周自力,李 銳,王建強(qiáng),唐 越,冉妮虹,唐萬斌
(1.中國民用航空局第二研究所,成都 610041;2.電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611731)
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局域增強(qiáng)系統(tǒng)臺(tái)站最小保護(hù)間隔的計(jì)算*
周自力1,李銳1,王建強(qiáng)1,唐越2,冉妮虹2,唐萬斌2
(1.中國民用航空局第二研究所,成都 610041;2.電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611731)
針對(duì)局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS)的頻率指配問題,提出了一種基于頻率保護(hù)服務(wù)區(qū)的頻率指配方法。根據(jù)LAAS頻率保護(hù)服務(wù)區(qū)的定義,在機(jī)載接收機(jī)信號(hào)干擾比要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合無線電傳播模型和空間幾何關(guān)系,詳細(xì)描述了計(jì)算LAAS臺(tái)站間最小保護(hù)間隔的方法。計(jì)算結(jié)果與美國聯(lián)邦航空局(FAA)的規(guī)范吻合,為LAAS設(shè)備的頻率指配提供了簡單有效的計(jì)算方法。該方法可有效提高導(dǎo)航頻率資源利用率,解決頻率資源短缺的問題。
全球定位系統(tǒng);局域增強(qiáng)系統(tǒng);頻率指配;頻率保護(hù)服務(wù)區(qū);最小保護(hù)間隔
全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,GPS)已廣泛應(yīng)用于海、陸、空、天等軍事領(lǐng)域,并不斷延伸到民用航空導(dǎo)航領(lǐng)域。然而,GPS導(dǎo)航系統(tǒng)很難滿足現(xiàn)代航空對(duì)定位精度、連續(xù)性和完善性的要求[1-3]。為了確保嚴(yán)格的飛行安全,美國聯(lián)邦航空局(FederalAviationAdministration,FAA)提出了地基增強(qiáng)系統(tǒng),即局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LocalAreaAugmentationSystem,LAAS),支持民用航空器實(shí)現(xiàn)高精度進(jìn)離場(chǎng)和精密進(jìn)近[4]。國際民航組織(InternationalCivilAviationOrganization,ICAO)稱其為地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GroundBasedAugmentationSystem,GBAS)。
近年來,我國民航運(yùn)輸生產(chǎn)保持了較快的增長勢(shì)頭。航空器、機(jī)場(chǎng)、航路和管制扇區(qū)的數(shù)量不斷增加,各機(jī)場(chǎng)對(duì)航空導(dǎo)航頻率的需求量迅速增長,使得導(dǎo)航頻率的使用日益緊張。因此,在LAAS臺(tái)站間進(jìn)行頻率復(fù)用成為解決頻率資源短缺的有效途徑,高效的頻率指配方法也成為保障我國民航健康發(fā)展的重要技術(shù)手段。
為了提高頻率利用率,需要保證LAAS臺(tái)站安全運(yùn)行的前提下,盡可能縮小臺(tái)站間的地理間隔,同時(shí)還需要保證周邊的LAAS臺(tái)站不受干擾地工作。目前,F(xiàn)AA已對(duì)LAAS/LAAS的最小保護(hù)間隔進(jìn)行了規(guī)定[5]。但文獻(xiàn)[5]中的查找表只給出了部分情況下的地理間隔標(biāo)準(zhǔn),沒有給出相應(yīng)的原理方法。另外,最小保護(hù)間隔與臺(tái)站的發(fā)射功率和頻率保護(hù)服務(wù)區(qū)(FrequencyProtectedServiceVolume,FPSV)的范圍有關(guān),文獻(xiàn)[5]對(duì)此沒有作出說明。
針對(duì)上述查找表的問題,本文將在FAA規(guī)定的FPSV基礎(chǔ)上,提出一種通過合理劃設(shè)頻率保護(hù)服務(wù)區(qū)的LAAS臺(tái)站間最小保護(hù)間隔的計(jì)算方法。該方法對(duì)有關(guān)LAAS的不同應(yīng)用場(chǎng)景,根據(jù)需要滿足的信號(hào)干擾比要求來確定同頻和第一鄰頻的最小保護(hù)間隔。本文給出了不同功率和不同F(xiàn)PSV范圍下的最小保護(hù)間隔的曲線,計(jì)算結(jié)果與美國聯(lián)邦航空局的規(guī)范吻合,為LAAS設(shè)備的頻率指配提供了簡潔快速的計(jì)算方法。
2.1頻道分配
依據(jù)FAA標(biāo)準(zhǔn),LAAS計(jì)劃的工作頻段為112.050~117.950MHz。但為了保護(hù)鄰近的空/地語音通信,實(shí)際可分配給LAAS系統(tǒng)的工作頻段為112.050~ 117.150MHz。LAAS頻道方案采用50kHz頻率,即第一鄰頻為50kHz。因此,可指配的頻道為112.050~117.150MHz,共有103個(gè)頻道。
2.2頻率保護(hù)服務(wù)區(qū)
