導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)功率增強(qiáng)技術(shù)與覆蓋范圍研究

孫 進(jìn),初海彬,董海青,秦紅磊,陳忠貴

1.中國空間技術(shù)研究院,北京 100094;2.北京航空航天大學(xué),北京100083

導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)功率增強(qiáng)技術(shù)與覆蓋范圍研究

孫 進(jìn)1,初海彬1,董海青1,秦紅磊2,陳忠貴1

1.中國空間技術(shù)研究院,北京 100094;2.北京航空航天大學(xué),北京100083

基于國內(nèi)外導(dǎo)航衛(wèi)星功率增強(qiáng)設(shè)計(jì)的研究,在系統(tǒng)層面上仿真分析我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中的 GEO衛(wèi)星在不同的仰角下天線波束的地面覆蓋區(qū)域。在對功率增強(qiáng)技術(shù)分析的基礎(chǔ)上,著重研究我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的功率增強(qiáng)信號的覆蓋范圍,給出10 dB、15 dB、20 dB、25 dB不同功率增強(qiáng)要求下,地面接收功率、天線波束覆蓋范圍的仿真分析,提出功率增強(qiáng)要求對于衛(wèi)星的約束條件。并從地面接收信號強(qiáng)度、功率增強(qiáng)的覆蓋范圍、功率增強(qiáng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度、導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的多普勒碰撞問題方面進(jìn)行的我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與GPSⅢ系統(tǒng)性能對比。

導(dǎo)航衛(wèi)星;功率增強(qiáng);覆蓋范圍;地球靜止軌道

1 引 言

隨著全球范圍內(nèi) GPS、Galileo等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展,功率增強(qiáng)技術(shù)已經(jīng)成為導(dǎo)航衛(wèi)星有效載荷的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),具有重要應(yīng)用。導(dǎo)航衛(wèi)星的功率增強(qiáng)能力與天線的覆蓋范圍、地面接收信號強(qiáng)度及整星的功率分配等關(guān)系密切,以 GPS系統(tǒng)的參數(shù)為參考,通過理論分析與仿真,對功率增強(qiáng)能力與地面接收功率圖進(jìn)行仿真分析,給出我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與GPSⅢ系統(tǒng)的性能對比。

2 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)功率增強(qiáng)技術(shù)分析

美國GPSⅢ系統(tǒng)中功率增強(qiáng)的實(shí)施目標(biāo)[1]是在特定范圍內(nèi)播發(fā)比正常信號能量高約20 dB的軍用M碼信號[1]。美國的 GPSⅢ計(jì)劃中,有16顆衛(wèi)星播發(fā)功率增強(qiáng)信號,使得全球絕大部分地區(qū)可以接收到至少4顆衛(wèi)星播發(fā)的功率增強(qiáng)信號。接收機(jī)收到更多的信號可以改善定位精度,但是本質(zhì)上不會明顯提高接收機(jī)的抗干擾能力。功率增強(qiáng)技術(shù)實(shí)施的基本要求是在特定區(qū)域同時(shí)有至少4顆衛(wèi)星播發(fā)功率增強(qiáng)信號。

對于我國的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),從實(shí)際需求考慮,功率增強(qiáng)區(qū)域應(yīng)該在中國本土附近,GEO衛(wèi)星恰好固定在這片區(qū)域上空。GEO衛(wèi)星0°仰角覆蓋圖如圖1所示。

圖1 GEO衛(wèi)星0°仰角覆蓋圖Fig.1 Coverage area of GEO satellite at the elevation of 0°

從圖1可以看出,中國的領(lǐng)土和領(lǐng)海的大部分地區(qū)均在 GEO衛(wèi)星覆蓋范圍之內(nèi)。

考慮到接收機(jī)通?？梢蕴幚淼男l(wèi)星仰角為5°,圖2和圖3分別是 5°仰角和 15°仰角的 GEO衛(wèi)星覆蓋圖。

圖2 GEO衛(wèi)星5°仰角覆蓋圖Fig.2 Coverage area of GEO satellite at the elevation of 5°

圖3 GEO衛(wèi)星15°仰角覆蓋圖Fig.3 Coverage area of GEO satellite at the elevation of 15°

