摘 要： 集總增益系數(shù)是GNSS系統(tǒng)間干擾分析的重要參數(shù)，需要通過(guò)仿真計(jì)算得到。介紹了集總增益系數(shù)仿真算法，利用Visualyse Professional軟件構(gòu)建仿真系統(tǒng)，仿真分析了Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)不同信號(hào)的集總增益系數(shù)。計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性已在國(guó)際電聯(lián)新增導(dǎo)航頻段609決議磋商會(huì)中得到了驗(yàn)證。該仿真分析方法為開(kāi)展GNSS系統(tǒng)間干擾分析提供了一種快捷有效的手段。
關(guān)鍵詞： 集總增益系數(shù)； GNSS； 仿真系統(tǒng)； Compass
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）間頻率兼容性研究已經(jīng)成為國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[1-4]。國(guó)際電聯(lián)ITU-R M.1831建議書(shū)給出了GNSS系統(tǒng)間頻率兼容性協(xié)調(diào)的分析方法。該方法中，集總增益系數(shù)Gagg是進(jìn)行GNSS系統(tǒng)兼容性計(jì)算的一個(gè)非常重要、耗時(shí)最多的中間參數(shù)，它反映了不同星座配置的GNSS系統(tǒng)的集總干擾功率差別，與星座的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性、收發(fā)天線相對(duì)增益變化、接收站點(diǎn)的分布等都有關(guān)系，須通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行計(jì)算。但是，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一個(gè)有效的對(duì)集總增益系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算的方法。因此,本文介紹了如何利用Visualyse Professional軟件構(gòu)建Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)的集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng)；并對(duì)三個(gè)系統(tǒng)的集總增益系數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析；該結(jié)果已在國(guó)際電聯(lián)609決議磋商會(huì)中得到了驗(yàn)證。
1 集總增益系數(shù)仿真算法
對(duì)于指定的GNSS信號(hào)類(lèi)型，第i位置接收機(jī)接收到的集總干擾功率(W)可表示如下：
式(2)中，
是接收機(jī)天線輸出端的單顆衛(wèi)星發(fā)射的最大信號(hào)功率(W)，最大意味著所有接收位置中收到的最大信號(hào)功率。參考接收天線的增益GR可能和接收到的信號(hào)極化方式不匹配，從而導(dǎo)致附加損耗。式(2)計(jì)算得到的Gagg是所有接收位置中的最壞值，適用于任何干擾信號(hào)類(lèi)型。在干擾計(jì)算中統(tǒng)一用這個(gè)最壞值分析其他任意接收位置干擾情況。事實(shí)上，大多數(shù)情況下的干擾會(huì)好于該種方式的計(jì)算值。但是通過(guò)這種評(píng)估方法可以確保系統(tǒng)間頻率兼容性不會(huì)被低估。
2 集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng)搭建
2.1 集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)
集總增益系數(shù)仿真需要模擬系統(tǒng)的載波頻率、星座特性、衛(wèi)星發(fā)射天線增益、接收機(jī)天線增益、空間鏈路傳輸特性、接收機(jī)地理分布等。本文利用Visualyse Professional軟件環(huán)境構(gòu)建仿真系統(tǒng)進(jìn)行集總增益系數(shù)仿真。仿真系統(tǒng)由空間段、鏈路段和接收段三部分組成?？臻g段包括星座模塊、衛(wèi)星發(fā)射天線模塊和載波設(shè)置模塊，接收段由站點(diǎn)模塊、接收天線模塊組成。仿真系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)計(jì)算不同接收位置的集總干擾功率，然后通過(guò)事后處理從所有的計(jì)算結(jié)果中選取最大值，與接收到的單顆衛(wèi)星發(fā)射的最大信號(hào)功率相除，得到集總增益系數(shù)。圖1給出了仿真系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的邏輯關(guān)系。
