張鵬程，黃新明，侯林源，李井源，歐 鋼

低軌導航功率增強信號兼容性分析

張鵬程，黃新明，侯林源，李井源，歐 鋼

（國防科技大學 電子科學學院，長沙 410073）

為了彌補有關低軌導航功率增強信號的兼容性分析相關研究的不足，提出一種基于等效載噪比和譜分離系數(shù)的兼容性評估方法：該分析方法類比干擾信號評估方法，計算原信號的等效載噪比損耗和譜分離系數(shù)，信號等效載噪比損耗絕對值越大，譜分離系數(shù)越大，增強信號兼容性越差；并對不同調制方式的信號分別作兼容性評估，篩選適合低軌導航功率增強信號調制方式。實驗結果表明，二相移相鍵控體制（BPSK）功率增強信號兼容性較差，可以采用二進制偏置載波（BOC）（6,4）信號作為低軌導航功率增強信號；等效載噪比損耗低，譜分離系數(shù)小。

導航增強；等效載噪比；譜分離系數(shù)；低軌；兼容性

0 引言

隨著用戶需求的不斷提高和未來導航戰(zhàn)的背景影響，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）的不足逐漸突顯，無法滿足高精度用戶的需求，且抗干擾能力差[1]。傳統(tǒng)的導航功率增強受限于軌道高度和天線增益等因素，增強信號一般大于原信號15 dB，增強效果有限；而低軌衛(wèi)星系統(tǒng)具備落地電平高且?guī)缀螛嬓妥兓斓葍?yōu)點，可以改善遮擋條件下的定位效果和加快高精度定位收斂速度[2]，可以實現(xiàn)更高增益的導航功率增強，進一步提升系統(tǒng)可靠性和抗干擾性，可以實現(xiàn)對全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的增強與補充[3]。因此，利用低軌（low Earth orbiting，LEO）衛(wèi)星播發(fā)導航功率增強信號已經(jīng)成為導航領域的研究熱點。但如果播發(fā)新的導航增強信號，勢必會影響到原有導航信號的工作性能[4]，故需要對低軌導航功率增強信號進行兼容性分析。

低軌導航增強的信號優(yōu)化設計目標是保證良好的信號兼容性，目前對于低軌導航增強的信號優(yōu)化設計較少。文獻[5]提出了基于等效載噪比的導航信號干擾分析方法；文獻[6]從頻譜重疊、接收信號等效載噪比2個方面分析了全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）L1信號功率增強對導航信號的影響；文獻[7]采用等效載噪比分析了GPS與其他導航系統(tǒng)同頻段信號之間的互干擾；文獻[8]分析了北斗導航系統(tǒng)與其他導航系統(tǒng)之間的兼容性；文獻[9]分析了導航增強信號體制約束的關鍵要素，對低軌星座加入后的現(xiàn)有導航系統(tǒng)兼容性進行分析評估。目前的研究主要針對的是不同導航系統(tǒng)之間的兼容性，并未對導航增強信號的兼容性進行深入分析，沒有給出導航增強信號調制方式的優(yōu)選方案。

當前衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要集中在B3頻點實現(xiàn)導航功率增強，故本文主要分析在B3頻點播發(fā)導航功率增強信號。為了便于接收機兼容接收和實現(xiàn)互操作，導航增強信號應與原導航信號位于同一頻段，且信號帶寬也應保持一致。B3頻點上原導航信號調制方式為二進制相移鍵控調制（binary phase shift keying，BPSK），具體調制方式為BPSK（10），故可限定接收機前端帶寬為20 MHz。因此在限定在同一頻點、同一頻段的條件下，優(yōu)選增強信號調制方式，保證更高的兼容性。本文類比干擾信號評估方法，提出一種基于等效載噪比和譜分離系數(shù)的兼容性評估方法，對不同信號體制的增強信號如二進制偏置載波（binary offset carrier，BOC）信號，分別進行兼容性分析。

1 低軌導航功率增強的信號兼容性評估方法

低軌導航功率增強信號的兼容性是確定增強信號的信號體制的關鍵因素，確定合適的信號體制可以使得低軌導航功率增強信號的兼容性更好。本文類比干擾信號的評估方法，基于等效載噪比損耗和譜分離系數(shù)建立信號兼容性評估方法。

1.1 等效載噪比損耗

導航信號接收機相關器輸出端的載噪比決定了信號捕獲和載波跟蹤的性能[10]，而信號存在干擾時，難以準確計算接收機相關器輸出端的載噪比，通常利用等效載噪比對后續(xù)的捕獲、跟蹤進行分析。對于B3頻點上原有的BPSK（10）信號，可將低軌導航功率增強信號視為干擾信號，分析B3頻點原信號的等效載噪比損耗，來作為信號兼容性的評價指標。等效載噪比損耗越大，則信號兼容性越差。在存在增強信號與白噪聲的條件下，等效載噪比的計算公式[11]為

