《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種GNSS信號兼容互用性評估方法
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
李云志
北京理工大學(xué)，北京100081
摘要： 針對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)兼容互用性評估問題，分析了頻譜分離系數(shù)和等效載噪比衰減兩種方 法的區(qū)別，提出了一種基于等效載噪比衰減值的GNSS信號兼容性和互用性評估方法，通過仿真證明了此方法具有實(shí)用意義。
中圖分類號： P228
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)09-0095-03
A compatible interoperability evaluation method for global navigation satellite system signal
Li Yunzhi
Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China
Abstract： In view of the global navigation satellite system(GNSS) compatible interoperability evaluation, the differences between the spectral separation coefficients(SSC) and equivalent carrier to noise ratio attenuation value ?駐(C/N0) for the evaluation are analysed and an evaluation method of GNSS signals the compatibility and interoperability based on ?駐(C/N0) is presented. It is proved by simulation that the method has practical value.
Key words : GNSS；interoperability；equivalent carrier to noise ratio；evaluation

    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，單系統(tǒng)自身在升級換代時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GNSS系統(tǒng)或單個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重要指標(biāo)是一個系統(tǒng)的信號對另一個系統(tǒng)的接收性能所產(chǎn)生的性能下降在一個預(yù)期并可控制的范圍以內(nèi)?？梢杂玫刃лd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，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：

    tx3-gs1.gif

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：

    tx3-gs2.gif

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：

    tx3-gs3.gif

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：

    tx3-gs4.gif

    下面對同一個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：

tx3-gs5-8.gif

    這就是同一個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tx3-gs8-1.gif的重復(fù)大量計(jì)算，對于屬于同一個星座的干擾信號，定義了集總增益參數(shù)，表示為：

tx3-gs9-13.gif

    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。

tx3-b1.gif

2 GNSS信號互用性評估

    GNSS互用性主要指的是若干個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在一起工作時，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、星座及時間坐標(biāo)系統(tǒng)3個方面，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：

    tx3-gs14.gif

    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：

    tx3-gs15.gif

其中，Iinter是這3個系統(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。

參考文獻(xiàn)

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