2.2 集總增益系數(shù)星座設(shè)置
Compass系統(tǒng)由27顆中圓軌道衛(wèi)星(MEO)、3顆傾斜軌道同步衛(wèi)星 (IGSO) 和5顆靜地軌道衛(wèi)星(GSO)組成。27顆MEO衛(wèi)星均勻分布在3個(gè)離地高度21 500 km，軌道傾角55°的軌道上，每個(gè)軌道有9顆衛(wèi)星。星座的回歸周期為7天。3顆IGSO衛(wèi)星均勻分布在3個(gè)離地高度為35 786 km，傾角55°的軌道上，每個(gè)軌道上1顆衛(wèi)星，3顆衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118°。5顆GSO衛(wèi)星的軌道位置為58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E。
GPS系統(tǒng)星座基本配置[5]由24顆衛(wèi)星組成，24顆衛(wèi)星平均分布在離地面20 181.56 km、軌道傾角為55°的MEO軌道上，每個(gè)軌道上4顆衛(wèi)星。星座的回歸周期為1天。另外還有4顆備份衛(wèi)星，均勻分布在第1個(gè)軌道上。
Galileo系統(tǒng)星座由27顆衛(wèi)星組成，27顆衛(wèi)星平均分布在3個(gè)離地高度為23 616 km、軌道傾角為56°的MEO軌道上，每個(gè)軌道上有9顆衛(wèi)星。星座的回歸周期為3天。
本文根據(jù)上述軌道參數(shù)分別設(shè)置三個(gè)系統(tǒng)的星座。由于Compass系統(tǒng)空間段由MEO、IGSO和GSO三種星座組成，在仿真分析中分別針對(duì)MEO和IGSO兩種不同的星座模型進(jìn)行仿真，GSO星座不涉及時(shí)間變化，可直接計(jì)算得到。為了準(zhǔn)確模擬地面接收功率隨時(shí)間的變化，本文仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置與星座的回歸周期相同，仿真步長(zhǎng)設(shè)為30 s。
2.3 集總增益系數(shù)載波特性設(shè)置
Compass系統(tǒng)發(fā)射B1(1 575.42 MHz）、B2(1 191.795 MHz)和B3(1 268.52 MHz)三個(gè)載頻。GPS系統(tǒng)發(fā)射L1(1 575.42 MHz)、L2(1 227.6 MHz)和L5(1 176.45 MHz)三個(gè)載頻信號(hào)。Galileo系統(tǒng)發(fā)射E1(1 575.42 MHz)、E5(1 191.795MHz)和E6(1 278.75 MHz)三個(gè)載頻信號(hào)。
載波信號(hào)頻率不同，其空間傳輸特性和收發(fā)天線輻射特性也有差異。Compass系統(tǒng)3個(gè)載頻頻率間隔較大，即使相差較小的B2和B3信號(hào)之間，其路徑損耗差也有0.6 dB。因此為了準(zhǔn)確分析信號(hào)間的干擾，本文分別針對(duì)3種載頻信號(hào)進(jìn)行仿真，每一個(gè)載頻信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)集總增益系數(shù)。GPS信號(hào)雖然也在3個(gè)載頻上發(fā)射信號(hào)，但是L5和L2載頻之間的路徑損耗僅為0.2 dB，在仿真分析中，將L5和L2信號(hào)作為一種類(lèi)型信號(hào)仿真，其仿真載波頻率均設(shè)置為1.2 GHz。Galileo信號(hào)與Compass類(lèi)似，也是對(duì)3個(gè)不同的載頻信號(hào)分別仿真。
2.4 接收機(jī)站點(diǎn)分布模塊設(shè)置
Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)均為全球。本文在仿真分析中將接收區(qū)域設(shè)置為全球，接收機(jī)的分布密度按照經(jīng)緯度各5°間隔均勻設(shè)置,即東西方向從經(jīng)度-180°～180°，按5°間隔均勻設(shè)置73臺(tái)接收機(jī)，南北方向從-90°～90°按5°間隔均勻設(shè)置37臺(tái)接收機(jī)，共設(shè)置2 701臺(tái)接收機(jī)覆蓋地球表面，每種星座仿真平臺(tái)中建立2 701個(gè)接收鏈路。
2.5 收/發(fā)天線增益設(shè)置
Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星天線增益圖模型及參數(shù)采用中美、中歐關(guān)于GNSS系統(tǒng)雙邊頻率會(huì)談中協(xié)商的計(jì)算條件設(shè)置。圖2和圖3分別描述了本研究中GPS系統(tǒng)L1載波信號(hào)和L5載波信號(hào)采用的典型接收機(jī)天線增益模型，它們分別來(lái)源于美國(guó)航空無(wú)線電委員會(huì)制定的評(píng)估對(duì)GNSS系統(tǒng)無(wú)線電干擾的Do-235和Do-229規(guī)范?？梢约僭O(shè)Compass的B1接收機(jī)天線具有與GPS L1相同的特性進(jìn)行干擾分析，Compass的B2/B3接收機(jī)天線具有與GPS L5相同的特性進(jìn)行干擾分析。
2.6 鏈路模塊設(shè)置
鏈路模塊電波傳播模型選擇自由空間傳輸模型。三個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)采用同樣的傳播模型，便于比對(duì)分析。其他鏈路損耗如雨衰、大氣損耗和極化失配損耗等，在進(jìn)行后續(xù)的干擾計(jì)算時(shí)，可按工程經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)一予以扣除處理。
3 仿真結(jié)果及分析
表1給出了Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)不同信號(hào)的集總增益系數(shù)。為了分析系統(tǒng)內(nèi)部其他導(dǎo)航信號(hào)的干擾，即自干擾的影響，本文還仿真計(jì)算了關(guān)注信號(hào)和干擾信號(hào)類(lèi)型相同時(shí)的集總增益系數(shù)(Gagg*)。在這種情況下，假設(shè)在干擾最?lèi)毫拥臈l件下進(jìn)行計(jì)算，即假設(shè)接收機(jī)接收到的關(guān)注信號(hào)的功率為最低仰角時(shí)接收到的單顆衛(wèi)星信號(hào)的功率，本文分析中GPS和Compass系統(tǒng)考慮5°仰角的接收功率，Galileo系統(tǒng)考慮10°仰角時(shí)的接收功率。GPS系統(tǒng)在仿真時(shí)雖然只考慮了2個(gè)載頻信號(hào)，但是由于其衛(wèi)星發(fā)射天線增益在三個(gè)載頻上不同，因此仍然得到了3個(gè)不同的結(jié)果。
表1中的數(shù)據(jù)表明：(1)Compass MEO、GPS、Galileo系統(tǒng)中頻率相近的信號(hào)，其集總增益系數(shù)也比較接近。比如，Compass MEO的B1信號(hào)、GPS Galileo的L1信號(hào)以及Galileo的E1信號(hào)，其集總增益系數(shù)相差在0.4 dB以?xún)?nèi)； (2)對(duì)于Compass而言，MEO星座的集總增益系數(shù)最大，其對(duì)Compass系統(tǒng)自干擾以及與其他系統(tǒng)互干擾的貢獻(xiàn)會(huì)較大，但是，GSO以及IGSO的集總增益系數(shù)也處于相對(duì)較大水平(7.2 dB~10.6 dB)，因此在計(jì)算系統(tǒng)自干擾以及系統(tǒng)間的互干擾時(shí)不能忽略； (3)由于計(jì)算自干擾情況下集總增益系數(shù)(Gagg*)比計(jì)算互干擾情況下的集總增益系數(shù)（Gagg）時(shí)只少計(jì)算一條鏈路，所以其數(shù)值較為接近(從表中可以看出差值在0.3 dB以?xún)?nèi))。因此在保守地分析干擾時(shí),可以選擇只計(jì)算Gagg以節(jié)約仿真時(shí)間。
本文利用Visualyse Professional軟件構(gòu)建了Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)的集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模擬導(dǎo)航系統(tǒng)的星座動(dòng)態(tài)運(yùn)行、接收機(jī)的地理分布、頻率特性以及收發(fā)天線輻射特性等,為GNSS系統(tǒng)集總增益系數(shù)的計(jì)算提供了一種快捷的仿真手段。仿真系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性已在國(guó)際電聯(lián)新增導(dǎo)航頻段609決議磋商會(huì)中得到了驗(yàn)證。本文仿真計(jì)算的三個(gè)系統(tǒng)不同信號(hào)的集總增益系數(shù)不僅可用于三個(gè)系統(tǒng)間的干擾分析，也可用于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾分析。
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