從圖中可以看出,在衛(wèi)星仰角5°的情況下中國周圍的敏感地區(qū)仍能接收到 GEO衛(wèi)星的信號;衛(wèi)星仰角為15°時(shí),我國的領(lǐng)?？梢愿采w到,只有東北的非完全開闊地區(qū)功率增強(qiáng)的實(shí)施可能會受到遮擋的影響。

由于GEO衛(wèi)星的軌道高度遠(yuǎn)高于MEO衛(wèi)星[2],因此同樣的天線發(fā)射功率相同的信號,到達(dá)地面的信號功率也不相同。GEO衛(wèi)星的軌道高度為35 786 km,GPS的MEO衛(wèi)星的軌道高度為20 200 km,因此相同的信號到達(dá)地面后,我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與 GPS系統(tǒng)接收功率之比為折合成dB形式,即我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)比 GPS地面接收功率小5 dB。

由于GEO衛(wèi)星相對于地球靜止于赤道上空,只能對處于衛(wèi)星正下方的赤道地區(qū)播發(fā)功率增強(qiáng)信號。因此如果使用 GEO衛(wèi)星播發(fā)功率增強(qiáng)信號,需要對衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng) GEO衛(wèi)星的姿態(tài)改變時(shí),不能播發(fā)正常信號。因此,使用GEO衛(wèi)星播發(fā)功率增強(qiáng)信號時(shí),只能停止播發(fā)正常信號。這與 GPSⅢ的功率增強(qiáng)信號播發(fā)模式不同。

3 我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)功率增強(qiáng)信號覆蓋范圍分析

衛(wèi)星波束夾角β、地面接收機(jī)仰角α以及接收機(jī)與垂直入射點(diǎn)間的距離 d的關(guān)系見如圖4[3]。

圖4 衛(wèi)星與地球的空間幾何關(guān)系Fig.4 Spatial relation of satellite and Earth

接收機(jī)到信號垂直入射點(diǎn)的距離 d與衛(wèi)星仰角α的關(guān)系[4]

式中,地球半徑 R=6 371 km。對于我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的 MEO 衛(wèi)星 ,當(dāng)α=0°時(shí) ,β=13.214°。我國的MEO衛(wèi)星信號覆蓋半徑略大于 GPS衛(wèi)星信號的覆蓋半徑8 462 km,對于我國導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中的 GEO 衛(wèi)星 ,當(dāng)α=0°時(shí) ,β=8.7°。

3.1 功率增強(qiáng)的衛(wèi)星選擇

我國的MEO衛(wèi)星和 GPS系統(tǒng)的主要區(qū)別在于軌道略高,導(dǎo)致信號的傳播距離增加,信號的路徑衰減增加了0.5 dB。如果我國仿照 GPSⅢ的功率增強(qiáng)計(jì)劃用MEO衛(wèi)星實(shí)施功率增強(qiáng)[5],由于MEO衛(wèi)星軌道較高,在相同的發(fā)射信號功率下,地面接收信號能量較 GPSⅢ低0.5 dB。

導(dǎo)航衛(wèi)星星座中的IGSO衛(wèi)星因其軌道特點(diǎn)無法保證在我國上空實(shí)時(shí)可見[6],因此,從衛(wèi)星信號波束的覆蓋區(qū)域來看,采用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中的GEO衛(wèi)星播發(fā)功率增強(qiáng)信號是合適的選擇。

在衛(wèi)星的總發(fā)射功率不變的情況下,衛(wèi)星信號的覆蓋區(qū)域隨著信號能量的增強(qiáng)而減小。因此,功率增強(qiáng)信號的能量和覆蓋范圍是矛盾的,在方案設(shè)計(jì)中,需要對兩者進(jìn)行有效折中。

