全球卫星导航系统兼容性评估方法研究

张建军 薛明

(1 中国空间技术研究院，北京 100094) (2 钱学森空间技术实验室，北京 100094)



全球卫星导航系统兼容性评估方法研究

张建军1,2薛明1,2

(1 中国空间技术研究院，北京 100094) (2 钱学森空间技术实验室，北京 100094)

目前，卫星导航系统兼容性评估方法主要是计算机仿真验证，难以复制真正的导航系统运行条件，改变任何一个参数都需要重新进行仿真，计算量和分析量很大，并存在较大误差。文章以卫星导航接收机为落脚点研究导航信号的兼容性。首先，根据干扰信号对全球导航卫星系统接收机捕获、载波跟踪、数据解调等的影响，推导了即时相关器输出的信号功率对噪声功率加干扰功率之比的模型，建立了基于频谱隔离系数的等效载噪比模型，利用相对较简单的等式就获得了干扰的一级评估；其次，具体分析了GPS C/A码自干扰时导航信号到达地面的功率、天线增益，以及星座功率增益等参数；最后，给出GPS C/A码自干扰时等效载噪比衰减的测试结果，在信号捕获时，多普勒频移为kHz的整数倍C/A码自干扰对所需GPS C/A码的等效载噪比衰减程度最大，达到9.6 dBHz。该方法可以为中国新一代卫星导航系统信号设计提供参考。

全球卫星导航系统；兼容性；相关器；评估；等效载噪比；频谱隔离系数

1 引言

随着卫星导航技术的发展及其应用领域的不断扩大，世界上众多国家纷纷加紧建设独立自主的卫星导航系统。美国正在实施全球全球定位系统(GPS)现代化计划，俄罗斯加紧恢复格洛纳斯系统(GLONASS)全面性能，欧盟正在建设伽利略系统(GALILEO)，中国正在加紧建设北斗卫星导航系统(COMPASS)。此外，日本、印度，以及巴西也有计划建设区域性的卫星导航系统。卫星导航系统正逐渐呈现出一种多极竞争与优势互补的崭新局面。随着卫星导航系统的增加，卫星导航频率频谱十分拥挤，卫星导航信号相互之间的干扰不可避免，评估卫星导航信号的兼容性能非常关键[1-3]。

卫星导航信号的兼容性评估方法一般有四类：信号互干扰评估技术、计算机模拟仿真验证、实物模拟仿真验证和试验卫星验证。信号互干扰评估技术是利用导航信号特性及码/载波跟踪理论对实际系统中采用某一种信号体制能达到的性能进行评估的方法。计算机模拟仿真验证是用计算机模拟卫星导航信号产生、接收和处理过程，从而对系统性能进行评估的方法[4-5]。实物模拟仿真是在室内用信号发生模拟器和接收机来模拟卫星导航信号产生、接收和处理过程，从而评估系统性能的方法。试验卫星验证是通过发射试验卫星，由试验卫星广播导航信号，在地面用实际接收机来接收处理导航信号，从而验证系统性能的方法。这四种评估手段中，后期的验证手段可信度更高，但验证周期也越长，代价也非常高昂，在未确定最终信号体制之前，无法设计实物的信号模拟器和相应的接收机，更不可能发射试验卫星，信号体制的修改都将会带来硬件上较大的变动，修改设计所需的周期比较长，代价也非常昂贵。

本文根据全球卫星导航系统信号捕获的基本原理，针对卫星导航信号的互干扰问题，按照信号互干扰评估技术建立了评估信号兼容性的等效载噪比模型和基于频谱隔离系数的等效载噪比模型，分析GPS C/A码自干扰时导航信号到达地面的参数，给出GPS C/A码自干扰时等效载噪比衰减的测试结果，为新一代全球导航卫星系统(GNSS)导航信号体制设计提供依据。

2 等效载噪比模型分析

根据GNSS接收机的工作原理，信号捕获、载波跟踪和数据解调的性能依赖于接收机中即时支路，用即时相关器输出的信号功率对噪声功率加干扰功率之比(SNIR)来评价，当接收机外部干扰为具有统计自相似性的平稳过程，即时相关器输出的 SNIR 定义为相关器输出的期望的平方除以方差，表示成载噪比、传输函数、所需信号与干扰信号功率谱密度的函数[4]：

图1 基于SNIR等效载噪比示意Fig.1 Principle of equivalence for the effect of the SNIR

当干扰信号为接收机的热噪声时，接收机相关器输出的载噪比(Cs/N0)为

将式(1)代入式(2)得：

其中，定义捕获-频谱隔离系数

可以看到捕获-频谱隔离系数κlS依赖于所期望信号的谱和干扰的谱，如果两个导航信号之间的谱峰相互重叠，它们之间的捕获频谱隔离系数就越大，等效载噪比的衰减就会愈明显，相互之间的干扰就越强。

3 GPS系统等效载噪比分析

3.1 等效载噪比的计算

在GNSS接收机中，不同类型的干扰信号等效载噪比的计算表示为

式中IGNSS为干扰信号的等效白噪声功率谱密度。

GNSS接收机在处理信号时，由于在滤波、模数转换等过程中，所需信号和白噪声都会有损失，为了准确分析GNSS信号间和信号内干扰，在分析等效载噪比时，对这些干扰都予以考虑[8-10]，则式(5)变为

