CN頻段導(dǎo)航信號射頻兼容評估方法研究

李志蕓，白燕，盧曉春,4

(1.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4.中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048)

0 引言

目前大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻段集中在L頻段，造成頻段資源過度擁擠，不同信號之間的協(xié)調(diào)和兼容難度增加。為了解決導(dǎo)航頻段資源緊張的問題，國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,簡稱ITU)劃分CN頻段(5 010～5 030 MHz)供衛(wèi)星無線電導(dǎo)航使用，其中CN中的N取New和Navigation之意[1]。與L頻段相比，使用CN頻段的一個明顯優(yōu)勢是電離層延遲較小，約為L頻段的1/10；另一個優(yōu)勢是CN頻段的波長較短，相同體積的天線，CN頻段天線增益更高[2-5]。但在工程化應(yīng)用CN頻段之前，需要考慮該頻段與相鄰業(yè)務(wù)頻段的兼容問題。射電天文系統(tǒng)頻段(4 990～5 000 MHz)與該頻段相鄰，且射電天文望遠(yuǎn)鏡一般只接收信號，而不往外發(fā)射信號，因此它并不會對其他頻帶的任何電信業(yè)務(wù)造成干擾。但是，它自身對外界的電磁干擾卻是非常敏感。對于射電天文學(xué)來說，廣播、雷達(dá)、人造衛(wèi)星等業(yè)務(wù)都會對射電望遠(yuǎn)鏡的觀測產(chǎn)生很大影響。為射電天文分配特定的頻段并進(jìn)行保護(hù)，是關(guān)系到射電天文研究工作能否正常進(jìn)行與發(fā)展的根本問題。因此，評估CN頻段與射電天文頻段的兼容問題是利用CN頻段開展導(dǎo)航業(yè)務(wù)需要考慮和解決的問題。

為了保護(hù)射電天文系統(tǒng)不被CN頻段導(dǎo)航信號干擾，ITU出臺了CN頻段射頻兼容性分析的有關(guān)評估準(zhǔn)則[6]，但是并未給出具體的實現(xiàn)方法以及切實可行的分析工具。目前查閱到的國內(nèi)外文獻(xiàn)中[7-14]有關(guān)CN頻段導(dǎo)航信號與射電天文系統(tǒng)的兼容分析中，雖然基于ITU評估準(zhǔn)則進(jìn)行分析，但是均對該準(zhǔn)則進(jìn)行了一定簡化，而簡化后的方法只能計算CN頻段導(dǎo)航信號與射電天文系統(tǒng)是否兼容，不能具體分析天文臺站精確的干擾分布情況。基于此，本文試圖尋找一種更為完善的方法彌補目前CN頻段射頻兼容評估理論的不足。本文沒有采用簡化的ITU方法，而是在ITU射頻兼容評估準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，針對GSO(geostationary earth orbit satellite)導(dǎo)航衛(wèi)星星座以及非GSO導(dǎo)航衛(wèi)星星座，給出CN頻段射頻兼容評估的具體實現(xiàn)過程，可以為未來無線電導(dǎo)航在CN頻段的業(yè)務(wù)拓展提供射頻兼容評估方面的技術(shù)支持，同時為射電天文系統(tǒng)在工作中選擇合適的觀測時段提供參考。

1 GMSK調(diào)制

鑒于CN頻段帶外兼容的嚴(yán)苛要求，在選擇導(dǎo)航信號調(diào)制方式時應(yīng)選擇帶外輻射較小，功率譜旁瓣衰減較快的信號調(diào)制方式。本文中采用GMSK(8)調(diào)制信號，其時域表達(dá)式[15]為

(1)

式(1)中，fc為載波頻率，ak為碼元信息，Tc為碼元周期，φ0為相位偏移量，是一個常量，可以設(shè)為0，矩形脈沖h(t)經(jīng)過高斯低通濾波器g(t)得到高斯型的脈沖碼元脈沖p(t)。

(2)

(3)

(4)

g(t)表達(dá)式中的σ用下式表示

(5)

