衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂志成, 李蓬蓬, 李立勛

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

1997年,美軍針對(duì)其全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)面臨日益嚴(yán)峻電磁干擾問題提出了導(dǎo)航戰(zhàn)的概念,其核心思想是在復(fù)雜電子環(huán)境中,使已方部隊(duì)有效利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),同時(shí)阻止敵方使用該系統(tǒng)[1-2]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)技術(shù)作為導(dǎo)航戰(zhàn)體系的重要組成部分,是提升系統(tǒng)抗干擾能力最直接、最有效的措施。新一代的GPS Ⅲ衛(wèi)星具備向1 000～1 400 km直徑范圍內(nèi)播發(fā)M碼點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)的能力,最低接收功率電平達(dá)到-138 dBW,可以為軍事單位和用戶提供高功率、強(qiáng)方向性的信號(hào),從而有效提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力,保證其在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的正常使用[3-5]。

點(diǎn)波束技術(shù)已在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,文獻(xiàn)[6-7]分別從覆蓋區(qū)域接收增益均衡角度研究了低軌衛(wèi)星點(diǎn)波束天線的設(shè)計(jì)模型和算法。文獻(xiàn)[8-9]研究了地球同步軌道(geosynchronous earth orbit,GEO)衛(wèi)星點(diǎn)波束覆蓋性能;梁松柏等學(xué)者從場(chǎng)景通用覆蓋需求角度出發(fā),分析了波束權(quán)值方向角、傾角、水平波束寬度、垂直波束寬度四元組參數(shù)的多種組合及其覆蓋性能[10]。文獻(xiàn)[11-14]從優(yōu)化波束指向、控制策略角度研究了點(diǎn)波束設(shè)計(jì)及分析評(píng)估方法。在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域。文獻(xiàn)[15]全面介紹了GPS Ⅲ衛(wèi)星的點(diǎn)波束作用、性能及應(yīng)用方式。文獻(xiàn)[16-17]詳細(xì)介紹了GPS M碼功率增強(qiáng)信號(hào)的設(shè)計(jì)原則、技術(shù)指標(biāo)、調(diào)制方式等。孫進(jìn)等在系統(tǒng)層面仿真分析我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中GEO衛(wèi)星在不同俯仰角天線波束的地面覆蓋區(qū)域,研究我國(guó)衛(wèi)星系統(tǒng)功率增強(qiáng)信號(hào)不同功率增強(qiáng)條件下地面接收功率、天線波束覆蓋范圍等,提出了功率增強(qiáng)要求對(duì)于衛(wèi)星的約束條件[18]。文獻(xiàn)[19]中初步探討了點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)幅度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。總體來講,點(diǎn)波束技術(shù)在通信領(lǐng)域主要圍繞接收增益均衡、通信覆蓋連續(xù)性、波束控制策略等方面開展研究;在導(dǎo)航領(lǐng)域,面向?qū)Ш綉?zhàn)的點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)設(shè)計(jì)側(cè)重信號(hào)覆蓋范圍、導(dǎo)航服務(wù)精度、空間幾何分布等指標(biāo),由于我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座由不同類型衛(wèi)星構(gòu)成,點(diǎn)波束功率增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步開展深入且全面的研究。

信號(hào)增強(qiáng)幅度、波束寬度和掃描范圍是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)。點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)幅度的選取不僅受到衛(wèi)星載荷性能的約束,還要考慮功率增強(qiáng)后信號(hào)的性能提升效果,以及對(duì)其他信號(hào)的影響等多種因素。在衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)總能量不變的條件下,增強(qiáng)信號(hào)功率通過減小波束寬度來實(shí)現(xiàn),因此信號(hào)的波束寬度決定了功率增強(qiáng)量,波束寬度越小則功率增強(qiáng)幅度越大。通常,功率增強(qiáng)信號(hào)的波束寬度較窄,瞬時(shí)覆蓋面積十分有限,為了擴(kuò)大功率增強(qiáng)信號(hào)的應(yīng)用范圍,要求發(fā)射天線具有一定的掃描范圍。波束寬度和掃描范圍共同確定了點(diǎn)波束信號(hào)的覆蓋特性。