頻率保護(hù)服務(wù)區(qū)描述了導(dǎo)航設(shè)備提供有效導(dǎo)航服務(wù)的空間范圍。LAAS的FPSV定義為一個(gè)覆蓋范圍高達(dá)3 048m、半徑為23nmile的圓柱體,其可選覆蓋范圍達(dá)到6 096m,如圖1所示。
圖1LAAS設(shè)備的FPSV
Fig.1FPSVofLAASfacility
2.3信號(hào)干擾比要求
在LAAS臺(tái)站間最小保護(hù)間隔分析中,主要考慮的指標(biāo)是航空器接收機(jī)輸入端的期望信號(hào)和干擾信號(hào)的功率比值,簡稱為信號(hào)干擾比(DesiredtoUndesired,D/U)。D/U描述了航空器接收機(jī)的靈敏度需求,是航空器在其相應(yīng)FPSV內(nèi)必須滿足的關(guān)鍵性能指標(biāo)。
不同導(dǎo)航設(shè)備按同頻和鄰頻都有其各自相應(yīng)的D/U比要求。根據(jù)FAA標(biāo)準(zhǔn),在LAAS設(shè)備的FPSV中,航空器接收機(jī)的D/U至少要滿足表1的要求[5]。根據(jù)這些D/U要求,通過在地理上分處于同頻或鄰頻的多個(gè)LAAS設(shè)備,達(dá)到既保護(hù)這些設(shè)備的服務(wù)要求,又可實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用,提高頻譜效率的目的。
表1航空器的D/U標(biāo)準(zhǔn)
Tab.1D/Urequirementsforaircraft
信號(hào)干擾類型(D/U)/dB同頻+26第一鄰頻(50kHz)-46
傳播模型采用國際電信聯(lián)盟的建議P.525,即自由空間傳播模型。自由空間傳播損耗的計(jì)算公式如下:
PLFS=37.8+20lg(f)+20lg(d)。
(1)
式中:PLFS為自由空間的傳播損耗(單位dB);f為頻率(單位MHz);d為傳播距離(單位nmile)。
與自由空間的傳播相比,無線電波在甚高頻和特高頻頻段中的傳播要受到若干附加條件的制約。為此,引入無線電地平線距離的概念以增加該模型的適用性,如圖2所示。
圖2無線電地平線與物理地平線
Fig.2Radiohorizonandphysicalhorizon
可以使用下面的公式計(jì)算發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線電地平線距離:
(2)
式中:dRH是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線電地平線距離(單位nmile);hTX是發(fā)射機(jī)距離地球表面的高度(單位m);hRX是接收機(jī)距離地球表面的高度(單位m)。
根據(jù)收發(fā)機(jī)間距和無線電地平線距離的大小關(guān)系,需按以下方法進(jìn)行計(jì)算:如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的實(shí)際距離d小于無線電地平線的距離dRH,則用公式(1)計(jì)算自由空間傳播損耗;如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的實(shí)際距離d大于無線電地平線的距離dRH,則用下面的公式計(jì)算總的傳播損耗:
PL=37.8+20lg(f)+20lg(dRH)+a·(d-dRH)。
(3)
式中:f為頻率(單位MHz);d為距離(單位nmile);在頻段108~137MHz,a=0.5dB/nmile。
如前所述,計(jì)算兩個(gè)LAAS臺(tái)站間的地理位置間隔,是為了在保護(hù)設(shè)備能有效提供導(dǎo)航服務(wù)的同時(shí),通過頻率復(fù)用達(dá)到提高頻譜效率的目的。下面將采用FPSV這個(gè)核心概念,詳細(xì)給出有關(guān)LAAS臺(tái)站間最小保護(hù)間隔的計(jì)算方法。
4.1計(jì)算模型
如圖3所示,設(shè)需要保護(hù)的信號(hào)干擾比為D/U,其中干擾信號(hào)來自同頻或鄰頻。圖中,Pd為期望臺(tái)站的發(fā)射功率(dBm);Pu為干擾臺(tái)站的發(fā)射功率(dBm);R為期望臺(tái)站FPSV的半徑(nmile),H為關(guān)鍵點(diǎn)處接收機(jī)的高度(m);Ld為期望臺(tái)站到接收機(jī)的距離(nmile);Lu為干擾臺(tái)站到接收機(jī)的距離(nmile);D/U為需要滿足的信號(hào)干擾比;PRx,d為接收機(jī)處期望信號(hào)的功率(dBm),PRx,u為接收機(jī)處干擾信號(hào)的功率(dBm);Du為干擾臺(tái)站到接收機(jī)水平方向的距離(nmile);S為期望臺(tái)站與干擾臺(tái)站的地理間隔(nmile)。
圖3計(jì)算地理間隔的幾何關(guān)系示意圖
Fig.3Geometricalrelationshipdiagramofgeographicalseparationcomputation
為保證LAAS能有效覆蓋整個(gè)頻率保護(hù)服務(wù)區(qū),需要找出服務(wù)區(qū)內(nèi)信號(hào)干擾功率比最小的點(diǎn),稱為關(guān)鍵點(diǎn)[5]。關(guān)鍵點(diǎn)表示航空器距離期望設(shè)備最遠(yuǎn)同時(shí)距離干擾設(shè)備最近的位置,即關(guān)鍵點(diǎn)位于期望臺(tái)站FPSV的最遠(yuǎn)邊緣,如圖3中接收機(jī)的位置。這樣,就可以根據(jù)表1的D/U要求和第3節(jié)的傳播模型計(jì)算LAAS/LAAS臺(tái)站間的最小保護(hù)間隔。
