摘 要： 集總增益系數是GNSS系統間干擾分析的重要參數，需要通過仿真計算得到。介紹了集總增益系數仿真算法，利用Visualyse Professional軟件構建仿真系統，仿真分析了Compass、GPS和Galileo系統不同信號的集總增益系數。計算結果的準確性已在國際電聯新增導航頻段609決議磋商會中得到了驗證。該仿真分析方法為開展GNSS系統間干擾分析提供了一種快捷有效的手段。
關鍵詞： 集總增益系數； GNSS； 仿真系統； Compass
全球導航衛星系統（GNSS）間頻率兼容性研究已經成為國際衛星導航領域的一個熱點問題[1-4]。國際電聯ITU-R M.1831建議書給出了GNSS系統間頻率兼容性協調的分析方法。該方法中，集總增益系數Gagg是進行GNSS系統兼容性計算的一個非常重要、耗時最多的中間參數，它反映了不同星座配置的GNSS系統的集總干擾功率差別，與星座的動態運行特性、收發天線相對增益變化、接收站點的分布等都有關系，須通過動態仿真進行計算。但是，目前國內還沒有一個有效的對集總增益系數進行仿真計算的方法。因此,本文介紹了如何利用Visualyse Professional軟件構建Compass、GPS和Galileo系統的集總增益系數仿真系統；并對三個系統的集總增益系數計算結果進行了分析；該結果已在國際電聯609決議磋商會中得到了驗證。
1 集總增益系數仿真算法
對于指定的GNSS信號類型，第i位置接收機接收到的集總干擾功率(W)可表示如下：
式(2)中，
是接收機天線輸出端的單顆衛星發射的最大信號功率(W)，最大意味著所有接收位置中收到的最大信號功率。參考接收天線的增益GR可能和接收到的信號極化方式不匹配，從而導致附加損耗。式(2)計算得到的Gagg是所有接收位置中的最壞值，適用于任何干擾信號類型。在干擾計算中統一用這個最壞值分析其他任意接收位置干擾情況。事實上，大多數情況下的干擾會好于該種方式的計算值。但是通過這種評估方法可以確保系統間頻率兼容性不會被低估。
2 集總增益系數仿真系統搭建
2.1 集總增益系數仿真系統總體架構
集總增益系數仿真需要模擬系統的載波頻率、星座特性、衛星發射天線增益、接收機天線增益、空間鏈路傳輸特性、接收機地理分布等。本文利用Visualyse Professional軟件環境構建仿真系統進行集總增益系數仿真。仿真系統由空間段、鏈路段和接收段三部分組成。空間段包括星座模塊、衛星發射天線模塊和載波設置模塊，接收段由站點模塊、接收天線模塊組成。仿真系統可以實時計算不同接收位置的集總干擾功率，然后通過事后處理從所有的計算結果中選取最大值，與接收到的單顆衛星發射的最大信號功率相除，得到集總增益系數。圖1給出了仿真系統各個模塊之間的邏輯關系。
2.2 集總增益系數星座設置
Compass系統由27顆中圓軌道衛星(MEO)、3顆傾斜軌道同步衛星 (IGSO) 和5顆靜地軌道衛星(GSO)組成。27顆MEO衛星均勻分布在3個離地高度21 500 km，軌道傾角55°的軌道上，每個軌道有9顆衛星。星座的回歸周期為7天。3顆IGSO衛星均勻分布在3個離地高度為35 786 km，傾角55°的軌道上，每個軌道上1顆衛星，3顆衛星星下點軌跡的交叉點經度為東經118°。5顆GSO衛星的軌道位置為58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E。
GPS系統星座基本配置[5]由24顆衛星組成，24顆衛星平均分布在離地面20 181.56 km、軌道傾角為55°的MEO軌道上，每個軌道上4顆衛星。星座的回歸周期為1天。另外還有4顆備份衛星，均勻分布在第1個軌道上。
Galileo系統星座由27顆衛星組成，27顆衛星平均分布在3個離地高度為23 616 km、軌道傾角為56°的MEO軌道上，每個軌道上有9顆衛星。星座的回歸周期為3天。
本文根據上述軌道參數分別設置三個系統的星座。由于Compass系統空間段由MEO、IGSO和GSO三種星座組成，在仿真分析中分別針對MEO和IGSO兩種不同的星座模型進行仿真，GSO星座不涉及時間變化，可直接計算得到。為了準確模擬地面接收功率隨時間的變化，本文仿真時長設置與星座的回歸周期相同，仿真步長設為30 s。
2.3 集總增益系數載波特性設置