論文主要研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)的幅度、波束角和掃描角等參數(shù)的影響因素及設(shè)計(jì)依據(jù)。我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段是由GEO、傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO)和中軌道(medium earth orbit,MEO)衛(wèi)星構(gòu)成的混合星座,在此基礎(chǔ)上給出了一組點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

1 點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)幅度優(yōu)化設(shè)計(jì)

載噪比(carrier noise ratio,CNR)即載波功率與噪聲功率譜密度的比值,是常用來表征接收機(jī)所接收衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo),接收信號(hào)的強(qiáng)度又直接決定了其偽距測(cè)量精度進(jìn)而影響接收機(jī)定位解算的精度。

1.1 點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)幅度對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響

信號(hào)捕獲、載波跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)性能取決于接收機(jī)中相關(guān)器輸出端的信號(hào)干擾噪聲比值(signal to interference plus noise ratio,SINR)。在存在干擾的情況下,準(zhǔn)確計(jì)算接收機(jī)相關(guān)器輸出端的SINR值是非常復(fù)雜的,工程上一般采用等效CNR(CNReff)來衡量干擾條件下接收機(jī)接收到的無線電導(dǎo)航信號(hào)的質(zhì)量,其取值與接收信號(hào)的強(qiáng)度、干擾信號(hào)的強(qiáng)度以及接收機(jī)噪聲等因素有關(guān)。在干擾信號(hào)為連續(xù)譜形式時(shí),接收信號(hào)的CNReff[20]可以表示為

(1)

式中:CNR表示無干擾情況下接收信號(hào)CNR;N表示干擾信號(hào)數(shù)量;JSRn表示第n(n=1,2,…,N)干擾信號(hào)與接收信號(hào)的功率比值,干擾信號(hào)包括外部人為干擾信號(hào)、導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)其他衛(wèi)星信號(hào)以及其他導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào);RC為擴(kuò)頻碼速率;Qn是由期望信號(hào)和干擾信號(hào)的調(diào)制方式、功率譜密度等確定的信號(hào)抗干擾品質(zhì)因數(shù),其定義式為

(2)

抗干擾品質(zhì)因數(shù)反映了干擾對(duì)信號(hào)的影響程度,Q值越大,說明干擾對(duì)信號(hào)的影響越小;反之Q值越小,說明干擾對(duì)信號(hào)的影響越大。

下面以GPS L1M信號(hào)為例,分別針對(duì)無干擾和有干擾兩種條件分析功率增強(qiáng)幅度對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。

(1) 無干擾條件下,功率增強(qiáng)幅度對(duì)信號(hào)CNReff的影響

不考慮干擾信號(hào)的影響,假設(shè)信號(hào)初始CNR均為40 dB·Hz,GPS L1 M信號(hào)功率增強(qiáng)幅度與CNReff的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 GPS-L1M信號(hào)功率增強(qiáng)量對(duì)CNReff的影響Fig.1 The effect of GPS L1M signal power enhancement amplitude on equivalent CNReff

從圖1中可以看到:① 隨著功率增強(qiáng)量的增加,信號(hào)CNReff逐漸增加,并且受功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量影響的差異逐漸明顯;② 功率增強(qiáng)量在20 dB內(nèi)時(shí),期望信號(hào)CNReff的提升量與功率增強(qiáng)量近似成線性關(guān)系,并且表現(xiàn)在不同功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量和信號(hào)調(diào)制類型上的差異不大,信號(hào)功率增強(qiáng)效果最好,效率最高;③ 功率增強(qiáng)量在20～30 dB之間時(shí),期望信號(hào)CNReff提升緩慢,信號(hào)功率增強(qiáng)效果有限,效率較低;④ 功率增強(qiáng)量超過30 dB后,期望信號(hào)CNReff取值趨于穩(wěn)定,信號(hào)功率增強(qiáng)效果不明顯,效率最低;⑤ 功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量越多,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)CNReff取值越小。

