隨著美國GPS現(xiàn)代化進(jìn)程的實(shí)施，俄羅斯GLONASS的更新?lián)Q代，歐洲Galileo以及中國Compass的部署建設(shè)，形成了新的四大系統(tǒng)共存的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）。頻率資源的有限性，以及多系統(tǒng)組合對于導(dǎo)航精度和完好性的提升優(yōu)勢，使得四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間兼容與互操作問題成為業(yè)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)^[1-2]。同時，單系統(tǒng)自身在升級換代時也需要考慮新舊體制信號的兼容和復(fù)用問題^[4]。

目前國內(nèi)外對GNSS兼容互用性評估手段往往十分復(fù)雜，在實(shí)踐時缺少可操作性。本文將面向應(yīng)用，研究多模式GNSS的兼容互用性評估方法，為開展相關(guān)研究提供目標(biāo)性依據(jù)。

1 GNSS信號兼容性評估

1.1 頻譜分離系數(shù)與等效載噪比衰減

    所謂GNSS兼容性，目前國際上較統(tǒng)一的概念描述是，多個GNSS系統(tǒng)或單個GNSS系統(tǒng)對特定的GNSS系統(tǒng)干擾引起的導(dǎo)航定位性能下降在可接受的范圍內(nèi)^[5]。判斷GNSS系統(tǒng)之間是否相互兼容的一個重要指標(biāo)是一個系統(tǒng)的信號對另一個系統(tǒng)的接收性能所產(chǎn)生的性能下降在一個預(yù)期并可控制的范圍以內(nèi)。可以用等效載噪比衰減值Δ(C/N₀)來評估GNSS兼容性，因?yàn)棣?C/N₀)反映的是導(dǎo)航信號受到系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)間干擾的相對影響，與各系統(tǒng)接收機(jī)的不同設(shè)計(jì)無關(guān)，具有普遍性。

    也有文獻(xiàn)提出用頻譜分離系數(shù)（SSC）進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性分析^[6]，當(dāng)接收期望衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號過程中存在其他系統(tǒng)的干擾時，將需要接收的信號定義為期望信號，其他系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的信號就稱作干擾信號，期望信號與干擾信號之間的頻譜分離系數(shù)SSC定義如下：

其中：B表示接收機(jī)前端濾波器的帶寬，G_j表示干擾信號的功率譜密度，G_s表示期望信號的功率譜密度，f_dopj表示干擾信號的多普勒頻移，f_dops表示期望信號的多普勒頻移。由此可見，頻譜分離系數(shù)是關(guān)于接收機(jī)前端濾波器帶寬、期望信號與干擾信號的功率譜密度和多普勒的函數(shù)，它的具體數(shù)值可以間接反應(yīng)干擾信號與期望信號之間的干擾程度。但是SSC的計(jì)算與整個導(dǎo)航系統(tǒng)的可見性與信號功率無關(guān)，反應(yīng)的是信號之間的重疊度，因此它只能作為系統(tǒng)兼容性的一個參考，而不能作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 等效載噪比衰減計(jì)算

    等效載噪比(C/N₀)_eq的定義可用下式表示：

式中：C表示期望信號功率，單位是W；v表示無量綱的有效熱噪聲功率因子，通常假設(shè)接收機(jī)前端濾波器是理想濾波器，所以假定它的值為1；N₀表示熱噪聲功率譜密度，單位是W/Hz，常溫下取值為-201.5 dBW/Hz；I_intra和I_inter分別表示衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾信號功率譜密度；I_ext表示除了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以外的無線電系統(tǒng)電磁干擾信號的功率譜密度。

    根據(jù)衛(wèi)星空間鏈路公式，地球上任意一點(diǎn)的衛(wèi)星信號功率為：

其中：C_j表示地面上某一位置對于期望衛(wèi)星的接收功率；P_j表示期望衛(wèi)星發(fā)射功率，單位是W；G_j表示期望衛(wèi)星的天線增益；A_dist表示空間損耗，A_atm表示大氣損耗，A_pol表示天線的極化損耗，G_usr表示接收機(jī)天線增益。通常大氣損耗取值為0.5 dB，極化損耗與天線增益都要根據(jù)不同GNSS系統(tǒng)的不同衛(wèi)星來取值。

