CN頻段導(dǎo)航信號(hào)射頻兼容評(píng)估方法研究

李志蕓，白燕，盧曉春,4

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048)

0 引言

目前大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻段集中在L頻段，造成頻段資源過(guò)度擁擠，不同信號(hào)之間的協(xié)調(diào)和兼容難度增加。為了解決導(dǎo)航頻段資源緊張的問(wèn)題，國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,簡(jiǎn)稱(chēng)ITU)劃分CN頻段(5 010～5 030 MHz)供衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航使用，其中CN中的N取New和Navigation之意[1]。與L頻段相比，使用CN頻段的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是電離層延遲較小，約為L(zhǎng)頻段的1/10；另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是CN頻段的波長(zhǎng)較短，相同體積的天線，CN頻段天線增益更高[2-5]。但在工程化應(yīng)用CN頻段之前，需要考慮該頻段與相鄰業(yè)務(wù)頻段的兼容問(wèn)題。射電天文系統(tǒng)頻段(4 990～5 000 MHz)與該頻段相鄰，且射電天文望遠(yuǎn)鏡一般只接收信號(hào)，而不往外發(fā)射信號(hào)，因此它并不會(huì)對(duì)其他頻帶的任何電信業(yè)務(wù)造成干擾。但是，它自身對(duì)外界的電磁干擾卻是非常敏感。對(duì)于射電天文學(xué)來(lái)說(shuō)，廣播、雷達(dá)、人造衛(wèi)星等業(yè)務(wù)都會(huì)對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)產(chǎn)生很大影響。為射電天文分配特定的頻段并進(jìn)行保護(hù)，是關(guān)系到射電天文研究工作能否正常進(jìn)行與發(fā)展的根本問(wèn)題。因此，評(píng)估CN頻段與射電天文頻段的兼容問(wèn)題是利用CN頻段開(kāi)展導(dǎo)航業(yè)務(wù)需要考慮和解決的問(wèn)題。

為了保護(hù)射電天文系統(tǒng)不被CN頻段導(dǎo)航信號(hào)干擾，ITU出臺(tái)了CN頻段射頻兼容性分析的有關(guān)評(píng)估準(zhǔn)則[6]，但是并未給出具體的實(shí)現(xiàn)方法以及切實(shí)可行的分析工具。目前查閱到的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中[7-14]有關(guān)CN頻段導(dǎo)航信號(hào)與射電天文系統(tǒng)的兼容分析中，雖然基于ITU評(píng)估準(zhǔn)則進(jìn)行分析，但是均對(duì)該準(zhǔn)則進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，而簡(jiǎn)化后的方法只能計(jì)算CN頻段導(dǎo)航信號(hào)與射電天文系統(tǒng)是否兼容，不能具體分析天文臺(tái)站精確的干擾分布情況?；诖耍疚脑噲D尋找一種更為完善的方法彌補(bǔ)目前CN頻段射頻兼容評(píng)估理論的不足。本文沒(méi)有采用簡(jiǎn)化的ITU方法，而是在ITU射頻兼容評(píng)估準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，針對(duì)GSO(geostationary earth orbit satellite)導(dǎo)航衛(wèi)星星座以及非GSO導(dǎo)航衛(wèi)星星座，給出CN頻段射頻兼容評(píng)估的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，可以為未來(lái)無(wú)線電導(dǎo)航在CN頻段的業(yè)務(wù)拓展提供射頻兼容評(píng)估方面的技術(shù)支持，同時(shí)為射電天文系統(tǒng)在工作中選擇合適的觀測(cè)時(shí)段提供參考。

1 GMSK調(diào)制

鑒于CN頻段帶外兼容的嚴(yán)苛要求，在選擇導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方式時(shí)應(yīng)選擇帶外輻射較小，功率譜旁瓣衰減較快的信號(hào)調(diào)制方式。本文中采用GMSK(8)調(diào)制信號(hào)，其時(shí)域表達(dá)式[15]為

(1)

式(1)中，fc為載波頻率，ak為碼元信息，Tc為碼元周期，φ0為相位偏移量，是一個(gè)常量，可以設(shè)為0，矩形脈沖h(t)經(jīng)過(guò)高斯低通濾波器g(t)得到高斯型的脈沖碼元脈沖p(t)。

(2)

(3)

(4)

g(t)表達(dá)式中的σ用下式表示

(5)

式(5)中，B是高斯濾波器的3 dB帶寬，仿真時(shí)BTc=0.3。

利用Matlab對(duì)GMSK(8)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行仿真，得到功率譜進(jìn)行加窗平滑，仿真功率譜如圖1所示。

