衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與射電天文兼容性分析

車(chē)戰(zhàn)武，劉志儉，申杰敏

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

0 引言

射電天文業(yè)務(wù)(RAS)［1］本身并不需要主動(dòng)向外發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，不會(huì)對(duì)其他無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)造成有害干擾;同時(shí)，由于射電天文業(yè)務(wù)所接收的是來(lái)自宇宙的無(wú)線(xiàn)電波，這些無(wú)線(xiàn)電電波與人為發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電電波相比，信號(hào)強(qiáng)度極其微弱，大約在10～30 Wm2Hz量級(jí)，使得射電天文觀測(cè)非常容易受到其他無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)的干擾［2］。因此，世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)在《無(wú)線(xiàn)電規(guī)則》中給出了明確的射電天文業(yè)務(wù)頻率劃分［3］，并形成相關(guān)建議書(shū)，對(duì)射電天文業(yè)務(wù)進(jìn)行特殊保護(hù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)已開(kāi)始正式提供服務(wù)，其使用的1 559～1 610 MHz頻段［4］與射電天文業(yè)務(wù)的1 610．6 ～1 618．8 MHz頻段為相鄰頻段，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在確保自身系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，必須遵守《無(wú)線(xiàn)電規(guī)則》對(duì)射電天文業(yè)務(wù)的特殊保護(hù)要求。

國(guó)際電聯(lián)739決議僅對(duì)RAS鄰頻內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)帶外發(fā)射的門(mén)限提出限值要求，并在1583建議書(shū)(ITU-R M．1583)中給出了非GSO系統(tǒng)在射電天文站址處產(chǎn)生的無(wú)用發(fā)射電平的分析方法，基于上述決議和建議書(shū)給出的計(jì)算方法，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GSO、MEO、IGSO［5］)為保護(hù) RAS 所需進(jìn)行的帶外抑制進(jìn)行了仿真計(jì)算。

1 射電天文對(duì)RNSS的帶外發(fā)射限制

為保護(hù)射電天文業(yè)務(wù)，要求與射電天文業(yè)務(wù)鄰近頻段內(nèi)的RNSS業(yè)務(wù)帶外發(fā)射不能超過(guò)下面門(mén)限［6］:

對(duì)于使用1 559～1 610 MHz頻段的GSO衛(wèi)星而言，其泄露到射電天文頻段 1 610．6～1 613．8 MHz的功率必須小于:

①對(duì)于單反射面譜線(xiàn)觀測(cè)而言，在基準(zhǔn)帶寬為20 kHz、累積時(shí)間為2 000 s的條件下，pfd在98%的概率條件下不得超過(guò)－194 dB(W/m2);

② 對(duì)于VLBI而言，在基準(zhǔn)帶寬為20 kHz、累積時(shí)間為2 000 s的條件下，pfd在98%的概率條件下不得超過(guò)－166 dB(W/m2)。

(2)對(duì)于使用1 559～1 610 MHz頻段的NGSO衛(wèi)星而言，其泄露到射電天文頻段 1 610．6～1 613.8 MHz的功率必須小于:

①對(duì)于單反射面譜線(xiàn)觀測(cè)而言，在基準(zhǔn)帶寬為20 kHz、累積時(shí)間為2 000 s的條件下，epfd不得超過(guò)－258 dB(W/m2);

② 對(duì)于VLBI而言，在基準(zhǔn)帶寬為20 kHz、累積時(shí)間為 2 000s的條件下，epfd不得超過(guò)－230 dB(W/m2)。

此外，不論何時(shí)收到俄羅斯 GLONASS/GLONASS-M衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)協(xié)調(diào)或通知資料，該決議均不適用于1 559～1 610 MHz頻段的GLONASS/GLONASS-M衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)目前和未來(lái)的指配。由于在1 610．6～1 613．8 MHz頻段內(nèi)GLONASS/GLONASS-M衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)給予了射電天文業(yè)務(wù)足夠的保護(hù)，且這種保護(hù)將繼續(xù)沿用到俄羅斯政府以及GLONASS/GLONASS-M系統(tǒng)的通知主管部門(mén)與IUCAF(射電天文學(xué)和空間科學(xué)頻率分配聯(lián)合委員會(huì))之間、以及之后與其他主管部門(mén)之間的雙邊協(xié)議中。

