北斗RDSS入站信号对GNSS信号的干扰分析及应对策略

王君，郭思远，王嘉伟

（1.国防科技大学，长沙 410000；2.北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是我国从大国地位需求出发，完全由我国自主设计建设的全球第三大全球卫星导航系统，可以在全球范围内为用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，是我国的国之重器，为我国的国家建设将提供必要的保障。卫星无线电测定业务（Radio-Determination Satellite Service，RDSS）是北斗系统特色优势服务，可为我国及周边用户提供快速定位、位置报告及短报文通信服务。北斗RDSS业务自2003年正式开通以来，服务连续稳定、应用领域不断扩大，在我国国民经济的各个方面都发挥了重要作用[1]。2020年7月30日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，新一代RDSS正式提供服务。相比于北斗二号，北斗三号RDSS实现了覆盖区域拓展、服务容量扩大、终端功耗降低等升级[2]。

由于卫星导航系统体系设计的限制，使得其极易受各类电磁干扰的影响[3]。北斗 RDSS入站信号的频段在1 610～1 626.5 MHz，与北斗系统的B1频点、GPS系统的L1频点、GLONASS系统的G1频点邻近，发射功率在3～10 W左右，比GNSS信号的落地电平功率高近140 dB，因此北斗RDSS入站信号会对相邻频段的GNSS业务造成干扰。

本文针对北斗RDSS入站信号与GNSS信号的兼容性问题，首先分析了北斗RDSS入站信号特征，然后从理论上分析了GNSS信号受RDSS入站信号的干扰影响因素，从不同角度提出了降低北斗 RDSS入站信号对GNSS信号干扰的策略，最后利用实际设备进行了测试验证。

1 北斗RDSS入站信号特征分析

北斗三号 RDSS的信号体制在北斗二号的基础上进行了升级。随着北斗三号正式开通，北斗三号RDSS将逐步取代北斗二号RDSS，向用户提供服务。为此，本文以北斗三号RDSS为例，对北斗RDSS入站信号特征进行分析。

RDSS入站链路是指RDSS用户机向主控站发送服务申请的信号链路，RDSS的入站信号位于L频段，具体频率为1 610～1 626.5 MHz，由于入站信号频段与GNSS信号频段相隔较近，因此，下面主要分析RDSS的入站信号。

RDSS入站信号采用直接扩频序列，频段为1 610～1 626.5 MHz，工作带宽16.5 MHz，调制方式为BPSK。由图1可知入站发射信号对下行RDSS接收的影响主要是由于调制产生的边带引起的。目前，各个导航系统公开信号的频率和带宽如表1所示，GEO卫星入站信号离GNSS导航频点L1、B1等最近的Lf1的频率为1 614.26 MHz，带宽为B = 8.16 MHz。若入站信号的EIRP为10 W，则通过BPSK的功率谱密度函数，可以计算出入站信号落入北斗B1频点、GPS L1频点、GLONASS G1频点的功率如表1所示。

表1 各导航系统包含的信号频率和带宽

图1 入站信号频谱图

2 GNSS信号受RDSS入站信号干扰影响分析

载噪比是衡量卫星导航信号质量的重要指标，对于接收机的信号处理具有重要意义，当接收机受到干扰时，信号的载噪比会降低到等效载噪比[4]。等效载噪比是衡量导航信号捕获阈值确定、跟踪环路设计及理论定位精度计算等的重要参数。等效载噪比(CsN0)eff的定义[5]为

式（1）中：Cs为接收信号功率；Ci为干扰信号功率；CsN0是接收机内所接收信号在无干扰情况下的载噪比；Rc为扩频码速率；Q是为各种类型干扰源和信号调制器而确定的无量纲的抗干扰品质因数。图2仿真了不同干扰信号功率下，等效载噪比随干扰功率的变化情况。仿真中，假设接收信号功率Cs=-157dBW，噪声功率N0=-200dBW，扩频码速率Rc=1.023 MHz，干扰信号为窄带干扰，抗干扰品质因数Q=1。

图2 干扰对等效载噪比的影响示意图

由图 2仿真结果可得：等效载噪比随着干扰信号功率的增大而减小，且当干扰功率等于-140 dBW时，等效载噪比下降到 40 dBHz。卫星导航系统公开服务性能规范规定用户的最低接收功率大约-160 dBW，对应的载噪比为40 dBHz。因此，北斗RDSS入站信号落入GNSS频段的信号电平需要低于-140 dBW，否则等效载噪比将低于捕获门限。

3 北斗RDSS入站信号与GNSS信号兼容提升策略

通过对干扰影响因素进行分析，可以通过2种方法降低RDSS入站信号的干扰影响。① 北斗RDSS天线进行定向赋形设计并在功放后面加装腔体滤波器；② 对天线摆放进行布局设计，RDSS天线和GNSS天线拉开一定距离并采取屏蔽隔离措施进一步降低干扰影响。