圖1 GMSK(8)功率譜圖

圖1中，GMSK(8)信號(hào)的主瓣帶寬約為24 MHz，與相同帶寬的BPSK(12)信號(hào)對(duì)比，GMSK(8)信號(hào)的旁瓣衰減較大，對(duì)相鄰頻段的干擾較小，是一種適合CN頻段的導(dǎo)航信號(hào)。

2 GSO系統(tǒng)CN頻段導(dǎo)航信號(hào)同射電天文系統(tǒng)兼容性評(píng)估

GSO衛(wèi)星有著相對(duì)穩(wěn)定的方位角和高程范圍，相對(duì)于射電天文臺(tái)站的位置不會(huì)發(fā)生變化。而目前運(yùn)行的射電望遠(yuǎn)鏡幾乎都可以看到多顆GSO衛(wèi)星。因此，它們有可能成為射電天文臺(tái)站干擾問(wèn)題的來(lái)源。

2.1 兼容評(píng)估方法

為了不對(duì)4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)的射電天文系統(tǒng)造成干擾，ITU建議由工作在5 010～5 030 MHz頻段內(nèi)的任何對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)在射電天文系統(tǒng)的10 MHz頻段內(nèi)產(chǎn)生的功率通量密度(power flux density，簡(jiǎn)稱(chēng)PFD)在任何射電天文臺(tái)處不應(yīng)超過(guò)-171 dB(W/m2)[6]。

每顆衛(wèi)星在射電天文臺(tái)處的功率通量密度記為PPFD，表達(dá)式為

(6)

式(6)中，PEIRP為衛(wèi)星的等效全向輻射功率(單位dBW)，Latm為大氣損耗(單位dB)，d為衛(wèi)星到射電望遠(yuǎn)鏡的距離(單位m)，G(f)為CN頻段導(dǎo)航信號(hào)的歸一化功率譜密度。

分析來(lái)自GSO衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號(hào)對(duì)射電天文臺(tái)站造成的干擾大小時(shí)，采用ITU-R SA.509-3建議書(shū)給出的如公式(7)所示的射電望遠(yuǎn)鏡天線增益輻射方向圖[16]。

(7)

式(7)中，Gr1(φ)為射電望遠(yuǎn)鏡天線增益(單位為dBi)；φ為離軸角(單位為°)。

ITU建議CN頻段導(dǎo)航信號(hào)在射電天文臺(tái)處的功率通量密度不得高于-171 dB (W/m2)，該值是基于射電望遠(yuǎn)鏡天線增益為0 dBi處設(shè)置的，即經(jīng)過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡天線進(jìn)入接收機(jī)的所有干擾信號(hào)產(chǎn)生的干擾電平不得高于-171 dB(W/m2)。GSO衛(wèi)星相對(duì)于天文臺(tái)的位置是固定的，只有天線的指向靠近該衛(wèi)星時(shí)才會(huì)產(chǎn)生干擾電平。干擾電平的大小與干擾信號(hào)相對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡天線主波束軸的離軸角有關(guān)，若該衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的功率通量密度為-171 dB(W/m2)時(shí)的離軸角為φ，則當(dāng)干擾信號(hào)的離軸角小于φ時(shí)會(huì)對(duì)射電天文系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而離軸角大于φ時(shí)則無(wú)干擾。

單顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的干擾天空面積與總的天空面積的比值為

(8)

式(8)中，φ為單顆衛(wèi)星的CN頻段信號(hào)到達(dá)接收機(jī)處的功率通量密度為-171 dB(W/m2)時(shí)的離軸角。

上述分析是單顆GSO衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的干擾天空面積，對(duì)于GSO衛(wèi)星星座中的每顆衛(wèi)星所產(chǎn)生的干擾均可用上述方法分析。

2.2 兼容分析

仿真參數(shù)設(shè)置如下：PEIRP=42 dBW，GSO衛(wèi)星到達(dá)天文臺(tái)站的最小距離d=35 786 km，大氣損耗Latm=0.5 dB，CN頻段導(dǎo)航信號(hào)采用GMSK(8)信號(hào)，載波中心頻率[1]為5 022.93 MHz。

將上述參數(shù)代入公式(6)得PPFD=-182 dB(W/m2)，當(dāng)來(lái)自單顆GSO衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的電平為-171 dB(W/m2)時(shí)，入射角對(duì)應(yīng)的天線增益為11 dBi，即29-25lgφ=11，則入射角度為5.25°，因此，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的指向與GSO視線方向的夾角小于5.25°時(shí)會(huì)對(duì)射電天文系統(tǒng)造成干擾，而當(dāng)角度大于5.25°時(shí)不會(huì)存在干擾。單顆GSO衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的干擾天空面積占總天空面積的比值由公式(8)可得r=0.42%。

