卫星导航系统监测站选址因素分析

宫 磊，马 煦，冯晓超，高 帅

（北京卫星导航中心，北京 100094）

1 引言

卫星导航系统是重要的空间信息基础设施，可以全天候、全时段地为各种用户提供高精度的定位、导航和授时（PNT）服务。为满足国民经济发展的需求，北斗卫星导航系统于2012年底正式开通运行，为我国全境及周边地区等重点区域的用户提供全天候不间断服务。

北斗卫星导航地面运控系统由主控站、注入站和监测站组成。其中，数十个监测站广泛分布在服务区范围内，尽可能多地观测卫星以及获取尽可能多的观测数据，为地面运控系统完成精密定轨、卫星钟监测、电离层修正、广域差分改正和系统完好性监测等主要业务处理提供实时原始观测数据，是系统提供定位、导航和授时（PNT）服务的基础。

在系统联试过程中，发现由各监测站伪距测量数据构建的业务处理观测量质量高低与系统部分业务的处理精度直接相关，如果出现较多站观测数据质量较差会导致电离层模型解算、等效钟差解算等业务处理误差超标，进而降低系统PNT服务精度。

而监测站周边自然环境、电磁环境及监测站相关建筑物建设地点的确定，对于提高各监测站伪距测量数据构建的业务处理观测量质量有直接影响，基于此，在进行监测站建设地点选择时需要综合考虑以上因素。

2 监测站站址影响因素分析

监测站室外设备主要包括抛物面天线和监测接收机天线，这些天线的相互影响以及与机房布局的相互影响是整个场站布局设计需要考虑的重要因素。时统输出时频信号传输100m的限制条件；场区内发射天线的辐射对场区内接收机的干扰影响；各天线发射、接收信号时，互不遮挡及建筑物不能对信号收发造成遮挡；场区内发射天线的辐射不能对场区人员安全造成影响。

2.1 视场因素

视场是指在某个点上眼睛能看到的范围，视场越大，观测范围越大。视场大小通常以视场角来表示，视场角就是天顶垂直位置到视场范围边缘处组成的夹角。为确保北斗监测站设备观测数据质量，监测站将监测接收机接收导航卫星的观测截止角设置为5°，只有当导航卫星的视角大于5°时，监测接收机才对观测到的数据进行处理，如果导航卫星的视角小于5°，则不进行处理。

2.2 电磁干扰因素

电磁干扰一直是卫星导航系统中一个非常严重的干扰因素。卫星导航信号是采用无线电磁波的方式进行传输，由于电磁波的特性，电磁信号较容易受到其他电磁因素的干扰，可能造成信号损失和信号中噪声增加。电磁干扰来源主要包括以下几个方面。

（1）强磁场信号：强磁场会干扰卫星导航系统电波的直线路径，并可能使无线电信号发生严重衰减，强磁场一般处于矿山、大型发电机和发动机周围。

（2）无线电信号因素：无线电信号和卫星导航信号是相同的信号，不同的无线电信号采用的频率不同，但是各种频率的无线电信号广播、无线电通信信号之间频率比较接近时会出现干扰，空间中可能还存在其他非法电波，有些电波频率可能与卫星导航信号频率类似，也可能会对卫星导航信号产生严重干扰。另外，功率很强的无线电波会使卫星导航系统的卫星信号出现噪声或者失锁现象，这种情况一般出现大型无线电发射装置附件，如移动通信基站和广播、电视发射塔等。

（3）强电磁波：强电磁波对卫星导航信号的干扰与无线电对卫星导航信号的干扰类似，其主要区别在于强电磁波德频率通常是非固定的，如大型雷达、电磁波测距仪等设备可能产生强电磁波。

