S频段导航信号全球应用兼容性设计

金国平，王立果，冯晓超，范建军

1.北京卫星导航中心，北京，100094；2.内蒙古军区自动化工作站，内蒙古 呼和浩特，010051



S频段导航信号全球应用兼容性设计

金国平1，王立果2，冯晓超1，范建军1

1.北京卫星导航中心，北京，100094；2.内蒙古军区自动化工作站，内蒙古 呼和浩特，010051

针对L频段(1164-1610MHz)内卫星导航信号过于拥挤的现状和S频段(2483.5-2500MHz)用于未来RNSS的事实，本文从兼容性角度开展全球S频段RNSS信号设计，研究了与RDSS、IRNSS在单重、双重、三重覆盖下的兼容性能，分析了三种业务信号在捕获阶段和跟踪阶段的载噪比损失以及全球S频段RNSS信号的跟踪误差变化。在信号带宽限定的前提下，对多种可选调制方式的兼容性能进行了对比分析，提出接收功率为-156dBW的BPSK(8)是全球S频段RNSS信号较为理想的选择。

RNSS； IRNSS； RDSS； S频段； 兼容性

1　概　述

目前，全世界已建、在建以及待建的卫星导航系统主要包括GPS、Galileo、GLONASS、Compass等四大全球系统和日本QZSS、印度IRNSS等两大区域系统，这些系统的大量导航信号都集中在L频段(1164-1610MHz)，频谱已经极其拥挤。

为此，国际上已经在开始寻找新的导航频段。文献[1]和[2]提出将C频段用于卫星导航，探讨了未来的服务和应用、载荷设计和端到端性能，开展了信号、导航信息、用户装备和星座等一系列关键技术研究。此外，文献[3]探讨了S频段RDSS业务全球扩展的可行性；欧盟已向国际电联提出以全球为服务区的S频段(2483.5-2500MHz)RDSS申请，计划在L频段之外扩展一个S频段下行RNSS信号；文献[4]和[5]表明，印度IRNSS系统已在该频段设计了两种下行RNSS信号，分别用于标准服务(SPS，Standard Positioning Service)和授权服务(RS，Restricted Service)，面向印度本土及周边地区服务。2014年1～2月于瑞士日内瓦召开的世界无线电通信大会(WRC-12)上，已经审议通过S频段用于RNSS扩展应用的申请，为在S频段上设计开发新的RNSS信号提供了国际合法性依据。

文献[6～8]研究了S频段RNSS导航信号与全球星系统(Globalstar)的兼容性问题，在多种调制方式下，S频段RNSS导航信号与全球星系统信号满足兼容性要求。此外，全球星系统信号使用左旋圆极化(LHCP，Left Hand Circular Polarization)[9]，而所有导航信号均使用右旋圆极化(RHCP，Right Hand Circular Polarization)，只有在强反射情况下，才有可能对S频段RNSS信号形成干扰，进一步降低了全球星系统干扰S频段RNSS信号的可能性。

在S频段内，除未来的全球RNSS信号，实际还有Compass的RDSS信号[10]和IRNSS的区域RNSS信号，这些信号极化方式相同，目前没有文献分析三者的兼容性问题。文献[6～8]采用传统兼容性分析方法，只能反映对捕获、载波跟踪和数据解调的影响，但不能反映对码环跟踪的影响。文献[11～13]均指出，码环捕获阶段和跟踪阶段下的系统兼容性分析方法及结果是有所区别的。

本文将研究全球卫星导航系统与IRNSS系统、RDSS系统之间的兼容性问题，分析S频段RNSS信号(以下简称S-RNSS信号)与RDSS信号(以下简称S-RDSS信号)、IRNSS的S频段RNSS信号(以下简称S-IRNSS)之间的相互干扰，提出适用于S-RNSS的调制方式及信号功率电平。

2　兼容性分析方法

不考虑无意干扰和有意干扰，导航信号的干扰主要来自两个方面：一是本系统其他卫星播发的同频信号，此为系统自干扰；二是其他系统播发的同频信号，此为系统互干扰。信号兼容性既要考虑来自本系统其他信号的干扰，也要考虑对其他系统的干扰，可以用受干扰程度来表示。根据文献[12]和[13]，受干扰程度可以用干扰前后载噪比损失(dB)来衡量：

