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  [组图]一种GNSS信号兼容互用性评估方法           ★★★ 【字体:
一种GNSS信号兼容互用性评估方法
作者:电子技术…    文章来源:电子技术应用    点击数:    更新时间:2015-3-31    
摘  要: 针对全球卫星导航系统(GNSS)兼容互用性评估问题,分析了频谱分离系数和等效载噪比衰减两种方 法的区别,提出了一种基于等效载噪比衰减值的GNSS信号兼容性和互用性评估方法,通过仿真证明了此方法具有实用意义。

    关键词: 全球卫星导航系统;兼容互用性;等效载噪比;评估


    随着美国GPS现代化进程的实施,俄罗斯GLONASS的更新换代,欧洲Galileo以及中国Compass的部署建设,形成了新的四大系统共存的全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)。频率资源的有限性,以及多系统组合对于导航精度和完好性的提升优势,使得四大卫星导航系统间兼容与互操作问题成为业界关注和研究的热点[1-2]。同时,单系统自身在升级换代时也需要考虑新旧体制信号的兼容和复用问题[4]

目前国内外对GNSS兼容互用性评估手段往往十分复杂,在实践时缺少可操作性。本文将面向应用,研究多模式GNSS的兼容互用性评估方法,为开展相关研究提供目标性依据。

1 GNSS信号兼容性评估

1.1 频谱分离系数与等效载噪比衰减

    所谓GNSS兼容性,目前国际上较统一的概念描述是,多个GNSS系统或单个GNSS系统对特定的GNSS系统干扰引起的导航定位性能下降在可接受的范围内[5]。判断GNSS系统之间是否相互兼容的一个重要指标是一个系统的信号对另一个系统的接收性能所产生的性能下降在一个预期并可控制的范围以内。可以用等效载噪比衰减值Δ(C/N0)来评估GNSS兼容性,因为Δ(C/N0)反映的是导航信号受到系统内与系统间干扰的相对影响,与各系统接收机的不同设计无关,具有普遍性。

    也有文献提出用频谱分离系数(SSC)进行卫星导航系统兼容性分析[6],当接收期望卫星导航系统信号过程中存在其他系统的干扰时,将需要接收的信号定义为期望信号,其他系统内和系统间的信号就称作干扰信号,期望信号与干扰信号之间的频谱分离系数SSC定义如下:

    tx3-gs1.gif

其中:B表示接收机前端滤波器的带宽,Gj表示干扰信号的功率谱密度,Gs表示期望信号的功率谱密度,fdopj表示干扰信号的多普勒频移,fdops表示期望信号的多普勒频移。由此可见,频谱分离系数是关于接收机前端滤波器带宽、期望信号与干扰信号的功率谱密度和多普勒的函数,它的具体数值可以间接反应干扰信号与期望信号之间的干扰程度。但是SSC的计算与整个导航系统的可见性与信号功率无关,反应的是信号之间的重叠度,因此它只能作为系统兼容性的一个参考,而不能作为评判标准。

1.2 等效载噪比衰减计算

    等效载噪比(C/N0)eq的定义可用下式表示:

    tx3-gs2.gif

式中:C表示期望信号功率,单位是W;v表示无量纲的有效热噪声功率因子,通常假设接收机前端滤波器是理想滤波器,所以假定它的值为1;N0表示热噪声功率谱密度,单位是W/Hz,常温下取值为-201.5 dBW/Hz;Iintra和Iinter分别表示卫星导航系统内部和外部的干扰信号功率谱密度;Iext表示除了卫星导航系统以外的无线电系统电磁干扰信号的功率谱密度。

    根据卫星空间链路公式,地球上任意一点的卫星信号功率为:

    tx3-gs3.gif

其中:Cj表示地面上某一位置对于期望卫星的接收功率;Pj表示期望卫星发射功率,单位是W;Gj表示期望卫星的天线增益;Adist表示空间损耗,Aatm表示大气损耗,Apol表示天线的极化损耗,Gusr表示接收机天线增益。通常大气损耗取值为0.5 dB,极化损耗与天线增益都要根据不同GNSS系统的不同卫星来取值。

