卫星导航系统集总 epfd计算与分析

葛 侠

(北京环球信息应用开发中心,北京100094)

0 引言

国际电联规定在1 164～1 215MHz频段卫星无线电导航系统在ARNS接收机口面产生的集总epfd不得超过-121.5 dBW/m2/MHz[1]。利用Visualyse Professional软件对COMPASS系统非静止轨道卫星(NGSO)epfd进行了仿真,用VB语言在Excel实现了COMPASS系统静止轨道卫星(GEO)epfd和所有RNSS系统产生的集总 epfd的计算,并对计算结果进行了分析,提出了确保epfd不超过限值的思路。

1 ARNS接收机保护标准

2000年世界无线电通信大会决定在1 164～1 215 MHz频段为卫星无线电导航业务(RNSS)新增频率划分。由于此频段已划分给应用于民航生命安全的航空无线电导航业务(ARNS),因此无线电规则规定:在1 164～1 215 MHz频段 RNSS不得干扰ARNS。

民航使用的DME/TACAN设备连续波干扰门限为-129 dBW/MHz[2],ARNS接收机安装在飞行高度为12 192 m的飞行上,其接收天线在1 164～1 215 MHz频段的天线特性(假设极化失配损耗为2 dB)如图1所示。

考虑安全余量及RNSS干扰占全部干扰的百分比后,可得到在1 164～1 215 MHz频段ARNS接收机可接受的由RNSS系统产生的集总epfd最大值为-121.5 dBW/m2/MHz,如表1所示。

图1 ARNS接收天线特性

表1 ARNS对RNSS系统集总 epfd的限值

2 集总epfd定义及计算方法

计算集总epfd首先应根据各RNSS系统的星座、pfd和频谱调节因子(SAF),计算在功率谱密度最大的1MHz带宽内的epfd;然后通过各RNSS系统SAF及epfd,映射叠加得出在1 164～1215MHz频段内每1 MHz带宽内由各RNSS系统合成的最大集总epfd。

2.1 epfd定义

《无线电规则》第22.5C.1款定义了epfd:

式中,Pi为到达接收天线入端的卫星i的射频功率;Gt(θi)为指向接收机方向的卫星发射天线增益;Gr(φi)为指向卫星方向的接收机接收天线增益;Gr,max为接收机的最大增益。

设ARNS接收机安装在飞行高度为12 192 m的飞机上,据图1所示ARNS接收天线特性,应计算仰角为-3.54°～90°内的所有 RNSS卫星产生的干扰。

为了便于各RNSS系统进行epfd计算,在式(1)基础上,采用式(2)的计算方法:

2.2 GEO卫星epfd计算

由于GEO卫星的pfd、epfd与时间无关,因此在Office Excel软件上用VB编程即可计算RNSS系统GEO卫星pfd和epfd。

首先计算GEO卫星轨位与地球上任意一点ARNS接收机的空间距离Pathm,n、ARNS接收机方向的离轴角SATANGm,n和ARNS接收机对卫星方向的仰角ARNSELEm,n:

式中 ,cosβ=cosγ·cos(φE-φs)。

其次,根据GSO卫星发射天线离轴增益,可得到GEO卫星发射RNSS信号到达ARNS接收机天线口面的pfd值。

第3步,根据ARNS接收机对GEO卫星的天线仰角,从图1确定ARNS天线增益 Gri/Grmax,利用式(2)即可计算得到地球上任意一点接收到的GEO卫星RNSS信号到达ARNS接收机天线口面的epfd。

2.3 NGSO卫星epfd仿真计算

英国Transfinite公司Visualyse professional软件可用于无线电通信系统pfd、epfd的仿真计算,并可根据需要构建卫星通信系统的星座、接收站坐标、收发天线方向图和信号特性等。因此选用Visualyse Professional构建RNSS系统NGSO星座 epfd的仿真平台。

