摘 要： 集總增益系數(shù)是GNSS系統(tǒng)間干擾分析的重要參數(shù),，需要通過仿真計算得到。介紹了集總增益系數(shù)仿真算法,，利用Visualyse Professional軟件構(gòu)建仿真系統(tǒng),，仿真分析了Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)不同信號的集總增益系數(shù),。計算結(jié)果的準(zhǔn)確性已在國際電聯(lián)新增導(dǎo)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(tǒng)間干擾分析提供了一種快捷有效的手段。
關(guān)鍵詞： 集總增益系數(shù),； GNSS,； 仿真系統(tǒng)； Compass
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）間頻率兼容性研究已經(jīng)成為國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的一個熱點問題[1-4],。國際電聯(lián)ITU-R M.1831建議書給出了GNSS系統(tǒng)間頻率兼容性協(xié)調(diào)的分析方法,。該方法中，集總增益系數(shù)Gagg是進(jìn)行GNSS系統(tǒng)兼容性計算的一個非常重要,、耗時最多的中間參數(shù),，它反映了不同星座配置的GNSS系統(tǒng)的集總干擾功率差別，與星座的動態(tài)運行特性,、收發(fā)天線相對增益變化,、接收站點的分布等都有關(guān)系，須通過動態(tài)仿真進(jìn)行計算,。但是,，目前國內(nèi)還沒有一個有效的對集總增益系數(shù)進(jìn)行仿真計算的方法。因此,本文介紹了如何利用Visualyse Professional軟件構(gòu)建Compass,、GPS和Galileo系統(tǒng)的集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng),；并對三個系統(tǒng)的集總增益系數(shù)計算結(jié)果進(jìn)行了分析；該結(jié)果已在國際電聯(lián)609決議磋商會中得到了驗證,。
1 集總增益系數(shù)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(wèi)星發(fā)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(dǎo)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)間頻率兼容性不會被低估。
2 集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng)搭建
2.1 集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)
集總增益系數(shù)仿真需要模擬系統(tǒng)的載波頻率,、星座特性,、衛(wèi)星發(fā)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(huán)境構(gòu)建仿真系統(tǒng)進(jìn)行集總增益系數(shù)仿真,。仿真系統(tǒng)由空間段,、鏈路段和接收段三部分組成?？臻g段包括星座模塊,、衛(wèi)星發(fā)射天線模塊和載波設(shè)置模塊，接收段由站點模塊,、接收天線模塊組成,。仿真系統(tǒng)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(jié)果中選取最大值,，與接收到的單顆衛(wèi)星發(fā)射的最大信號功率相除,，得到集總增益系數(shù)。圖1給出了仿真系統(tǒng)各個模塊之間的邏輯關(guān)系,。
2.2 集總增益系數(shù)星座設(shè)置
Compass系統(tǒng)由27顆中圓軌道衛(wèi)星(MEO)、3顆傾斜軌道同步衛(wèi)星 (IGSO) 和5顆靜地軌道衛(wèi)星(GSO)組成,。27顆MEO衛(wèi)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(wèi)星,。星座的回歸周期為7天,。3顆IGSO衛(wèi)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(wèi)星,，3顆衛(wèi)星星下點軌跡的交叉點經(jīng)度為東經(jīng)118°。5顆GSO衛(wèi)星的軌道位置為58.75°E、80°E,、110.5°E,、140°E和160°E。
GPS系統(tǒng)星座基本配置[5]由24顆衛(wèi)星組成,，24顆衛(wèi)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(wèi)星,。星座的回歸周期為1天,。另外還有4顆備份衛(wèi)星，均勻分布在第1個軌道上,。
Galileo系統(tǒng)星座由27顆衛(wèi)星組成,，27顆衛(wèi)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(wèi)星,。星座的回歸周期為3天。
本文根據(jù)上述軌道參數(shù)分別設(shè)置三個系統(tǒng)的星座,。由于Compass系統(tǒng)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(jìn)行仿真,，GSO星座不涉及時間變化,，可直接計算得到。為了準(zhǔn)確模擬地面接收功率隨時間的變化,，本文仿真時長設(shè)置與星座的回歸周期相同,，仿真步長設(shè)為30 s。
2.3 集總增益系數(shù)載波特性設(shè)置
Compass系統(tǒng)發(fā)射B1(1 575.42 MHz）,、B2(1 191.795 MHz)和B3(1 268.52 MHz)三個載頻,。GPS系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)發(fā)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(fā)天線輻射特性也有差異,。Compass系統(tǒng)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(zhǔn)確分析信號間的干擾，本文分別針對3種載頻信號進(jìn)行仿真,，每一個載頻信號對應(yīng)一個集總增益系數(shù),。GPS信號雖然也在3個載頻上發(fā)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(shè)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(shè)置
