民用航空测距信号对北斗导航信号的干扰研究

张爱勇

【摘 要】北斗卫星导航定位系统不可避免地受到各种无线电设备的干扰，其中民用航空测距信号对北斗导航信号的干扰成为北斗应用推广中的一大问题。分析了北斗卫星导航信号和民用航空测距信号对频率资源的使用情况和信号特点，提供了适用于民用航空测距信号的脉冲干扰计算模型和干扰效果评估方法，为北斗导航信号的干扰评估和频率保护提供参考。

【关键词】北斗导航 航空测距信号 DME 脉冲干扰 干扰计算

中图分类号：TN927 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）09-0081-04

1 引言

卫星导航系统的主要功能是实现定位、测速和授时，近年来，北斗卫星导航系统作为国家战略得到了突飞猛进的发展，无论是在军用领域还是在民用领域都有了广泛的应用。但是在不断推广和应用的过程中，一些问题也变得越来越突出，特别突出在北斗系统与其他系统之间的兼容问题。一方面卫星导航信号到达地面时的信号很弱，极易受到电磁信号的干扰[1-4]。另一方面北斗卫星导航系统B1、B2和B3频点所处的频段内除卫星导航无线电业务外还有无线电测定、通信等多种业务，即使不考虑军用设备的有意干扰，在民用领域存在的大量信号发射设备，例如广播电视发射台、微波传输设备、民用航空测距设备等，在不进行有效规划的情况下，都会对北斗接收机产生严重的影响[5-7]。

对北斗导航信号的干扰可以分为连续干扰和脉冲干扰，目前在对卫星导航系统与其他系统的兼容性研究方面，国外GPS等系统作了大量研究，但随着卫星导航系统的发展和地面无线电信号种类的增多，导航接收机干扰效果的评估理论还处在研究发展阶段，特别是对脉冲干扰的评估方法还需要进行更多深入研究。在产生脉冲干扰的系统中，典型的应用场景是民用航空无线电导航系统测距仪（DME，Distance Measuring Equipment）。民用航空测距信号的干扰大量存在且不可避免，这种脉冲可能会导致北斗导航接收机的跟踪和解码失败。因此本文针对民用航空测距信号对北斗导航信号的干扰进行了分析，可为今后制定相应的北斗接收机频率保护标准提供参考。

2 北斗卫星导航信号的信号特征

近年来我国的北斗卫星导航系统在其国际化发展方面取得了积极进展，越来越多的国际组织开始接纳北斗接收机作为定位业务设备。例如2014年6月，国际海事组织导航、通信与搜救分委员会第一次会议顺利通过了对北斗系统性能的技术审议，基本认可北斗系统作为世界无线电导航系统的组成部分。北斗系统的国际化工作正如火如荼地开展，其中一个重要的问题就是实施对北斗接收机的频率保护[9-11]。

在卫星导航系统接收机的干扰保护方面，各国无线电频谱管理机构及国际化组织已经针对GPS、Galileo、GLONASS等系统进行了大量的研究，开发了针对上述系统各类型导航接收机的干扰评估方法和对接收机的干扰保护方案。对接收机干扰效果评估的一般方法是计算干扰信号产生的干信比或等效信噪比，再根据接收机性能计算接收机正常工作、受到容许干扰、受到有害干扰等不同情况下的干扰保护标准。其中，计算干扰信号的等效信噪比或干信比是评估方法的基础，而这个指标的计算方法随着干扰信号的形式、接收机类型、接收机对信号的处理方式的不同而不同。目前国内对北斗导航接收机的频率保护还很薄弱，没有完善的针对北斗系统频谱资源的管理方案，也没有相应的射频干扰分析评估系统。为实现对北斗接收机受干扰情况的正确评估，首先研究北斗信号的信号特点，表1和表2分别是北斗卫星导航系统在区域和全球两个服务阶段的信号体制：

为保证北斗导航系统与其他导航系统的兼容性，B1-C（1575.42 MHz），B2a（1176.45 MHz）和B2b（1207.14 MHz）为三个互操作信号。考察北斗B2信号，信号经过AltBOC（15， 10）调制方式调制，产生的分裂谱包括上边带和下边带，B2a为低端的边带，其中心频率为1176.45 MHz，与GPS系统的L5信号和Galileo的E5a信号实现频率兼容，有利于互操作的实现[8]。但是该频段附近也有很多产生干扰的系统和设备，例如工作在960—1215 MHz的民用航空测距系统，它产生典型的脉冲信号，会对北斗接收机产生影响，需要对该类信号与北斗接收机间的兼容性进行评估分析。