式(5)中，B是高斯濾波器的3 dB帶寬，仿真時BTc=0.3。

利用Matlab對GMSK(8)調(diào)制信號進(jìn)行仿真，得到功率譜進(jìn)行加窗平滑，仿真功率譜如圖1所示。

圖1 GMSK(8)功率譜圖

圖1中，GMSK(8)信號的主瓣帶寬約為24 MHz，與相同帶寬的BPSK(12)信號對比，GMSK(8)信號的旁瓣衰減較大，對相鄰頻段的干擾較小，是一種適合CN頻段的導(dǎo)航信號。

2 GSO系統(tǒng)CN頻段導(dǎo)航信號同射電天文系統(tǒng)兼容性評估

GSO衛(wèi)星有著相對穩(wěn)定的方位角和高程范圍，相對于射電天文臺站的位置不會發(fā)生變化。而目前運行的射電望遠(yuǎn)鏡幾乎都可以看到多顆GSO衛(wèi)星。因此，它們有可能成為射電天文臺站干擾問題的來源。

2.1 兼容評估方法

為了不對4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)的射電天文系統(tǒng)造成干擾，ITU建議由工作在5 010～5 030 MHz頻段內(nèi)的任何對地靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)在射電天文系統(tǒng)的10 MHz頻段內(nèi)產(chǎn)生的功率通量密度(power flux density，簡稱PFD)在任何射電天文臺處不應(yīng)超過-171 dB(W/m2)[6]。

每顆衛(wèi)星在射電天文臺處的功率通量密度記為PPFD，表達(dá)式為

(6)

式(6)中，PEIRP為衛(wèi)星的等效全向輻射功率(單位dBW)，Latm為大氣損耗(單位dB)，d為衛(wèi)星到射電望遠(yuǎn)鏡的距離(單位m)，G(f)為CN頻段導(dǎo)航信號的歸一化功率譜密度。

分析來自GSO衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號對射電天文臺站造成的干擾大小時，采用ITU-R SA.509-3建議書給出的如公式(7)所示的射電望遠(yuǎn)鏡天線增益輻射方向圖[16]。

(7)

式(7)中，Gr1(φ)為射電望遠(yuǎn)鏡天線增益(單位為dBi)；φ為離軸角(單位為°)。

ITU建議CN頻段導(dǎo)航信號在射電天文臺處的功率通量密度不得高于-171 dB (W/m2)，該值是基于射電望遠(yuǎn)鏡天線增益為0 dBi處設(shè)置的，即經(jīng)過射電望遠(yuǎn)鏡天線進(jìn)入接收機的所有干擾信號產(chǎn)生的干擾電平不得高于-171 dB(W/m2)。GSO衛(wèi)星相對于天文臺的位置是固定的，只有天線的指向靠近該衛(wèi)星時才會產(chǎn)生干擾電平。干擾電平的大小與干擾信號相對于射電望遠(yuǎn)鏡天線主波束軸的離軸角有關(guān)，若該衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號到達(dá)接收機的功率通量密度為-171 dB(W/m2)時的離軸角為φ，則當(dāng)干擾信號的離軸角小于φ時會對射電天文系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而離軸角大于φ時則無干擾。

單顆衛(wèi)星對應(yīng)的干擾天空面積與總的天空面積的比值為

(8)

式(8)中，φ為單顆衛(wèi)星的CN頻段信號到達(dá)接收機處的功率通量密度為-171 dB(W/m2)時的離軸角。

上述分析是單顆GSO衛(wèi)星對應(yīng)的干擾天空面積，對于GSO衛(wèi)星星座中的每顆衛(wèi)星所產(chǎn)生的干擾均可用上述方法分析。

2.2 兼容分析

仿真參數(shù)設(shè)置如下：PEIRP=42 dBW，GSO衛(wèi)星到達(dá)天文臺站的最小距離d=35 786 km，大氣損耗Latm=0.5 dB，CN頻段導(dǎo)航信號采用GMSK(8)信號，載波中心頻率[1]為5 022.93 MHz。

將上述參數(shù)代入公式(6)得PPFD=-182 dB(W/m2)，當(dāng)來自單顆GSO衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號到達(dá)射電望遠(yuǎn)鏡接收機的電平為-171 dB(W/m2)時，入射角對應(yīng)的天線增益為11 dBi，即29-25lgφ=11，則入射角度為5.25°，因此，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的指向與GSO視線方向的夾角小于5.25°時會對射電天文系統(tǒng)造成干擾，而當(dāng)角度大于5.25°時不會存在干擾。單顆GSO衛(wèi)星對應(yīng)的干擾天空面積占總天空面積的比值由公式(8)可得r=0.42%。