Compass系統發射B1(1 575.42 MHz）、B2(1 191.795 MHz)和B3(1 268.52 MHz)三個載頻。GPS系統發射L1(1 575.42 MHz)、L2(1 227.6 MHz)和L5(1 176.45 MHz)三個載頻信號。Galileo系統發射E1(1 575.42 MHz)、E5(1 191.795MHz)和E6(1 278.75 MHz)三個載頻信號。
載波信號頻率不同，其空間傳輸特性和收發天線輻射特性也有差異。Compass系統3個載頻頻率間隔較大，即使相差較小的B2和B3信號之間，其路徑損耗差也有0.6 dB。因此為了準確分析信號間的干擾，本文分別針對3種載頻信號進行仿真，每一個載頻信號對應一個集總增益系數。GPS信號雖然也在3個載頻上發射信號，但是L5和L2載頻之間的路徑損耗僅為0.2 dB，在仿真分析中，將L5和L2信號作為一種類型信號仿真，其仿真載波頻率均設置為1.2 GHz。Galileo信號與Compass類似，也是對3個不同的載頻信號分別仿真。
2.4 接收機站點分布模塊設置
Compass、GPS和Galileo系統的服務區均為全球。本文在仿真分析中將接收區域設置為全球，接收機的分布密度按照經緯度各5°間隔均勻設置,即東西方向從經度-180°～180°，按5°間隔均勻設置73臺接收機，南北方向從-90°～90°按5°間隔均勻設置37臺接收機，共設置2 701臺接收機覆蓋地球表面，每種星座仿真平臺中建立2 701個接收鏈路。
2.5 收/發天線增益設置
Compass、GPS和Galileo系統衛星天線增益圖模型及參數采用中美、中歐關于GNSS系統雙邊頻率會談中協商的計算條件設置。圖2和圖3分別描述了本研究中GPS系統L1載波信號和L5載波信號采用的典型接收機天線增益模型，它們分別來源于美國航空無線電委員會制定的評估對GNSS系統無線電干擾的Do-235和Do-229規范。可以假設Compass的B1接收機天線具有與GPS L1相同的特性進行干擾分析，Compass的B2/B3接收機天線具有與GPS L5相同的特性進行干擾分析。
2.6 鏈路模塊設置
鏈路模塊電波傳播模型選擇自由空間傳輸模型。三個系統的信號采用同樣的傳播模型，便于比對分析。其他鏈路損耗如雨衰、大氣損耗和極化失配損耗等，在進行后續的干擾計算時，可按工程經驗值統一予以扣除處理。
3 仿真結果及分析
表1給出了Compass、GPS和Galileo系統不同信號的集總增益系數。為了分析系統內部其他導航信號的干擾，即自干擾的影響，本文還仿真計算了關注信號和干擾信號類型相同時的集總增益系數(Gagg*)。在這種情況下，假設在干擾最惡劣的條件下進行計算，即假設接收機接收到的關注信號的功率為最低仰角時接收到的單顆衛星信號的功率，本文分析中GPS和Compass系統考慮5°仰角的接收功率，Galileo系統考慮10°仰角時的接收功率。GPS系統在仿真時雖然只考慮了2個載頻信號，但是由于其衛星發射天線增益在三個載頻上不同，因此仍然得到了3個不同的結果。
表1中的數據表明：(1)Compass MEO、GPS、Galileo系統中頻率相近的信號，其集總增益系數也比較接近。比如，Compass MEO的B1信號、GPS Galileo的L1信號以及Galileo的E1信號，其集總增益系數相差在0.4 dB以內； (2)對于Compass而言，MEO星座的集總增益系數最大，其對Compass系統自干擾以及與其他系統互干擾的貢獻會較大，但是，GSO以及IGSO的集總增益系數也處于相對較大水平(7.2 dB~10.6 dB)，因此在計算系統自干擾以及系統間的互干擾時不能忽略； (3)由于計算自干擾情況下集總增益系數(Gagg*)比計算互干擾情況下的集總增益系數（Gagg）時只少計算一條鏈路，所以其數值較為接近(從表中可以看出差值在0.3 dB以內)。因此在保守地分析干擾時,可以選擇只計算Gagg以節約仿真時間。
本文利用Visualyse Professional軟件構建了Compass、GPS和Galileo系統的集總增益系數仿真系統，該系統可以模擬導航系統的星座動態運行、接收機的地理分布、頻率特性以及收發天線輻射特性等,為GNSS系統集總增益系數的計算提供了一種快捷的仿真手段。仿真系統計算的準確性已在國際電聯新增導航頻段609決議磋商會中得到了驗證。本文仿真計算的三個系統不同信號的集總增益系數不僅可用于三個系統間的干擾分析，也可用于其他衛星導航系統的干擾分析。
參考文獻
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