(2) 有干擾條件下,功率增強(qiáng)幅度對(duì)信號(hào)CNReff的影響

以匹配譜干擾信號(hào)為例,固定噪聲功率譜密度N0取值為-202.7 dBW/Hz,可以計(jì)算得到GPS L1 M信號(hào)的抗干擾品質(zhì)因數(shù)為2.3,假設(shè)接收機(jī)同時(shí)接收10顆功率增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào),圖2繪出了GPS L1 M信號(hào)在不同干擾信號(hào)強(qiáng)度條件下的CNReff變化曲線。可以看出,在干擾信號(hào)強(qiáng)度一定時(shí),增加衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射功率可以提高期望信號(hào)的CNReff;當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)度較小時(shí),對(duì)期望信號(hào)的影響可以忽略;當(dāng)干擾信號(hào)的強(qiáng)度增加到一定程度后,期望信號(hào)的CNR將出現(xiàn)明顯下降,功率增強(qiáng)幅度越大,引起CNR下降所需要的外部干擾信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)。

圖2 干擾信號(hào)強(qiáng)度對(duì)GPS-L1M信號(hào)CNReff的影響Fig.2 The effect of interference signal intensity on equivalent CNR of GPS L1M signal

從圖2中還可以看到,當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)度小于-110 dBm時(shí),接收信號(hào)CNReff幾乎不受干擾信號(hào)強(qiáng)度變化的影響,功率增強(qiáng)信號(hào)幅度在小于20 dB時(shí),接收信號(hào)CNReff與功率增強(qiáng)幅度近似等比例增加,超過20 dB后繼續(xù)提高功率增強(qiáng)信號(hào)的幅度對(duì)CNReff的改善效果不再明顯;當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)度超過-110 dB,接收信號(hào)CNReff隨干擾信號(hào)強(qiáng)度的增加迅速下降,此時(shí)接收機(jī)可以采取主動(dòng)抗干擾措施如使用自適應(yīng)天線陣、采用高性能的抗干擾算法等,進(jìn)一步提高其抗干擾能力。

干擾信號(hào)容限定義為在滿足信號(hào)接收需要的最低CNReff(即靈敏度)要求前提下,允許的最大干擾信號(hào)功率。表1列出了信號(hào)未進(jìn)行功率增強(qiáng)和功率增強(qiáng)20 dB時(shí),各導(dǎo)航信號(hào)對(duì)應(yīng)的干擾信號(hào)容限。從表1中可以看出,當(dāng)接收靈敏度一定時(shí),功率增強(qiáng)信號(hào)比未進(jìn)行功率增強(qiáng)時(shí)具有更大的干擾容限,干擾容限提高量與信號(hào)功率增強(qiáng)量基本相當(dāng),約20 dB左右。當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)度介于未進(jìn)行功率增強(qiáng)信號(hào)和功率增強(qiáng)信號(hào)干擾容限之間時(shí),接收機(jī)只能接收到功率增強(qiáng)信號(hào),為實(shí)現(xiàn)定位解算,需合理規(guī)劃功率增強(qiáng)衛(wèi)星的空間分布,使得功率增強(qiáng)信號(hào)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋重?cái)?shù)和空間幾何結(jié)構(gòu)滿足導(dǎo)航服務(wù)性能要求。

表1 不同接收靈敏度條件下,GPS L1M信號(hào)干擾容限Table 1 Interference tolerance of GPS L1M signal under different receiving sensitivity

