張愛勇

【摘 要】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)不可避免地受到各種無線電設(shè)備的干擾，其中民用航空測距信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾成為北斗應(yīng)用推廣中的一大問題。分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號和民用航空測距信號對頻率資源的使用情況和信號特點，提供了適用于民用航空測距信號的脈沖干擾計算模型和干擾效果評估方法，為北斗導(dǎo)航信號的干擾評估和頻率保護(hù)提供參考。

【關(guān)鍵詞】北斗導(dǎo)航 航空測距信號 DME 脈沖干擾 干擾計算

中圖分類號：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）09-0081-04

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)定位、測速和授時，近年來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國家戰(zhàn)略得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無論是在軍用領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。但是在不斷推廣和應(yīng)用的過程中，一些問題也變得越來越突出，特別突出在北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的兼容問題。一方面衛(wèi)星導(dǎo)航信號到達(dá)地面時的信號很弱，極易受到電磁信號的干擾[1-4]。另一方面北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1、B2和B3頻點所處的頻段內(nèi)除衛(wèi)星導(dǎo)航無線電業(yè)務(wù)外還有無線電測定、通信等多種業(yè)務(wù)，即使不考慮軍用設(shè)備的有意干擾，在民用領(lǐng)域存在的大量信號發(fā)射設(shè)備，例如廣播電視發(fā)射臺、微波傳輸設(shè)備、民用航空測距設(shè)備等，在不進(jìn)行有效規(guī)劃的情況下，都會對北斗接收機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[5-7]。

對北斗導(dǎo)航信號的干擾可以分為連續(xù)干擾和脈沖干擾，目前在對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性研究方面，國外GPS等系統(tǒng)作了大量研究，但隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和地面無線電信號種類的增多，導(dǎo)航接收機(jī)干擾效果的評估理論還處在研究發(fā)展階段，特別是對脈沖干擾的評估方法還需要進(jìn)行更多深入研究。在產(chǎn)生脈沖干擾的系統(tǒng)中，典型的應(yīng)用場景是民用航空無線電導(dǎo)航系統(tǒng)測距儀（DME，Distance Measuring Equipment）。民用航空測距信號的干擾大量存在且不可避免，這種脈沖可能會導(dǎo)致北斗導(dǎo)航接收機(jī)的跟蹤和解碼失敗。因此本文針對民用航空測距信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾進(jìn)行了分析，可為今后制定相應(yīng)的北斗接收機(jī)頻率保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號的信號特征

近年來我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在其國際化發(fā)展方面取得了積極進(jìn)展，越來越多的國際組織開始接納北斗接收機(jī)作為定位業(yè)務(wù)設(shè)備。例如2014年6月，國際海事組織導(dǎo)航、通信與搜救分委員會第一次會議順利通過了對北斗系統(tǒng)性能的技術(shù)審議，基本認(rèn)可北斗系統(tǒng)作為世界無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分。北斗系統(tǒng)的國際化工作正如火如荼地開展，其中一個重要的問題就是實施對北斗接收機(jī)的頻率保護(hù)[9-11]。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的干擾保護(hù)方面，各國無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)及國際化組織已經(jīng)針對GPS、Galileo、GLONASS等系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了針對上述系統(tǒng)各類型導(dǎo)航接收機(jī)的干擾評估方法和對接收機(jī)的干擾保護(hù)方案。對接收機(jī)干擾效果評估的一般方法是計算干擾信號產(chǎn)生的干信比或等效信噪比，再根據(jù)接收機(jī)性能計算接收機(jī)正常工作、受到容許干擾、受到有害干擾等不同情況下的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。其中，計算干擾信號的等效信噪比或干信比是評估方法的基礎(chǔ)，而這個指標(biāo)的計算方法隨著干擾信號的形式、接收機(jī)類型、接收機(jī)對信號的處理方式的不同而不同。目前國內(nèi)對北斗導(dǎo)航接收機(jī)的頻率保護(hù)還很薄弱，沒有完善的針對北斗系統(tǒng)頻譜資源的管理方案，也沒有相應(yīng)的射頻干擾分析評估系統(tǒng)。為實現(xiàn)對北斗接收機(jī)受干擾情況的正確評估，首先研究北斗信號的信號特點，表1和表2分別是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在區(qū)域和全球兩個服務(wù)階段的信號體制：

為保證北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性，B1-C（1575.42 MHz），B2a（1176.45 MHz）和B2b（1207.14 MHz）為三個互操作信號?？疾毂倍稡2信號，信號經(jīng)過AltBOC（15， 10）調(diào)制方式調(diào)制，產(chǎn)生的分裂譜包括上邊帶和下邊帶，B2a為低端的邊帶，其中心頻率為1176.45 MHz，與GPS系統(tǒng)的L5信號和Galileo的E5a信號實現(xiàn)頻率兼容，有利于互操作的實現(xiàn)[8]。但是該頻段附近也有很多產(chǎn)生干擾的系統(tǒng)和設(shè)備，例如工作在960—1215 MHz的民用航空測距系統(tǒng)，它產(chǎn)生典型的脈沖信號，會對北斗接收機(jī)產(chǎn)生影響，需要對該類信號與北斗接收機(jī)間的兼容性進(jìn)行評估分析。