4.2計(jì)算方法
對(duì)于任何希望計(jì)算最小保護(hù)間隔的目標(biāo)設(shè)備,都應(yīng)首先按照公式(2)確定無線電地平線的距離。根據(jù)幾何關(guān)系,并注意單位轉(zhuǎn)換,可得到期望臺(tái)站到關(guān)鍵點(diǎn)的距離
(4)
可以看到,垂直高度相對(duì)于水平距離可以忽略不計(jì)。由此可計(jì)算出期望臺(tái)站到關(guān)鍵點(diǎn)處的傳播損耗
(5)
通常情況下,Ld PRx,d=Pd-PLd。 (6) 根據(jù)要求的信號(hào)干擾比,可以得到干擾臺(tái)站到關(guān)鍵點(diǎn)處的傳播損耗 PLu=Pu-PRx,u=Pu-PRx,d+D/U。 (7) 接下來計(jì)算干擾臺(tái)站到接收機(jī)水平方向的距離Du。為方便計(jì)算,可先設(shè)定參考距離d0,并根據(jù)式(3)有 PLu=37.8+20lg(f)+20lg(dRH)+a·(d0-dRH)。 (8) 變換得到 d0=(PLu-37.8-20lg(f)-20lg(dRH)+a·dRH)/a。 (9) 于是,干擾臺(tái)站到關(guān)鍵點(diǎn)的距離 (10) 根據(jù)幾何關(guān)系,并注意單位轉(zhuǎn)換,得到干擾臺(tái)站到關(guān)鍵點(diǎn)水平方向的距離 (11) 同樣,垂直高度相對(duì)于水平距離可以忽略不計(jì)。因此,可得到臺(tái)站間的地理間隔 S=Du+R。 (12) 4.3計(jì)算結(jié)果與比較 對(duì)應(yīng)于表1要求的D/U,采用上述計(jì)算方法可以得到有關(guān)期望臺(tái)站功率和FPSV范圍的最小保護(hù)間隔曲線。其中,圖4給出了LAAS/LAAS的最小保護(hù)間隔與期望臺(tái)站發(fā)射功率(干擾臺(tái)站功率為47dBm)之間的關(guān)系。隨著期望臺(tái)站的功率增加,地理位置間隔將減小,在同頻時(shí),最小保護(hù)間隔隨期望臺(tái)站功率呈線性變化;在鄰頻時(shí),由于D/U要求降低為-46dB,只要少量的間隔即可達(dá)到此要求,其最小地理間隔值略大于期望臺(tái)站FPSV的半徑值。 (a)同頻D/U:+26 dB (b)第一鄰頻D/U:-46 dB 圖4LAAS/LAAS有關(guān)期望臺(tái)站功率的地理間隔(干擾臺(tái)站功率47dBm) Fig.4GeographicalseparationasafunctionofdesiredstationpowerforLAAS/LAAS 圖5給出了LAAS/LAAS(期望臺(tái)站和干擾臺(tái)站等功率,均為47dBm)的最小保護(hù)間隔與FPSV高度之間的關(guān)系。由于關(guān)鍵點(diǎn)距離期望臺(tái)站越遠(yuǎn),期望信號(hào)傳播損耗越大,因此隨著服務(wù)空間范圍的增加,地理位置間隔將越大。在鄰頻時(shí),同樣由于D/U要求降低為-46dB,只要少量的間隔即可達(dá)到此要求,因此最小地理間隔值與FPSV關(guān)系不大,略大于服務(wù)保護(hù)區(qū)的半徑值。 (a)同頻D/U:+26 dB (b)第一鄰頻D/U:-46 dB 圖5LAAS/LAAS有關(guān)FPSV高度的地理間隔(臺(tái)站功率均為47dBm) Fig.5GeographicalseparationasafunctionofFPSVheightforLAAS/LAAS 需要注意的是,期望臺(tái)站和干擾臺(tái)站地位等同。在實(shí)際計(jì)算中,應(yīng)將有關(guān)的所有臺(tái)站作為期望臺(tái)站進(jìn)行輪換分析,并按上述方法計(jì)算,最終結(jié)果取所有計(jì)算結(jié)果的最大值。 根據(jù)上述得到的計(jì)算結(jié)果可以和FAA已有的表規(guī)范進(jìn)行對(duì)比,如表2所示。 表2最小保護(hù)間隔計(jì)算結(jié)果及FAA表規(guī)范 Tab.2CalculationresultsandFAAtableregulationofminimumprotectedseparation 信號(hào)干擾類型高度/m最小保護(hù)間隔/nmile計(jì)算結(jié)果FAA查找表同頻30481691596096214206第一鄰頻304824609624無要求注:計(jì)算結(jié)果基于LAAS發(fā)射功率為50W(47dBm);所有結(jié)果向上取整。 從表2可以看出:同頻的LAAS/LAAS結(jié)果基本等于FAA表規(guī)范的保護(hù)間隔,與規(guī)范吻合;同時(shí)本文的計(jì)算方法可以提供在規(guī)范中未定義的第一鄰頻應(yīng)用場(chǎng)景。 本文提出了一種LAAS設(shè)備最小保護(hù)間隔的計(jì)算方法,在保護(hù)設(shè)備有效提供導(dǎo)航服務(wù)的同時(shí),通過頻率復(fù)用達(dá)到提高頻譜利用率的目的。該方法通過對(duì)頻率保護(hù)服務(wù)區(qū)的合理劃設(shè),根據(jù)要求的信號(hào)干擾比對(duì)LAAS/LAAS臺(tái)站間的最小保護(hù)間隔進(jìn)行計(jì)算,并給出有關(guān)功率和FPSV范圍的地理間隔曲線。該方法簡單有效,為基于LAAS導(dǎo)航設(shè)備臺(tái)站間保護(hù)間隔的頻率指配提供了一種新的方法。 