ΔCNRdB=[CNReq]-[CNRJ_eq]

(1)

式中，[·]表示取dB；CNReq为干扰前载噪比；CNRJ_eq为干扰后等效载噪比。由于干扰前后的目标信号功率并未改变，所有干扰都可以折算到等效白噪声功率谱密度，因此载噪比损失等价于干扰前后等效白噪声功率谱密度(dB)之差：

ΔCNRdB=[N0_Jeq]-[N0_eq]

(2)

式中，N0_eq为干扰前等效白噪声功率谱密度；N0_Jeq为干扰后等效白噪声功率谱密度，由干扰信号数量、功率以及信号的频谱隔离系数决定。

2.1频谱隔离系数

频谱隔离系数是指目标信号与干扰信号之间的频谱分离系数，描述目标信号和干扰信号的频谱分离程度，间接地反映信号间的兼容性。隔离系数越小，信号兼容性越好，单位为1/Hz。

根据文献[13]，频谱隔离系数可分码环的捕获阶段和跟踪阶段。捕获阶段的频谱隔离系数定义为：

(3)

跟踪阶段的频谱隔离系数定义为：

(4)

式中，Gs(f)为无限带宽上目标信号的归一化功率谱密度函数；Gj(f)为无限带宽上干扰信号的归一化功率谱密度函数；d为码环的超前滞后相关器间隔，单位为码片；Br为目标信号带宽。

2.2系统干扰分析方法

系统干扰可分为系统自干扰和系统互干扰两种。系统自干扰是指目标信号受来自本系统其他同频信号的干扰，系统互干扰可表述为目标信号与其他系统同频信号的相互干扰。系统干扰后的等效白噪声功率谱密度为

N0_eq=N0+Ixx+Ixy

(5)

(6)

(7)

式中，N0为干扰前等效白噪声；Ixx为系统内干扰等效白噪声功率谱密度；Ixy为受其他系统干扰的等效白噪声功率谱密度；κxx为系统内同信号的频谱隔离系数；κxyi为与其他系统同频信号的频谱隔离系数；Pxi和Pyi分别为本系统同信号和其他系统同频信号的接收功率。对于导航系统，可认为不同卫星同一信号到达地面的接收功率相等，因此，Iintra可用集总因子来描述：

Iintra=κxxGaggPx

(8)

式中，Gagg为集总因子；Px为信号接收功率。

仅考虑自干扰时，载噪比损失即为

ΔCNRdB=[N0+Iintra]-[N0]

(9)

考虑互干扰时，载噪比损失即为

ΔCNRdB=[N0+Iintra+inter]-[N0+Iintra]

(10)

3　S-RNSS信号的兼容性分析

S-RDSS和S-IRNSS均只面向本土及周边地区服务，两服务区不重合但有所重叠，而S-RNSS是面向全球服务。三者在服务区的覆盖上存在四种情况：仅S-RNSS单重服务，S-RNSS与S-RDSS的双重服务，S-RNSS与S-IRNSS的双重服务，S-RNSS、S-RDSS和S-IRNSS的三重服务。由此，三者间的兼容分析存在四种情况：S-RNSS自干扰，S-RNSS与S-RDSS的兼容，S-RNSS与S-IRNSS的兼容，S-RNSS、S-RDSS和S-IRNSS的兼容。S-RDSS和S-IRNSS对S-RNSS的兼容性仅在第四种情况分析，中间两种仅分析S-RNSS对S-RDSS和S-IRNSS的兼容性。

3.1参数确定

1)假设以1.023MHz为基准频率，考虑频带上下平衡，S-RNSS信号的中心频率选择为2492.028MHz。由于中心频率距离2500MHz只有7.97MHz，因此带宽按16MHz计算。