2 分析方法及過(guò)程

ITU-R M．1583建議書(shū)給出了評(píng)估由某個(gè)非GSO系統(tǒng)在射電天文站址處產(chǎn)生的無(wú)用發(fā)射電平的方法［7］。該方法的基礎(chǔ)是把天空分成尺寸幾乎相同的小區(qū)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在統(tǒng)計(jì)分析中RAS天線(xiàn)的指向和衛(wèi)星星群的啟動(dòng)時(shí)間都是隨機(jī)變量。對(duì)于每次評(píng)估，無(wú)用發(fā)射電平(以 epfd表示)都在2 000 s的時(shí)段內(nèi)平均。

關(guān)于對(duì)GPS、GLONASS和GALILEO的仿真，所選的特性相當(dāng)于德國(guó)Effelsberg射電望遠(yuǎn)鏡，采用100 m直徑和約64 dBi的最大增益。天線(xiàn)方向性圖和最大天線(xiàn)增益取自ITU-R RA．1631建議書(shū)［8］。

2．1 分析方法(ITU-R M．1583)

考慮衛(wèi)星系統(tǒng)和射電天文望遠(yuǎn)鏡天線(xiàn)特性參數(shù)后，采用等效功率通量密度(epfd)的概念來(lái)計(jì)算NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)無(wú)用發(fā)射對(duì)射電天文望遠(yuǎn)鏡的干擾。epfd是所有衛(wèi)星發(fā)射等效源(主瓣峰值功率)的集合對(duì)射電天文望遠(yuǎn)鏡的貢獻(xiàn)。

2．1．1 輸入條件

在計(jì)算對(duì)射電天文望遠(yuǎn)鏡干擾時(shí)，其累積統(tǒng)計(jì)時(shí)間要在2 000 s。2種業(yè)務(wù)需要考慮的輸入條件有:

①NGSO衛(wèi)星系統(tǒng):射電天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)站的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù);衛(wèi)星的軌道參數(shù);每顆衛(wèi)星的pfd值。

②射電天文望遠(yuǎn)鏡:接收天線(xiàn)站址;接收天線(xiàn)旁瓣和天線(xiàn)增益;天線(xiàn)實(shí)際指向范圍;接收天線(xiàn)視軸指向;射電天文望遠(yuǎn)鏡天線(xiàn)視軸與發(fā)射衛(wèi)星的夾角;累積時(shí)間(2 000 s)。

2．1．2 射電天文望遠(yuǎn)鏡接收端的epfd值計(jì)算

射電天文望遠(yuǎn)鏡指向NGSO衛(wèi)星方向的天線(xiàn)接收增益隨著衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，但在分析干擾時(shí)只考慮望遠(yuǎn)鏡指向衛(wèi)星方向，且接收增益大于0 dBi時(shí)的影響。計(jì)算epfd的數(shù)學(xué)公式和模型來(lái)自無(wú)線(xiàn)電規(guī)則的第22.5C款［9］。

式中，Na為接收端可觀測(cè)到的衛(wèi)星總數(shù);i為用于計(jì)算的發(fā)射衛(wèi)星序號(hào);Pi為在參考帶寬內(nèi)，發(fā)射衛(wèi)星天線(xiàn)輸入端的射頻功率譜，dB(W/MHz);θi為發(fā)射衛(wèi)星視軸與接收指向視軸間的離軸角(°);Gt(i)為指向接收機(jī)方向的衛(wèi)星發(fā)射天線(xiàn)離軸增益(dB);di為發(fā)射衛(wèi)星與接收機(jī)間距離(m);φi為接收機(jī)指向軸與發(fā)射衛(wèi)星視軸間的離軸角(°);Gr(φi)為指向發(fā)射衛(wèi)星的接收機(jī)接收天線(xiàn)旁瓣增益(dB);Gr，max為接收機(jī)的最大增益(dB);epfd為某一時(shí)刻的接收機(jī)等效功率通量密度(dB(W/(m2·MHz)))。

