文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)09-0095-03
隨著美國GPS現(xiàn)代化進(jìn)程的實(shí)施,俄羅斯GLONASS的更新?lián)Q代,歐洲Galileo以及中國Compass的部署建設(shè),形成了新的四大系統(tǒng)共存的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)。頻率資源的有限性,以及多系統(tǒng)組合對于導(dǎo)航精度和完好性的提升優(yōu)勢,使得四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間兼容與互操作問題成為業(yè)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)[1-2]。同時(shí),單系統(tǒng)自身在升級換代時(shí)也需要考慮新舊體制信號的兼容和復(fù)用問題[4]。
目前國內(nèi)外對GNSS兼容互用性評估手段往往十分復(fù)雜,在實(shí)踐時(shí)缺少可操作性。本文將面向應(yīng)用,研究多模式GNSS的兼容互用性評估方法,為開展相關(guān)研究提供目標(biāo)性依據(jù)。
1 GNSS信號兼容性評估
1.1 頻譜分離系數(shù)與等效載噪比衰減
所謂GNSS兼容性,目前國際上較統(tǒng)一的概念描述是,多個(gè)GNSS系統(tǒng)或單個(gè)GNSS系統(tǒng)對特定的GNSS系統(tǒng)干擾引起的導(dǎo)航定位性能下降在可接受的范圍內(nèi)[5]。判斷GNSS系統(tǒng)之間是否相互兼容的一個(gè)重要指標(biāo)是一個(gè)系統(tǒng)的信號對另一個(gè)系統(tǒng)的接收性能所產(chǎn)生的性能下降在一個(gè)預(yù)期并可控制的范圍以內(nèi)。可以用等效載噪比衰減值Δ(C/N0)來評估GNSS兼容性,因?yàn)棣?C/N0)反映的是導(dǎo)航信號受到系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)間干擾的相對影響,與各系統(tǒng)接收機(jī)的不同設(shè)計(jì)無關(guān),具有普遍性。
也有文獻(xiàn)提出用頻譜分離系數(shù)(SSC)進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性分析[6],當(dāng)接收期望衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號過程中存在其他系統(tǒng)的干擾時(shí),將需要接收的信號定義為期望信號,其他系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的信號就稱作干擾信號,期望信號與干擾信號之間的頻譜分離系數(shù)SSC定義如下:
其中:B表示接收機(jī)前端濾波器的帶寬,Gj表示干擾信號的功率譜密度,Gs表示期望信號的功率譜密度,fdopj表示干擾信號的多普勒頻移,fdops表示期望信號的多普勒頻移。由此可見,頻譜分離系數(shù)是關(guān)于接收機(jī)前端濾波器帶寬、期望信號與干擾信號的功率譜密度和多普勒的函數(shù),它的具體數(shù)值可以間接反應(yīng)干擾信號與期望信號之間的干擾程度。但是SSC的計(jì)算與整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的可見性與信號功率無關(guān),反應(yīng)的是信號之間的重疊度,因此它只能作為系統(tǒng)兼容性的一個(gè)參考,而不能作為評判標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 等效載噪比衰減計(jì)算
等效載噪比(C/N0)eq的定義可用下式表示:
式中:C表示期望信號功率,單位是W;v表示無量綱的有效熱噪聲功率因子,通常假設(shè)接收機(jī)前端濾波器是理想濾波器,所以假定它的值為1;N0表示熱噪聲功率譜密度,單位是W/Hz,常溫下取值為-201.5 dBW/Hz;Iintra和Iinter分別表示衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾信號功率譜密度;Iext表示除了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以外的無線電系統(tǒng)電磁干擾信號的功率譜密度。
根據(jù)衛(wèi)星空間鏈路公式,地球上任意一點(diǎn)的衛(wèi)星信號功率為:
