊帶引起的。目前，各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)公開信號(hào)的頻率和帶寬如表1所示，GEO衛(wèi)星入站信號(hào)離GNSS導(dǎo)航頻點(diǎn)L1、B1等最近的Lf1的頻率為1 614.26 MHz，帶寬為B = 8.16 MHz。若入站信號(hào)的EIRP為10 W，則通過BPSK的功率譜密度函數(shù)，可以計(jì)算出入站信號(hào)落入北斗B1頻點(diǎn)、GPS L1頻點(diǎn)、GLONASS G1頻點(diǎn)的功率如表1所示。

表1 各導(dǎo)航系統(tǒng)包含的信號(hào)頻率和帶寬

圖1 入站信號(hào)頻譜圖

2 GNSS信號(hào)受RDSS入站信號(hào)干擾影響分析

載噪比是衡量衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)于接收機(jī)的信號(hào)處理具有重要意義，當(dāng)接收機(jī)受到干擾時(shí)，信號(hào)的載噪比會(huì)降低到等效載噪比[4]。等效載噪比是衡量導(dǎo)航信號(hào)捕獲閾值確定、跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)及理論定位精度計(jì)算等的重要參數(shù)。等效載噪比(CsN0)eff的定義[5]為

式（1）中：Cs為接收信號(hào)功率；Ci為干擾信號(hào)功率；CsN0是接收機(jī)內(nèi)所接收信號(hào)在無干擾情況下的載噪比；Rc為擴(kuò)頻碼速率；Q是為各種類型干擾源和信號(hào)調(diào)制器而確定的無量綱的抗干擾品質(zhì)因數(shù)。圖2仿真了不同干擾信號(hào)功率下，等效載噪比隨干擾功率的變化情況。仿真中，假設(shè)接收信號(hào)功率Cs=-157dBW，噪聲功率N0=-200dBW，擴(kuò)頻碼速率Rc=1.023 MHz，干擾信號(hào)為窄帶干擾，抗干擾品質(zhì)因數(shù)Q=1。

圖2 干擾對(duì)等效載噪比的影響示意圖

由圖 2仿真結(jié)果可得：等效載噪比隨著干擾信號(hào)功率的增大而減小，且當(dāng)干擾功率等于-140 dBW時(shí)，等效載噪比下降到 40 dBHz。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范規(guī)定用戶的最低接收功率大約-160 dBW，對(duì)應(yīng)的載噪比為40 dBHz。因此，北斗RDSS入站信號(hào)落入GNSS頻段的信號(hào)電平需要低于-140 dBW，否則等效載噪比將低于捕獲門限。

3 北斗RDSS入站信號(hào)與GNSS信號(hào)兼容提升策略

通過對(duì)干擾影響因素進(jìn)行分析，可以通過2種方法降低RDSS入站信號(hào)的干擾影響。① 北斗RDSS天線進(jìn)行定向賦形設(shè)計(jì)并在功放后面加裝腔體濾波器；② 對(duì)天線擺放進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，RDSS天線和GNSS天線拉開一定距離并采取屏蔽隔離措施進(jìn)一步降低干擾影響。

3.1 北斗RDSS天線端設(shè)計(jì)

北斗RDSS天線采用定向賦形設(shè)計(jì)，北斗GEO衛(wèi)星軌道高度35 786 km，分別定點(diǎn)于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°，經(jīng)過核算在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有GEO衛(wèi)星出站波束信號(hào)的接收天線的方位角覆蓋范圍為148°，俯仰角覆蓋范圍為45°。北斗RDSS天線的天線陣元采用疊層微帶天線形式，天線陣元由兩個(gè)雙頻雙極化微帶天線單元組成，微帶單元采用疊層設(shè)計(jì)，上層為右旋圓極化接收天線，下層為左旋圓極化發(fā)射天線，分別實(shí)現(xiàn)1 610.0 MHz～1 626.5 MHz頻段的信號(hào)發(fā)射，2 491.75±8.16 MHz頻段的信號(hào)接收。

對(duì)GEO衛(wèi)星天線發(fā)射頻點(diǎn)的方向圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證，天線在1 616 MHz頻點(diǎn)處方位（Phi = 0°）和俯仰面（Phi = 0°）的兩個(gè)切面的天線增益仿真圖如圖3所示。

圖3 天線在1 616 MHz頻率處的方向圖

從圖3中可以看出天線增益的頂點(diǎn)為5 dB，方向圖在俯仰面（Phi = 0°）角度為±170° 時(shí)有明顯的凸起為天線的旁瓣，增益大概在-17 dB，與增益最大值相差22 dB，即天線的旁瓣抑制為22 dB。圖3中標(biāo)注為天線增益為1 dB時(shí)，天線方位和俯仰面對(duì)應(yīng)的角度，天線的方位角覆蓋154°，俯仰角覆蓋90°，方向圖滿足天線的角度覆蓋。同時(shí)通過在天線功放的輸出端增加一個(gè)帶通腔體濾波器，在GPS的L1頻段帶外抑制能力達(dá)到50 dB。

