卫星导航系统与射电天文兼容性分析

车战武，刘志俭，申杰敏

(北京卫星导航中心，北京100094)

0 引言

射电天文业务(RAS)［1］本身并不需要主动向外发射无线电信号，不会对其他无线电业务造成有害干扰;同时，由于射电天文业务所接收的是来自宇宙的无线电波，这些无线电电波与人为发射的无线电电波相比，信号强度极其微弱，大约在10～30 Wm2Hz量级，使得射电天文观测非常容易受到其他无线电业务的干扰［2］。因此，世界无线电通信大会在《无线电规则》中给出了明确的射电天文业务频率划分［3］，并形成相关建议书，对射电天文业务进行特殊保护。

北斗卫星导航区域系统已开始正式提供服务，其使用的1 559～1 610 MHz频段［4］与射电天文业务的1 610．6 ～1 618．8 MHz频段为相邻频段，北斗卫星导航系统在确保自身系统稳定运行的条件下，必须遵守《无线电规则》对射电天文业务的特殊保护要求。

国际电联739决议仅对RAS邻频内的卫星导航业务(RNSS)带外发射的门限提出限值要求，并在1583建议书(ITU-R M．1583)中给出了非GSO系统在射电天文站址处产生的无用发射电平的分析方法，基于上述决议和建议书给出的计算方法，对北斗卫星导航系统(GSO、MEO、IGSO［5］)为保护 RAS 所需进行的带外抑制进行了仿真计算。

1 射电天文对RNSS的带外发射限制

为保护射电天文业务，要求与射电天文业务邻近频段内的RNSS业务带外发射不能超过下面门限［6］:

对于使用1 559～1 610 MHz频段的GSO卫星而言，其泄露到射电天文频段 1 610．6～1 613．8 MHz的功率必须小于:

①对于单反射面谱线观测而言，在基准带宽为20 kHz、累积时间为2 000 s的条件下，pfd在98%的概率条件下不得超过－194 dB(W/m2);

② 对于VLBI而言，在基准带宽为20 kHz、累积时间为2 000 s的条件下，pfd在98%的概率条件下不得超过－166 dB(W/m2)。

(2)对于使用1 559～1 610 MHz频段的NGSO卫星而言，其泄露到射电天文频段 1 610．6～1 613.8 MHz的功率必须小于:

①对于单反射面谱线观测而言，在基准带宽为20 kHz、累积时间为2 000 s的条件下，epfd不得超过－258 dB(W/m2);

② 对于VLBI而言，在基准带宽为20 kHz、累积时间为 2 000s的条件下，epfd不得超过－230 dB(W/m2)。

此外，不论何时收到俄罗斯 GLONASS/GLONASS-M卫星无线电导航系统的相关协调或通知资料，该决议均不适用于1 559～1 610 MHz频段的GLONASS/GLONASS-M卫星无线电导航系统目前和未来的指配。由于在1 610．6～1 613．8 MHz频段内GLONASS/GLONASS-M卫星无线电导航系统已经给予了射电天文业务足够的保护，且这种保护将继续沿用到俄罗斯政府以及GLONASS/GLONASS-M系统的通知主管部门与IUCAF(射电天文学和空间科学频率分配联合委员会)之间、以及之后与其他主管部门之间的双边协议中。

2 分析方法及过程

ITU-R M．1583建议书给出了评估由某个非GSO系统在射电天文站址处产生的无用发射电平的方法［7］。该方法的基础是把天空分成尺寸几乎相同的小区并进行统计分析，在统计分析中RAS天线的指向和卫星星群的启动时间都是随机变量。对于每次评估，无用发射电平(以 epfd表示)都在2 000 s的时段内平均。

关于对GPS、GLONASS和GALILEO的仿真，所选的特性相当于德国Effelsberg射电望远镜，采用100 m直径和约64 dBi的最大增益。天线方向性图和最大天线增益取自ITU-R RA．1631建议书［8］。

2．1 分析方法(ITU-R M．1583)

考虑卫星系统和射电天文望远镜天线特性参数后，采用等效功率通量密度(epfd)的概念来计算NGSO卫星系统无用发射对射电天文望远镜的干扰。epfd是所有卫星发射等效源(主瓣峰值功率)的集合对射电天文望远镜的贡献。

2．1．1 输入条件

在计算对射电天文望远镜干扰时，其累积统计时间要在2 000 s。2种业务需要考虑的输入条件有:

①NGSO卫星系统:射电天文望远镜观测站的可见卫星数;卫星的轨道参数;每颗卫星的pfd值。

②射电天文望远镜:接收天线站址;接收天线旁瓣和天线增益;天线实际指向范围;接收天线视轴指向;射电天文望远镜天线视轴与发射卫星的夹角;累积时间(2 000 s)。

2．1．2 射电天文望远镜接收端的epfd值计算

射电天文望远镜指向NGSO卫星方向的天线接收增益随着卫星的运动发生变化，但在分析干扰时只考虑望远镜指向卫星方向，且接收增益大于0 dBi时的影响。计算epfd的数学公式和模型来自无线电规则的第22.5C款［9］。

式中，Na为接收端可观测到的卫星总数;i为用于计算的发射卫星序号;Pi为在参考带宽内，发射卫星天线输入端的射频功率谱，dB(W/MHz);θi为发射卫星视轴与接收指向视轴间的离轴角(°);Gt(i)为指向接收机方向的卫星发射天线离轴增益(dB);di为发射卫星与接收机间距离(m);φi为接收机指向轴与发射卫星视轴间的离轴角(°);Gr(φi)为指向发射卫星的接收机接收天线旁瓣增益(dB);Gr，max为接收机的最大增益(dB);epfd为某一时刻的接收机等效功率通量密度(dB(W/(m2·MHz)))。

