全球卫星导航系统兼容性评估方法研究

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1、１０中国空间科学技术２０１５年８月ChineseSpaceScienceandTechnology第４期全球卫星导航系统兼容性评估方法研究１，２１，２张建军薛明（１中国空间技术研究院，北京１０００９４）（２钱学森空间技术实验室，北京１０００９４）摘要目前，卫星导航系统兼容性评估方法主要是计算机仿真验证，难以复制真正的导航系统运行条件，改变任何一个参数都需要重新进行仿真，计算量和分析量很大，并存在较大误差。文章以卫星导航接收机为落脚点研究导航信号的兼容性。首先，根据干扰信号对全球导航卫星系统接收机捕获、载波跟踪、数据解调等的影响，推导了即时

2、相关器输出的信号功率对噪声功率加干扰功率之比的模型，建立了基于频谱隔离系数的等效载噪比模型，利用相对较简单的等式就获得了干扰的一级评估；其次，具体分析了GPSC／A码自干扰时导航信号到达地面的功率、天线增益，以及星座功率增益等参数；最后，给出GPSC／A码自干扰时等效载噪比衰减的测试结果，在信号捕获时，多普勒频移为kHz的整数倍C／A码自干扰对所需GPSC／A码的等效载噪比衰减程度最大，达到９畅６dBHz。该方法可以为中国新一代卫星导航系统信号设计提供参考。关键词全球卫星导航系统；兼容性；相关器；评估；等效载噪比；频谱隔离系数DOI：１０

3、畅３７８０／j畅issn畅１０００‐７５８X畅２０１５畅０４畅００２１引言随着卫星导航技术的发展及其应用领域的不断扩大，世界上众多国家纷纷加紧建设独立自主的卫星导航系统。美国正在实施全球全球定位系统（GPS）现代化计划，俄罗斯加紧恢复格洛纳斯系统（GLONASS）全面性能，欧盟正在建设伽利略系统（GALILEO），中国正在加紧建设北斗卫星导航系统（COMPASS）。此外，日本、印度，以及巴西也有计划建设区域性的卫星导航系统。卫星导航系统正逐渐呈现出一种多极竞争与优势互补的崭新局面。随着卫星导航系统的增加，卫星导航频率频谱十分［１‐３］拥挤

4、，卫星导航信号相互之间的干扰不可避免，评估卫星导航信号的兼容性能非常关键。卫星导航信号的兼容性评估方法一般有四类：信号互干扰评估技术、计算机模拟仿真验证、实物模拟仿真验证和试验卫星验证。信号互干扰评估技术是利用导航信号特性及码／载波跟踪理论对实际系统中采用某一种信号体制能达到的性能进行评估的方法。计算机模拟仿真验证是用计算机模［４‐５］拟卫星导航信号产生、接收和处理过程，从而对系统性能进行评估的方法。实物模拟仿真是在室内用信号发生模拟器和接收机来模拟卫星导航信号产生、接收和处理过程，从而评估系统性能的方法。试验卫星验证是通过发射试验卫星，

5、由试验卫星广播导航信号，在地面用实际接收机来接收处理导航信号，从而验证系统性能的方法。这四种评估手段中，后期的验证手段可信度更高，但验证周期也越长，代价也非常高昂，在未确定最终信号体制之前，无法设计实物的信号模拟器和相应的接收机，更不可能发射试验卫星，信号体制的修改都将会带来硬件上较大的变动，修改设计所需的周期比较长，代价也非常昂贵。收稿日期：２０１５‐０１‐３０。收修改稿日期：２０１５‐０６‐０１２０１５年８月中国空间科学技术１１本文根据全球卫星导航系统信号捕获的基本原理，针对卫星导航信号的互干扰问题，按照信号互干扰评估技术建立了评估信

6、号兼容性的等效载噪比模型和基于频谱隔离系数的等效载噪比模型，分析GPSC／A码自干扰时导航信号到达地面的参数，给出GPSC／A码自干扰时等效载噪比衰减的测试结果，为新一代全球导航卫星系统（GNSS）导航信号体制设计提供依据。２等效载噪比模型分析根据GNSS接收机的工作原理，信号捕获、载波跟踪和数据解调的性能依赖于接收机中即时支路，用即时相关器输出的信号功率对噪声功率加干扰功率之比（SNIR）来评价，当接收机外部干扰为具有统计自相似性的平稳过程，即时相关器输出的SNIR定义为相关器输出的期望的平方除［４］以方差，表示成载噪比、传输函数、所需

7、信号与干扰信号功率谱密度的函数：r／２２β２TCs∫Gs（f）df－／２βrc＝ρN（１）r／２βr／２βN０∫／２Gs（f）df＋∑Ci∫／２GifGsfdf－ri＝１－βrβ式中Cs为GNSS接收机天线输入端接收到的有用信号功率；Ci为GNSS接收机天线输入端接收到的第i颗干扰卫星的信号功率；N０为白噪声的功率谱密度；Gsf为归一化无穷带宽上单位面积内的信号功率谱密度；Gif为第i颗干扰卫星归一化为无穷带宽上单位面积内的信号功率谱密度；T为相关器的积分时间；r为接收机双边前端带宽。β载噪比（载波功率与噪声密度比）是衡量GNSS接收机性

8、能的一个重要因素，一般用来表征所接收GNSS信号的质量。假设干扰信号之间相互独立，并与所需信号不相关，干扰信号所造成的相关器输出的SNIR相当于只有噪声单独存在时相关器输出的SNIR，即相当于