3 非GSO系統(tǒng)CN頻段導(dǎo)航信號同射電天文系統(tǒng)兼容性評估

非GSO衛(wèi)星的數(shù)量較多，這也成為它們對射電天文系統(tǒng)造成干擾的一個重要原因。

3.1 兼容評估方法

非GSO衛(wèi)星與GSO衛(wèi)星的分析方法不同，主要是因為非GSO衛(wèi)星相對于射電望遠(yuǎn)鏡天線波束的位置隨著時間的變化而變化。ITU建議為了不對4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)的射電天文系統(tǒng)造成干擾，工作在5 010～5 030 MHz頻段內(nèi)的非對地靜止軌道衛(wèi)星在4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)所產(chǎn)生的等效功率通量密度(equivalent power flux density，簡稱EPFD)，在任何天文臺站處超過-245 dB(W/m2)的時間百分比不應(yīng)超過2%[17]。等效功率通量密度是指將天線接收到的各個方向上的衛(wèi)星發(fā)射的功率通量密度，等效成在天線最大增益處所接收到的功率通量密度[18]。

等效功率通量密度計算公式如下：

(9)

(10)

式(9)和(10)中，Na為射電望遠(yuǎn)鏡可見的非GSO衛(wèi)星的數(shù)量，Pi為非GSO衛(wèi)星發(fā)射功率在射電天文頻段上的無用功率(單位為dBW)，θi為非GSO衛(wèi)星發(fā)射波束中心和射電望遠(yuǎn)鏡方向之間的離軸角(單位為°),Gt(θi)為非GSO衛(wèi)星在射電望遠(yuǎn)鏡方向上的發(fā)射天線增益(單位為dBi)，G(f)為CN導(dǎo)航信號的歸一化功率譜密度，di為射電望遠(yuǎn)鏡和非GSO衛(wèi)星之間的距離(單位為m)，φi為射電望遠(yuǎn)鏡指向和非GSO衛(wèi)星方向之間的離軸角(單位為°),Gr(φi)為射電望遠(yuǎn)鏡在非GSO衛(wèi)星方向的接收天線增益(單位為dBi)，Gr,max為射電望遠(yuǎn)鏡的最大接收天線增益(單位為dBi)，PEIRP為衛(wèi)星的等效全向輻射功率(單位為dBW)。

ITU建議分析非GSO衛(wèi)星系統(tǒng)對射電望遠(yuǎn)鏡造成的干擾大小時，采用ITU-R RA.1631-0建議書給出的射電望遠(yuǎn)鏡天線增益模型[16],其如公式(11)所示：

(11)

式(11)中,Gr(φ)為相對于全向天線的增益(單位為dBi)，φ為離軸角(單位為°)。

在評估非GSO衛(wèi)星的CN頻段導(dǎo)航信號與射電天文系統(tǒng)兼容的仿真過程如下：

①用STK軟件對導(dǎo)航系統(tǒng)的所有非GSO衛(wèi)星進(jìn)行可見性仿真[19]，得到當(dāng)前時刻可見衛(wèi)星數(shù)目Na，每顆衛(wèi)星相對于地面站的距離di以及方位俯仰角度。

②為地面站的射電望遠(yuǎn)鏡天線設(shè)置不同的方位俯仰角度，根據(jù)STK獲得的衛(wèi)星位置，計算出干擾信號方向同射電望遠(yuǎn)鏡指向的夾角即離軸角φi，由射電望遠(yuǎn)鏡天線增益模型即公式(11)計算出增益Gr(φi)。

(12)

(13)

(14)

③根據(jù)CN頻段導(dǎo)航信號調(diào)制方式計算出歸一化功率通量密度G(f)，最后將各參數(shù)帶入公式(10)即可得到當(dāng)前時刻的等效功率通量密度。

④仿真一段時間后計算在該時間段內(nèi)EPFD超過-245 dB(W/m2)的時間占總時間的百分比。在仿真時，仿真時間長度應(yīng)遠(yuǎn)大于非GSO衛(wèi)星星座運行周期，且仿真時間越長，最后結(jié)果越準(zhǔn)確。