但式(1)的假设前提条件是干扰产生在接收天线的视轴方向。然而就射电天文这一保护标准来说，则要求考虑到射电天文天线的0 dBi圈。因此式(1)的干扰源在0 dBi接收增益方向可以表示为:

式中，epfdGr=0dBi是2 000 s累积时间内的平均计算结果。

2．2 分析过程

首先假定天线将位于某一个特定区域，针对射电天文业务天线的指向进行随机选择，并随机选择观测星座的起始时间，根据2 000 s的积分时间对每一时间抽样的epfd进行评估。然后再针对所选择的指向和观测星座的起始时间，进行与此试验相对应的平均epfd的计算。

重复进行此操作，以便获得所考虑区域的epfd分布统计。此方法涉及到多次试验，其中每个试验均根据2 000 s的积分间隔计算平均epfd值。试验的次数越多，此分布情况越精确。需要进行足够次数的试验才能获得所需的可信值。尤其是，试验数目与2 000 s的积分时间的乘积应显著高于星座的阶段。而且，还有必要确保星座整个阶段有适当的统计抽样。一当发现在分布中没有进一步的显著变化，即可得出结论，试验的次数已经足够。此检查可作为模拟工作的一项不可分割的内容自动进行，或通过定期停止模拟工作人工进行。

为了全面的弥补随机选择的可能带来的分析不足，对任意一个天线位置，采用遍历算法，对天线指向以空间5°间隔建立格网，在一个卫星系统的回归周期以100 s为间隔进行积分周期2 000 s的试验并统计。

3 仿真计算

3．1 假设条件

所有系统均为假设特性，不代表最终北斗全球系统特性。北斗全球系统B1信号发射特性如表1所示。

表1 B1信号发射特性(未滤波)

3．2 北斗全球系统MEO轨道特性

BD全球MEO星座由27颗卫星组成，轨道高度27 878 km，3 个轨道面，间隔120°，轨道倾角 55°，同一轨道面卫星间隔为45°，偏心率为0。轨道回归周期为8天。

3．3 北斗全球系统IGSO轨道特性

BD全球IGSO星座由3颗卫星组成，轨道高度42 164.2 km，3 个轨道面，间隔120°，轨道倾角 55°，偏心率为0，与地球赤道交点为118°E。轨道回归周期为1天。

3．4 分析计算

3．4．1 GEO 卫星

GEO卫星遵循表1规则，直接采用链路计算方法计算，可知在假设条件下，GEO卫星在带外频谱自然降低的条件下抑制16 dB后可满足RAS的保护需求。

3．4．2 MEO 卫星

采用第3节计算方法，对于某一位置，需进行9 455 616次2 000 s的积分计算，计算量巨大，极为耗时，因此仅仅选取高、中和低纬3个位置进行了计算，结果如表2所示。

表2 MEO卫星计算结果

3．4．3 IGSO 卫星

采用第3节计算方法，对于某一位置，需进行9 455 616次2 000 s的积分计算，计算量巨大，极为耗时。IGSO卫星仅仅覆盖有限区域，因此仅对覆盖区域内中纬度的一个位置进行了计算，结果如表3所示。

表3 IGSO卫星计算结果

3．5 结论

根据计算结果可见，在假定的信号调制方式和星座构型条件下，MEO在带外频谱自然降低的条件下再抑制39 dB即可满足RAS保护要求;IGSO卫星在带外频谱自然降低的条件下再抑制28 dB即可满足RAS保护要求，GEO卫星在带外频谱自然降低的条件下抑制16 dB即可满足RAS保护要求。

综合考虑以下4方面因素，建议将MEO带外需求设定为40 dB，IGSO带外需求设定为30 dB，GEO带外需求设定为16 dB:

①由于计算时间的关系，没有对RAS天线位置进行遍历仿真，有可能存在比39 dB更为严格的抑制需求;

②多GNSS系统的存在，导致多系统同时使用时RAS可能受到干扰;

③在计算中使用了最大EIRP，未考虑发射天线离轴角，使计算条件过于严苛，根据RAD文件，北斗发射天线增益最大最小差异为2 dB;

④在MEO和IGSO共同覆盖区域，带外抑制要求将大于以上计算结果。

4 结束语

随着全球卫星导航系统的广泛使用，人们在活动的各个领域对卫星定位导航服务的依赖越来越强。国际电联739决议要求RAS业务邻频的RNSS业务对其进行保护，这不仅是对北斗导航信号发射功率的约束，也是实现北斗卫系统服务可用性的重要因素，采用1583建议书的计算方法进行计算，并综合考虑相关因素，正是为北斗导航信号带外抑制设计提供了合理、可行的仿真数据，保证北斗全球系统合法有效的使用1 559～1 610 MHz导航频段，为用户提供可靠、稳定的服务。

［1］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012．

［2］ 刘 斌，方 正．射电天文业务的无线电管理浅析［J］．中国无线电，2009(3):51 －56．

［3］ Intemationd Telecommunication union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012．

［4］ 谭述森．卫星导航定位工程(第2版)［M］．北京:国防工业出版社，2010．

［5］ 朱立东，吴廷勇．卫星通信导论［M］．北京:电子工业出版社，2010．

［6］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Resolutions and Recommendations［R］．Geneva，2012:367－372．

［7］ International Telecommunication Union．Radio Regulations ITU-R Recommendations［R］．Geneva，2012:401 －407．

［8］ International Telecommunication Union．Radio Regulations ITU-R Recommendations［R］．Geneva，2012:433 －436．

［9］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012:272．