2)S-RDSS信号考虑两重覆盖，中心频率、调制方式、码速率、带宽及用户接收功率等具体参数参见文献[10]。

3)S-IRNSS信号的中心频率、调制方式、码速率、带宽及用户接收功率等具体参数参见文献[14]。

4)MEO卫星星座功率集总因子按最大13dB计算，该结果参考了文献[15]，并作适量调整。

5)假设接收机热噪声功率谱密度No为201.5dBW/Hz，三类信号码环相干间隔d均为1。

6)为最大化利用16.5MHz的带宽，体现分析的充分性，本文分析主要基于BPSK(8)、BOC(7,1)、BOC(6,2)、BOC(5,2)、BOC(5,1)、BOC(4,4)、BOC(4,2)、BOC(4,1)、BOC(3,3)等多种调制方式。

3.2S-RNSS自干扰分析

根据第2节，S-RNSS自干扰载噪比损失为

ΔCNRdB_RNRN=[N0+IRNRN]-[N0]

(11)

根据以上公式，可以计算出S-RNSS信号自干扰引起的载噪比损失，图1描述了捕获阶段和跟踪阶段S-RNSS信号自干扰下的载噪比损失与接收信号功率的关系。捕获阶段和跟踪阶段下，BOC(7,1)、BOC(5,1)和BOC(4,1)的载噪比损失相当，随功率的增强，损失增速最快，且均大于其他调制方式，这是由于功率在频谱域过于集中所致。其他调制方式在低接收信号低时的自干扰载噪比损失差别很小，其中BPSK(8)的载噪比损失最小。接收功率为-156dBW时，BPSK(8)在捕获阶段损失载噪比约为0.22dB，跟踪阶段不超过0.15dB，而BOC(7,1)与此也仅相差0.5dB左右。

(a)捕获阶段　　　　　(b)跟踪阶段 图1　自干扰下S-RNSS信号载噪比损失与接收功率关系

图2是自干扰条件下S-RNSS跟踪误差。虽然BOC(7,1)载噪比损失最大，但由于高频分量最多，其跟踪误差最低；而BPSK(8)的载波损失虽然较小，但由于频谱集中，跟踪误差相对较大，但差距非常小，接收功率为-156dBW时，跟踪误差仅大5mm。

图2　自干扰下S-RNSS信号跟踪误差与接收功率关系

3.3S-RDSS与S-RNSS的兼容分析

仅分析S-RNSS对S-RDSS的兼容性。

在S-RDSS自干扰条件下，S-RNSS引起的S-RDSS载噪比损失为

ΔCNRdB_RDRN=[N0+IRDRD+IRDRD]-[N0+IRDRD]

(12)

图3描述了S-RNSS引起的S-RDSS在捕获阶段和跟踪阶段的载噪比损失。BPSK(8)引起的载噪比损失最大，并随功率增加而明显增加，这是因为其频谱完全包含了S-RDSS信号频谱。由于与S-RDSS重叠频谱少，BOC(7,1)、BOC(6,2)、BOC(5,2)、BOC(5,1)引入的载噪比损失最小，且功率增加引起的变化不大。在S-RNSS接收功率为-156dBW时，BPSK(8)引入的损失在0.2dB左右，BOC(7,1)引入的损失接近零。

(a)捕获阶段　　　　　　　　　　　　　　(b)跟踪阶段 图3　S-RDSS信号载噪比损失与S-RNSS接收功率关系

3.4S-IRNSS与S-RNSS的兼容分析

仅分析S-RNSS对S-IRNSS的兼容性，分标准服务信号和授权服务信号。

在S-IRNSS自干扰条件下，S-RNSS引起的S-IRNSS标准服务信号的载噪比损失为

ΔCNRdB_IRNSPSRN=[N0+IIRNSPSIRN+IIRNSPSRN]-[N0+IIRNSPSIRN]

(13)

S-IRNSS授权服务信号的载噪比损失为

ΔCNRdB_IRNRSRN=[N0+IIRNRSIRN+IIRNRSRN]-[N0+IIRNRSIRN]

(14)

其中，IIRNSPSIRN和IIRNRSIRN分别为

(15)

(16)

图4和图5分别给出了S-IRNSS两种服务信号在捕获阶段和跟踪阶段受S-RNSS干扰导致的载噪比损失。S-IRNSS标准服务信号在捕获阶段受BPSK(8)的影响要大于其他调制方式，S-RNSS接收功率为-156dBW时，损失差距可缩小到0.2dB左右；在跟踪阶段，各种调制方式的区别并不明显，接收功率为-156dBW时可认为没有差别。S-IRNSS授权服务信号在捕获阶段和跟踪阶段，均以BOC(5,1)对其影响最大，这是因为该调制方式与其频谱重叠最多，接收功率-156dBW时的损失约0.4dB，虽然BOC(7,1)的影响最低，但BPSK(8)与其基本相当，-156dBW时损失差别不超过0.06dB，可忽略。

