COMPASS和Galileo系統間信號干擾研究

胡 媛， 劉 衛

（1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2.上海海事大學 商船學院，上海 201306）

全球導航衛星系統 （Global Navigation Satellite System，GNSS）是目前世界上發展最迅速的信息技術之一，可以提供三維定位、導航和授時服務，同時具有全球性、全天候、連續性、實時性和高精度等優點[1]。隨著本世紀頭20年內多個衛星導航系統的建成，屆時將有120余顆衛星在天上，完全可以利用多個衛星系統進行組合為各類用戶提供無縫的全球范圍導航定位服務，而多系統的存在和組合首先必須考慮系統間干擾所造成的兼容性問題。其中，兼容性是指兩個或多個系統同時工作時，確保某系統在提供單一系統服務時，其它系統不會對其產生不可接受或降低精度的干擾。目前，我國“北斗衛星導航系統”（COMPASS）已經確定“先區域后全球”的發展道路，COMPASS區域系統已經進入組網階段[2]；歐洲Galileo衛星導航計劃也已經完成最終部署方案，其基礎設施建設階段正在實施[1]。對于正在建設的兩大新系統而言，COMPASS與Galileo系統間信號的干擾問題已經引起了廣泛關注，如何有效的評價COMPASS和Galileo系統間干擾已經成為雙方系統頂層設計和接收機應用所面臨的突出問題。

文中首先建立有效評價衛星導航系統間信號干擾的方法，其次分析COMPASS和Galileo系統的星座構型和信號體制參數，最后對兩大系統間的所有民用信號間干擾進行仿真分析，并給出基于系統間干擾的信號體制設計和接收機應用的參考意見。

1 系統間干擾的評價模型及方法

由衛星導航接收機的工作原理可知，干擾信號的引入影響著接收機對所需信號的捕獲、載波跟蹤、數據解調和碼跟蹤性能，特別是前3種性能依賴于接收機的即時支路，用即時相關器輸出的信號功率對噪聲功率加干擾功率之比（SNIR）來評價[3]。當噪聲和干擾同時存在時，如果相關器輸出的SNIR已知，可定義有效載噪比（Cs/N0）eff來有效評價干擾信號對接收機處理性能影響[4]。因此，建立下式：

其中，Gs（f）為歸一化功率譜密度，Cs為信號載波功率，N0為噪聲功率譜密度，βr為接收機雙邊帶寬，T為接收機預積分時間。

對式（1）進一步求解，可得有效載噪比（Cs/N0）eff為

其中，第j個干擾信號歸一化功率譜密度為 Glj（f），干擾信號載波功率為Clj；IGNSS稱為等效噪聲功率譜密度，可進一步化簡為：

當存在兩個或者多個GNSS系統時，總等效噪聲功率譜密度IGNSS為兩個系統內和系統間干擾的等效噪聲功率譜密度之和

其中，IIntra為系統內干擾的等效噪聲功率譜密度，IInter為系統間干擾的等效噪聲功率譜密度。

由于有效載噪比衰減為加入干擾信號后的有效載噪比與原來有效載噪比之比，因此有效載噪比衰減可以衡量新加入的干擾信號對系統的影響程度。當兩個或多個系統共同存在時，需要計算引入的系統對原有系統的影響情況。因此以系統間有效載噪比衰減來衡量干擾的程度將比有效載噪比更加直觀和有效。根據式（2）系統間有效載噪比衰減 Δ（C/N0）eff可表示為

2 COMPASS和Galileo的系統參數

根據COMPASS和Galileo所公布的用戶接口文檔[5-6]，歐盟的Galileo系統基線星座由27顆衛星組成，衛星均勻分布在3個以相對赤道56度角的傾斜軌道面上，每個軌道面9顆衛星。另外，3顆備用衛星（每個軌道面1顆衛星）可用來補充基線星座。COMPASS區域系統空間星座由14顆組網衛星組成，其中包括5顆地球靜止軌道（GEO）和9顆非地球靜止軌道（Non-GEO）衛星組成。其中，Non-GEO衛星包括4顆中圓地球軌道（MEO）衛星和5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星。 GEO 衛星分別定點于東經 58.75°、80°、110.5°、140°和160°，兩大系統的星座參數如表1所示。