圖5～圖8仿真結(jié)果是以GPS的基準(zhǔn)地面接收功率-158.5 dBW作為參考,分別仿真功率增強(qiáng)10 dB、15 dB、20 dB、25 dB的地面接收功率。GEO衛(wèi)星視界中對應(yīng)地球的夾角β=8.7°,GEO衛(wèi)星天線主瓣(天線方向增益大于0 dB)對應(yīng)地球的夾角β′=8.7°×(20°/13.9°)=12.5°。

3.2 功率增強(qiáng)10 dB分析

播發(fā)信號能量提高10 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點(diǎn)為1 609 km,對應(yīng)的地球夾角

式中,地球赤道半徑R=6 378 km;GEO衛(wèi)星軌道高度 L=35 786 km。解得α=73.0°,β=2.53°。

圖5 功率增強(qiáng)10 dB地面接收功率分布圖Fig.5 Distribution of ground-receiving power at the power-enhancement of 10 dB

3.3 功率增強(qiáng)15 dB分析

播發(fā)信號能量提高15 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點(diǎn)為905 km,對應(yīng)的地球夾角

式中,地球赤道半徑R=6 378 km;GEO衛(wèi)星軌道高度 L=35 786 km。解得α=80.43°,β=1.44°。

圖6 功率增強(qiáng)15 dB地面接收功率分布圖Fig.6 Distribution of ground-receiving power at the power-enhancement of 15 dB

3.4 功率增強(qiáng)20 dB分析

播發(fā)信號能量提高20 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點(diǎn)為509 km,對應(yīng)的地球夾角

式中,地球赤道半徑R=6 378 km;GEO衛(wèi)星軌道高度 L=35 786 km。解得α=84.62°,β=0.81°。

圖7 功率增強(qiáng)20 dB地面接收功率分布圖Fig.7 Distribution of ground-receiving power at the power-enhancement of 20 dB

3.5 功率增強(qiáng)25 dB分析

播發(fā)信號能量提高25 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點(diǎn)為286 km,對應(yīng)的地球夾角

式中,地球赤道半徑R=6 378 km,GEO衛(wèi)星軌道高度 L=35 786 km。解得α=86.97°,β=0.46°。

圖8 功率增強(qiáng)25 dB地面接收功率分布圖Fig.8 Distribution of ground-receiving power at the power-enhancement 25 dB

3.6 綜合分析

綜合上述,當(dāng)功率增強(qiáng)25 dB時(shí),地面有效信號覆蓋區(qū)域半徑下降至300 km以下,參照GPSⅢ功率增強(qiáng)覆蓋半徑300 km,其實(shí)用性受到一定影響。因此,功率增強(qiáng)25 dB即為功率增強(qiáng)的合理上界。

4 我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與 GPSⅢ功率增強(qiáng)性能對比

4.1 地面接收信號強(qiáng)度

由于GEO衛(wèi)星的軌道高度高于MEO衛(wèi)星,傳播距離長、空間衰減大。如果信號發(fā)射功率相同,我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比 GPSⅢ地面接收信號強(qiáng)度約低5 dB[7];北斗系統(tǒng)功率增強(qiáng)技術(shù)實(shí)施效果與緯度有關(guān),而 GPSⅢ系統(tǒng)的點(diǎn)波束播發(fā)效果和緯度關(guān)系不大。

4.2 功率增強(qiáng)的覆蓋區(qū)域

北斗系統(tǒng)的 GEO衛(wèi)星靜止于赤道上空,只能為中國及部分亞太地區(qū)提供功率增強(qiáng)服務(wù);GPSⅢ系統(tǒng)的MEO衛(wèi)星都可以實(shí)施功率增強(qiáng)技術(shù),可以為全球任何地區(qū)提供功率增強(qiáng)服務(wù)。