3 非GSO系統(tǒng)CN頻段導(dǎo)航信號(hào)同射電天文系統(tǒng)兼容性評(píng)估

非GSO衛(wèi)星的數(shù)量較多，這也成為它們對(duì)射電天文系統(tǒng)造成干擾的一個(gè)重要原因。

3.1 兼容評(píng)估方法

非GSO衛(wèi)星與GSO衛(wèi)星的分析方法不同，主要是因?yàn)榉荊SO衛(wèi)星相對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡天線波束的位置隨著時(shí)間的變化而變化。ITU建議為了不對(duì)4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)的射電天文系統(tǒng)造成干擾，工作在5 010～5 030 MHz頻段內(nèi)的非對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星在4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)所產(chǎn)生的等效功率通量密度(equivalent power flux density，簡(jiǎn)稱(chēng)EPFD)，在任何天文臺(tái)站處超過(guò)-245 dB(W/m2)的時(shí)間百分比不應(yīng)超過(guò)2%[17]。等效功率通量密度是指將天線接收到的各個(gè)方向上的衛(wèi)星發(fā)射的功率通量密度，等效成在天線最大增益處所接收到的功率通量密度[18]。

等效功率通量密度計(jì)算公式如下：

(9)

(10)

式(9)和(10)中，Na為射電望遠(yuǎn)鏡可見(jiàn)的非GSO衛(wèi)星的數(shù)量，Pi為非GSO衛(wèi)星發(fā)射功率在射電天文頻段上的無(wú)用功率(單位為dBW)，θi為非GSO衛(wèi)星發(fā)射波束中心和射電望遠(yuǎn)鏡方向之間的離軸角(單位為°),Gt(θi)為非GSO衛(wèi)星在射電望遠(yuǎn)鏡方向上的發(fā)射天線增益(單位為dBi)，G(f)為CN導(dǎo)航信號(hào)的歸一化功率譜密度，di為射電望遠(yuǎn)鏡和非GSO衛(wèi)星之間的距離(單位為m)，φi為射電望遠(yuǎn)鏡指向和非GSO衛(wèi)星方向之間的離軸角(單位為°),Gr(φi)為射電望遠(yuǎn)鏡在非GSO衛(wèi)星方向的接收天線增益(單位為dBi)，Gr,max為射電望遠(yuǎn)鏡的最大接收天線增益(單位為dBi)，PEIRP為衛(wèi)星的等效全向輻射功率(單位為dBW)。

ITU建議分析非GSO衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡造成的干擾大小時(shí)，采用ITU-R RA.1631-0建議書(shū)給出的射電望遠(yuǎn)鏡天線增益模型[16],其如公式(11)所示：

(11)

式(11)中,Gr(φ)為相對(duì)于全向天線的增益(單位為dBi)，φ為離軸角(單位為°)。

在評(píng)估非GSO衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號(hào)與射電天文系統(tǒng)兼容的仿真過(guò)程如下：

①用STK軟件對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的所有非GSO衛(wèi)星進(jìn)行可見(jiàn)性仿真[19]，得到當(dāng)前時(shí)刻可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目Na，每顆衛(wèi)星相對(duì)于地面站的距離di以及方位俯仰角度。

②為地面站的射電望遠(yuǎn)鏡天線設(shè)置不同的方位俯仰角度，根據(jù)STK獲得的衛(wèi)星位置，計(jì)算出干擾信號(hào)方向同射電望遠(yuǎn)鏡指向的夾角即離軸角φi，由射電望遠(yuǎn)鏡天線增益模型即公式(11)計(jì)算出增益Gr(φi)。

(12)

(13)

(14)

③根據(jù)CN頻段導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方式計(jì)算出歸一化功率通量密度G(f)，最后將各參數(shù)帶入公式(10)即可得到當(dāng)前時(shí)刻的等效功率通量密度。

④仿真一段時(shí)間后計(jì)算在該時(shí)間段內(nèi)EPFD超過(guò)-245 dB(W/m2)的時(shí)間占總時(shí)間的百分比。在仿真時(shí)，仿真時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于非GSO衛(wèi)星星座運(yùn)行周期，且仿真時(shí)間越長(zhǎng)，最后結(jié)果越準(zhǔn)確。

