民用航空測距信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾研究

張愛勇

【摘 要】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)不可避免地受到各種無線電設(shè)備的干擾，其中民用航空測距信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾成為北斗應(yīng)用推廣中的一大問題。分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號和民用航空測距信號對頻率資源的使用情況和信號特點(diǎn)，提供了適用于民用航空測距信號的脈沖干擾計(jì)算模型和干擾效果評估方法，為北斗導(dǎo)航信號的干擾評估和頻率保護(hù)提供參考。

【關(guān)鍵詞】北斗導(dǎo)航 航空測距信號 DME 脈沖干擾 干擾計(jì)算

中圖分類號：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）09-0081-04

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)定位、測速和授時(shí)，近年來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國家戰(zhàn)略得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無論是在軍用領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。但是在不斷推廣和應(yīng)用的過程中，一些問題也變得越來越突出，特別突出在北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的兼容問題。一方面衛(wèi)星導(dǎo)航信號到達(dá)地面時(shí)的信號很弱，極易受到電磁信號的干擾[1-4]。另一方面北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1、B2和B3頻點(diǎn)所處的頻段內(nèi)除衛(wèi)星導(dǎo)航無線電業(yè)務(wù)外還有無線電測定、通信等多種業(yè)務(wù)，即使不考慮軍用設(shè)備的有意干擾，在民用領(lǐng)域存在的大量信號發(fā)射設(shè)備，例如廣播電視發(fā)射臺、微波傳輸設(shè)備、民用航空測距設(shè)備等，在不進(jìn)行有效規(guī)劃的情況下，都會對北斗接收機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[5-7]。

對北斗導(dǎo)航信號的干擾可以分為連續(xù)干擾和脈沖干擾，目前在對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性研究方面，國外GPS等系統(tǒng)作了大量研究，但隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和地面無線電信號種類的增多，導(dǎo)航接收機(jī)干擾效果的評估理論還處在研究發(fā)展階段，特別是對脈沖干擾的評估方法還需要進(jìn)行更多深入研究。在產(chǎn)生脈沖干擾的系統(tǒng)中，典型的應(yīng)用場景是民用航空無線電導(dǎo)航系統(tǒng)測距儀（DME，Distance Measuring Equipment）。民用航空測距信號的干擾大量存在且不可避免，這種脈沖可能會導(dǎo)致北斗導(dǎo)航接收機(jī)的跟蹤和解碼失敗。因此本文針對民用航空測距信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾進(jìn)行了分析，可為今后制定相應(yīng)的北斗接收機(jī)頻率保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號的信號特征

近年來我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在其國際化發(fā)展方面取得了積極進(jìn)展，越來越多的國際組織開始接納北斗接收機(jī)作為定位業(yè)務(wù)設(shè)備。例如2014年6月，國際海事組織導(dǎo)航、通信與搜救分委員會第一次會議順利通過了對北斗系統(tǒng)性能的技術(shù)審議，基本認(rèn)可北斗系統(tǒng)作為世界無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分。北斗系統(tǒng)的國際化工作正如火如荼地開展，其中一個(gè)重要的問題就是實(shí)施對北斗接收機(jī)的頻率保護(hù)[9-11]。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的干擾保護(hù)方面，各國無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)及國際化組織已經(jīng)針對GPS、Galileo、GLONASS等系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了針對上述系統(tǒng)各類型導(dǎo)航接收機(jī)的干擾評估方法和對接收機(jī)的干擾保護(hù)方案。對接收機(jī)干擾效果評估的一般方法是計(jì)算干擾信號產(chǎn)生的干信比或等效信噪比，再根據(jù)接收機(jī)性能計(jì)算接收機(jī)正常工作、受到容許干擾、受到有害干擾等不同情況下的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。其中，計(jì)算干擾信號的等效信噪比或干信比是評估方法的基礎(chǔ)，而這個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法隨著干擾信號的形式、接收機(jī)類型、接收機(jī)對信號的處理方式的不同而不同。目前國內(nèi)對北斗導(dǎo)航接收機(jī)的頻率保護(hù)還很薄弱，沒有完善的針對北斗系統(tǒng)頻譜資源的管理方案，也沒有相應(yīng)的射頻干擾分析評估系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對北斗接收機(jī)受干擾情況的正確評估，首先研究北斗信號的信號特點(diǎn)，表1和表2分別是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在區(qū)域和全球兩個(gè)服務(wù)階段的信號體制：

為保證北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性，B1-C（1575.42 MHz），B2a（1176.45 MHz）和B2b（1207.14 MHz）為三個(gè)互操作信號?？疾毂倍稡2信號，信號經(jīng)過AltBOC（15， 10）調(diào)制方式調(diào)制，產(chǎn)生的分裂譜包括上邊帶和下邊帶，B2a為低端的邊帶，其中心頻率為1176.45 MHz，與GPS系統(tǒng)的L5信號和Galileo的E5a信號實(shí)現(xiàn)頻率兼容，有利于互操作的實(shí)現(xiàn)[8]。但是該頻段附近也有很多產(chǎn)生干擾的系統(tǒng)和設(shè)備，例如工作在960—1215 MHz的民用航空測距系統(tǒng)，它產(chǎn)生典型的脈沖信號，會對北斗接收機(jī)產(chǎn)生影響，需要對該類信號與北斗接收機(jī)間的兼容性進(jìn)行評估分析。