4.3 功率增強(qiáng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度

北斗系統(tǒng)的功率增強(qiáng)技術(shù)涉及的 GEO衛(wèi)星,相對于 GPSⅢ系統(tǒng)涉及的 MEO衛(wèi)星數(shù)量少、工程量較小、建成后的控制策略也相對簡單。

4.4 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的多普勒碰撞問題

北斗系統(tǒng)中 GEO衛(wèi)星播發(fā)功率增強(qiáng)信號,會帶來一個(gè) GPS系統(tǒng)所不會出現(xiàn)的問題:由于GEO衛(wèi)星相對地球靜止,多普勒頻移基本相同,導(dǎo)致碼間干擾的影響增大。同一格式信號間干擾主要受相對多普勒頻差、偽碼互相關(guān)性能、干擾信號強(qiáng)度等影響,下面建立相同信號間干擾的理論模型,分析干擾的性質(zhì)和其對碼跟蹤精度的影響。接收到的信號表示為

式中,第一項(xiàng)表示有用信號分量;第二項(xiàng)表示來自其他 N顆衛(wèi)星的干擾信號分量。ai為干擾信號相對有用信號強(qiáng)度;fDi為干擾信號相對有用信號多普勒頻差。若有用信號的載波頻率被正確跟蹤,第 k次相關(guān)器輸出為

式中,T為預(yù)積分時(shí)間;Rs(τ)為擴(kuò)頻碼自相關(guān)函數(shù);Rc(τ)為擴(kuò)頻碼互相關(guān)函數(shù)。利用式(18),可分析相同格式信號間干擾的性質(zhì):

(1)當(dāng)相對多普勒頻差大于預(yù)積分時(shí)間的倒數(shù)時(shí),干擾信號會被相干積分器平滑;

(2)當(dāng)相對多普勒頻差大于碼環(huán)路濾波器帶寬時(shí),干擾信號在相關(guān)器的輸出結(jié)果會被環(huán)路濾波器平滑;

(3)當(dāng)相對多普勒頻差小于碼環(huán)路濾波器帶寬時(shí)(多普勒碰撞),干擾信號會在相關(guān)器輸出產(chǎn)生類似多徑干擾的固定偏差,對偽碼跟蹤精度產(chǎn)生較大影響。

多普勒碰撞現(xiàn)象在信號能量相同[8]、多普勒頻率相同的兩顆衛(wèi)星上最明顯,因此距離兩顆GEO衛(wèi)星相等的地區(qū)多普勒碰撞現(xiàn)象最嚴(yán)重。隨著GEO衛(wèi)星穩(wěn)定性的提高,其位置保持的精度會越來越高,多普勒變化會更小,多普勒碰撞的效果會更明顯。

對于我國的 GEO衛(wèi)星,導(dǎo)航信號來自于相對靜止的信號源,多普勒碰撞會經(jīng)常發(fā)生,這時(shí)信號間干擾將成為偽距測量的一個(gè)主要誤差源。建立干擾信號源模型,干擾信號和有用信號強(qiáng)度相同,相對多普勒頻差為0,則相關(guān)器輸出為可以看出,信號間干擾誤差由干擾信號和有用信號的載波相位關(guān)系和擴(kuò)頻碼互相關(guān)函數(shù)決定。與前面的多徑誤差分析一樣,當(dāng)干擾信號和有用信號的載波相位相差為0°或 180°時(shí),干擾誤差最大。以 GPS的 C/A碼為例,考察擴(kuò)頻碼互相關(guān)函數(shù)如圖9所示。

圖9 C/A碼的互相關(guān)函數(shù)Fig.9 Cross-correlation function of C/A chip

結(jié)合圖9,總結(jié)C/A碼的互相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性如下:碼時(shí)延范圍內(nèi)約3/4取值為0,約1/8取值為+63,約1/8取值為-65。定義自相關(guān)函數(shù)峰值和互相關(guān)函數(shù)峰值之比為擴(kuò)頻碼的保護(hù)增益,則C/A碼的保護(hù)增益為