本文雖然只對(duì)LAAS設(shè)備間同頻和第一鄰頻的地理間隔進(jìn)行了討論,但事實(shí)上,該方法對(duì)于其他導(dǎo)航設(shè)備也同樣適用,如甚高頻全向信標(biāo)(VeryHighFrequencyOmnidirectionalRange,VOR)、儀表著陸系統(tǒng)(InstrumentLandingSystem,ILS)、測(cè)距儀(DistanceMeasuringEquipment,DME)等。與FAA不同,ICAO標(biāo)準(zhǔn)的GBAS系統(tǒng)中規(guī)定的工作頻段定于108.000~117.950MHz,其中涵蓋了ILS的工作頻段,為了保證ILS與LAAS之間互不干擾,未來需要進(jìn)一步研究兩種設(shè)備的D/U要求,并尋求更加符合導(dǎo)航信道特性的傳播模型。 [1]馬霞,王永勝.SINS/GPS/TACAN機(jī)載綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2011,51(4):16-20. 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[5]FederalAviationAdministration.SpectrumManagementRegulationsandProceduresManual:Order6050.32B[S].NewJersey,USA:DepartmentofTransportaion,2005. 周自力(1971—),男,重慶人,1993年于上海交通大學(xué)獲雙學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為中國民用航空局第二研究所高級(jí)工程師,主要從事航空通信導(dǎo)航監(jiān)視技術(shù)研究工作; ZHOUZiliwasborninChongqing,in1971.HereceivedthedualB.S.degreesfromShanghaiJiaotongUniversityin1993.Heisnowaseniorengineer.Hisresearchconcernsaviationcommunication,navigationandsurveillancetechnology. Email:zzlemail@163.com 李銳(1968—),女,四川成都人,1999年于中國科學(xué)院成都計(jì)算所獲工學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國民用航空局第二研究所高級(jí)工程師,主要從事航空通信導(dǎo)航監(jiān)視技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作; LIRuiwasborninChengdu,SichuanProvince,in1968.ShereceivedtheM.S.degreefromInstituteofComputerApplication,ChineseAcademyofSciencesin1999.Sheisnowaseniorengineer.Herresearchconcernsaviationcommunication,navigationandsurveillancetechnology. 王建強(qiáng)(1977—),男,山西沁縣人,2001年于四川大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為中國民用航空局第二研究所工程師,主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、航空無線電導(dǎo)航頻率工程等方面的研究; WANGJianqiangwasborninQinxian,ShanxiProvince,in1977.HereceivedtheB.S.degreefromSichuanUniversityin2001.Heisnowanengineer.Hisresearchconcernscomputerapplication,aeronauticalnavigationalaidfrequencyengineering. 唐越(1990—),男,湖南益陽人,2013年于湖南科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生,主要從事無線通信算法及信道建模的研究; TANGYuewasborninYiyang,HunanProvince,in1990.HereceivedtheB.S.degreefromHunanUniversityofScienceandTechnologyin2013.Heisnowagraduatestudent.Hisresearchconcernssignalprocessingalogrithmsandchannelmodelingforwirelesscommunicationsystems. Email:tangyue1080@163.com 冉妮虹(1993—),女,四川廣元人,2015年于西南交通大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生,主要從事通信網(wǎng)絡(luò)、無線通信系統(tǒng)的研究; RANNihongwasborninGuangyuan,SichuanProvince,in1993.ShereceivedtheB.S.degreefromSouthwestJiaotongUniversityin2015.Sheisnowagraduatestudent.Herreserchconcernscommunicationnetworkandwirelesscommunicationsystems. 