表1 COMPASS和Galileo的星座參數Tab.1 Constellation parameters of COMPASS and Galileo

由于目前COMPASS和Galileo均采用相同的CDMA傳輸模式，且在L1頻段頻譜重疊嚴重，因此本將對這兩大系統在L1頻段的民用信號兼容性進行仿真評估和分析，以期揭示兩大系統在該頻段民用信號受到干擾的程度。COMPASS和Galileo兩大系統在L1頻段的信號體制參數如表2所示[5-6]。

表2 COMPASS和Galileo的信號體制參數Tab.2 Signal structure parameters of COMPASSand Galileo

3 仿真及結果分析

基于文中所建立的衛星導航系統間干擾的評價方法，構建導航系統間信號兼容性仿真實驗系統進行COMPASS和Galileo系統間干擾進行仿真分析，該仿真系統由空間星座及信號模塊、空間環境模塊、參考接收機特性模塊、兼容評估模塊以及輸入控制及輸出顯示等部分組成。仿真和計算參數如表3所示。

考慮到目前COMPASS和Galileo在L1頻段頻譜重疊嚴重的實際情況，文中重點考慮以下場景：

場景 1：Galileo E1 OS← COMPASS（Galileo E1 OS信號受到COMPASS所有信號干擾）

場景 2：COMPASSB1-I← Galileo（COMPASSB1-I信號受到Galileo所有信號干擾）

圖1表示Galileo E1 OS民用信號受到COMPASS所有信號干擾的最大有效載噪比衰減情況，可以發現，Galileo E1 OS信號受到干擾的載噪比衰減的最大值為0.004 1 dB，該信號在亞太區域受到的干擾最嚴重，這是由于COMPASS在該區域的GSO和IGSO衛星的信號干擾造成的。而圖2表示COMPASSB1-I受到Galileo E1頻段所有信號干擾的最大有效載噪比衰減情況，可以發現，COMPASSB1-I所受到的干擾造成的載噪比衰減的最大值為0.312 6 dB，遠大于Galileo在該頻段受到COMPASS干擾的情況，這是主要由于Galileo E1 PRS授權信號頻譜主瓣遠離1 575.42 MHz而跟COMPASS B1-I民用信號重疊造成的。

表3 仿真和計算參數Tab.3 Simulation and computation parameters

圖1 GalileoE1OS信號受到COMPASS所有信號干擾的最大C/N0衰減Fig.1 Max C/N0 degradation of Galileo E1 OSdue to COMPASS intersystem interference

圖2 COMPASSB1-I信號受到Galileo所有信號干擾的最大C/N0衰減Fig.2 Max C/N0 degradation of COMPASSB1-I due to Galileo intersystem interference

由以上仿真分析可知，對于COMPASS和Galileo兩大系統的信號體制頂層設計而言，需要盡量避免頻譜重疊的情況，特別是Galileo E1 PRS授權信號對COMPASSB1-I信號的重疊；對接收機設計而言，由于兩大系統的中心頻點偏離14.322 MHz，Galileo E1 OS信號受到COMPASS的影響很小，可忽略不僅，在COMPASS接收機設計中，需要在可接受的性能條件下減小前端帶寬，以減小Galileo E1 PRS授權信號的干擾。

4 結 論

隨著COMPASS和Galileo兩大系統的建設，兩大系統間信號的干擾問題已經引起了廣泛關注。文中通過建立有效評價衛星導航系統間信號干擾[7]的方法，對兩大系統間的所有民用信號間干擾進行仿真及分析，所建立的評價模型、方法和成果可為導航系統的信號體制頂層設計和接收機應用提供理論參考。

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[4]Betz J.Effect of Partial-Band Interference on Receiver Estimation of C/N0[C]//Proc.of IONNTM 2001，2001:16-27.

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