李志蕓，白燕，盧曉春,4

(1.中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院 精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600；3.中國科學院大學，北京 100049;4.中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 101048)

0 引言

目前大多數(shù)導航系統(tǒng)的工作頻段集中在L頻段，造成頻段資源過度擁擠，不同信號之間的協(xié)調(diào)和兼容難度增加。為了解決導航頻段資源緊張的問題，國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,簡稱ITU)劃分CN頻段(5 010～5 030 MHz)供衛(wèi)星無線電導航使用，其中CN中的N取New和Navigation之意[1]。與L頻段相比，使用CN頻段的一個明顯優(yōu)勢是電離層延遲較小，約為L頻段的1/10；另一個優(yōu)勢是CN頻段的波長較短，相同體積的天線，CN頻段天線增益更高[2-5]。但在工程化應用CN頻段之前，需要考慮該頻段與相鄰業(yè)務頻段的兼容問題。射電天文系統(tǒng)頻段(4 990～5 000 MHz)與該頻段相鄰，且射電天文望遠鏡一般只接收信號，而不往外發(fā)射信號，因此它并不會對其他頻帶的任何電信業(yè)務造成干擾。但是，它自身對外界的電磁干擾卻是非常敏感。對于射電天文學來說，廣播、雷達、人造衛(wèi)星等業(yè)務都會對射電望遠鏡的觀測產(chǎn)生很大影響。為射電天文分配特定的頻段并進行保護，是關系到射電天文研究工作能否正常進行與發(fā)展的根本問題。因此，評估CN頻段與射電天文頻段的兼容問題是利用CN頻段開展導航業(yè)務需要考慮和解決的問題。

為了保護射電天文系統(tǒng)不被CN頻段導航信號干擾，ITU出臺了CN頻段射頻兼容性分析的有關評估準則[6]，但是并未給出具體的實現(xiàn)方法以及切實可行的分析工具。目前查閱到的國內(nèi)外文獻中[7-14]有關CN頻段導航信號與射電天文系統(tǒng)的兼容分析中，雖然基于ITU評估準則進行分析，但是均對該準則進行了一定簡化，而簡化后的方法只能計算CN頻段導航信號與射電天文系統(tǒng)是否兼容，不能具體分析天文臺站精確的干擾分布情況。基于此，本文試圖尋找一種更為完善的方法彌補目前CN頻段射頻兼容評估理論的不足。本文沒有采用簡化的ITU方法，而是在ITU射頻兼容評估準則的基礎上，針對GSO(geostationary earth orbit satellite)導航衛(wèi)星星座以及非GSO導航衛(wèi)星星座，給出CN頻段射頻兼容評估的具體實現(xiàn)過程，可以為未來無線電導航在CN頻段的業(yè)務拓展提供射頻兼容評估方面的技術支持，同時為射電天文系統(tǒng)在工作中選擇合適的觀測時段提供參考。

1 GMSK調(diào)制

鑒于CN頻段帶外兼容的嚴苛要求，在選擇導航信號調(diào)制方式時應選擇帶外輻射較小，功率譜旁瓣衰減較快的信號調(diào)制方式。本文中采用GMSK(8)調(diào)制信號，其時域表達式[15]為

(1)

式(1)中，fc為載波頻率，ak為碼元信息，Tc為碼元周期，φ0為相位偏移量，是一個常量，可以設為0，矩形脈沖h(t)經(jīng)過高斯低通濾波器g(t)得到高斯型的脈沖碼元脈沖p(t)。

(2)

(3)

(4)

g(t)表達式中的σ用下式表示

(5)

式(5)中，B是高斯濾波器的3 dB帶寬，仿真時BTc=0.3。

利用Matlab對GMSK(8)調(diào)制信號進行仿真，得到功率譜進行加窗平滑，仿真功率譜如圖1所示。

圖1 GMSK(8)功率譜圖

圖1中，GMSK(8)信號的主瓣帶寬約為24 MHz，與相同帶寬的BPSK(12)信號對比，GMSK(8)信號的旁瓣衰減較大，對相鄰頻段的干擾較小，是一種適合CN頻段的導航信號。