首先根据RNSS系统星座组成及相位关系,生成RNSS系统星座;第2步根据各RNSS系统发射天线离轴增益,生成RNSS卫星发射天线和发射功率模型;第 3步根据 ARNS接收机天线特性,生成ARNS接收天线模型;第4步,在全球范围内,按照经、纬度1°或5°栅格布设ARNS接收机;第5步设定期望信号链路和干扰信号链路;第6步设定输出参数及文件格式,最后设定总仿真时间和仿真时间步长。

为了得到干扰最大时的最恶劣情况,总仿真时间至少为星座重复周期。为了获得精确的结果,仿真时间步长应尽可能小。由图1 ARNS天线特性可知:在仰角为-3.54°～+3°范围内的ARNS天线接收增益最大。因此为了达到精度要求,非静止轨道卫星落入ARNS接收机天线最大增益范围时,应至少进行5次测量,即在以增天线接收变化3 dB时,星座运行1°为基准确定仿真时间步长。

2.4 集总epfd定义

集总epfd定义为:

式中,SAFk,p是第k个RNSS系统相对于最坏1 MHz频段内的频谱在频点p的频谱调节因子(SAF);Nsys为RNSS系统个数。

在Office Excel软件上用VB编程即可实现RNSS系统集总epfd计算。

3 COMAPSS系统 epfd计算

COMPASS系统星座由 27颗中圆轨道卫星(MEO)、3颗倾斜轨道卫星(IGSO)和 5颗静止轨道卫星(GEO)组成,其NGSO卫星和GEO卫星RNSS信号SAF如图2所示。COMPASS系统NGSO卫星RNSS信号到达ARNS接收机天线口面的pfd如图3所示。

图2 COMPASS系统 SAF

图3 COMAPSS系统卫星到达接收机的pfd

对于COMPASS系统IGSO卫星,设定其总仿真时长为24 h,对于COMPASS系统MEO卫星,设定其总仿真时长为8 d,仿真时间步长为30 s。各纬度上最大值如图4所示。

图4 COMPASS系统MEO和IGSO星座epfd

另外,对ARNS接收机按1°或 5°栅格布设分别进行了仿真计算。相对于按5°栅格布设ARNS接收机,按 1°栅格布设时,MEO星座最大 epfd高0.001 dB,IGSO星座最大epfd高0.159 dB。

利用 Visualyse Professional构建的 RNSS系统epfd仿真平台,在对卫星发射特性进行调整后,即可用于其他RNSS系统的epfd仿真,并可用于RNSS系统间的干扰仿真。

4 所有RNSS系统集总epfd计算

根据各RNSS系统提供[3]的系统星座、SAF、到达ARNS接收机的pfd,经过计算,最大集总epfd为-121.97dBW/MHz/m2@1176MHz,距离-121.5 dBW/MHz/m2的限值,还有0.47 dB余量,如图5所示。

图5 RNSS系统集总 epfd结果

根据各国目前向国际电联申报的卫星网络情况,已投入运行、在建或有明确计划的RNSS系统包括20个静止轨道 RNSS卫星和6个非静止轨道RNSS系统如表2和表3所示。

表2 参与集总epfd计算的静止轨道RNSS系统

表3 参与集总 epfd计算的非静止轨道RNSS系统

5 结束语

随着卫星导航系统在社会经济发展和国防安全方面的保障作用日益突显,越来越多的国家加入到建设RNSS系统的行列中。为了确保RNSS系统集总epfd不超过限值,建议从几个方面着手进行研究:①各RNSS系统间功率不平衡,甚至相差10 dB以上,不利于系统间兼容,因此RNSS系统间兼容评估时可寻求相对平衡的功率电平;②新的RNSS系统使用1 164～1 215 MHz内不超过限值的部分频段的可行性,尽管中心频率不同,但在共同的频段内,仍可实现民用导航信号的互操作;③更新epfd计算方法;④研究集总epfd超限后RNSS系统多边磋商机制。

[1]ITU.RESOLUTION 609[S],2008.

[2]ITU.RECOMMENDATION ITU-R M.1639-1[S],2007.