CN频段导航信号射频兼容评估方法研究

李志芸，白燕，卢晓春,4

(1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京 100049;4.中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 101048)

0 引言

目前大多数导航系统的工作频段集中在L频段，造成频段资源过度拥挤，不同信号之间的协调和兼容难度增加。为了解决导航频段资源紧张的问题，国际电信联盟(International Telecommunication Union,简称ITU)划分CN频段(5 010～5 030 MHz)供卫星无线电导航使用，其中CN中的N取New和Navigation之意[1]。与L频段相比，使用CN频段的一个明显优势是电离层延迟较小，约为L频段的1/10；另一个优势是CN频段的波长较短，相同体积的天线，CN频段天线增益更高[2-5]。但在工程化应用CN频段之前，需要考虑该频段与相邻业务频段的兼容问题。射电天文系统频段(4 990～5 000 MHz)与该频段相邻，且射电天文望远镜一般只接收信号，而不往外发射信号，因此它并不会对其他频带的任何电信业务造成干扰。但是，它自身对外界的电磁干扰却是非常敏感。对于射电天文学来说，广播、雷达、人造卫星等业务都会对射电望远镜的观测产生很大影响。为射电天文分配特定的频段并进行保护，是关系到射电天文研究工作能否正常进行与发展的根本问题。因此，评估CN频段与射电天文频段的兼容问题是利用CN频段开展导航业务需要考虑和解决的问题。

为了保护射电天文系统不被CN频段导航信号干扰，ITU出台了CN频段射频兼容性分析的有关评估准则[6]，但是并未给出具体的实现方法以及切实可行的分析工具。目前查阅到的国内外文献中[7-14]有关CN频段导航信号与射电天文系统的兼容分析中，虽然基于ITU评估准则进行分析，但是均对该准则进行了一定简化，而简化后的方法只能计算CN频段导航信号与射电天文系统是否兼容，不能具体分析天文台站精确的干扰分布情况。基于此，本文试图寻找一种更为完善的方法弥补目前CN频段射频兼容评估理论的不足。本文没有采用简化的ITU方法，而是在ITU射频兼容评估准则的基础上，针对GSO(geostationary earth orbit satellite)导航卫星星座以及非GSO导航卫星星座，给出CN频段射频兼容评估的具体实现过程，可以为未来无线电导航在CN频段的业务拓展提供射频兼容评估方面的技术支持，同时为射电天文系统在工作中选择合适的观测时段提供参考。

1 GMSK调制

鉴于CN频段带外兼容的严苛要求，在选择导航信号调制方式时应选择带外辐射较小，功率谱旁瓣衰减较快的信号调制方式。本文中采用GMSK(8)调制信号，其时域表达式[15]为

(1)

式(1)中，fc为载波频率，ak为码元信息，Tc为码元周期，φ0为相位偏移量，是一个常量，可以设为0，矩形脉冲h(t)经过高斯低通滤波器g(t)得到高斯型的脉冲码元脉冲p(t)。

(2)

(3)

(4)

g(t)表达式中的σ用下式表示

(5)

式(5)中，B是高斯滤波器的3 dB带宽，仿真时BTc=0.3。

利用Matlab对GMSK(8)调制信号进行仿真，得到功率谱进行加窗平滑，仿真功率谱如图1所示。

图1 GMSK(8)功率谱图

图1中，GMSK(8)信号的主瓣带宽约为24 MHz，与相同带宽的BPSK(12)信号对比，GMSK(8)信号的旁瓣衰减较大，对相邻频段的干扰较小，是一种适合CN频段的导航信号。

2 GSO系统CN频段导航信号同射电天文系统兼容性评估

GSO卫星有着相对稳定的方位角和高程范围，相对于射电天文台站的位置不会发生变化。而目前运行的射电望远镜几乎都可以看到多颗GSO卫星。因此，它们有可能成为射电天文台站干扰问题的来源。

2.1 兼容评估方法

为了不对4 990～5 000 MHz频段内的射电天文系统造成干扰，ITU建议由工作在5 010～5 030 MHz频段内的任何对地静止轨道卫星系统在射电天文系统的10 MHz频段内产生的功率通量密度(power flux density，简称PFD)在任何射电天文台处不应超过-171 dB(W/m2)[6]。

每颗卫星在射电天文台处的功率通量密度记为PPFD，表达式为

(6)

式(6)中，PEIRP为卫星的等效全向辐射功率(单位dBW)，Latm为大气损耗(单位dB)，d为卫星到射电望远镜的距离(单位m)，G(f)为CN频段导航信号的归一化功率谱密度。

