導航衛星系統功率增強技術與覆蓋范圍研究

孫 進,初海彬,董海青,秦紅磊,陳忠貴

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

導航衛星系統功率增強技術與覆蓋范圍研究

孫 進1,初海彬1,董海青1,秦紅磊2,陳忠貴1

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

基于國內外導航衛星功率增強設計的研究,在系統層面上仿真分析我國導航衛星系統中的 GEO衛星在不同的仰角下天線波束的地面覆蓋區域。在對功率增強技術分析的基礎上,著重研究我國導航衛星系統的功率增強信號的覆蓋范圍,給出10 dB、15 dB、20 dB、25 dB不同功率增強要求下,地面接收功率、天線波束覆蓋范圍的仿真分析,提出功率增強要求對于衛星的約束條件。并從地面接收信號強度、功率增強的覆蓋范圍、功率增強技術的實現難度、導航衛星系統的多普勒碰撞問題方面進行的我國導航衛星系統與GPSⅢ系統性能對比。

導航衛星;功率增強;覆蓋范圍;地球靜止軌道

1 引 言

隨著全球范圍內 GPS、Galileo等導航衛星系統的發展,功率增強技術已經成為導航衛星有效載荷的一項關鍵技術,具有重要應用。導航衛星的功率增強能力與天線的覆蓋范圍、地面接收信號強度及整星的功率分配等關系密切,以 GPS系統的參數為參考,通過理論分析與仿真,對功率增強能力與地面接收功率圖進行仿真分析,給出我國導航衛星系統與GPSⅢ系統的性能對比。

2 導航衛星系統功率增強技術分析

美國GPSⅢ系統中功率增強的實施目標[1]是在特定范圍內播發比正常信號能量高約20 dB的軍用M碼信號[1]。美國的 GPSⅢ計劃中,有16顆衛星播發功率增強信號,使得全球絕大部分地區可以接收到至少4顆衛星播發的功率增強信號。接收機收到更多的信號可以改善定位精度,但是本質上不會明顯提高接收機的抗干擾能力。功率增強技術實施的基本要求是在特定區域同時有至少4顆衛星播發功率增強信號。

對于我國的導航衛星系統,從實際需求考慮,功率增強區域應該在中國本土附近,GEO衛星恰好固定在這片區域上空。GEO衛星0°仰角覆蓋圖如圖1所示。

圖1 GEO衛星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,中國的領土和領海的大部分地區均在 GEO衛星覆蓋范圍之內。

考慮到接收機通常可以處理的衛星仰角為5°,圖2和圖3分別是 5°仰角和 15°仰角的 GEO衛星覆蓋圖。

圖2 GEO衛星5°仰角覆蓋圖Fig.2 Coverage area of GEO satellite at the elevation of 5°

圖3 GEO衛星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,在衛星仰角5°的情況下中國周圍的敏感地區仍能接收到 GEO衛星的信號;衛星仰角為15°時,我國的領海可以覆蓋到,只有東北的非完全開闊地區功率增強的實施可能會受到遮擋的影響。

由于GEO衛星的軌道高度遠高于MEO衛星[2],因此同樣的天線發射功率相同的信號,到達地面的信號功率也不相同。GEO衛星的軌道高度為35 786 km,GPS的MEO衛星的軌道高度為20 200 km,因此相同的信號到達地面后,我國衛星導航系統與 GPS系統接收功率之比為折合成dB形式,即我國導航衛星系統比 GPS地面接收功率小5 dB。

由于GEO衛星相對于地球靜止于赤道上空,只能對處于衛星正下方的赤道地區播發功率增強信號。因此如果使用 GEO衛星播發功率增強信號,需要對衛星姿態進行調整。當 GEO衛星的姿態改變時,不能播發正常信號。因此,使用GEO衛星播發功率增強信號時,只能停止播發正常信號。這與 GPSⅢ的功率增強信號播發模式不同。

3 我國導航衛星系統功率增強信號覆蓋范圍分析

衛星波束夾角β、地面接收機仰角α以及接收機與垂直入射點間的距離 d的關系見如圖4[3]。

圖4 衛星與地球的空間幾何關系Fig.4 Spatial relation of satellite and Earth

接收機到信號垂直入射點的距離 d與衛星仰角α的關系[4]

式中,地球半徑 R=6 371 km。對于我國導航衛星系統的 MEO 衛星 ,當α=0°時 ,β=13.214°。我國的MEO衛星信號覆蓋半徑略大于 GPS衛星信號的覆蓋半徑8 462 km,對于我國導航衛星系統中的 GEO 衛星 ,當α=0°時 ,β=8.7°。

3.1 功率增強的衛星選擇

我國的MEO衛星和 GPS系統的主要區別在于軌道略高,導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的功率增強計劃用MEO衛星實施功率增強[5],由于MEO衛星軌道較高,在相同的發射信號功率下,地面接收信號能量較 GPSⅢ低0.5 dB。

導航衛星星座中的IGSO衛星因其軌道特點無法保證在我國上空實時可見[6],因此,從衛星信號波束的覆蓋區域來看,采用導航衛星系統中的GEO衛星播發功率增強信號是合適的選擇。

在衛星的總發射功率不變的情況下,衛星信號的覆蓋區域隨著信號能量的增強而減小。因此,功率增強信號的能量和覆蓋范圍是矛盾的,在方案設計中,需要對兩者進行有效折中。

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

3.2 功率增強10 dB分析

播發信號能量提高10 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點為1 609 km,對應的地球夾角