2 GSO系統(tǒng)CN頻段導航信號同射電天文系統(tǒng)兼容性評估

GSO衛(wèi)星有著相對穩(wěn)定的方位角和高程范圍，相對于射電天文臺站的位置不會發(fā)生變化。而目前運行的射電望遠鏡幾乎都可以看到多顆GSO衛(wèi)星。因此，它們有可能成為射電天文臺站干擾問題的來源。

2.1 兼容評估方法

為了不對4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)的射電天文系統(tǒng)造成干擾，ITU建議由工作在5 010～5 030 MHz頻段內(nèi)的任何對地靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)在射電天文系統(tǒng)的10 MHz頻段內(nèi)產(chǎn)生的功率通量密度(power flux density，簡稱PFD)在任何射電天文臺處不應超過-171 dB(W/m2)[6]。

每顆衛(wèi)星在射電天文臺處的功率通量密度記為PPFD，表達式為

(6)

式(6)中，PEIRP為衛(wèi)星的等效全向輻射功率(單位dBW)，Latm為大氣損耗(單位dB)，d為衛(wèi)星到射電望遠鏡的距離(單位m)，G(f)為CN頻段導航信號的歸一化功率譜密度。

分析來自GSO衛(wèi)星的CN頻段導航信號對射電天文臺站造成的干擾大小時，采用ITU-R SA.509-3建議書給出的如公式(7)所示的射電望遠鏡天線增益輻射方向圖[16]。

(7)

式(7)中，Gr1(φ)為射電望遠鏡天線增益(單位為dBi)；φ為離軸角(單位為°)。

ITU建議CN頻段導航信號在射電天文臺處的功率通量密度不得高于-171 dB (W/m2)，該值是基于射電望遠鏡天線增益為0 dBi處設置的，即經(jīng)過射電望遠鏡天線進入接收機的所有干擾信號產(chǎn)生的干擾電平不得高于-171 dB(W/m2)。GSO衛(wèi)星相對于天文臺的位置是固定的，只有天線的指向靠近該衛(wèi)星時才會產(chǎn)生干擾電平。干擾電平的大小與干擾信號相對于射電望遠鏡天線主波束軸的離軸角有關，若該衛(wèi)星的CN頻段導航信號到達接收機的功率通量密度為-171 dB(W/m2)時的離軸角為φ，則當干擾信號的離軸角小于φ時會對射電天文系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而離軸角大于φ時則無干擾。

單顆衛(wèi)星對應的干擾天空面積與總的天空面積的比值為

(8)

式(8)中，φ為單顆衛(wèi)星的CN頻段信號到達接收機處的功率通量密度為-171 dB(W/m2)時的離軸角。

上述分析是單顆GSO衛(wèi)星對應的干擾天空面積，對于GSO衛(wèi)星星座中的每顆衛(wèi)星所產(chǎn)生的干擾均可用上述方法分析。

2.2 兼容分析

仿真參數(shù)設置如下：PEIRP=42 dBW，GSO衛(wèi)星到達天文臺站的最小距離d=35 786 km，大氣損耗Latm=0.5 dB，CN頻段導航信號采用GMSK(8)信號，載波中心頻率[1]為5 022.93 MHz。

將上述參數(shù)代入公式(6)得PPFD=-182 dB(W/m2)，當來自單顆GSO衛(wèi)星的CN頻段導航信號到達射電望遠鏡接收機的電平為-171 dB(W/m2)時，入射角對應的天線增益為11 dBi，即29-25lgφ=11，則入射角度為5.25°，因此，當望遠鏡的指向與GSO視線方向的夾角小于5.25°時會對射電天文系統(tǒng)造成干擾，而當角度大于5.25°時不會存在干擾。單顆GSO衛(wèi)星對應的干擾天空面積占總天空面積的比值由公式(8)可得r=0.42%。