3.2 場站布局與屏蔽隔離設(shè)計(jì)

根據(jù)GEO衛(wèi)星的軌位將RDSS天線布設(shè)在場區(qū)的南部可實(shí)現(xiàn)全部波束信號(hào)監(jiān)測，其他GNSS天線布設(shè)在場區(qū)北部，由于RDSS天線為定向天線，后向輻射衰減較大，可以明顯減小對(duì)其他天線的干擾。RDSS天線在場區(qū)的布局效果圖如圖4所示。

圖4 天線場區(qū)布局效果圖

由于信號(hào)存在傳輸損耗，因此，當(dāng)北斗RDSS設(shè)備與GNSS設(shè)備間距離不同時(shí)，所受的干擾的影響也不相同。自由空間的傳輸損耗為

式（2）中：F為信號(hào)頻率，單位MHz；D為傳輸距離，單位km；L單位為dB。傳輸距離與空間損耗關(guān)系如圖5所示，例如當(dāng)間距為分別為1，2，3，5 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的自由空間的傳輸損耗分別為36.5，42.5，46.0，50.5 dB。

圖5 傳輸距離與自由空間損耗的關(guān)系圖

為了進(jìn)一步降低RDSS天線的后向輻射，考慮在RDSS天線的周圍加裝屏蔽罩，同時(shí)在屏蔽罩上加裝吸波材料，加強(qiáng)屏蔽效果。電磁波在傳播的過程中遇到障礙物時(shí)，由于障礙物的反射和吸收作用，能量發(fā)生衰減，常見的鋁、銅、鐵都能有良好的屏蔽效果，在室外可以使用打孔鋼板或鋼網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，理論上電磁波可以繞過自身波長 1/2的障礙物，只要鋼網(wǎng)的網(wǎng)格空間小于電磁波波長的 1/2，電磁波就不能穿透，達(dá)到屏蔽效果，RDSS天線的最高發(fā)射頻率為1 624 MHz，此時(shí)電磁波的半波長為89 mm，因此鋼網(wǎng)的網(wǎng)格空洞直徑小于89 mm即可，距離天線的距離以不影響天線正常工作為宜，可取300 mm左右，RDSS天線加裝隔離罩的效果圖如圖6所示。

圖6 天線加裝屏蔽罩效圖

4 測試驗(yàn)證情況

通過上述分析可知，在GPS的L1頻段上北斗RDSS的入站信號(hào)功率電平下降-28 dB，功率Pt約為-18 dBW；北斗RDSS天線為定向天線，旁瓣抑制為-22 dB；天線功放的輸出端增加一個(gè)帶通腔體濾波器，在L1頻段抑制能力為-50 dB；屏蔽隔離措施的損耗為-15 dB，則接收到的信號(hào)功率為

通過計(jì)算分析得到不考慮傳輸距離衰減，接收信號(hào)功率為-105 dBW，傳輸距離需要引入的衰減大于35 dB，可以保證GNSS信號(hào)的正常捕獲，此時(shí)的距離應(yīng)大于1 m；如果不加裝屏蔽罩，則應(yīng)保證空間衰減大于50 dB，間距在5 m以上。

在實(shí)際工作環(huán)境中測試北斗RDSS用戶機(jī)對(duì)GNSS接收機(jī)接收信號(hào)的影響，北斗RDSS用戶機(jī)的入站功率為10 W，頻度為10 s，部署圖如圖6所示。在加裝屏蔽罩和不加裝屏蔽罩以及RDSS天線和GNSS天線分別拉開1，3，5 m的條件下進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。實(shí)際測試結(jié)果表明與理論分析相符合，加裝屏蔽罩后隔離效果較為明顯，天線拉開距離也可以解決干擾問題。

表2 實(shí)際測試結(jié)果

圖7 實(shí)際部署測試圖

5 總結(jié)

針對(duì)北斗RDSS入站信號(hào)與GNSS的兼容性問題，利用等效載噪比方法評(píng)估了RDSS入站信號(hào)對(duì)鄰頻GNSS信號(hào)的影響，并進(jìn)行了仿真分析，從RDSS用戶機(jī)天線、場站布局以及屏蔽隔離等角度，總結(jié)了2種提升北斗RDSS入站信號(hào)和鄰頻GNSS信號(hào)兼容性的方法。同時(shí)，由于GNSS系統(tǒng)都還在發(fā)展之中，上述2個(gè)方面的兼容性提升方法都還有待進(jìn)一步研究。本文的相關(guān)研究成果可為北斗RDSS用戶設(shè)備與GNSS接收機(jī)共址建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。