3.2 兼容仿真分析

利用STK工具對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的非GSO衛(wèi)星星座進(jìn)行可見(jiàn)性仿真，該星座包括6顆IGSO衛(wèi)星和3顆MEO衛(wèi)星，天文臺(tái)站地點(diǎn)選擇三亞、西安、長(zhǎng)春，仿真時(shí)間為20 d，時(shí)間間隔為1 min，CN頻段導(dǎo)航信號(hào)采用GMSK(8)信號(hào)，PEIRP=42 dBW，大氣損耗Latm=0.5 dB，計(jì)算射電望遠(yuǎn)鏡不同指向下EPFD超出-245 dB(W/m2)的時(shí)間占總時(shí)間的百分比。仿真結(jié)果示于圖2至圖4，分別代表三亞、西安、長(zhǎng)春3處天文臺(tái)站的干擾分布，橫坐標(biāo)為射電望遠(yuǎn)鏡的方位角，縱坐標(biāo)為射電望遠(yuǎn)鏡的仰角，最右側(cè)欄不同顏色代表EPFD超出-245 dB(W/m2)的時(shí)間百分比。

圖2 三亞站干擾分布

圖3 西安站干擾分布

圖4 長(zhǎng)春站干擾分布

干擾時(shí)間不超過(guò)2%的指向是滿足兼容的，對(duì)圖2至圖4中不同地區(qū)干擾情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，滿足兼容的指向占總指向的百分比如表1所示。

表1 不同地區(qū)滿足兼容的天線指向占總指向的百分比

由表1可以看出，3個(gè)地區(qū)均有超過(guò)一半的指向是滿足兼容條件的，不同地區(qū)的兼容程度與該地上空的衛(wèi)星覆蓋度有關(guān)。對(duì)比圖2至圖4中西安、三亞、長(zhǎng)春3個(gè)地區(qū)的干擾分布圖可得，干擾的指向多集中在方位角為180°附近，以及高仰角處，并且隨著緯度變化而變化。

對(duì)干擾較大的指向進(jìn)一步分析其EPFD隨時(shí)間的變化情況。對(duì)三亞、西安和長(zhǎng)春三站任選兩個(gè)干擾時(shí)間超過(guò)2%的射電望遠(yuǎn)鏡指向，仿真其EPFD隨時(shí)間累積的變化情況，仿真結(jié)果如圖5至圖7所示。

圖5 三亞站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖6 西安站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖7 長(zhǎng)春站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖5至圖7中，在文中所選擇射電望遠(yuǎn)鏡的指向下，累積時(shí)間為4 000 min，EPFD超過(guò)-245 dB(W/m2)的干擾時(shí)間與總時(shí)間的比值均大于2%，會(huì)給射電天文觀測(cè)帶來(lái)干擾。但是從圖中可以看出，無(wú)論數(shù)據(jù)損失的百分比大或小，EPFD變化都是有規(guī)律的，在大部分時(shí)間均低于-245 dB(W/m2)。對(duì)圖5至圖7中的最大無(wú)干擾時(shí)段以及平均無(wú)干擾時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同站點(diǎn)不同指向下的干擾時(shí)間分析

表2中，文中所選擇的干擾指向下，最長(zhǎng)無(wú)干擾時(shí)間段以及平均無(wú)干擾時(shí)間段均大于6 h，由圖5至圖7以及表2可以得出，對(duì)于不滿足兼容的天線指向，一般會(huì)有連續(xù)較長(zhǎng)一段不受CN頻段導(dǎo)航信號(hào)干擾的時(shí)間段，之后會(huì)出現(xiàn)較短的受到CN頻段導(dǎo)航信號(hào)干擾的時(shí)間段，如此重復(fù)。因此，在實(shí)際工作中，可以通過(guò)上述分析方法選取無(wú)干擾的有效觀測(cè)時(shí)段，從而保證天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)CN頻段導(dǎo)航信號(hào)同射電天文系統(tǒng)的兼容評(píng)估方法進(jìn)行研究，給出一種實(shí)現(xiàn)ITU評(píng)估準(zhǔn)則的具體實(shí)施方法。GSO衛(wèi)星相對(duì)天文臺(tái)站的位置是固定的，通過(guò)本文方法可計(jì)算得出每顆衛(wèi)星所對(duì)應(yīng)的干擾區(qū)域。非GSO衛(wèi)星相對(duì)于天文臺(tái)站的位置隨著時(shí)間的變化而變化，基于本文方法可得出射電望遠(yuǎn)鏡不同指向下的干擾情況，對(duì)于某些干擾較大的指向，通過(guò)進(jìn)一步分析其等效功率通量密度隨時(shí)間的變化情況，可以找到無(wú)干擾的時(shí)間段，這可為射電天文臺(tái)站選擇合適的觀測(cè)時(shí)段提供參考，同時(shí)本文研究可為CN頻段導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)提供射頻兼容評(píng)估方面的技術(shù)支持。