分析来自GSO卫星的CN频段导航信号对射电天文台站造成的干扰大小时，采用ITU-R SA.509-3建议书给出的如公式(7)所示的射电望远镜天线增益辐射方向图[16]。

(7)

式(7)中，Gr1(φ)为射电望远镜天线增益(单位为dBi)；φ为离轴角(单位为°)。

ITU建议CN频段导航信号在射电天文台处的功率通量密度不得高于-171 dB (W/m2)，该值是基于射电望远镜天线增益为0 dBi处设置的，即经过射电望远镜天线进入接收机的所有干扰信号产生的干扰电平不得高于-171 dB(W/m2)。GSO卫星相对于天文台的位置是固定的，只有天线的指向靠近该卫星时才会产生干扰电平。干扰电平的大小与干扰信号相对于射电望远镜天线主波束轴的离轴角有关，若该卫星的CN频段导航信号到达接收机的功率通量密度为-171 dB(W/m2)时的离轴角为φ，则当干扰信号的离轴角小于φ时会对射电天文系统产生干扰，而离轴角大于φ时则无干扰。

单颗卫星对应的干扰天空面积与总的天空面积的比值为

(8)

式(8)中，φ为单颗卫星的CN频段信号到达接收机处的功率通量密度为-171 dB(W/m2)时的离轴角。

上述分析是单颗GSO卫星对应的干扰天空面积，对于GSO卫星星座中的每颗卫星所产生的干扰均可用上述方法分析。

2.2 兼容分析

仿真参数设置如下：PEIRP=42 dBW，GSO卫星到达天文台站的最小距离d=35 786 km，大气损耗Latm=0.5 dB，CN频段导航信号采用GMSK(8)信号，载波中心频率[1]为5 022.93 MHz。

将上述参数代入公式(6)得PPFD=-182 dB(W/m2)，当来自单颗GSO卫星的CN频段导航信号到达射电望远镜接收机的电平为-171 dB(W/m2)时，入射角对应的天线增益为11 dBi，即29-25lgφ=11，则入射角度为5.25°，因此，当望远镜的指向与GSO视线方向的夹角小于5.25°时会对射电天文系统造成干扰，而当角度大于5.25°时不会存在干扰。单颗GSO卫星对应的干扰天空面积占总天空面积的比值由公式(8)可得r=0.42%。

3 非GSO系统CN频段导航信号同射电天文系统兼容性评估

非GSO卫星的数量较多，这也成为它们对射电天文系统造成干扰的一个重要原因。

3.1 兼容评估方法

非GSO卫星与GSO卫星的分析方法不同，主要是因为非GSO卫星相对于射电望远镜天线波束的位置随着时间的变化而变化。ITU建议为了不对4 990～5 000 MHz频段内的射电天文系统造成干扰，工作在5 010～5 030 MHz频段内的非对地静止轨道卫星在4 990～5 000 MHz频段内所产生的等效功率通量密度(equivalent power flux density，简称EPFD)，在任何天文台站处超过-245 dB(W/m2)的时间百分比不应超过2%[17]。等效功率通量密度是指将天线接收到的各个方向上的卫星发射的功率通量密度，等效成在天线最大增益处所接收到的功率通量密度[18]。

等效功率通量密度计算公式如下：

(9)

(10)

式(9)和(10)中，Na为射电望远镜可见的非GSO卫星的数量，Pi为非GSO卫星发射功率在射电天文频段上的无用功率(单位为dBW)，θi为非GSO卫星发射波束中心和射电望远镜方向之间的离轴角(单位为°),Gt(θi)为非GSO卫星在射电望远镜方向上的发射天线增益(单位为dBi)，G(f)为CN导航信号的归一化功率谱密度，di为射电望远镜和非GSO卫星之间的距离(单位为m)，φi为射电望远镜指向和非GSO卫星方向之间的离轴角(单位为°),Gr(φi)为射电望远镜在非GSO卫星方向的接收天线增益(单位为dBi)，Gr,max为射电望远镜的最大接收天线增益(单位为dBi)，PEIRP为卫星的等效全向辐射功率(单位为dBW)。

ITU建议分析非GSO卫星系统对射电望远镜造成的干扰大小时，采用ITU-R RA.1631-0建议书给出的射电望远镜天线增益模型[16],其如公式(11)所示：

(11)

