民用航空測距信號對北斗導航信號的干擾研究

張愛勇

【摘 要】北斗衛星導航定位系統不可避免地受到各種無線電設備的干擾，其中民用航空測距信號對北斗導航信號的干擾成為北斗應用推廣中的一大問題。分析了北斗衛星導航信號和民用航空測距信號對頻率資源的使用情況和信號特點，提供了適用于民用航空測距信號的脈沖干擾計算模型和干擾效果評估方法，為北斗導航信號的干擾評估和頻率保護提供參考。

【關鍵詞】北斗導航 航空測距信號 DME 脈沖干擾 干擾計算

中圖分類號：TN927 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）09-0081-04

1 引言

衛星導航系統的主要功能是實現定位、測速和授時，近年來，北斗衛星導航系統作為國家戰略得到了突飛猛進的發展，無論是在軍用領域還是在民用領域都有了廣泛的應用。但是在不斷推廣和應用的過程中，一些問題也變得越來越突出，特別突出在北斗系統與其他系統之間的兼容問題。一方面衛星導航信號到達地面時的信號很弱，極易受到電磁信號的干擾[1-4]。另一方面北斗衛星導航系統B1、B2和B3頻點所處的頻段內除衛星導航無線電業務外還有無線電測定、通信等多種業務，即使不考慮軍用設備的有意干擾，在民用領域存在的大量信號發射設備，例如廣播電視發射臺、微波傳輸設備、民用航空測距設備等，在不進行有效規劃的情況下，都會對北斗接收機產生嚴重的影響[5-7]。

對北斗導航信號的干擾可以分為連續干擾和脈沖干擾，目前在對衛星導航系統與其他系統的兼容性研究方面，國外GPS等系統作了大量研究，但隨著衛星導航系統的發展和地面無線電信號種類的增多，導航接收機干擾效果的評估理論還處在研究發展階段，特別是對脈沖干擾的評估方法還需要進行更多深入研究。在產生脈沖干擾的系統中，典型的應用場景是民用航空無線電導航系統測距儀（DME，Distance Measuring Equipment）。民用航空測距信號的干擾大量存在且不可避免，這種脈沖可能會導致北斗導航接收機的跟蹤和解碼失敗。因此本文針對民用航空測距信號對北斗導航信號的干擾進行了分析，可為今后制定相應的北斗接收機頻率保護標準提供參考。

2 北斗衛星導航信號的信號特征

近年來我國的北斗衛星導航系統在其國際化發展方面取得了積極進展，越來越多的國際組織開始接納北斗接收機作為定位業務設備。例如2014年6月，國際海事組織導航、通信與搜救分委員會第一次會議順利通過了對北斗系統性能的技術審議，基本認可北斗系統作為世界無線電導航系統的組成部分。北斗系統的國際化工作正如火如荼地開展，其中一個重要的問題就是實施對北斗接收機的頻率保護[9-11]。

在衛星導航系統接收機的干擾保護方面，各國無線電頻譜管理機構及國際化組織已經針對GPS、Galileo、GLONASS等系統進行了大量的研究，開發了針對上述系統各類型導航接收機的干擾評估方法和對接收機的干擾保護方案。對接收機干擾效果評估的一般方法是計算干擾信號產生的干信比或等效信噪比，再根據接收機性能計算接收機正常工作、受到容許干擾、受到有害干擾等不同情況下的干擾保護標準。其中，計算干擾信號的等效信噪比或干信比是評估方法的基礎，而這個指標的計算方法隨著干擾信號的形式、接收機類型、接收機對信號的處理方式的不同而不同。目前國內對北斗導航接收機的頻率保護還很薄弱，沒有完善的針對北斗系統頻譜資源的管理方案，也沒有相應的射頻干擾分析評估系統。為實現對北斗接收機受干擾情況的正確評估，首先研究北斗信號的信號特點，表1和表2分別是北斗衛星導航系統在區域和全球兩個服務階段的信號體制：

為保證北斗導航系統與其他導航系統的兼容性，B1-C（1575.42 MHz），B2a（1176.45 MHz）和B2b（1207.14 MHz）為三個互操作信號?？疾毂倍稡2信號，信號經過AltBOC（15， 10）調制方式調制，產生的分裂譜包括上邊帶和下邊帶，B2a為低端的邊帶，其中心頻率為1176.45 MHz，與GPS系統的L5信號和Galileo的E5a信號實現頻率兼容，有利于互操作的實現[8]。但是該頻段附近也有很多產生干擾的系統和設備，例如工作在960—1215 MHz的民用航空測距系統，它產生典型的脈沖信號，會對北斗接收機產生影響，需要對該類信號與北斗接收機間的兼容性進行評估分析。