唐萬斌(1973—),男,重慶人,2013年于電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員,主要從事無線移動(dòng)通信研究工作。 TANGWanbinwasborninChongqing,in1973.HereceivedthePh.D.degreefromUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinain2013.Heisnowaseniorengineerofprofessor.Hisresearchconcernswirelessandmobilecommunication. CalculationofMinimumProtectedDistancebetweenNavigationFacilitiesforLocalAreaAugmentationSystem ZHOUZili1,LIRui1,WANGJianqiang1,TANGYue2,RANNihong2,TANGWanbin2 (1.TheSecondResearchInstituteofCivilAviationAdministrationofChina,Chengdu610041,China;2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonCommunications,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China) FocusingonthefrequencyassignmentproblemofLocalAreaAugmentationSystem(LAAS),thispaperproposeamethodbasedontheconceptofFrequencyProtectedServiceVolume(FPSV).Usingtheradiopropagationmodelandspacegeometricalrelationship,itdescribesthealgorithmofcalculatingtheminimumprotecteddistancebetweenthenavigationfacilities,whichcanguaranteetherequiredsignal-to-interferenceratioofairbornereceiversinFPSV.ThenumericalcalculationresultmatcheswellwiththeregulationgivenbyFederalAviationAdministration(FAA),andthemethodisprovedtobesimpleandefficientforfrequencyassignmentonLAASfacilities.Sotheproposedmethodcanimprovespectralefficiencyandsolvethespectrumscarcityproblem. globalpositioningsystem;localareaaugmentationsystem;frequencyassignment;frequencyprotectedservicevolume;minimumprotecteddistance 10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.008 2016-03-03; 2016-05-10Receiveddate:2016-03-03;Reviseddate:2016-05-10 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271169);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(ZYGX2014Z005);民航安全能力建設(shè)項(xiàng)目(TMSA1510)FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61271169);TheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(ZYGX2014Z005);CivilAviationSecurityCapacityBuildingProject(TMSA1510) V249 A 1001-893X(2016)09-0995-05 引用格式:周自力,李銳,王建強(qiáng),等.局域增強(qiáng)系統(tǒng)臺(tái)站最小保護(hù)間隔的計(jì)算[J].電訊技術(shù),2016,56(9):995-999.[ZHOUZili,LIRui,WANGJianqiang,etal.Calculationofminimumprotecteddistancebetweennavigationfacilitiesforlocalareaaugmentationsystem[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):995-999.] **通信作者:tangyue1080@163.comCorrespondingauthor:tangyue1080@163.com5 結(jié)束語