當(dāng)干擾信號和有用信號互相關(guān)函數(shù)位于峰值附近時(shí),干擾誤差最大。這種干擾對比底噪低1 dB的確定性干擾,沒有隨機(jī)性,并且只有在兩個(gè)信號頻率多普勒完全相同的時(shí)候才能達(dá)到上述最大值,通常情況下很小,對于 GPS系統(tǒng)可以忽略不計(jì)。但是對于播發(fā)功率增強(qiáng)信號的 GEO衛(wèi)星來說,由于衛(wèi)星間相對靜止,信號的多普勒頻率相同,導(dǎo)致互相關(guān)產(chǎn)生碼間干擾最大值,并且隨著信號能量的增加而增加。

5 結(jié) 論

對比我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與 GPSⅢ系統(tǒng)功率增強(qiáng)性能,受到衛(wèi)星總發(fā)射功率的限制,功率增強(qiáng)信號的能量強(qiáng)度和覆蓋范圍不可兼得,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求,選擇合適的信號能量強(qiáng)度和覆蓋范圍。

根據(jù) 3.2、3.3、3.4、4.5 節(jié)的分析 ,以衛(wèi)星天線發(fā)射功率27 W為例進(jìn)行計(jì)算(參照 GPS L1 C/A的總發(fā)射功率):

能量增強(qiáng)10 dB(-148.5 dBW),功率增強(qiáng)的最大覆蓋范圍半徑為1 609 km;

能量增強(qiáng)15 dB(-143.5 dBW),功率增強(qiáng)最大覆蓋范圍半徑為905 km;

能量增強(qiáng)20 dB(-138.5 dBW),功率增強(qiáng)最大覆蓋范圍半徑為509 km;

能量增強(qiáng)25 dB(-133.5 dBW),功率增強(qiáng)最大覆蓋范圍半徑為286 km;

從上述計(jì)算結(jié)果可以得出,當(dāng)我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)射功率增強(qiáng)25 dB時(shí),其最大覆蓋半徑已經(jīng)小于300 km。根據(jù) GPSⅢ計(jì)劃給出的指標(biāo),功率增強(qiáng)信號有效區(qū)域半徑為300 km。因此,增強(qiáng)功率的上界為25 dB,即達(dá)到-133.5 dBW。如果衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以發(fā)射更大的信號功率,功率增強(qiáng)的幅度和覆蓋范圍還可以進(jìn)一步提升。

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(責(zé)任編輯:宋啟凡)

Research on Power-enhanced T echnology and Coverage Areas of Global Navigation SatellitesSUN

Jin1,CHU Haibin1,DONG Haiqing1,QIN Honglei2,CHEN Zhonggui1
1.China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China;2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China

Based on in-depth research of power-enhancement of domestic and international navigation satellites,the coverage areas of GEO satellites’antenna beam under different angles of elevation are analyzed.On the basis of analysis and demonstration of power-enhanced technology and program,this paper mainly discussed the power-enhanced signal’s coverage areas of our global navigation satellite.It gave out simulations of ground receiving power and antenna beam coverage,under different power-enhancement requirements of 10 dB,15 dB,20 dB,25 dB.It gave out constraints of power-enhanced requirements to navigation satellites.It compared Chinese global navigation satellites to GPSⅢat ground receiving signal,coverage areas of power-enhanced,achievement difficulty of power-enhancement,Doppler collision problem.

navigation satellites;power-enhancement;coverage area;GEO

SUN Jin(1985—),male,master,majors in satellite navigation system′s integrity.

P228

:A

1001-1595(2011)S-0080-05

2011-01-30

修回日期:2011-03-19

孫進(jìn)(1985—),男,碩士,研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)與完好性檢測。

E-mail:Yuqing4071@gmail.com