式中Ls为所需信号在接收机处理时的损失增益；Ln为噪声在接收机处理时的损失增益。

式(6)为分析评估GNSS信号间和信号内干扰的基本表达式，为了分析方便，在载噪比的表示过程中，计算单位的表达形式用分贝(dB)表达，则式(6)为

式中Ls为所需信号在接收机处理时的损失增益；Ln为噪声在接收机处理时的损失增益;N0为白噪声。上述这些值在GNSS系统中都为常量，而Cs和IGNSS为变量，依靠所分析的GNSS系统是GPS、GALILEO、GLONASS和COMPASS的不同而定。

3.2GNSS接收机接收卫星信号功率的分析

(1)GPS卫星信号到达地面的功率

以GPS为例，分析GPS系统内干扰对所需信号的载噪比衰减程度，特对所需信号的功率和接收天线增益取最小值，而对干扰信号的功率和接收天线增益取最大值。则所需信号的功率为

式中Csm为所需信号到达地面的最小信号功率；Gam为接收天线的最小增益。

在表1中给出了当前GNSS系统发射的信号到达地面的最大和最小功率，可知，GPSC/A码到达地面的最小功率为-158.5dBW。

表1 GNSS接收信号功率

(2)GPS接收机天线增益

GPS天线应当具有较宽的空间角，以便接收尽可能多的卫星信号，一般接收机能够接收仰角高于地平线5°以上的所有卫星的信号；仰角小于5°时，因误差过大，GPS接收机通常不能对该卫星进行跟踪。

所选用的用户天线为L1机载微带天线，假设天线工作在顶点方向，在仰角5°时天线增益为-4.5dBic。

(3)GNSS星座总计功率增益的分析

对于干扰信号的功率，依据表2，GALILEOE1波段干扰信号的最大功率为-154dBW[11-13]。GNSS星座的总计增益由信号功率、空间损失和用户天线增益决定，GNSS星座的总计功率增益如表2所示。

表2 GNSS星座的总计功率增益

(4)等效噪声功率的计算

在GPS信号接收过程中，RF干扰可能来自系统内，也可能来自系统间，因此，等效噪声功率的计算需考虑各种的干扰形式。根据式(4)和式(7)，在捕获状态干扰信号的等效噪声功率表示为

式(9)变为

对于GNSS星座干扰信号功率，由式(8)：

式中Ck,max,sat为卫星干扰信号的最大功率；Gagg为接收天线增益。

式(10)变为

3.3 等效载噪比衰减的计算

(1)热噪声时等效载噪比的计算

根据表1，设定接收天线增益和所需信号的功率为最小值，即接收天线增益Gant,min为-4.5dB，Cs为-158.5dBW，信号在接收机处理时的损失增益Ls为-2dB，热噪声在接收机处理时的损失增益为0dB，GPS热噪声功率谱密度为-201.5dBW/Hz，则GPS接收机热噪声时的等效载噪比为

dBHz

(2)GPSC/A码的自干扰等效载噪比的计算

对于GPSC/A码之间的自干扰计算等效载噪比：

1)计算GPSC/A码的自干扰等效噪声功率密度。设定干扰信号的功率和接收天线增益为最大，则CCMS为-153dBW，接收天线增益Gagg为12dB，干扰信号在接收机处理时的损失增益LC/A为-1dB，在捕获状态时GPSC/A码的频谱隔离系数存在变化，取它的最大值。多普勒频移的不同对频谱隔离系数的计算存在影响，在多普勒频移最大为-61.9dB/Hz，此时等效噪声密度为

IGPS=CC/A+Gagg+LC/A+κC/A=-192 dB

2)捕获阶段，考虑多普勒频移对频谱隔离系数影响时的等效载噪比为

dBHz

(3)GPSC/A码的自干扰等效载噪比衰减计算

根据前面对热噪声时等效载噪比和GPSC/A码的自干扰等效载噪比的计算，计算GPS接收机系统内C/A码自干扰的等效载噪比衰减程度，考虑多普勒频移对GPS接收机系统内C/A码自干扰的等效载噪比衰减为

dBHz

由上述计算分析可知，在捕获阶段，在多普勒频移为1 000Hz的整数倍数时对等效载噪比的衰减最大。

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张建军 1979年生，2010年获中科院光电研究院计算机应用技术专业博士学位，高级工程师。研究方向为先进卫星导航系统兼容与互操作技术，基于认知技术先进空间信息系统。

(编辑：车晓玲)

Research on Performance Analysis Method of Global Satellite Navigation System Signal

ZHANG Jianjun1,2XUE Ming1,2

(1 China Academy of Space Technology，Beijing 100094) (2 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094)

So far, computer simulation is the main evaluation method for the compatibility performance of the satellite navigation signals. The modeling was used to simulate the measuring condition and step，but it is impossible to reproduce the operating condition of the real navigation system. Any parameter change will lead to the re-simulation，a very large amount of computation and analysis，and large errors. Based on the satellite navigation receiver，the compatibility of the navigation signal was studied. Firstly, the model was deduced by the ratio of the output signal power of instant corrugator to the sum of the noise power and the interference power，according to the effect of the interference signal on GNSS receiver capture，carrier tracking and data conditioning. To obtain the optimal assessment of the inference，the equivalent carrier to noise ratio model was established by a relatively simple formula，based on a spectral isolation factor. Secondly，the power，the antenna gain and the constellation power gain of the navigation signals were analyzed concretely when signal arrived at the ground as the GPS C/A code self-disturbed. Finally，the attenuation testing result of the equivalent carrier to noise ratio was shown when the GPS C/A code self-disturbed. It provides reference for the signal design of the new satellite navigation system.

Global satellite navigation system；Compatibility；Assessment；Equivalent CNR；Spectrum separation coefficient

2015-01-30。收修改稿日期：2015-06-01

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.04.002