3 民用航空測距信號的信號特征

作為被國際民航組織批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測距系統(tǒng)，測距儀在民用航空領(lǐng)域得到廣泛使用。民用航空測距信號是一種脈沖信號，其頻段與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的部分頻段重疊，會對導(dǎo)航信號產(chǎn)生不同程度的干擾，為了判定干擾的程度，從信號特征入手研究脈沖信號的干擾評估方法。DME波道頻率如圖1所示。

民用航空測距系統(tǒng)發(fā)射的信號為脈沖形式。系統(tǒng)中包括機(jī)載的詢問器和地面信標(biāo)應(yīng)答機(jī)。在航空系統(tǒng)中，詢問器發(fā)射一種隨機(jī)化的低速脈沖對序列，脈沖之間的間隔固定。從工作頻率方面來說，民用航空測距信號的頻率范圍在962—1213 MHz之間，每隔1 MHz有一個波道，在該頻率范圍內(nèi)一共劃分了252個波道。從頻段帶寬使用方面來看，如圖1所示為DME設(shè)備波道的頻率占用情況，1025—1150 MHz的頻段作為詢問頻率，962—1025 MHz和1150—1213 MHz頻段作為應(yīng)答頻率。當(dāng)DME詢問信號在X波段64-126信道時，地面應(yīng)答信號的頻率在1151—1213 MHz，落在北斗信號的頻率范圍內(nèi)（北斗B2a信號，中心頻率1176.45 MHz），對北斗信號產(chǎn)生干擾，并且干擾主要來源于工作在X-mod的地面DME應(yīng)答設(shè)備。民用航空測距信號可用（1）式表示：

其中Ppk是峰值電平。一般來說典型的測距系統(tǒng)的高斯脈沖波形按照50%峰值電平來計算有3.5μs的寬度，則上述函數(shù)中脈沖波形衰減因子α的取值為4.51×1011。

對于低于消隱器門限的脈沖來說，定義等效的矩形脈沖寬度PWeq：

在（2）式中代入p（t）高斯脈沖函數(shù)式可以得到等效的矩形脈沖寬度為PWeq=2.64μs；對于高于消隱器門限的強(qiáng)脈沖來說，如果接收到的脈沖峰值功率為PREC，消隱器門限值為PTHR，則有：

設(shè)消除的脈沖寬度為x，由（3）式解得t并帶入x=2t得到高于消隱器門限的脈沖寬度：

4 航空測距信號對北斗導(dǎo)航信號的干擾評估方法

民用航空測距信號落入北斗信號帶內(nèi)，對其產(chǎn)生干擾，如圖2所示為接收機(jī)帶內(nèi)噪聲-97 dBm、距離地面122 km的某地DME信號強(qiáng)度圖：

在實際應(yīng)用中，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)有不同的抗干擾措施，因此，需要根據(jù)北斗信號類型、接收機(jī)類型和干擾信號類型，制定不同的干擾效果評估方法。假設(shè)接收機(jī)對付脈沖干擾和噪聲的主要手段是脈沖屏蔽器，則該屏蔽器的功能是在噪聲及干擾的能量低于某一門限時，讓信號與噪聲通過；而當(dāng)超過門限時，則切斷信號通道，使其不能進(jìn)入相關(guān)器。因此當(dāng)脈沖超過門限時會造成無衛(wèi)星信號的情況，分析由此引起的載噪比惡化，進(jìn)而可以得到等效噪聲功率譜密度[12]，如式（5）所示：

利用上述民用航空測距信號的特點和表達(dá)式得到脈沖寬度以及脈沖重復(fù)周期，可以確定測距系統(tǒng)的脈沖參數(shù)PDCi。

PDCi=（PWEFF，i+τr）PRFi （7）

PRFi為脈沖頻率，τr為RNSS接收機(jī)過載恢復(fù)時間，PWEFF，i是有效的接收脈沖寬度。使用該干擾信號功率譜密度計算方法可以得到測距系統(tǒng)對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的干擾水平。進(jìn)而可以對某一區(qū)域的DME干擾環(huán)境進(jìn)行分析，得到由民用航空測距信號引起的北斗接收機(jī)的載噪比惡化情況，如圖3所示：

5 結(jié)束語

本文對民用航空測距信號和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性進(jìn)行研究，針對接收機(jī)的受干擾程度提出了相應(yīng)的脈沖干擾評估方法。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展過程中，導(dǎo)航信號與其他無線點信號的兼容性和互操作性是一個需要持續(xù)關(guān)注的主要問題，需要逐步完善修正干擾評估方法，逐步建立干擾評估模型，并進(jìn)一步研究干擾抑制和頻率保護(hù)的方法，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的良好應(yīng)用提供技術(shù)支撐保障。

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