但式(1)的假設(shè)前提條件是干擾產(chǎn)生在接收天線(xiàn)的視軸方向。然而就射電天文這一保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，則要求考慮到射電天文天線(xiàn)的0 dBi圈。因此式(1)的干擾源在0 dBi接收增益方向可以表示為:

式中，epfdGr=0dBi是2 000 s累積時(shí)間內(nèi)的平均計(jì)算結(jié)果。

2．2 分析過(guò)程

首先假定天線(xiàn)將位于某一個(gè)特定區(qū)域，針對(duì)射電天文業(yè)務(wù)天線(xiàn)的指向進(jìn)行隨機(jī)選擇，并隨機(jī)選擇觀測(cè)星座的起始時(shí)間，根據(jù)2 000 s的積分時(shí)間對(duì)每一時(shí)間抽樣的epfd進(jìn)行評(píng)估。然后再針對(duì)所選擇的指向和觀測(cè)星座的起始時(shí)間，進(jìn)行與此試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的平均epfd的計(jì)算。

重復(fù)進(jìn)行此操作，以便獲得所考慮區(qū)域的epfd分布統(tǒng)計(jì)。此方法涉及到多次試驗(yàn)，其中每個(gè)試驗(yàn)均根據(jù)2 000 s的積分間隔計(jì)算平均epfd值。試驗(yàn)的次數(shù)越多，此分布情況越精確。需要進(jìn)行足夠次數(shù)的試驗(yàn)才能獲得所需的可信值。尤其是，試驗(yàn)數(shù)目與2 000 s的積分時(shí)間的乘積應(yīng)顯著高于星座的階段。而且，還有必要確保星座整個(gè)階段有適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)抽樣。一當(dāng)發(fā)現(xiàn)在分布中沒(méi)有進(jìn)一步的顯著變化，即可得出結(jié)論，試驗(yàn)的次數(shù)已經(jīng)足夠。此檢查可作為模擬工作的一項(xiàng)不可分割的內(nèi)容自動(dòng)進(jìn)行，或通過(guò)定期停止模擬工作人工進(jìn)行。

為了全面的彌補(bǔ)隨機(jī)選擇的可能帶來(lái)的分析不足，對(duì)任意一個(gè)天線(xiàn)位置，采用遍歷算法，對(duì)天線(xiàn)指向以空間5°間隔建立格網(wǎng)，在一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的回歸周期以100 s為間隔進(jìn)行積分周期2 000 s的試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)。

3 仿真計(jì)算

3．1 假設(shè)條件

所有系統(tǒng)均為假設(shè)特性，不代表最終北斗全球系統(tǒng)特性。北斗全球系統(tǒng)B1信號(hào)發(fā)射特性如表1所示。

表1 B1信號(hào)發(fā)射特性(未濾波)

3．2 北斗全球系統(tǒng)MEO軌道特性

BD全球MEO星座由27顆衛(wèi)星組成，軌道高度27 878 km，3 個(gè)軌道面，間隔120°，軌道傾角 55°，同一軌道面衛(wèi)星間隔為45°，偏心率為0。軌道回歸周期為8天。

3．3 北斗全球系統(tǒng)IGSO軌道特性

BD全球IGSO星座由3顆衛(wèi)星組成，軌道高度42 164.2 km，3 個(gè)軌道面，間隔120°，軌道傾角 55°，偏心率為0，與地球赤道交點(diǎn)為118°E。軌道回歸周期為1天。

3．4 分析計(jì)算

3．4．1 GEO 衛(wèi)星

GEO衛(wèi)星遵循表1規(guī)則，直接采用鏈路計(jì)算方法計(jì)算，可知在假設(shè)條件下，GEO衛(wèi)星在帶外頻譜自然降低的條件下抑制16 dB后可滿(mǎn)足RAS的保護(hù)需求。