3.2 兼容仿真分析

利用STK工具對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的非GSO衛(wèi)星星座進(jìn)行可見性仿真，該星座包括6顆IGSO衛(wèi)星和3顆MEO衛(wèi)星，天文臺站地點選擇三亞、西安、長春，仿真時間為20 d，時間間隔為1 min，CN頻段導(dǎo)航信號采用GMSK(8)信號，PEIRP=42 dBW，大氣損耗Latm=0.5 dB，計算射電望遠(yuǎn)鏡不同指向下EPFD超出-245 dB(W/m2)的時間占總時間的百分比。仿真結(jié)果示于圖2至圖4，分別代表三亞、西安、長春3處天文臺站的干擾分布，橫坐標(biāo)為射電望遠(yuǎn)鏡的方位角，縱坐標(biāo)為射電望遠(yuǎn)鏡的仰角，最右側(cè)欄不同顏色代表EPFD超出-245 dB(W/m2)的時間百分比。

圖2 三亞站干擾分布

圖3 西安站干擾分布

圖4 長春站干擾分布

干擾時間不超過2%的指向是滿足兼容的，對圖2至圖4中不同地區(qū)干擾情況進(jìn)行統(tǒng)計，滿足兼容的指向占總指向的百分比如表1所示。

表1 不同地區(qū)滿足兼容的天線指向占總指向的百分比

由表1可以看出，3個地區(qū)均有超過一半的指向是滿足兼容條件的，不同地區(qū)的兼容程度與該地上空的衛(wèi)星覆蓋度有關(guān)。對比圖2至圖4中西安、三亞、長春3個地區(qū)的干擾分布圖可得，干擾的指向多集中在方位角為180°附近，以及高仰角處，并且隨著緯度變化而變化。

對干擾較大的指向進(jìn)一步分析其EPFD隨時間的變化情況。對三亞、西安和長春三站任選兩個干擾時間超過2%的射電望遠(yuǎn)鏡指向，仿真其EPFD隨時間累積的變化情況，仿真結(jié)果如圖5至圖7所示。

圖5 三亞站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖6 西安站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖7 長春站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖5至圖7中，在文中所選擇射電望遠(yuǎn)鏡的指向下，累積時間為4 000 min，EPFD超過-245 dB(W/m2)的干擾時間與總時間的比值均大于2%，會給射電天文觀測帶來干擾。但是從圖中可以看出，無論數(shù)據(jù)損失的百分比大或小，EPFD變化都是有規(guī)律的，在大部分時間均低于-245 dB(W/m2)。對圖5至圖7中的最大無干擾時段以及平均無干擾時段進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 不同站點不同指向下的干擾時間分析

表2中，文中所選擇的干擾指向下，最長無干擾時間段以及平均無干擾時間段均大于6 h，由圖5至圖7以及表2可以得出，對于不滿足兼容的天線指向，一般會有連續(xù)較長一段不受CN頻段導(dǎo)航信號干擾的時間段，之后會出現(xiàn)較短的受到CN頻段導(dǎo)航信號干擾的時間段，如此重復(fù)。因此，在實際工作中，可以通過上述分析方法選取無干擾的有效觀測時段，從而保證天文觀測數(shù)據(jù)的正確性。

4 結(jié)語

本文對CN頻段導(dǎo)航信號同射電天文系統(tǒng)的兼容評估方法進(jìn)行研究，給出一種實現(xiàn)ITU評估準(zhǔn)則的具體實施方法。GSO衛(wèi)星相對天文臺站的位置是固定的，通過本文方法可計算得出每顆衛(wèi)星所對應(yīng)的干擾區(qū)域。非GSO衛(wèi)星相對于天文臺站的位置隨著時間的變化而變化，基于本文方法可得出射電望遠(yuǎn)鏡不同指向下的干擾情況，對于某些干擾較大的指向，通過進(jìn)一步分析其等效功率通量密度隨時間的變化情況，可以找到無干擾的時間段，這可為射電天文臺站選擇合適的觀測時段提供參考，同時本文研究可為CN頻段導(dǎo)航信號設(shè)計提供射頻兼容評估方面的技術(shù)支持。