3 民用航空測距信號的信號特征

作為被國際民航組織批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測距系統(tǒng)，測距儀在民用航空領(lǐng)域得到廣泛使用。民用航空測距信號是一種脈沖信號，其頻段與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的部分頻段重疊，會對導(dǎo)航信號產(chǎn)生不同程度的干擾，為了判定干擾的程度，從信號特征入手研究脈沖信號的干擾評估方法。DME波道頻率如圖1所示。

民用航空測距系統(tǒng)發(fā)射的信號為脈沖形式。系統(tǒng)中包括機(jī)載的詢問器和地面信標(biāo)應(yīng)答機(jī)。在航空系統(tǒng)中，詢問器發(fā)射一種隨機(jī)化的低速脈沖對序列，脈沖之間的間隔固定。從工作頻率方面來說，民用航空測距信號的頻率范圍在962—1213 MHz之間，每隔1 MHz有一個(gè)波道，在該頻率范圍內(nèi)一共劃分了252個(gè)波道。從頻段帶寬使用方面來看，如圖1所示為DME設(shè)備波道的頻率占用情況，1025—1150 MHz的頻段作為詢問頻率，962—1025 MHz和1150—1213 MHz頻段作為應(yīng)答頻率。當(dāng)DME詢問信號在X波段64-126信道時(shí)，地面應(yīng)答信號的頻率在1151—1213 MHz，落在北斗信號的頻率范圍內(nèi)（北斗B2a信號，中心頻率1176.45 MHz），對北斗信號產(chǎn)生干擾，并且干擾主要來源于工作在X-mod的地面DME應(yīng)答設(shè)備。民用航空測距信號可用（1）式表示：

其中Ppk是峰值電平。一般來說典型的測距系統(tǒng)的高斯脈沖波形按照50%峰值電平來計(jì)算有3.5μs的寬度，則上述函數(shù)中脈沖波形衰減因子α的取值為4.51×1011。

對于低于消隱器門限的脈沖來說，定義等效的矩形脈沖寬度PWeq：

在（2）式中代入p（t）高斯脈沖函數(shù)式可以得到等效的矩形脈沖寬度為PWeq=2.64μs；對于高于消隱器門限的強(qiáng)脈沖來說，如果接收到的脈沖峰值功率為PREC，消隱器門限值為PTHR，則有：

設(shè)消除的脈沖寬度為x，由（3）式解得t并帶入x=2t得到高于消隱器門限的脈沖寬度：

4 航空測距信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾評估方法

民用航空測距信號落入北斗信號帶內(nèi)，對其產(chǎn)生干擾，如圖2所示為接收機(jī)帶內(nèi)噪聲-97 dBm、距離地面122 km的某地DME信號強(qiáng)度圖：

在實(shí)際應(yīng)用中，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)有不同的抗干擾措施，因此，需要根據(jù)北斗信號類型、接收機(jī)類型和干擾信號類型，制定不同的干擾效果評估方法。假設(shè)接收機(jī)對付脈沖干擾和噪聲的主要手段是脈沖屏蔽器，則該屏蔽器的功能是在噪聲及干擾的能量低于某一門限時(shí)，讓信號與噪聲通過；而當(dāng)超過門限時(shí)，則切斷信號通道，使其不能進(jìn)入相關(guān)器。因此當(dāng)脈沖超過門限時(shí)會造成無衛(wèi)星信號的情況，分析由此引起的載噪比惡化，進(jìn)而可以得到等效噪聲功率譜密度[12]，如式（5）所示：

利用上述民用航空測距信號的特點(diǎn)和表達(dá)式得到脈沖寬度以及脈沖重復(fù)周期，可以確定測距系統(tǒng)的脈沖參數(shù)PDCi。

PDCi=（PWEFF，i+τr）PRFi （7）

PRFi為脈沖頻率，τr為RNSS接收機(jī)過載恢復(fù)時(shí)間，PWEFF，i是有效的接收脈沖寬度。使用該干擾信號功率譜密度計(jì)算方法可以得到測距系統(tǒng)對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的干擾水平。進(jìn)而可以對某一區(qū)域的DME干擾環(huán)境進(jìn)行分析，得到由民用航空測距信號引起的北斗接收機(jī)的載噪比惡化情況，如圖3所示：

5 結(jié)束語

本文對民用航空測距信號和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性進(jìn)行研究，針對接收機(jī)的受干擾程度提出了相應(yīng)的脈沖干擾評估方法。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展過程中，導(dǎo)航信號與其他無線點(diǎn)信號的兼容性和互操作性是一個(gè)需要持續(xù)關(guān)注的主要問題，需要逐步完善修正干擾評估方法，逐步建立干擾評估模型，并進(jìn)一步研究干擾抑制和頻率保護(hù)的方法，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的良好應(yīng)用提供技術(shù)支撐保障。

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