无线电指向标-差分全球导航卫星系统（RBN-DGNSS）覆盖距离估算

高万明

（交通运输部东海航海保障中心，上海 200086）

1 RBN-DGNSS

沿海无线电指向标-差分全球导航卫星系统（RBN-DGNSS）是全球导航卫星系统地基增强系统的重要组成部分，包括无线电指向标-差分全球定位系统（RBN-DGPS）、无线电指向标-差分北斗卫星导航系统（RBN-DBDS）等系统。系统在中波无线电频率上播发卫星导航系统的伪距差分修正数据，频率范围是283.5 kHz-325 kHz，为沿海用户提供高精度定位服务，为我国近海的海上军、民用户带来巨大的社会效益和经济效益[1]。

自2012年开始，交通运输部东海航海保障中心组织实施的无线电指向标-差分北斗卫星导航系统（RBN-DBDS）改造，研发兼容我国北斗卫星导航系统（BDS）和美国全球定位系统（GPS）的RBN-DGNSS 系统，对推动北斗卫星导航系统在海上的应用发挥了重要作用。

RBN-DGNSS 系统包括播发站和用户接收机组成。研究播发站覆盖距离、覆盖的信号强度和接收机信噪比的关系，对提高接收的稳定性、提升系统服务质量具有重要意义。

2 覆盖范围估算

决定覆盖距离的因素主要有三个方面[2]：一是发射信号随距离衰减后的信号强度；二是接收地点的无线电噪声；三是接收机对信噪比要求。

RBN-DGNSS 发射信号属于中波频段，主要通过地波传输，对于发射信号随距离衰减后的信号强度，可以采用国国际电信联盟ITU-R 相关建议书对中波无线电信号的传输模型进行计算[3]。该建议书提供了频率在30 MHz 以下的无线电信号地波传播的场强。

对于接收地点的无线电噪声，传统的计算方法一般只考虑接收机的热噪声，实际无线电噪声主要包括背景噪声、雷电噪声、各种电气噪声、大气气体和水象的辐射噪声、天线波束内的地面或其它辐射噪声、天体无线电辐射噪声，ITU-R P.372建议书[4]提供了有关0.1 Hz 至100 GHz 范围内无线电噪声的计算方法。

对于接收机满足一定误码率的下的信噪比要求，则根据接收机的带宽和MSK 调制方式[5]，通过仿真误码率和信噪比的对应关系，计算其信噪比要求。

下面给出了覆盖距离的具体步骤和方法。

2.1 无线电传输信号传播距离和场强计算

对于RBD-DGNSS，其播发站一般位于海岸或海岛，用户接收机位于海上，为简化计算，只考虑无线电沿着海面进行地波传播的情况，采用ITU GRWAVE 软件计算距离和场强的关系，其中σ（电导率）和ε（相对介电常数）分别设为5 S/m和70，发射和接收天线高度分别设为36m 和10m，频率取300 kHz，天线的效率取20%[6][7]，根据我国RBN-DGNSS 发射机常见情况，发射功率分别为200W 和500W，即辐射功率分别是40W和100W，如图1所示。

图1 距离和场强的关系

500W 发射功率（100W 辐射功率）在300km 处场强是47dBμV/m；200W 发射功率（40W 辐射功率）相应场强是43dBμV/m。

2.2 外部噪声系数计算

根据ITU 相关建议书[2]，计算外部噪声系数的上界值Fa见公式（1）：

式中，kT0B 以10log 表示；kT0为环境温度为290K 时，环境温度与玻尔兹曼常数的乘积；B 为接收系统噪声功率带宽（Hz）；Fam为外部噪声系数中值；Ds为对于所要求的时间百分比预期的信号电平变化，它相当于由IMO 规定作为衰落余量的3dB 因子；Dt为对于所要求的时间百分比预期的噪声电平变化。

DGNSS 覆盖所需要的可用度为99.5%[5]，为了达到这一点，公式（2）中替换为Dt=Du+3dB。Fam和Du通过运行随ITU-R NOISEDAT 软件包噪声1程序来确定。程序要求有所需要的季节、站址、频率、人为噪声的电平或类别、要求的输出数据类型（选择Fa）、本地平均时间和要求的统计参数（选择总数的中值）。为预测船站上的外部噪声系数，使用参考值–142 dBW 作为甲板上噪声[2]。

取下列3 个台站进行计算，分别为：大三山（38.87N，121.83E）、 大 戢 山（30.82N，122.17E）、 三 亚（18.28N，109.35E），外部噪声系数计算结果如图2所示。

（1）大三山

（2）大戢山

图2 Fa随季节、时间段变化曲线

（3）三亚

2.3 接收机对信号场强的要求

系统采用MSK 调制，调制速率最高为200 b/s，在AWGN噪声下，误码率和信噪比的关系如图3所示：

图3 BER与Eb/N0的关系

这里取误码率在10-3时对应的信噪比，即Eb/N0=7dB。

ITU-R P.372建议书[4]，外部噪声系数可按以下公式转换为外部噪声的场强。

En=Fa+20log（f）+10log（BW）-96.8 （2）

式中，En 为噪声的场强，单位为dBμV/m；F 为中心频率，单位为MHz；BW 为接收机带宽，单位为Hz，这里为240 Hz[8]；

那么在接收机处，对信号的场强有以下最低要求：

Pr=En+ Eb/N0 +10log（R/BW）+ NF （3）

式中，Pr 为接收信号场强，单位为dBμV/m；R 为通信数据率，单位为b/s，这里为200b/s；Eb/N0为信噪比取7 dB（误码率为10-3）；NF 为接收机噪声系数，由于中波接收机射频前端噪声系数较小，取1dB。

2.4 覆盖距离

最后按照发射机分别为功率500W（100W 辐射功率）和200W（40W 辐射功率），可以得到距离和Fa 的关系，如图4所示：

将具体位置的Fa 代入图4，就可以得到大三山、大戢山和三亚RBD-DGNSS 的覆盖距离范围，如表1所示。

图4 覆盖距离随Fa的变化曲线

表1 RBN-DGNSS覆盖距离

3 结束语

虽然美国海岸警卫队（USCG）2018年宣布未来将分阶段停止海上差分全球定位系统（DGPS）站点服务[9]，但是从全球各国和国际航标协会（IALA）来看，DGNSS 依然是海上重要的导航手段。

通过对RBN-DGNSS 覆盖距离的估算可以看到，一方面，随着纬度的升高，覆盖距离也相应扩大；另一方面，中波频段的外部噪声会随着季节和昼夜会发生较大的变化，使覆盖建立也响应发生改变。根据IALA 发布的DGNSS 台站相关文件[10]，我国DGNSS 台站的覆盖距离全部为300 km，覆盖边缘信号强度应不小于75 V/m。因此，有必要远程监视发射信号的功率和信噪比等参数，根据接收质量的情况，随时调整发射机功率以满足服务质量的要求。