等效載噪比損耗衡量了由于限帶和增強信號造成的相關器輸出載噪比與理想情況之間的差距，可以推出等效載噪比損耗的計算公式為

1.2 譜分離系數(shù)

等效載噪比衰減主要受到信號體制、導航星座、原信號載噪比、接收機前端帶寬的影響，可以采用譜分離系數(shù)作為計算等效載噪比衰減的中間值。譜分離系數(shù)可以體現(xiàn)原信號功率譜與增強信號功率譜的重疊程度，也可作為增強信號兼容性的評估指標。譜分離系數(shù)計算公式為[12]

譜分離系數(shù)越大，代表增強信號對原信號的影響越大，兼容性越差。應優(yōu)選信號調制方式使得譜分離系數(shù)盡可能小。

2 BPSK體制增強信號兼容性分析

B3頻點原信號調制方式為BPSK（10）。要保證接收機可以兼容接收和實現(xiàn)互操作，則低軌導航功率增強信號要與原信號保持在同一頻點，且位于同一頻段。當?shù)蛙墝Ш焦β试鰪娦盘柵c原信號調制方式保持一致時，如圖1所示，此時增強信號與原信號功率譜完全重合。

圖1 信號歸一化功率譜密度

根據(jù)式（3）可以計算此時譜分離系數(shù)為 －71.8725 dB。當增強信號與原信號功率比為30 dB，信號載噪比為42.5 dB時，等效載噪比損耗為 －3.103 dB，增強信號與原信號功率譜完全重合，譜分離系數(shù)大，等效載噪比損耗絕對值較大，信號兼容性差。等效載噪比損耗還會受到原信號載噪比的影響，設定增強信號與原信號功率比分別為30、20、15 dB，分析此條件下不同原信號載噪比條件下的等效載噪比損耗，可以得到等效載噪比損耗結果如圖3所示。

圖3 不同功率比條件下等效載噪比損耗對比

從圖3可以看出，原信號載噪比越大，則等效載噪比損耗絕對值越大。當增強信號與原信號功率比為30 dB，信號載噪比為45 dB時，等效載噪比損耗為－4.556 dB；且在相同原信號載噪比條件下，增強信號與原信號功率比越大，等效載噪比損耗也越大。

3 BOC體制增強信號兼容性分析

低軌導航功率增強信號與原信號功率譜完全重合時，信號兼容性較差。當采用BOC體制的增強信號時，信號功率譜會呈現(xiàn)多峰形式，實現(xiàn)頻譜分離，可以有效降低譜分離系數(shù)，提升信號兼容性。在保證接收機兼容接收和互操作的前提下，即功率增強信號與原信號位于同一頻段，本文主要分析BOC（5,5）和BOC（6,4）2種調制方式。

3.1 BOC（5,5）

若低軌導航功率增強信號采用BOC（5,5）信號調制方式，導航增強信號與原信號處在同一頻帶，但頻譜分離，將BOC（5,5）信號與BPSK（10）信號疊加，信號歸一化功率譜密度如圖4所示。

圖4 信號歸一化功率譜密度

圖5 BOC（5,5）功率增強信號的等效載噪比損耗變化曲線

根據(jù)式（3）可以計算此時譜分離系數(shù)為 －73.1369 dB。當增強信號與原信號功率比為 30 dB，信號載噪比為42.5 dB時，等效載噪比損耗為－2.503 dB，增強信號與原信號功率譜重合度降低，譜分離系數(shù)變小，等效載噪比損耗絕對值相比于BPSK體制變小，信號兼容性較好。等效載噪比損耗還會受到原信號載噪比的影響，設定增強信號與原信號功率比分別為30、20、15 dB，分析此條件下不同原信號載噪比條件下的等效載噪比損耗，可以得到等效載噪比損耗結果如圖6所示。

圖6 不同功率比條件下等效載噪比損耗對比

從圖6可以看出，原信號載噪比越大，則等效載噪比損耗絕對值越大。當增強信號與原信號功率比為30 dB，信號載噪比為45 dB時，等效載噪比損耗為－3.778 dB；且在相同原信號載噪比條件下，增強信號與原信號功率比越大，等效載噪比損耗也越大。

3.2 BOC（6,4）

若將低軌導航功率增強信號功率譜與原信號進一步分開，采用BOC（6,4）信號調制方式，導航增強信號與原信號處在同一頻帶且頻譜分離，將BOC（6,4）信號與BPSK（10）信號疊加。信號歸一化功率譜密度如圖7所示。