其中:Cj表示地面上某一位置對于期望衛(wèi)星的接收功率;Pj表示期望衛(wèi)星發(fā)射功率,單位是W;Gj表示期望衛(wèi)星的天線增益;Adist表示空間損耗,Aatm表示大氣損耗,Apol表示天線的極化損耗,Gusr表示接收機(jī)天線增益。通常大氣損耗取值為0.5 dB,極化損耗與天線增益都要根據(jù)不同GNSS系統(tǒng)的不同衛(wèi)星來取值。
將式(3)用對數(shù)形式寫成如下形式:
下面對同一個(gè)GNSS系統(tǒng),確定地球上某一位置上的接收機(jī)所能接收到的所有干擾信號功率。假設(shè)該系統(tǒng)的可見星的數(shù)目為U顆,而第u顆衛(wèi)星發(fā)射的不同類型的信號共有I個(gè):
這就是同一個(gè)GNSS系統(tǒng)上,地球上某一位置上的接收機(jī)所能接收到的所有干擾信號功率的表達(dá)式。
為了減少對的重復(fù)大量計(jì)算,對于屬于同一個(gè)星座的干擾信號,定義了集總增益參數(shù),表示為:
這里,其他非導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾暫且設(shè)為零,因此主要針對以上參數(shù)進(jìn)行分析,對GNSS兼容性做出一個(gè)整體評估。
在L1頻段,選取GPS L1C信號、GalileoE1OS信號和Compass B1C1信號,將仿真環(huán)境分成以下幾種場景,對GNSS兼容性進(jìn)行研究,得出干擾引起的Δ(C/N0)如表1所示,單位是dB。
2 GNSS信號互用性評估
GNSS互用性主要指的是若干個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在一起工作時(shí),特定系統(tǒng)的用戶接收機(jī)可以不經(jīng)過改造就能接收其他系統(tǒng)的信號,并且用戶接收機(jī)能獲得比單獨(dú)使用一個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)或更優(yōu)的導(dǎo)航定位性能。通常認(rèn)為GNSS互用主要集中在信號、星座及時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)3個(gè)方面,而信號互用最為關(guān)鍵,優(yōu)良的信號設(shè)計(jì)可以有效減小同頻段相鄰信號干擾問題[6]。
目前,L1C信號、E1OS信號和B1C1信號提供公共互用,中心頻率均為1 575.42 MHz,采用MBOC(6,1,1/11)調(diào)制方式,用戶接收機(jī)可以不經(jīng)過復(fù)雜的研制就接收其他系統(tǒng)的互用信號進(jìn)行導(dǎo)航。
由于信號互用是以犧牲兼容性為代價(jià)的,因此可以利用等效載噪比衰減值,對互用信號的互用性按兩種情況進(jìn)行研究,第一種是將互用信號都作為系統(tǒng)內(nèi)的干擾,第二種是都作為系統(tǒng)間的干擾。
若按照第一種情況,將所有系統(tǒng)的互用信號作為系統(tǒng)內(nèi)的干擾來算,則它們造成的載噪比衰減是:
取N0=-201.5 dBW/Hz,根據(jù)之前的計(jì)算方式,可以得到Iintra=-201.48 dBW/Hz。這樣就可以得到系統(tǒng)內(nèi)的互用信號所造成的等效載噪比衰減為3.02 dB。
若按照第二種情況,將所有系統(tǒng)的互用信號當(dāng)成系統(tǒng)間的干擾來算,則它們造成的載噪比衰減是:
其中,Iinter是這3個(gè)系統(tǒng)在L1頻段上除了互用信號以外的干擾信號。同樣根據(jù)之前的計(jì)算方法,可以得出GPS、Galileo和Compass 3個(gè)系統(tǒng)在該頻段上造成的等效集總干擾分為-203.691 dBW/Hz、-233.17 dBW/Hz和-224.22 dBW/Hz,再根據(jù)式(15)可以得出這些信號對互用信號的干擾為1.154 dB。
影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容互用的主要因素是導(dǎo)航信號,等效載噪比衰減Δ(C/N0)可以很好地表征干擾信號對期望信號的干擾程度,具有普遍實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,可作為評估系統(tǒng)間信號兼容互用的主要參數(shù)。隨著四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善,可在此基礎(chǔ)上開展更為全面和具有針對性的兼容互用性評估。
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