3 民用航空测距信号的信号特征

作为被国际民航组织批准的标准测距系统，测距仪在民用航空领域得到广泛使用。民用航空测距信号是一种脉冲信号，其频段与卫星导航系统的部分频段重叠，会对导航信号产生不同程度的干扰，为了判定干扰的程度，从信号特征入手研究脉冲信号的干扰评估方法。DME波道频率如图1所示。

民用航空测距系统发射的信号为脉冲形式。系统中包括机载的询问器和地面信标应答机。在航空系统中，询问器发射一种随机化的低速脉冲对序列，脉冲之间的间隔固定。从工作频率方面来说，民用航空测距信号的频率范围在962—1213 MHz之间，每隔1 MHz有一个波道，在该频率范围内一共划分了252个波道。从频段带宽使用方面来看，如图1所示为DME设备波道的频率占用情况，1025—1150 MHz的频段作为询问频率，962—1025 MHz和1150—1213 MHz频段作为应答频率。当DME询问信号在X波段64-126信道时，地面应答信号的频率在1151—1213 MHz，落在北斗信号的频率范围内（北斗B2a信号，中心频率1176.45 MHz），对北斗信号产生干扰，并且干扰主要来源于工作在X-mod的地面DME应答设备。民用航空测距信号可用（1）式表示：

其中Ppk是峰值电平。一般来说典型的测距系统的高斯脉冲波形按照50%峰值电平来计算有3.5μs的宽度，则上述函数中脉冲波形衰减因子α的取值为4.51×1011。

对于低于消隐器门限的脉冲来说，定义等效的矩形脉冲宽度PWeq：

在（2）式中代入p（t）高斯脉冲函数式可以得到等效的矩形脉冲宽度为PWeq=2.64μs；对于高于消隐器门限的强脉冲来说，如果接收到的脉冲峰值功率为PREC，消隐器门限值为PTHR，则有：

设消除的脉冲宽度为x，由（3）式解得t并带入x=2t得到高于消隐器门限的脉冲宽度：

4 航空测距信号对北斗导航信号的干扰评估方法

民用航空测距信号落入北斗信号带内，对其产生干扰，如图2所示为接收机带内噪声-97 dBm、距离地面122 km的某地DME信号强度图：

在实际应用中，北斗导航系统接收机有不同的抗干扰措施，因此，需要根据北斗信号类型、接收机类型和干扰信号类型，制定不同的干扰效果评估方法。假设接收机对付脉冲干扰和噪声的主要手段是脉冲屏蔽器，则该屏蔽器的功能是在噪声及干扰的能量低于某一门限时，让信号与噪声通过；而当超过门限时，则切断信号通道，使其不能进入相关器。因此当脉冲超过门限时会造成无卫星信号的情况，分析由此引起的载噪比恶化，进而可以得到等效噪声功率谱密度[12]，如式（5）所示：

利用上述民用航空测距信号的特点和表达式得到脉冲宽度以及脉冲重复周期，可以确定测距系统的脉冲参数PDCi。

PDCi=（PWEFF，i+τr）PRFi （7）

PRFi为脉冲频率，τr为RNSS接收机过载恢复时间，PWEFF，i是有效的接收脉冲宽度。使用该干扰信号功率谱密度计算方法可以得到测距系统对卫星导航接收机的干扰水平。进而可以对某一区域的DME干扰环境进行分析，得到由民用航空测距信号引起的北斗接收机的载噪比恶化情况，如图3所示：

5 结束语

本文对民用航空测距信号和北斗导航系统的兼容性进行研究，针对接收机的受干扰程度提出了相应的脉冲干扰评估方法。在北斗卫星导航系统的发展过程中，导航信号与其他无线点信号的兼容性和互操作性是一个需要持续关注的主要问题，需要逐步完善修正干扰评估方法，逐步建立干扰评估模型，并进一步研究干扰抑制和频率保护的方法，为卫星导航系统的良好应用提供技术支撑保障。

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