3.1 北斗RDSS天线端设计

北斗RDSS天线采用定向赋形设计，北斗GEO卫星轨道高度35 786 km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°，经过核算在国内实现所有GEO卫星出站波束信号的接收天线的方位角覆盖范围为148°，俯仰角覆盖范围为45°。北斗RDSS天线的天线阵元采用叠层微带天线形式，天线阵元由两个双频双极化微带天线单元组成，微带单元采用叠层设计，上层为右旋圆极化接收天线，下层为左旋圆极化发射天线，分别实现1 610.0 MHz～1 626.5 MHz频段的信号发射，2 491.75±8.16 MHz频段的信号接收。

对GEO卫星天线发射频点的方向图进行仿真验证，天线在1 616 MHz频点处方位（Phi = 0°）和俯仰面（Phi = 0°）的两个切面的天线增益仿真图如图3所示。

图3 天线在1 616 MHz频率处的方向图

从图3中可以看出天线增益的顶点为5 dB，方向图在俯仰面（Phi = 0°）角度为±170° 时有明显的凸起为天线的旁瓣，增益大概在-17 dB，与增益最大值相差22 dB，即天线的旁瓣抑制为22 dB。图3中标注为天线增益为1 dB时，天线方位和俯仰面对应的角度，天线的方位角覆盖154°，俯仰角覆盖90°，方向图满足天线的角度覆盖。同时通过在天线功放的输出端增加一个带通腔体滤波器，在GPS的L1频段带外抑制能力达到50 dB。

3.2 场站布局与屏蔽隔离设计

根据GEO卫星的轨位将RDSS天线布设在场区的南部可实现全部波束信号监测，其他GNSS天线布设在场区北部，由于RDSS天线为定向天线，后向辐射衰减较大，可以明显减小对其他天线的干扰。RDSS天线在场区的布局效果图如图4所示。

图4 天线场区布局效果图

由于信号存在传输损耗，因此，当北斗RDSS设备与GNSS设备间距离不同时，所受的干扰的影响也不相同。自由空间的传输损耗为

式（2）中：F为信号频率，单位MHz；D为传输距离，单位km；L单位为dB。传输距离与空间损耗关系如图5所示，例如当间距为分别为1，2，3，5 m时，对应的自由空间的传输损耗分别为36.5，42.5，46.0，50.5 dB。

图5 传输距离与自由空间损耗的关系图

为了进一步降低RDSS天线的后向辐射，考虑在RDSS天线的周围加装屏蔽罩，同时在屏蔽罩上加装吸波材料，加强屏蔽效果。电磁波在传播的过程中遇到障碍物时，由于障碍物的反射和吸收作用，能量发生衰减，常见的铝、铜、铁都能有良好的屏蔽效果，在室外可以使用打孔钢板或钢网实现，理论上电磁波可以绕过自身波长 1/2的障碍物，只要钢网的网格空间小于电磁波波长的 1/2，电磁波就不能穿透，达到屏蔽效果，RDSS天线的最高发射频率为1 624 MHz，此时电磁波的半波长为89 mm，因此钢网的网格空洞直径小于89 mm即可，距离天线的距离以不影响天线正常工作为宜，可取300 mm左右，RDSS天线加装隔离罩的效果图如图6所示。

图6 天线加装屏蔽罩效图

4 测试验证情况

通过上述分析可知，在GPS的L1频段上北斗RDSS的入站信号功率电平下降-28 dB，功率Pt约为-18 dBW；北斗RDSS天线为定向天线，旁瓣抑制为-22 dB；天线功放的输出端增加一个带通腔体滤波器，在L1频段抑制能力为-50 dB；屏蔽隔离措施的损耗为-15 dB，则接收到的信号功率为

通过计算分析得到不考虑传输距离衰减，接收信号功率为-105 dBW，传输距离需要引入的衰减大于35 dB，可以保证GNSS信号的正常捕获，此时的距离应大于1 m；如果不加装屏蔽罩，则应保证空间衰减大于50 dB，间距在5 m以上。

在实际工作环境中测试北斗RDSS用户机对GNSS接收机接收信号的影响，北斗RDSS用户机的入站功率为10 W，频度为10 s，部署图如图6所示。在加装屏蔽罩和不加装屏蔽罩以及RDSS天线和GNSS天线分别拉开1，3，5 m的条件下进行测试，测试结果如表2所示。实际测试结果表明与理论分析相符合，加装屏蔽罩后隔离效果较为明显，天线拉开距离也可以解决干扰问题。

表2 实际测试结果

图7 实际部署测试图

5 总结

针对北斗RDSS入站信号与GNSS的兼容性问题，利用等效载噪比方法评估了RDSS入站信号对邻频GNSS信号的影响，并进行了仿真分析，从RDSS用户机天线、场站布局以及屏蔽隔离等角度，总结了2种提升北斗RDSS入站信号和邻频GNSS信号兼容性的方法。同时，由于GNSS系统都还在发展之中，上述2个方面的兼容性提升方法都还有待进一步研究。本文的相关研究成果可为北斗RDSS用户设备与GNSS接收机共址建设提供技术基础。