圖7 信號歸一化功率譜密度

根據(jù)式（3）可以計算此時譜分離系數(shù)為 －74.8226 dB。當增強信號與原信號功率比為 30 dB，信號載噪比為42.5 dB時，等效載噪比損耗為－1.844 dB，增強信號與原信號功率譜重合度進一步降低，譜分離系數(shù)變小，等效載噪比損耗絕對值相比于BOC（5,5）體制進一步變小，信號兼容性更好。等效載噪比損耗還會受到原信號載噪比的影響，設定增強信號與原信號功率比分別為30、20、15 dB，分析此條件下不同原信號載噪比條件下的等效載噪比損耗，可以得到等效載噪比損耗結果如圖9所示。

圖8 BOC（5,5）功率增強信號的等效載噪比損耗變化曲線

圖9 不同功率比條件下等效載噪比損耗對比

從圖9可以看出，原信號載噪比越大，則等效載噪比損耗絕對值越大。當增強信號與原信號功率比為30 dB，信號載噪比為45 dB時，等效載噪比損耗為－2.879 dB；且在相同原信號載噪比條件下，增強信號與原信號功率比越大，等效載噪比損耗也越大。

綜上所述，針對不同調制方式的導航增強信號，設置不同接收機前端帶寬和原信號載噪比，當導航增強信號大于原信號30 dB時，原信號等效載噪比損耗結果可總結如表1所示。

表1 譜分離系數(shù)和等效載噪比損耗結果表 dB

4 結束語

本文提出了一種基于等效載噪比損耗和譜分離系數(shù)的低軌導航功率增強信號兼容性分析方法，優(yōu)選增強信號調制方式，使得信號兼容性更好。仿真結果表明：

1）在B3頻點上播發(fā)低軌導航功率增強信號，增強信號與原信號頻譜交疊越少，譜分離系數(shù)越小，信號的等效載噪比損耗絕對值越小，信號兼容性越好。當增強信號調制方式為BOC（6,4）時，此時譜分離系數(shù)為-74.823 dB。

2）原信號載噪比越大，等效載噪比損耗越大。信號載噪比為45 dB時的損耗明顯比信號載噪比為42.5 dB時的損耗大。

故B3頻點上低軌導航功率增強信號可以采用BOC（6,4）信號調制方式，也可以設計新的信號調制方式，使得信號在滿足同一頻帶的條件下，譜分離系數(shù)更小，信號兼容性更好。本文分析結果可為我國未來的衛(wèi)星導航增強信號頻段和調制方式的選擇提供參考。后續(xù)將會對增強信號的多徑性能、碼跟蹤精度影響等進行優(yōu)化分析。

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Compatibility analysis on low-orbit navigation power enhancement signals

ZHANG Pengcheng, HUANG Xinming, HOU Linyuan, LI Jingyuan, OU Gang

（College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

In order to make up for the insufficiency of related study on the compatibility analysis of low-orbit navigation power enhancement signals, the papaer proposed a compatibility evaluation method based on equivalent carrier-to-noise ratio and spectral separation coefficient: analogous to the interference signal evaluation method, the equivalent carrier-to-noise ratio loss and spectral separation coefficient of the original signals were calculated by the analysis method, getting that the larger the absolute value of the signal equivalent carrier-to-noise ratio loss was, the greater the spectral separation coefficient was, and the worse the enhanced signal compatibility was; and compatibility evaluations were made for the signals of different modulation modes; then the modulation modes suitable for low Earth orbiting (LEO) navigation power enhancement signals were screened. Experimental result showed that the binary phase shift keying system (BPSK) power enhancement signals would have poor compatibility, and the binary offset carrier (BOC) (6,4) signals could be used as the low orbit navigation power enhancement signals; meanwhile, the equivalent carrier-to-noise ratio loss would be low, and the spectral separation factor would be small.

navigation enhancement; equivalent carrier-to-noise ratio; spectral separation factor; low orbit; compatibility

張鵬程, 黃新明, 侯林源, 等. 低軌導航功率增強信號兼容性分析[J]. 導航定位學報, 2023, 11(3): 119-124.（ZHANG Pengcheng, HUANG Xinming, HOU Linyuan, et al. Compatibility analysis on low-orbit navigation power enhancement signals[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 119-124.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230316.

P228

A

2095-4999(2023)03-0119-06

2022-08-03

張鵬程（1999—），男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向為星基導航與定位技術。

黃新明（1988—），男，湖北孝感人，博士，講師，研究方向為星際導航與定位技術。