    将式(3)用对数形式写成如下形式:

    tx3-gs4.gif

    下面对同一个GNSS系统,确定地球上某一位置上的接收机所能接收到的所有干扰信号功率。假设该系统的可见星的数目为U颗,而第u颗卫星发射的不同类型的信号共有I个:

tx3-gs5-8.gif

    这就是同一个GNSS系统上,地球上某一位置上的接收机所能接收到的所有干扰信号功率的表达式。

    为了减少对tx3-gs8-1.gif的重复大量计算,对于属于同一个星座的干扰信号,定义了集总增益参数,表示为:

tx3-gs9-13.gif

    这里,其他非导航系统的干扰暂且设为零,因此主要针对以上参数进行分析,对GNSS兼容性做出一个整体评估。

    在L1频段,选取GPS L1C信号、GalileoE1OS信号和Compass B1C1信号,将仿真环境分成以下几种场景,对GNSS兼容性进行研究,得出干扰引起的Δ(C/N0)如表1所示,单位是dB。

tx3-b1.gif

2 GNSS信号互用性评估

    GNSS互用性主要指的是若干个卫星导航系统在一起工作时,特定系统的用户接收机可以不经过改造就能接收其他系统的信号,并且用户接收机能获得比单独使用一个系统相当或更优的导航定位性能。通常认为GNSS互用主要集中在信号、星座及时间坐标系统3个方面,而信号互用最为关键,优良的信号设计可以有效减小同频段相邻信号干扰问题[6]

    目前,L1C信号、E1OS信号和B1C1信号提供公共互用,中心频率均为1 575.42 MHz,采用MBOC(6,1,1/11)调制方式,用户接收机可以不经过复杂的研制就接收其他系统的互用信号进行导航。

    由于信号互用是以牺牲兼容性为代价的,因此可以利用等效载噪比衰减值,对互用信号的互用性按两种情况进行研究,第一种是将互用信号都作为系统内的干扰,第二种是都作为系统间的干扰。

    若按照第一种情况,将所有系统的互用信号作为系统内的干扰来算,则它们造成的载噪比衰减是:

    tx3-gs14.gif

    取N0=-201.5 dBW/Hz,根据之前的计算方式,可以得到Iintra=-201.48 dBW/Hz。这样就可以得到系统内的互用信号所造成的等效载噪比衰减为3.02 dB。

    若按照第二种情况,将所有系统的互用信号当成系统间的干扰来算,则它们造成的载噪比衰减是:

    tx3-gs15.gif

其中,Iinter是这3个系统在L1频段上除了互用信号以外的干扰信号。同样根据之前的计算方法,可以得出GPS、Galileo和Compass 3个系统在该频段上造成的等效集总干扰分为-203.691 dBW/Hz、-233.17 dBW/Hz和-224.22 dBW/Hz,再根据式(15)可以得出这些信号对互用信号的干扰为1.154 dB。

    影响卫星导航系统兼容互用的主要因素是导航信号,等效载噪比衰减Δ(C/N0)可以很好地表征干扰信号对期望信号的干扰程度,具有普遍实际应用价值,可作为评估系统间信号兼容互用的主要参数。随着四大卫星导航系统的不断完善,可在此基础上开展更为全面和具有针对性的兼容互用性评估。

参考文献

[1] WALLNER S,HEIN G W,PANY T.Interference computations between CPS and GALILEO[C].ION GNSS 2005,Long Beach,2005:861-876.

[2] TITUS B M,BETZ J W,HEGARTY J.Intersystem and intrasystem interference analysis methodology[C].ION GPS/GNSS 2003,Portland,2003:2061-2069.

[3] 朱亮,陆明泉,冯振明.北斗系统B1频段导航信号的多路复用策略研究[J].电子技术应用,2012,38(7):91-94.

[4] DELLAGO R,DETOMA E,LUONGO F.Galileo-GPS interoperability and compatibility:a synergetic viewpoint[C].ION GPS/GNSS 2003 USA:Institute of Navigation,2003:542-549.

[5] 罗显志,王垚.GPS-L1/Galileo-E1信号兼容性分析与仿真[J].系统仿真学报,2009,23(5):1039-1044.

[6] 朱亮,陆明泉,冯振明.北斗系统C频段导航信号的波形设计[J].电子技术应用,2012,38(8):89-92.

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