Compass、GPS和Galileo系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)均為全球,。本文在仿真分析中將接收區(qū)域設(shè)置為全球,，接收機的分布密度按照經(jīng)緯度各5°間隔均勻設(shè)置,即東西方向從經(jīng)度-180°～180°，按5°間隔均勻設(shè)置73臺接收機,，南北方向從-90°～90°按5°間隔均勻設(shè)置37臺接收機,，共設(shè)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(fā)天線增益設(shè)置
Compass,、GPS和Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星天線增益圖模型及參數(shù)采用中美、中歐關(guān)于GNSS系統(tǒng)雙邊頻率會談中協(xié)商的計算條件設(shè)置,。圖2和圖3分別描述了本研究中GPS系統(tǒng)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(tǒng)無線電干擾的Do-235和Do-229規(guī)范?？梢约僭O(shè)Compass的B1接收機天線具有與GPS L1相同的特性進(jìn)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(jìn)行干擾分析。
2.6 鏈路模塊設(shè)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(tǒng)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(jìn)行后續(xù)的干擾計算時，可按工程經(jīng)驗值統(tǒng)一予以扣除處理,。
3 仿真結(jié)果及分析
表1給出了Compass,、GPS和Galileo系統(tǒng)不同信號的集總增益系數(shù)。為了分析系統(tǒng)內(nèi)部其他導(dǎo)航信號的干擾,，即自干擾的影響,，本文還仿真計算了關(guān)注信號和干擾信號類型相同時的集總增益系數(shù)(Gagg*)。在這種情況下,，假設(shè)在干擾最惡劣的條件下進(jìn)行計算,，即假設(shè)接收機接收到的關(guān)注信號的功率為最低仰角時接收到的單顆衛(wèi)星信號的功率,，本文分析中GPS和Compass系統(tǒng)考慮5°仰角的接收功率,，Galileo系統(tǒng)考慮10°仰角時的接收功率,。GPS系統(tǒng)在仿真時雖然只考慮了2個載頻信號，但是由于其衛(wèi)星發(fā)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(jié)果,。
表1中的數(shù)據(jù)表明：(1)Compass MEO、GPS,、Galileo系統(tǒng)中頻率相近的信號,，其集總增益系數(shù)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(shù)相差在0.4 dB以內(nèi),； (2)對于Compass而言,，MEO星座的集總增益系數(shù)最大，其對Compass系統(tǒng)自干擾以及與其他系統(tǒng)互干擾的貢獻(xiàn)會較大,，但是,，GSO以及IGSO的集總增益系數(shù)也處于相對較大水平(7.2 dB~10.6 dB)，因此在計算系統(tǒng)自干擾以及系統(tǒng)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(shù)(Gagg*)比計算互干擾情況下的集總增益系數(shù)（Gagg）時只少計算一條鏈路,，所以其數(shù)值較為接近(從表中可以看出差值在0.3 dB以內(nèi))。因此在保守地分析干擾時,可以選擇只計算Gagg以節(jié)約仿真時間,。
本文利用Visualyse Professional軟件構(gòu)建了Compass,、GPS和Galileo系統(tǒng)的集總增益系數(shù)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模擬導(dǎo)航系統(tǒng)的星座動態(tài)運行,、接收機的地理分布,、頻率特性以及收發(fā)天線輻射特性等,為GNSS系統(tǒng)集總增益系數(shù)的計算提供了一種快捷的仿真手段。仿真系統(tǒng)計算的準(zhǔn)確性已在國際電聯(lián)新增導(dǎo)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(tǒng)不同信號的集總增益系數(shù)不僅可用于三個系統(tǒng)間的干擾分析,，也可用于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾分析。
參考文獻(xiàn)
[1] DELLAGO R, DETOMA E, LUONGO F. Galileo-GPS interoperability and compatibility: A Synergetic Viewpoint [C]. ION GPS/GNSS 2003,，Port land, 9-12 September, 2003.
[2] WALLNER S, HEIN G W, et al. Interference computations between GPS and galileo[C]. ION GNSS 2005,，Long Beach， California 13-16 September, 2005.
[3] TITUS L B M, BETZ J W, HEGARTY C J, et al. Intersystem and intrasystem interference analysi methodalogy[C]. ION GPS/GNSS 2003,，Portland,9-12 September 2003.
[4] SOUALLE F, BURGER T. Radio frequency compatibility criterion for code tracking performance[C]. ION GNSS 2007,， Texas, 25-28 September 2007.
[5] Resolution 609(WRC-03) Consultation Meeting, Xi′an, China 13-15.05. 2008. Record of Decisions Taken at the Fifth Resolution 609 (WRC-03) Consultation Meeting [EB/OL].//http://www.itu.int/ITU-R/space/res609/docs/5th_res-609.pdf, 2009-03-02.