3 非GSO系統(tǒng)CN頻段導航信號同射電天文系統(tǒng)兼容性評估

非GSO衛(wèi)星的數(shù)量較多，這也成為它們對射電天文系統(tǒng)造成干擾的一個重要原因。

3.1 兼容評估方法

非GSO衛(wèi)星與GSO衛(wèi)星的分析方法不同，主要是因為非GSO衛(wèi)星相對于射電望遠鏡天線波束的位置隨著時間的變化而變化。ITU建議為了不對4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)的射電天文系統(tǒng)造成干擾，工作在5 010～5 030 MHz頻段內(nèi)的非對地靜止軌道衛(wèi)星在4 990～5 000 MHz頻段內(nèi)所產(chǎn)生的等效功率通量密度(equivalent power flux density，簡稱EPFD)，在任何天文臺站處超過-245 dB(W/m2)的時間百分比不應超過2%[17]。等效功率通量密度是指將天線接收到的各個方向上的衛(wèi)星發(fā)射的功率通量密度，等效成在天線最大增益處所接收到的功率通量密度[18]。

等效功率通量密度計算公式如下：

(9)

(10)

式(9)和(10)中，Na為射電望遠鏡可見的非GSO衛(wèi)星的數(shù)量，Pi為非GSO衛(wèi)星發(fā)射功率在射電天文頻段上的無用功率(單位為dBW)，θi為非GSO衛(wèi)星發(fā)射波束中心和射電望遠鏡方向之間的離軸角(單位為°),Gt(θi)為非GSO衛(wèi)星在射電望遠鏡方向上的發(fā)射天線增益(單位為dBi)，G(f)為CN導航信號的歸一化功率譜密度，di為射電望遠鏡和非GSO衛(wèi)星之間的距離(單位為m)，φi為射電望遠鏡指向和非GSO衛(wèi)星方向之間的離軸角(單位為°),Gr(φi)為射電望遠鏡在非GSO衛(wèi)星方向的接收天線增益(單位為dBi)，Gr,max為射電望遠鏡的最大接收天線增益(單位為dBi)，PEIRP為衛(wèi)星的等效全向輻射功率(單位為dBW)。

ITU建議分析非GSO衛(wèi)星系統(tǒng)對射電望遠鏡造成的干擾大小時，采用ITU-R RA.1631-0建議書給出的射電望遠鏡天線增益模型[16],其如公式(11)所示：

(11)

式(11)中,Gr(φ)為相對于全向天線的增益(單位為dBi)，φ為離軸角(單位為°)。

在評估非GSO衛(wèi)星的CN頻段導航信號與射電天文系統(tǒng)兼容的仿真過程如下：

①用STK軟件對導航系統(tǒng)的所有非GSO衛(wèi)星進行可見性仿真[19]，得到當前時刻可見衛(wèi)星數(shù)目Na，每顆衛(wèi)星相對于地面站的距離di以及方位俯仰角度。

②為地面站的射電望遠鏡天線設置不同的方位俯仰角度，根據(jù)STK獲得的衛(wèi)星位置，計算出干擾信號方向同射電望遠鏡指向的夾角即離軸角φi，由射電望遠鏡天線增益模型即公式(11)計算出增益Gr(φi)。

(12)

(13)

(14)

③根據(jù)CN頻段導航信號調(diào)制方式計算出歸一化功率通量密度G(f)，最后將各參數(shù)帶入公式(10)即可得到當前時刻的等效功率通量密度。

④仿真一段時間后計算在該時間段內(nèi)EPFD超過-245 dB(W/m2)的時間占總時間的百分比。在仿真時，仿真時間長度應遠大于非GSO衛(wèi)星星座運行周期，且仿真時間越長，最后結果越準確。