3 民用航空測距信號的信號特征

作為被國際民航組織批準的標準測距系統，測距儀在民用航空領域得到廣泛使用。民用航空測距信號是一種脈沖信號，其頻段與衛星導航系統的部分頻段重疊，會對導航信號產生不同程度的干擾，為了判定干擾的程度，從信號特征入手研究脈沖信號的干擾評估方法。DME波道頻率如圖1所示。

民用航空測距系統發射的信號為脈沖形式。系統中包括機載的詢問器和地面信標應答機。在航空系統中，詢問器發射一種隨機化的低速脈沖對序列，脈沖之間的間隔固定。從工作頻率方面來說，民用航空測距信號的頻率范圍在962—1213 MHz之間，每隔1 MHz有一個波道，在該頻率范圍內一共劃分了252個波道。從頻段帶寬使用方面來看，如圖1所示為DME設備波道的頻率占用情況，1025—1150 MHz的頻段作為詢問頻率，962—1025 MHz和1150—1213 MHz頻段作為應答頻率。當DME詢問信號在X波段64-126信道時，地面應答信號的頻率在1151—1213 MHz，落在北斗信號的頻率范圍內（北斗B2a信號，中心頻率1176.45 MHz），對北斗信號產生干擾，并且干擾主要來源于工作在X-mod的地面DME應答設備。民用航空測距信號可用（1）式表示：

其中Ppk是峰值電平。一般來說典型的測距系統的高斯脈沖波形按照50%峰值電平來計算有3.5μs的寬度，則上述函數中脈沖波形衰減因子α的取值為4.51×1011。

對于低于消隱器門限的脈沖來說，定義等效的矩形脈沖寬度PWeq：

在（2）式中代入p（t）高斯脈沖函數式可以得到等效的矩形脈沖寬度為PWeq=2.64μs；對于高于消隱器門限的強脈沖來說，如果接收到的脈沖峰值功率為PREC，消隱器門限值為PTHR，則有：

設消除的脈沖寬度為x，由（3）式解得t并帶入x=2t得到高于消隱器門限的脈沖寬度：

4 航空測距信號對北斗導航信號的干擾評估方法

民用航空測距信號落入北斗信號帶內，對其產生干擾，如圖2所示為接收機帶內噪聲-97 dBm、距離地面122 km的某地DME信號強度圖：

在實際應用中，北斗導航系統接收機有不同的抗干擾措施，因此，需要根據北斗信號類型、接收機類型和干擾信號類型，制定不同的干擾效果評估方法。假設接收機對付脈沖干擾和噪聲的主要手段是脈沖屏蔽器，則該屏蔽器的功能是在噪聲及干擾的能量低于某一門限時，讓信號與噪聲通過；而當超過門限時，則切斷信號通道，使其不能進入相關器。因此當脈沖超過門限時會造成無衛星信號的情況，分析由此引起的載噪比惡化，進而可以得到等效噪聲功率譜密度[12]，如式（5）所示：

利用上述民用航空測距信號的特點和表達式得到脈沖寬度以及脈沖重復周期，可以確定測距系統的脈沖參數PDCi。

PDCi=（PWEFF，i+τr）PRFi （7）

PRFi為脈沖頻率，τr為RNSS接收機過載恢復時間，PWEFF，i是有效的接收脈沖寬度。使用該干擾信號功率譜密度計算方法可以得到測距系統對衛星導航接收機的干擾水平。進而可以對某一區域的DME干擾環境進行分析，得到由民用航空測距信號引起的北斗接收機的載噪比惡化情況，如圖3所示：

5 結束語

本文對民用航空測距信號和北斗導航系統的兼容性進行研究，針對接收機的受干擾程度提出了相應的脈沖干擾評估方法。在北斗衛星導航系統的發展過程中，導航信號與其他無線點信號的兼容性和互操作性是一個需要持續關注的主要問題，需要逐步完善修正干擾評估方法，逐步建立干擾評估模型，并進一步研究干擾抑制和頻率保護的方法，為衛星導航系統的良好應用提供技術支撐保障。

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