式(11)中,Gr(φ)为相对于全向天线的增益(单位为dBi)，φ为离轴角(单位为°)。

在评估非GSO卫星的CN频段导航信号与射电天文系统兼容的仿真过程如下：

①用STK软件对导航系统的所有非GSO卫星进行可见性仿真[19]，得到当前时刻可见卫星数目Na，每颗卫星相对于地面站的距离di以及方位俯仰角度。

②为地面站的射电望远镜天线设置不同的方位俯仰角度，根据STK获得的卫星位置，计算出干扰信号方向同射电望远镜指向的夹角即离轴角φi，由射电望远镜天线增益模型即公式(11)计算出增益Gr(φi)。

(12)

(13)

(14)

③根据CN频段导航信号调制方式计算出归一化功率通量密度G(f)，最后将各参数带入公式(10)即可得到当前时刻的等效功率通量密度。

④仿真一段时间后计算在该时间段内EPFD超过-245 dB(W/m2)的时间占总时间的百分比。在仿真时，仿真时间长度应远大于非GSO卫星星座运行周期，且仿真时间越长，最后结果越准确。

3.2 兼容仿真分析

利用STK工具对北斗导航系统的非GSO卫星星座进行可见性仿真，该星座包括6颗IGSO卫星和3颗MEO卫星，天文台站地点选择三亚、西安、长春，仿真时间为20 d，时间间隔为1 min，CN频段导航信号采用GMSK(8)信号，PEIRP=42 dBW，大气损耗Latm=0.5 dB，计算射电望远镜不同指向下EPFD超出-245 dB(W/m2)的时间占总时间的百分比。仿真结果示于图2至图4，分别代表三亚、西安、长春3处天文台站的干扰分布，横坐标为射电望远镜的方位角，纵坐标为射电望远镜的仰角，最右侧栏不同颜色代表EPFD超出-245 dB(W/m2)的时间百分比。

图2 三亚站干扰分布

图3 西安站干扰分布

图4 长春站干扰分布

干扰时间不超过2%的指向是满足兼容的，对图2至图4中不同地区干扰情况进行统计，满足兼容的指向占总指向的百分比如表1所示。

表1 不同地区满足兼容的天线指向占总指向的百分比

由表1可以看出，3个地区均有超过一半的指向是满足兼容条件的，不同地区的兼容程度与该地上空的卫星覆盖度有关。对比图2至图4中西安、三亚、长春3个地区的干扰分布图可得，干扰的指向多集中在方位角为180°附近，以及高仰角处，并且随着纬度变化而变化。

对干扰较大的指向进一步分析其EPFD随时间的变化情况。对三亚、西安和长春三站任选两个干扰时间超过2%的射电望远镜指向，仿真其EPFD随时间累积的变化情况，仿真结果如图5至图7所示。

图5 三亚站不同天线指向下的等效功率通量密度变化

图6 西安站不同天线指向下的等效功率通量密度变化

图7 长春站不同天线指向下的等效功率通量密度变化

图5至图7中，在文中所选择射电望远镜的指向下，累积时间为4 000 min，EPFD超过-245 dB(W/m2)的干扰时间与总时间的比值均大于2%，会给射电天文观测带来干扰。但是从图中可以看出，无论数据损失的百分比大或小，EPFD变化都是有规律的，在大部分时间均低于-245 dB(W/m2)。对图5至图7中的最大无干扰时段以及平均无干扰时段进行统计，统计结果如表2所示。

表2 不同站点不同指向下的干扰时间分析

表2中，文中所选择的干扰指向下，最长无干扰时间段以及平均无干扰时间段均大于6 h，由图5至图7以及表2可以得出，对于不满足兼容的天线指向，一般会有连续较长一段不受CN频段导航信号干扰的时间段，之后会出现较短的受到CN频段导航信号干扰的时间段，如此重复。因此，在实际工作中，可以通过上述分析方法选取无干扰的有效观测时段，从而保证天文观测数据的正确性。

4 结语

本文对CN频段导航信号同射电天文系统的兼容评估方法进行研究，给出一种实现ITU评估准则的具体实施方法。GSO卫星相对天文台站的位置是固定的，通过本文方法可计算得出每颗卫星所对应的干扰区域。非GSO卫星相对于天文台站的位置随着时间的变化而变化，基于本文方法可得出射电望远镜不同指向下的干扰情况，对于某些干扰较大的指向，通过进一步分析其等效功率通量密度随时间的变化情况，可以找到无干扰的时间段，这可为射电天文台站选择合适的观测时段提供参考，同时本文研究可为CN频段导航信号设计提供射频兼容评估方面的技术支持。