3．4．2 MEO 衛(wèi)星

采用第3節(jié)計(jì)算方法，對(duì)于某一位置，需進(jìn)行9 455 616次2 000 s的積分計(jì)算，計(jì)算量巨大，極為耗時(shí)，因此僅僅選取高、中和低緯3個(gè)位置進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 MEO衛(wèi)星計(jì)算結(jié)果

3．4．3 IGSO 衛(wèi)星

采用第3節(jié)計(jì)算方法，對(duì)于某一位置，需進(jìn)行9 455 616次2 000 s的積分計(jì)算，計(jì)算量巨大，極為耗時(shí)。IGSO衛(wèi)星僅僅覆蓋有限區(qū)域，因此僅對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)中緯度的一個(gè)位置進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 IGSO衛(wèi)星計(jì)算結(jié)果

3．5 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在假定的信號(hào)調(diào)制方式和星座構(gòu)型條件下，MEO在帶外頻譜自然降低的條件下再抑制39 dB即可滿(mǎn)足RAS保護(hù)要求;IGSO衛(wèi)星在帶外頻譜自然降低的條件下再抑制28 dB即可滿(mǎn)足RAS保護(hù)要求，GEO衛(wèi)星在帶外頻譜自然降低的條件下抑制16 dB即可滿(mǎn)足RAS保護(hù)要求。

綜合考慮以下4方面因素，建議將MEO帶外需求設(shè)定為40 dB，IGSO帶外需求設(shè)定為30 dB，GEO帶外需求設(shè)定為16 dB:

①由于計(jì)算時(shí)間的關(guān)系，沒(méi)有對(duì)RAS天線(xiàn)位置進(jìn)行遍歷仿真，有可能存在比39 dB更為嚴(yán)格的抑制需求;

②多GNSS系統(tǒng)的存在，導(dǎo)致多系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)RAS可能受到干擾;

③在計(jì)算中使用了最大EIRP，未考慮發(fā)射天線(xiàn)離軸角，使計(jì)算條件過(guò)于嚴(yán)苛，根據(jù)RAD文件，北斗發(fā)射天線(xiàn)增益最大最小差異為2 dB;

④在MEO和IGSO共同覆蓋區(qū)域，帶外抑制要求將大于以上計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛使用，人們?cè)诨顒?dòng)的各個(gè)領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)的依賴(lài)越來(lái)越強(qiáng)。國(guó)際電聯(lián)739決議要求RAS業(yè)務(wù)鄰頻的RNSS業(yè)務(wù)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，這不僅是對(duì)北斗導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射功率的約束，也是實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)系統(tǒng)服務(wù)可用性的重要因素，采用1583建議書(shū)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并綜合考慮相關(guān)因素，正是為北斗導(dǎo)航信號(hào)帶外抑制設(shè)計(jì)提供了合理、可行的仿真數(shù)據(jù)，保證北斗全球系統(tǒng)合法有效的使用1 559～1 610 MHz導(dǎo)航頻段，為用戶(hù)提供可靠、穩(wěn)定的服務(wù)。

［1］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012．

［2］ 劉 斌，方 正．射電天文業(yè)務(wù)的無(wú)線(xiàn)電管理淺析［J］．中國(guó)無(wú)線(xiàn)電，2009(3):51 －56．

［3］ Intemationd Telecommunication union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012．

［4］ 譚述森．衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程(第2版)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010．

［5］ 朱立東，吳廷勇．衛(wèi)星通信導(dǎo)論［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2010．

［6］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Resolutions and Recommendations［R］．Geneva，2012:367－372．

［7］ International Telecommunication Union．Radio Regulations ITU-R Recommendations［R］．Geneva，2012:401 －407．

［8］ International Telecommunication Union．Radio Regulations ITU-R Recommendations［R］．Geneva，2012:433 －436．

［9］ International Telecommunication Union．Radio Regulations Articles［R］．Geneva，2012:272．