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

圖5 功率增強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15 dB分析

播發信號能量提高15 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點為905 km,對應的地球夾角

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

圖6 功率增強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20 dB分析

播發信號能量提高20 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點為509 km,對應的地球夾角

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

圖7 功率增強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25 dB分析

播發信號能量提高25 dB后,其最大覆蓋范圍的邊緣距離信號直接入射點為286 km,對應的地球夾角

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

圖8 功率增強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,當功率增強25 dB時,地面有效信號覆蓋區域半徑下降至300 km以下,參照GPSⅢ功率增強覆蓋半徑300 km,其實用性受到一定影響。因此,功率增強25 dB即為功率增強的合理上界。

4 我國衛星導航系統與 GPSⅢ功率增強性能對比

4.1 地面接收信號強度

由于GEO衛星的軌道高度高于MEO衛星,傳播距離長、空間衰減大。如果信號發射功率相同,我國衛星導航系統比 GPSⅢ地面接收信號強度約低5 dB[7];北斗系統功率增強技術實施效果與緯度有關,而 GPSⅢ系統的點波束播發效果和緯度關系不大。

4.2 功率增強的覆蓋區域

北斗系統的 GEO衛星靜止于赤道上空,只能為中國及部分亞太地區提供功率增強服務;GPSⅢ系統的MEO衛星都可以實施功率增強技術,可以為全球任何地區提供功率增強服務。

4.3 功率增強的技術實現難度

北斗系統的功率增強技術涉及的 GEO衛星,相對于 GPSⅢ系統涉及的 MEO衛星數量少、工程量較小、建成后的控制策略也相對簡單。

4.4 導航衛星系統的多普勒碰撞問題

北斗系統中 GEO衛星播發功率增強信號,會帶來一個 GPS系統所不會出現的問題:由于GEO衛星相對地球靜止,多普勒頻移基本相同,導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、偽碼互相關性能、干擾信號強度等影響,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,第一項表示有用信號分量;第二項表示來自其他 N顆衛星的干擾信號分量。ai為干擾信號相對有用信號強度;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次相關器輸出為

式中,T為預積分時間;Rs(τ)為擴頻碼自相關函數;Rc(τ)為擴頻碼互相關函數。利用式(18),可分析相同格式信號間干擾的性質:

(1)當相對多普勒頻差大于預積分時間的倒數時,干擾信號會被相干積分器平滑;

(2)當相對多普勒頻差大于碼環路濾波器帶寬時,干擾信號在相關器的輸出結果會被環路濾波器平滑;

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

多普勒碰撞現象在信號能量相同[8]、多普勒頻率相同的兩顆衛星上最明顯,因此距離兩顆GEO衛星相等的地區多普勒碰撞現象最嚴重。隨著GEO衛星穩定性的提高,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衛星,導航信號來自于相對靜止的信號源,多普勒碰撞會經常發生,這時信號間干擾將成為偽距測量的一個主要誤差源。建立干擾信號源模型,干擾信號和有用信號強度相同,相對多普勒頻差為0,則相關器輸出為可以看出,信號間干擾誤差由干擾信號和有用信號的載波相位關系和擴頻碼互相關函數決定。與前面的多徑誤差分析一樣,當干擾信號和有用信號的載波相位相差為0°或 180°時,干擾誤差最大。以 GPS的 C/A碼為例,考察擴頻碼互相關函數如圖9所示。

圖9 C/A碼的互相關函數Fig.9 Cross-correlation function of C/A chip

結合圖9,總結C/A碼的互相關函數的統計特性如下:碼時延范圍內約3/4取值為0,約1/8取值為+63,約1/8取值為-65。定義自相關函數峰值和互相關函數峰值之比為擴頻碼的保護增益,則C/A碼的保護增益為

當干擾信號和有用信號互相關函數位于峰值附近時,干擾誤差最大。這種干擾對比底噪低1 dB的確定性干擾,沒有隨機性,并且只有在兩個信號頻率多普勒完全相同的時候才能達到上述最大值,通常情況下很小,對于 GPS系統可以忽略不計。但是對于播發功率增強信號的 GEO衛星來說,由于衛星間相對靜止,信號的多普勒頻率相同,導致互相關產生碼間干擾最大值,并且隨著信號能量的增加而增加。

5 結 論

對比我國的衛星導航系統與 GPSⅢ系統功率增強性能,受到衛星總發射功率的限制,功率增強信號的能量強度和覆蓋范圍不可兼得,應根據實際需求,選擇合適的信號能量強度和覆蓋范圍。

根據 3.2、3.3、3.4、4.5 節的分析 ,以衛星天線發射功率27 W為例進行計算(參照 GPS L1 C/A的總發射功率):

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

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

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

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

從上述計算結果可以得出,當我國衛星導航系統的發射功率增強25 dB時,其最大覆蓋半徑已經小于300 km。根據 GPSⅢ計劃給出的指標,功率增強信號有效區域半徑為300 km。因此,增強功率的上界為25 dB,即達到-133.5 dBW。如果衛星導航系統可以發射更大的信號功率,功率增強的幅度和覆蓋范圍還可以進一步提升。

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(責任編輯: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(1985—),男,碩士,研究方向為衛星導航增強與完好性檢測。

E-mail:Yuqing4071@gmail.com