世界各国全球导航定位系统受非故意干扰的事件时有发生。在欧洲，非故意干扰信号经常干扰军民机场附近GPSL1，L2信号接收，并且一些站点的L2信号还受到1240～1243MHz频段内的业余无线电信号的影响。美国政府与科研机构已经多次公布了GPS重要基础应用设施受干扰的时间；此外，美国国家地理空间情报局（NGA）与美国测地局（NGS）也多次报道了其GPS监测站与GPS连续运行参考系统（CORS）监测站受干扰的事件；并且其广域增强系统（WAAS）、局域增强系统（LAAS）站受干扰事件更是经常发生。

2010年，美国某地发现主控站L频段1.2GHz两处频点出现干扰，一处经查找确定为某企业的无线视频传输系统所致；另一处已经影响到系统设备（监测接收机）的正常工作，曾引起系统监测接收机无法正常锁定下行导航信号，但目前还未找到干扰源。在对位于美国各地的RNSS L频段频谱情况进行测试后，发现多地都存在不同形式的干扰信号。

2.3 多路径干扰因素

多路径效应是监测接收机伪距测量过程中遇到的主要误差源之一，直接影响接收机的伪码测距、载波相位和多普勒等观测数据的测量精度，导致原始观测数据质量降低；严重情况下，多路径效应甚至会导致监测接收机跟踪环路的失锁。为提高原始观测数据质量，接收机通常会采取抗多路径天线、基带信号处理和数据后处理三种方法抑制多路径效应。但研究结果表明，这三种方法对于长延迟的多路径效应误差效果明显，而对码延迟小于0.2chip的短延迟信号的多路径误差抑制效果较差。因此，解决多路径效应最根本最有效的措施是选择良好的天线安装场站环境。

监测接收机接收天线场区环境的多路径效应是导致伪距波动问题的主要原因，造成地面运控系统监测接收机对IGSO/MEO卫星的高频伪距波动和对GEO卫星的中频伪距波动，而观测的影响评估结果表明，伪距波动会影响电离层解算和差分完好性业务处理精度，对等效钟差解算精度的影响最为严重。

在实际建站过程中，选择既适合建站又能满足多路径环境要求的站点存在困难，导致目前多数监测站接收机天线场区环境条件相对较差，加剧了多路径效应的形成。尽管监测接收机已采用了抗多路径天线和基带抗多路径算法等多种抗多路径措施，但多数监测站采集的原始观测数据质量仍难以满足系统业务处理精度对数据质量的要求。

因此，有必要通过改善监测站接收天线场区的局部环境条件，消除或抑制多路径信号，达到改善监测接收机观测数据质量的目的。

2.4 环境因素

环境因素应综合考虑自然环境因素和人文环境因素两个方面。

（1）自然环境。5米天线重达数吨，一般布局于地面，长期工作对地基造成影响，会形成地基沉降，进而导致天线相位中心发生变化，对系统站间时间同步业务造成影响。因此，监测站应考虑避免建设在雷区、避免建设在地质易沉降地带。

监测接收机天线对环境要求苛刻，需要综合考虑遮挡、干扰、多路径等因素。若布局于屋顶，需考虑由于屋顶变形等造成天线相位中心变化，对测距造成影响，进而影响系统业务处理精度。需要采用接收机观测数据质量高低，对系统业务处理影响进行分析。

（2）人文环境。人文环境因素是指监测站建设地区的治安条件、交通条件、人文条件和供配电条件等方面。监测站选址时务必注意人文环境因素，要求选择治安好、交通方便、当地居民素质较高的地区，保证监测站运行后能够正常运行，并能够降低维护费用，提高维护质量。

3 监测站建设实例验证

3.1 实例1

下面是西北某站的视场因素实例：自该监测站设备进场以来，大部分时间卫通链路数据入站率可保持在95%以上。但自2012年4月左右开始，该站卫通链路数据入站率低于95%，最低只有5%。

针对此问题进行了一系列排查，未发现设备存在问题；通过对卫通入站信号载噪比与天线姿态角度对应关系分析，怀疑问题与卫通天线周边环境相关。为了验证此结论，设计了以下试验：