(a)捕获阶段　　　　　　　　　　(b)跟踪阶段 图4　S-IRNSS标准服务信号的载噪比损失与S-RNSS接收功率关系

(a)捕获阶段　　　　　　　　　　(b)跟踪阶段 图5　S-IRNSS授权服务信号的载噪比损失与S-RNSS接收功率关系

3.5S-RDSS、S-IRNSS和S-RNSS的兼容分析

3.5.1S-RNSS的综合干扰分析

综合干扰下，S-RNSS信号的载噪比损失为

ΔCNRdB_RNRDIRN=[N0+IRNRN+IRNRD+IRNIRN]-[N0]

(17)

图6描述了综合干扰下S-RNSS在捕获阶段和跟踪阶段的载噪比损失。接收功率较大时，载噪比损失的趋势和幅度与自干扰时基本一致，这是因为自干扰是大功率时载噪比损失的主因，而低功率时的主因则变成了互干扰。接收功率-156dBW时，捕获阶段损失主要集中在0.5dB到1dB，BPSK(8)的损失为0.8dB，比最低的BOC(6,2)仅多0.3dB；跟踪阶段，BPSK(8)的损失最小，与BOC(7,1)相差很小，比最大的BOC(5,1)也仅低0.5dB。图7是综合干扰下的S-RNSS跟踪误差，与自干扰时基本相同，说明S-RDSS和S-IRNSS对S-RNSS的影响很小。

(a)捕获阶段 (b)跟踪阶段 图6　综合干扰下S-RNSS信号载噪比损失与接收功率关系

图7　综合干扰下S-RNSS信号跟踪误差与接收功率关系

3.5.2S-RDSS的综合干扰分析

综合干扰下，由S-RNSS引起的S-RDSS载噪比损失为

ΔCNRdB_RDRNIRN=[N0+IRDRD+IRDRN+IRDIRN]-[N0+IRDRD+IRDIRN]

(18)

其中，IRDIRN也包括两部分

(19)

图8描述了综合干扰下S-RDSS在捕获阶段和跟踪阶段的载噪比损失。与3.3节的规律和幅度基本相同，以BPSK(8)和BOC(3,3)引入的载噪比损失最大，BOC(7,1)、BOC(6,2)和BOC(5,1)最低，S-RNSS接收功率为-156dBW时，BPSK(8)引入最大损失为0.2dB，而BOC(7,1)引入的损失接近零。

(a)捕获阶段　　　　　　　　　　　　(b)跟踪阶段 图8　综合干扰下S-RDSS信号载噪比损失与S-RNSS接收功率关系

3.6S-IRNSS信号的综合干扰分析

综合干扰下，由S-RNSS引起的S-IRNSS载噪比损失可表示为

ΔCNRdB_IRNSPSRNRD=[N0+IIRNSPSIRN+IIRNSPSRD+IIRNSPSRN]-[N0+IIRNSPSIRN+IIRNSPSRD]

(20)

ΔCNRdB_IRNRSRNRD=[N0+IIRNRSIRN+IIRNRSRD+IIRNRSRN]-[N0+IIRNRSIRN+IIRNRSRD]

(21)

图9和图10分别描述了综合干扰下S-IRNSS标准服务信号和授权服务信号的载噪比损失。与3.4节相比，综合干扰下由S-RNSS引入的

S-IRNSS标准服务信号的载噪比损失规律与无S-RDSS时一致，幅度也基本相同，S-IRNSS授权信号的载噪比损失基本只与S-RNSS相关，因为其频谱与S-RDSS频谱重叠很少。

