地基基站导航卫星信号兼容性探讨

2021-01-05沈建军文军福文述生

导航定位学报 2020年6期

熊辉，沈建军，孙鹏，廖威，文军福，文述生

（1.交通运输部长江通信管理局，武汉 430000；2.广州南方测绘科技股份有限公司，广州 510000）

关键字：卫星导航系统；卫星信号；信号体制；兼容性对比；定位精度

0 引言

卫星导航系统作为国家安全和社会发展不可或缺的信息基础设施，体现着1 个国家的国际地位和综合国力。北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）是基于经济社会发展及国家安全的需要，我国建立的重要空间基础设施，具备自主建设与独立运行的特点[1]。但是BDS 的导航信号与已有的卫星导航系统，例如全球定位系统（global positioning system, GPS）、伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）导航信号的频谱之间相互重叠，导航信号之间的干扰变得严峻，于是无线频率兼容问题成为大家关注的焦点。

目前主流做法是选择等效载噪比以及相应的衰减值，作为全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）无线频率兼容的评价指标。这个参数反映了干扰对信号载噪比的影响，却不能反映干扰对码跟踪的影响。为了衡量单由系统内干扰或系统间干扰造成的码跟踪误差，本文提出基于码跟踪误差增量以及频谱分离这2 个参数作为中间指标，用来对不同信号体制的兼容性进行对比，研发区域GNSS 基准站接收机[2]。该接收机具备较好的优势，一方面可单独接收BDS 卫星信号，另一方面也可以接收其他卫星导航系统的信号。这一模式可在BDS 上进行配置，不过在卫星数的接收方面存在一定的限制，应先进行多模多频点接收措施的研究，随即明确射频前端设计方法，最后对单接收方案进行分析与优化[3]，在主板开关设计、电路优化的基础上，实现BDS 导航卫星信号的接收与解算。

在实际应用中，形成的纯单模BDS 模式可同时实现对卫星信号的接收，并实现对多种信号的接收模式随意切换，而且在切换中，还能保证不会影响到信号质量，使板卡抗多路径的性能得以保证[4]。

1 信号接收方案设计

基准站接收机是由3 部分构成：①天线单元；②主机单元；③电源单元。主机单元包括显示器、变频器、存储器、微处理器以及信号通道[3]，具体结构如图1 所示。

图1 接收机工作原理

2 GNSS 卫星信号兼容性

兼容性是指多种类型卫星系统同时工作时，相对于单一系统工作模式不会产生性能的显著降低，这是1 个设备级概念。传统的兼容性分析方法只考虑了干扰对即时通道的影响，并没有充分考虑干扰对码跟踪过程的影响[5]。为了更准确地预测干扰对码跟踪的影响，引入新的干扰系数，即码跟踪频谱敏感系数（code tracking spectral sensitivity coefficient, CT-SSC），并提出基于码跟踪的 GNSS 兼容性准则与扩频时钟（spread spectrum clocking, SSC）概念。与SSC 相比较，CT-SSC 中包含了sin2函数的影响，该函数在积分中起到滤波的作用。

目前，国际上通常选择等效载噪比以及相应的衰减值作为GNSS 信号体制的评价指标，用于对其兼容性进行判断。在实际评价过程中，需要考虑多方面的因素，如空间、环境以及用户等，存在参数较多的复杂计算[6]。码跟踪灵敏度及频谱分离作为中间指标，用来配合完成兼容性评价，具有较高的优势，即它们可以对不同信号体制具备的兼容性进行对比。

交替二进制偏移载波调制信号（alternate binary offset carrier, AltBOC）与1 种新的具有恒包络的调制方式（phase shifted AltBOC，PS-Alt BOC）,2 者均存在有52 MHz 主瓣带宽的调制信号[7]。以发射带上带宽为90 MHz 的发射信号为主要参照，将接收机前端的带宽先定为52 MHz，对位于B2频段3 个卫星导航系统所具备的谱分离系数进行仿真，3 个系统分别为Galileo、GPS 以及BDS，所获得的结果具体如表1、表2 所示。

表1 采用Alt BOC 调制BDS B3 导航信号的SSC 情况

表2 采用PS-Alt BOC 调制BDS B3 导航信号的SSC 情况

干扰信号与期望信号存在一定的相关性，而频谱分离系数的存在是2 者相关性的直接表达，其数值越大，表示2 个信号之间存在越为严重的频谱重叠情况。从表1、表2 可以看出，当接收机前端带宽为 52 MHz 时，无论是 GPS、Galileo 还是BDS，信号的自谱分离系数均大于与其他信号之间的谱分离系数，这说明信号间的干扰主要来自于系统的内干扰。与BDS B3 信号采用的 Alt BOC调制相比，采用 PS-Alt BOC 调制后的BDS B3 频段信号的自谱分离系数下降了0.02 dB/Hz，GPS L2频段的信号却提高了0.73 dB/Hz，但与Galileo 相比，卫星信号之间却大幅度缩小了14.18 dB/ Hz。在BDS 采用Alt BOC 调制的信号频段上，BDS 和Galileo 的信号在有互干扰或自干扰的情况下，都存在较大的频谱分离系数（＞-60 dB/Hz）；此外，在这一频段上，GPS 信号的自干扰及与其他系统干扰中产生的频谱分离系数均在-70 dB/Hz 之下[8]。所以，可以通过适当牺牲GPS 自身的兼容性实现其他2 个系统干扰的下降与兼容性的提升。在3 个卫星导航系统仿真分析中，GPS L5C 与BDS 信号产生的频谱分离系数高于其自谱分离系数，不过2者差异不是很大，证明GPS 受这2 种信号的干扰程度相近[9]。

表3、表4 为BDS、GPS 及Galileo 间CT-SSC的仿真结果。

表3 B3 频点各导航信号CT-SSC(原B3 信号)

从表3、表4 可以看出：新型BDS B3 信号同原有信号相比较，没有较大的差异；但同Galileo E5 信号相比较，得到了较为明显的提升[10-11]，与上述SSC 分析得出的结果相同。这一现象表明，使用新型BDS 信号，在立足码跟踪环路的基础上，既能够保证系统的兼容性，又能够很好地对Galileo E5 信号进行兼容[12]。

表4 B3C 频点各导航信号CT-SSC 情况(新B3 信号)

3 兼容性测试

为了更加直观地测试BDS、GPS 及Galileo 导航卫星信号定位效果的差异，以便判断BDS 接收机兼容性的优劣，本文设计了1 种测试方案，测试方案中包括定位精度、定位时效性、星座可用性等多个方面的指标。

首先准备1 个已知的观测点，该观测点的观测环境满足无遮挡、远离发射塔等高功率设备、远离大面积水面等容易发生多路径效应的地段[12]。在该观测点架设仪器，要求精确对中、整平仪器，并用安装有精准对中整平装置的三脚架进行固定；分别在不同时段，通过仪器手簿进行操作，以切换不同星座组合进行网络实时动态差分（realtime kinematic, RTK）定位测量[13]，并记录相关结果；综合对比分析以上成果，从而分析衡量出BDS接收机对不同卫星信号的兼容性。测试结果如表5所示。