（1）调整该站卫通入站链路，对数据入站率情况进行比对。由于该站卫通天线对G-1星观测仰角较低，约在16.8～19.2°之间，因此调整该站卫通天线对G-3星工作，仰角约为37.8～40.6°之间。调整链路之前，卫通链路信号入站载噪比数据入站率低至5%左右，调整链路之后，入站率稳定在约85%左右；调整前主控站接收该站入站信号电平值最大约为49dBm，调整后约为55dBm（该站本地发射链路参数配置相同）。

（2）对该站本地数据进行分析。通过分析，发现数据呈现以下特点：

① 每日数据分析发现，卫通天线程序跟踪状态下，天线接收信号电平值与天线对卫星的俯仰角度值存在对应关系：俯仰角越低，天线接收电平值越低。

如图1，图2所示，分别是对G-1，G-3星工作时，天线俯仰角度值、天线接收信号电平在24小时之内的变化。从图中可以看出，当俯仰角变化趋势发生改变时，天线接收信号电平对应其趋势出现变化；仰角越低，天线接收信号电平值越低。

图1 卫通天线接收G1卫星信号电平变化图

③ 结论及建议

该站卫通天线周边树木对卫通链路工作存在遮挡情况。卫通天线对应G-1，G-3星工作，均不同程度受到周边树木遮挡影响。且随着树木的自然生长，遮挡现象将逐渐严重，对卫通链路工作的影响逐年增大。

3.2 实例2

下面是内蒙古无线电信号因素影响事例：2009年，内蒙古某地区出现“北斗”实验系统用户机工作异常情况，经测试发现存在下行S频段干扰，经排查确定干扰源为该地区广播电视剧农村电视网络全向发射天线由于64MHz带宽不足以传输8路信号，故违反国家频率划分规定将使用频段下移进入“北斗”实验系统卫星下行S频段内，从而对“北斗”用户终端造成严重干扰。

4 结束语

图2 卫通天线接收G3卫星信号电平变化图

② 对2010年、2011年整年数据情况进行分析（此时间段内卫通天线对应G-1星工作），发现天线接收电平值在秋冬季节高于春夏季节约3dB左右；且呈逐年恶化趋势。

图3 卫通天线接收G1卫星信号电平年度变化图

监测站是北斗地面运控系统关键部分之一，广泛分布在北斗卫星导航系统的覆盖区域内，实时观测视场内所有导航卫星下行导航信号，获取伪距、载波相位、导航电文等测量信息，为北斗二号星导航系统精密定轨、电离层修正、差分完好性和时间同步等业务处理提供原始测量数据，监测站良好的观测数据质量和稳定可靠的运行状态是北斗卫星导航系统业务处理精度的保障。

本文从视场因素、电磁干扰因素、多路径干扰因素和环境因素四个方面对影响监测站点位选择需要考虑的因素进行了深入、详细分析，并制定了包括机房结构设计、屋顶天线基座、卫通天线基座、原子钟房、防电涌和防雷系统等诸方面在内的可操作的建设规范，最大限度了保证了监测站原始观测数据质量，为北斗系统正常的业务运行提供了保障。■

[1] 黄俊华，陈文森．连续运行卫星地位综合服务系统建设与应用．北京：科学教育出版社，2009

[2] 冯晓超，吴晓莉．基于GNSS监测站天线场区环境改造的多径抑制技术．［J］．中国卫星导航年会，2012，2：118～121

[3] 马煦，谢欣．导航系统监测站综合防雷系统设计．［J］电磁安全与防护，2011，4：15～17

[4] 田振光，马煦.GPS多路经特性分析及处理技术．［J］数字通信世界，2011，2：53～56

[5] 温日红，申杰敏．“北斗”卫星导航频率保护现状及对策．［J］电讯技术，2013，3：418～422