(a)捕获阶段　　　　　　　　　　(b)跟踪阶段 图9　综合干扰下S-IRNSS标准服务信号载噪比损失与S-RNSS接收功率关系

(a)捕获阶段　　　　　　　　　　　(b)跟踪阶段 图10　综合干扰下S-IRNSS授权服务信号载噪比损失与S-RNSS接收功率关系

3.7综合分析

在双重服务时，S-RNSS不同调制方式所引入的S-RDSS载噪比损失有所区别，BOC(7,1)、BOC(6,2)、BOC(5,2)、BOC(5,1)引入的损失可忽略不计，而BPSK(8)的影响最大，但接收功率在-156dBW以下时的差别缩小至0.2dB以内；各调制方式所引入的S-IRNSS标准服务信号载噪比损失差别较小，捕获阶段以BPSK(8)的影响最大，以BOC(7,1)为最小，但接收功率在-156dBW以下时的差别也可缩小至0.2dB以内，而跟踪阶段的差别基本可忽略不计；各调制方式所引入的S-IRNSS授权服务信号载噪比损失以BOC(5,1)为最大，以BOC(7,1)为最小，而BPSK(8)与后者相当，接收功率-156dBW时，BOC(5,1)引入0.4dB损失，BOC(7,1)和BPSK(8)引入的损失可忽略不计。

在三重服务时，S-RNSS在综合干扰下跟踪误差与自干扰时基本一致。若将捕获和跟踪阶段的载噪比损失均控制在1dB以内，接收功率不超过-156dBW时，各调制方式均能满足要求，且所引入的损失均相差无几；若要将S-RDSS信号在捕获和跟踪阶段的载噪比损失均控制在0.5dB以内，S-RNSS接收功率不超过-153dBW时，所有调制方式均能满足，以BOC(7,1)引入的损失为最小，BPSK(8)与其差别在-156dBW时可控制在0.2dB以内；若要将S-IRNSS标准服务信号在捕获和跟踪阶段的载噪比损失均控制在0.5dB以内，S-RNSS接收功率在-153dBW以下时，所有调制方式均满足，以BOC(7,1)引入的损失为最小，BPSK(8)与其差别在-156dBW时可控制在0.2dB以内；若要将S-IRNSS授权服务信号在捕获和跟踪阶段的载噪比损失均控制在0.5dB以内，S-RNSS接收功率在-155dBW以下时，所有调制方式均满足，以BOC(7,1)引入的损失最小，BPSK(8)与其的差别在-156dBW时不超过0.05dB，可忽略不计。

4　总　结

本文仅从信号兼容性分析了S-RNSS信号的选择可行性。一方面考虑带给S-RDSS和S-IRNSS的载噪比损失不太大，以免加剧兼容谈判难度；另一方面考虑与现有导航信号相当的接收功率，既保证跟踪误差，又要兼顾数据解调，S-RNSS接收功率可选择为-156dBW。根据综合分析，虽然BOC(7,1)是较好的选择，但综合考虑载噪比损失差异，以及技术成熟度、实现复杂度、滤波器设计难度等，BPSK(8)是较好的替代选择，如果可进一步降低功率要求，可以获得更大选择空间。

实际上，调试方式和接收功率选择是由多种因素共同决定的，如测量精度需求、抗干扰能力要求、抗多径能力要求等等，因此还需要综合其他因素来最终决定。

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Compatibility Design of Global RNSS Signal in S-band

Jin Guoping1, Wang Liguo2, Feng Xiaochao1, Fan Jianjun1

1.Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China 2. Automation Working Station of the Military Region of Inner Mongolia, Hohot 010051, China

According to the fact that L-band (1164-1610MHz) is overcrowded with satellite navigation signals and S-band (2483.5-2500MHz) has been authorized to be a new band for future RNSS, signal design for RNSS in S-band is conducted from the aspect of compatibility. The compatibility of RDSS and IRNSS under single, dual and triplicate overlays is studied, and the CNR loss of three service signals in acquiring and tracking phases and the changing of global RNSS signal tracking error in S-band are analyzed. With a prescribed signal bandwidth, the compatibility of several optional modulation modes are compared and analyzed, and BPSK(8) with a received power of -156dBW is proposed as an ideal choice for global RNSS signal in S-band.

RNSS; IRNSS; RDSS; S-band; compatibility

2015-08-11。

金国平(1978— )，男，助理研究员，主要从事卫星导航方面的研究。

TN967.1

A