3.2 兼容仿真分析

利用STK工具對北斗導航系統(tǒng)的非GSO衛(wèi)星星座進行可見性仿真，該星座包括6顆IGSO衛(wèi)星和3顆MEO衛(wèi)星，天文臺站地點選擇三亞、西安、長春，仿真時間為20 d，時間間隔為1 min，CN頻段導航信號采用GMSK(8)信號，PEIRP=42 dBW，大氣損耗Latm=0.5 dB，計算射電望遠鏡不同指向下EPFD超出-245 dB(W/m2)的時間占總時間的百分比。仿真結果示于圖2至圖4，分別代表三亞、西安、長春3處天文臺站的干擾分布，橫坐標為射電望遠鏡的方位角，縱坐標為射電望遠鏡的仰角，最右側欄不同顏色代表EPFD超出-245 dB(W/m2)的時間百分比。

圖2 三亞站干擾分布

圖3 西安站干擾分布

圖4 長春站干擾分布

干擾時間不超過2%的指向是滿足兼容的，對圖2至圖4中不同地區(qū)干擾情況進行統(tǒng)計，滿足兼容的指向占總指向的百分比如表1所示。

表1 不同地區(qū)滿足兼容的天線指向占總指向的百分比

由表1可以看出，3個地區(qū)均有超過一半的指向是滿足兼容條件的，不同地區(qū)的兼容程度與該地上空的衛(wèi)星覆蓋度有關。對比圖2至圖4中西安、三亞、長春3個地區(qū)的干擾分布圖可得，干擾的指向多集中在方位角為180°附近，以及高仰角處，并且隨著緯度變化而變化。

對干擾較大的指向進一步分析其EPFD隨時間的變化情況。對三亞、西安和長春三站任選兩個干擾時間超過2%的射電望遠鏡指向，仿真其EPFD隨時間累積的變化情況，仿真結果如圖5至圖7所示。

圖5 三亞站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖6 西安站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖7 長春站不同天線指向下的等效功率通量密度變化

圖5至圖7中，在文中所選擇射電望遠鏡的指向下，累積時間為4 000 min，EPFD超過-245 dB(W/m2)的干擾時間與總時間的比值均大于2%，會給射電天文觀測帶來干擾。但是從圖中可以看出，無論數(shù)據(jù)損失的百分比大或小，EPFD變化都是有規(guī)律的，在大部分時間均低于-245 dB(W/m2)。對圖5至圖7中的最大無干擾時段以及平均無干擾時段進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表2所示。

表2 不同站點不同指向下的干擾時間分析

表2中，文中所選擇的干擾指向下，最長無干擾時間段以及平均無干擾時間段均大于6 h，由圖5至圖7以及表2可以得出，對于不滿足兼容的天線指向，一般會有連續(xù)較長一段不受CN頻段導航信號干擾的時間段，之后會出現(xiàn)較短的受到CN頻段導航信號干擾的時間段，如此重復。因此，在實際工作中，可以通過上述分析方法選取無干擾的有效觀測時段，從而保證天文觀測數(shù)據(jù)的正確性。

4 結語

本文對CN頻段導航信號同射電天文系統(tǒng)的兼容評估方法進行研究，給出一種實現(xiàn)ITU評估準則的具體實施方法。GSO衛(wèi)星相對天文臺站的位置是固定的，通過本文方法可計算得出每顆衛(wèi)星所對應的干擾區(qū)域。非GSO衛(wèi)星相對于天文臺站的位置隨著時間的變化而變化，基于本文方法可得出射電望遠鏡不同指向下的干擾情況，對于某些干擾較大的指向，通過進一步分析其等效功率通量密度隨時間的變化情況，可以找到無干擾的時間段，這可為射電天文臺站選擇合適的觀測時段提供參考，同時本文研究可為CN頻段導航信號設計提供射頻兼容評估方面的技術支持。