    將式（3）用對數(shù)形式寫成如下形式：

    下面對同一個GNSS系統(tǒng)，確定地球上某一位置上的接收機(jī)所能接收到的所有干擾信號功率。假設(shè)該系統(tǒng)的可見星的數(shù)目為U顆，而第u顆衛(wèi)星發(fā)射的不同類型的信號共有I個：

    這就是同一個GNSS系統(tǒng)上，地球上某一位置上的接收機(jī)所能接收到的所有干擾信號功率的表達(dá)式。

    為了減少對的重復(fù)大量計(jì)算，對于屬于同一個星座的干擾信號，定義了集總增益參數(shù)，表示為：

    這里，其他非導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾暫且設(shè)為零，因此主要針對以上參數(shù)進(jìn)行分析，對GNSS兼容性做出一個整體評估。

    在L1頻段，選取GPS L1C信號、GalileoE1OS信號和Compass B1C1信號，將仿真環(huán)境分成以下幾種場景，對GNSS兼容性進(jìn)行研究，得出干擾引起的Δ(C/N₀)如表1所示，單位是dB。

2 GNSS信號互用性評估

    GNSS互用性主要指的是若干個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在一起工作時，特定系統(tǒng)的用戶接收機(jī)可以不經(jīng)過改造就能接收其他系統(tǒng)的信號，并且用戶接收機(jī)能獲得比單獨(dú)使用一個系統(tǒng)相當(dāng)或更優(yōu)的導(dǎo)航定位性能。通常認(rèn)為GNSS互用主要集中在信號、星座及時間坐標(biāo)系統(tǒng)3個方面，而信號互用最為關(guān)鍵，優(yōu)良的信號設(shè)計(jì)可以有效減小同頻段相鄰信號干擾問題^[6]。

    目前，L1C信號、E1OS信號和B1C1信號提供公共互用，中心頻率均為1 575.42 MHz，采用MBOC（6，1，1/11）調(diào)制方式，用戶接收機(jī)可以不經(jīng)過復(fù)雜的研制就接收其他系統(tǒng)的互用信號進(jìn)行導(dǎo)航。

    由于信號互用是以犧牲兼容性為代價的，因此可以利用等效載噪比衰減值，對互用信號的互用性按兩種情況進(jìn)行研究，第一種是將互用信號都作為系統(tǒng)內(nèi)的干擾，第二種是都作為系統(tǒng)間的干擾。

    若按照第一種情況，將所有系統(tǒng)的互用信號作為系統(tǒng)內(nèi)的干擾來算，則它們造成的載噪比衰減是：

    取N₀=-201.5 dBW/Hz，根據(jù)之前的計(jì)算方式，可以得到I_intra=-201.48 dBW/Hz。這樣就可以得到系統(tǒng)內(nèi)的互用信號所造成的等效載噪比衰減為3.02 dB。

    若按照第二種情況，將所有系統(tǒng)的互用信號當(dāng)成系統(tǒng)間的干擾來算，則它們造成的載噪比衰減是：

其中，I_inter是這3個系統(tǒng)在L1頻段上除了互用信號以外的干擾信號。同樣根據(jù)之前的計(jì)算方法，可以得出GPS、Galileo和Compass 3個系統(tǒng)在該頻段上造成的等效集總干擾分為-203.691 dBW/Hz、-233.17 dBW/Hz和-224.22 dBW/Hz，再根據(jù)式（15）可以得出這些信號對互用信號的干擾為1.154 dB。

    影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容互用的主要因素是導(dǎo)航信號，等效載噪比衰減Δ(C/N₀)可以很好地表征干擾信號對期望信號的干擾程度，具有普遍實(shí)際應(yīng)用價值，可作為評估系統(tǒng)間信號兼容互用的主要參數(shù)。隨著四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，可在此基礎(chǔ)上開展更為全面和具有針對性的兼容互用性評估。

參考文獻(xiàn)

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