1.2 點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)幅度對(duì)測(cè)距精度的影響

當(dāng)接收信號(hào)中沒有多徑或其他失真,在接收機(jī)碼跟蹤延遲鎖定環(huán)(delay lock loop,DLL)中主要測(cè)距誤差源是熱噪聲距離誤差抖動(dòng)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。為了簡(jiǎn)化分析,暫忽略動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的影響,以GPS M碼為例分析功率增強(qiáng)條件下的導(dǎo)航信號(hào)偽距測(cè)量精度?，F(xiàn)代化GPS M碼使用了BOCS(10,5)調(diào)制技術(shù),當(dāng)采用非相干超前減滯后功率型DLL鑒別器,接收機(jī)E-L相關(guān)器間距小于1/5個(gè)碼片時(shí),由熱噪聲引起的碼相位測(cè)量誤差均方差σtM(單位:chip)[21]可近似表示為

--------------------

(3)

--------------------

式中:C/N0表示接收信號(hào)CNR,單位:Hz;Tcoh表示相干積分時(shí)間,單位:s;BL為環(huán)路噪聲帶寬,單位:Hz;TC為碼片周期,單位:s;Bfe表示雙邊前端帶寬,單位:Hz。文獻(xiàn)[22]分析結(jié)果表明,對(duì)于GPS M碼信號(hào),接收機(jī)雙邊前端帶寬Bfe取24 MHz時(shí)具有最佳的環(huán)路性能,因此后續(xù)分析中均假定Bfe=24 MHz。

假設(shè)信號(hào)初始CNR均為40 dB·Hz,圖3和圖4分別是在4顆、6顆、8顆和10顆功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量條件下,功率增強(qiáng)信號(hào)和非功率增強(qiáng)信號(hào)的偽距測(cè)量精度隨功率增強(qiáng)量的變化曲線,表2給出了10顆功率增強(qiáng)衛(wèi)星條件下具體的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。可以看到:

表2 不同功率增強(qiáng)幅度條件下的偽碼測(cè)量精度

圖3 功率增強(qiáng)量對(duì)功率增強(qiáng)信號(hào)DLL誤差的影響Fig.3 Effect of power enhancement amplitude on DLL error of power enhancement signal

圖4 功率增強(qiáng)量對(duì)非功率增強(qiáng)信號(hào)DLL誤差的影響Fig.4 Effect of power enhancement on DLL error of non-power enhancement signal

(1) 功率增強(qiáng)量在0～20 dB時(shí),功率增強(qiáng)信號(hào)偽距測(cè)量精度隨功率增強(qiáng)量的增大近線性減小,不同功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量間的差異可以忽略不計(jì);超過20 dB后,功率增強(qiáng)信號(hào)偽距測(cè)量精度變化幅度逐漸降低并趨于恒定,功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量越多,所能達(dá)到的最小偽距測(cè)量誤差越大,功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)在10顆以內(nèi)時(shí),最小偽距測(cè)量精度差異在1～2 cm;

(2) 功率增強(qiáng)幅度在0～20 dB時(shí),非功率增強(qiáng)信號(hào)偽距測(cè)量精度幾乎不受功率增強(qiáng)量和功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)的影響;超過20 dB后,非功率增強(qiáng)信號(hào)偽距測(cè)量誤差迅速增大,功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量越多,偽距測(cè)量誤差越大。

2 點(diǎn)波束信號(hào)波束角和掃描角優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)波束信號(hào)覆蓋區(qū)和作用區(qū)的定義

通常衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)波束中心指向星下點(diǎn)垂直入射,信號(hào)波束寬度和發(fā)射功率可保證地球表面地平面以上用戶均能正常接收信號(hào),如圖5所示,其中α為信號(hào)半波束角,定義為波束邊沿距離波束中心的角度;σmin為允許最小截止角,由接收機(jī)根據(jù)測(cè)距質(zhì)量要求確定,考慮到低仰角時(shí)地面環(huán)境熱噪聲以及因仰角不同所產(chǎn)生的大氣傳播時(shí)延和多路徑影響較大,實(shí)際應(yīng)用中一般取5°～15°;β1+β2為信號(hào)覆蓋地心角,此時(shí)β1=β2。在使用點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)時(shí),信號(hào)波束中心不再固定指向地球中心且波束角被限制在一定的范圍內(nèi)[15,18]。如圖6所示,其中η稱為波束側(cè)擺角,定義為點(diǎn)波束中心偏離衛(wèi)星與星下點(diǎn)連線的角度,ηmax稱為點(diǎn)波束信號(hào)的掃描角;σ1和σ2分別為波束覆蓋區(qū)域邊沿處最大和最小觀測(cè)角;β1+β2為信號(hào)覆蓋地心角,此時(shí)β1≠β2。根據(jù)幾何關(guān)系,可以得到:

圖5 正常信號(hào)覆蓋范圍Fig.5 Coverage range of normal signal

圖6 點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋范圍Fig.6 Coverage range of spot beam power enhancement signal

(4)

(5)

式(4)～式(5)對(duì)η<α(波束覆蓋區(qū)域位于星下點(diǎn)兩側(cè))和η≥α(波束覆蓋區(qū)域位于星下點(diǎn)同側(cè))均成立。當(dāng)α和η都給定后,便可以求出覆蓋區(qū)域邊沿點(diǎn)的觀測(cè)角:

(6)

(7)

由上述分析可知,與正常信號(hào)相比,由于點(diǎn)波束側(cè)擺角的存在和波束寬度的限制,使得點(diǎn)波束信號(hào)在側(cè)擺角一定時(shí)的瞬時(shí)覆蓋區(qū)域與遍歷波束掃描范圍所能夠覆蓋到的區(qū)域之間存在差異,為了區(qū)分這兩種情況,本文分別稱為點(diǎn)波束信號(hào)的作用區(qū)和覆蓋區(qū)[23-24]。

點(diǎn)波束信號(hào)的作用區(qū)地心角可以表示為

(8)

點(diǎn)波束信號(hào)的覆蓋區(qū)地心角可表示為

(9)

此時(shí),地面目標(biāo)點(diǎn)可視衛(wèi)星最小截止角為

(10)

可見,與正常導(dǎo)航信號(hào)不同,點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)的作用區(qū)和覆蓋區(qū)不再重合,信號(hào)半波束角α越小、波束掃描角ηmax越大,兩者間的差異越明顯。為了達(dá)到一定的功率增強(qiáng)幅度,功率增強(qiáng)信號(hào)波束角往往很小。比如對(duì)于MEO衛(wèi)星來說,功率增強(qiáng)20 dB時(shí),要求信號(hào)半波束角約為1.31°(正常信號(hào)波束角超過13.21°),因此,功率增強(qiáng)信號(hào)的作用區(qū)范圍主要由波束角決定,而覆蓋區(qū)范圍主要由波束掃描范圍角決定。在功率增強(qiáng)星座優(yōu)化設(shè)計(jì)中,對(duì)于單目標(biāo)覆蓋或多目標(biāo)分時(shí)覆蓋的應(yīng)用,可以認(rèn)為位于功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋區(qū)內(nèi)的所有目標(biāo)點(diǎn)可被“同時(shí)”覆蓋;對(duì)于多目標(biāo)同時(shí)覆蓋的應(yīng)用,只有位于功率增強(qiáng)信號(hào)作用區(qū)內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)才能被同時(shí)覆蓋。

2.2 點(diǎn)波束信號(hào)波束角和掃描角的選取

圖7 點(diǎn)波束信號(hào)波束角與覆蓋范圍Fig.7 Angle and coverage range of spot beam signal

根據(jù)幾何知識(shí)可知:

(11)

(12)

(13)

表3 不同截止角條件下點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋范圍Table 3 The coverage range of spot beam power enhancement signal under different cut-off angles

在功率增強(qiáng)應(yīng)用中,利用式(11)～式(13)可以分析點(diǎn)波束信號(hào)掃描范圍和半波束角確定條件下波束信號(hào)的覆蓋性能;也可以將點(diǎn)波束信號(hào)覆蓋范圍作為設(shè)計(jì)目標(biāo),反推得到點(diǎn)波束信號(hào)需要滿足的最大偏移角度φ,如果已知信號(hào)半波束角取值,便可進(jìn)一步求得所需的最小掃描范圍角。下面討論功率增強(qiáng)點(diǎn)波束信號(hào)半波束角的選取方法和依據(jù)。

根據(jù)信號(hào)傳播定律,衛(wèi)星發(fā)射天線的等效全向輻射功率(effective isotropic radiated power,EIRP)可以表示為

EIRP=ρS=ρ[2πr2(1-cosα)]

(14)

式中:ρ表示信號(hào)通量密度;S表示信號(hào)輻射面積;α表示天線輻射半波束角;r表示信號(hào)傳播距離。天線增益定義為在輸入功率相等的條件下,實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比,定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。在信號(hào)發(fā)射功率恒定即EIRP確定的條件下,當(dāng)天線輻射半波束角由α0變?yōu)棣?,根據(jù)式(14)可以計(jì)算得到天線增益為

(15)

假設(shè)衛(wèi)星天線輸入功率恒定,GEO/IGSO和MEO正常信號(hào)半波束角α0分別取值為8.65°和13.21°。表4給出了不同天線增益條件下,功率增強(qiáng)信號(hào)波束角、覆蓋半徑及覆蓋面積的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。仿真結(jié)果表明,隨著發(fā)射信號(hào)半波束角的減小,信號(hào)增益逐漸增大,相應(yīng)的覆蓋半徑和覆蓋面積逐漸減小。當(dāng)信號(hào)增益達(dá)到20 dB時(shí),GEO/IGSO和MEO衛(wèi)星的信號(hào)半波束角分別減小至0.86°和1.31°,覆蓋半徑分別為542 km和494 km。

表4 不同功率增強(qiáng)幅度條件下點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋范圍Table 4 Coverage range of spot beam power enhancement signal under different power enhancement amplitude

3 結(jié) 論

通過對(duì)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋特性的分析,得到以下結(jié)論:

(1) 信號(hào)功率增強(qiáng)幅度在0～20 dB時(shí),可近似正比提高信號(hào)的CNReff及偽距精度,效率最高,且可以等幅度提高信號(hào)的干擾容限。

(2) 波束角和掃描角決定了功率增強(qiáng)信號(hào)的作用范圍和覆蓋范圍,波束角一般由功率增強(qiáng)幅度決定,掃描角可以根據(jù)功率增強(qiáng)信號(hào)的覆蓋區(qū)范圍要求進(jìn)行確定。

依據(jù)本文設(shè)計(jì)方法,優(yōu)化得到一組適用于混合星座的點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)工作參數(shù)，在功率增強(qiáng)幅度20 dB條件下，GEO/IGSO衛(wèi)星半波束角取值0.86°，掃描角取值7.79°；MEO衛(wèi)星半波束角取值1.31°，掃描角取值11.90°。在這組參數(shù)條件下,通過調(diào)整波束指向使仰角大于0°的地面坐標(biāo)點(diǎn)均可以被點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋,其中GEO/IGSO衛(wèi)星信號(hào)可以作用于半徑542 km的區(qū)域,最大覆蓋半徑約9 046 km；MEO衛(wèi)星信號(hào)可以作用于半徑494 km的區(qū)域，最大覆蓋半徑約8 538 km。

點(diǎn)波束功率增強(qiáng)技術(shù)是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)體系的重要組成部分,是提高復(fù)雜電磁環(huán)境條件下衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用性的重要手段。本文從可用性、覆蓋性等導(dǎo)航服務(wù)性能入手,深入討論了點(diǎn)波束功率增強(qiáng)信號(hào)幅度、波束角和掃描角等參數(shù)的影響因素及設(shè)計(jì)依據(jù),分析結(jié)論可以為我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功率增強(qiáng)信號(hào)的參數(shù)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。