COMPASS和Galileo系统间信号干扰研究

胡 媛， 刘 卫

（1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306；2.上海海事大学 商船学院，上海 201306）

全球导航卫星系统 （Global Navigation Satellite System，GNSS）是目前世界上发展最迅速的信息技术之一，可以提供三维定位、导航和授时服务，同时具有全球性、全天候、连续性、实时性和高精度等优点[1]。随着本世纪头20年内多个卫星导航系统的建成，届时将有120余颗卫星在天上，完全可以利用多个卫星系统进行组合为各类用户提供无缝的全球范围导航定位服务，而多系统的存在和组合首先必须考虑系统间干扰所造成的兼容性问题。其中，兼容性是指两个或多个系统同时工作时，确保某系统在提供单一系统服务时，其它系统不会对其产生不可接受或降低精度的干扰。目前，我国“北斗卫星导航系统”（COMPASS）已经确定“先区域后全球”的发展道路，COMPASS区域系统已经进入组网阶段[2]；欧洲Galileo卫星导航计划也已经完成最终部署方案，其基础设施建设阶段正在实施[1]。对于正在建设的两大新系统而言，COMPASS与Galileo系统间信号的干扰问题已经引起了广泛关注，如何有效的评价COMPASS和Galileo系统间干扰已经成为双方系统顶层设计和接收机应用所面临的突出问题。

文中首先建立有效评价卫星导航系统间信号干扰的方法，其次分析COMPASS和Galileo系统的星座构型和信号体制参数，最后对两大系统间的所有民用信号间干扰进行仿真分析，并给出基于系统间干扰的信号体制设计和接收机应用的参考意见。

1 系统间干扰的评价模型及方法

由卫星导航接收机的工作原理可知，干扰信号的引入影响着接收机对所需信号的捕获、载波跟踪、数据解调和码跟踪性能，特别是前3种性能依赖于接收机的即时支路，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[3]。当噪声和干扰同时存在时，如果相关器输出的SNIR已知，可定义有效载噪比（Cs/N0）eff来有效评价干扰信号对接收机处理性能影响[4]。因此，建立下式：

其中，Gs（f）为归一化功率谱密度，Cs为信号载波功率，N0为噪声功率谱密度，βr为接收机双边带宽，T为接收机预积分时间。

对式（1）进一步求解，可得有效载噪比（Cs/N0）eff为

其中，第j个干扰信号归一化功率谱密度为 Glj（f），干扰信号载波功率为Clj；IGNSS称为等效噪声功率谱密度，可进一步化简为：

当存在两个或者多个GNSS系统时，总等效噪声功率谱密度IGNSS为两个系统内和系统间干扰的等效噪声功率谱密度之和

其中，IIntra为系统内干扰的等效噪声功率谱密度，IInter为系统间干扰的等效噪声功率谱密度。

由于有效载噪比衰减为加入干扰信号后的有效载噪比与原来有效载噪比之比，因此有效载噪比衰减可以衡量新加入的干扰信号对系统的影响程度。当两个或多个系统共同存在时，需要计算引入的系统对原有系统的影响情况。因此以系统间有效载噪比衰减来衡量干扰的程度将比有效载噪比更加直观和有效。根据式（2）系统间有效载噪比衰减 Δ（C/N0）eff可表示为

2 COMPASS和Galileo的系统参数

根据COMPASS和Galileo所公布的用户接口文档[5-6]，欧盟的Galileo系统基线星座由27颗卫星组成，卫星均匀分布在3个以相对赤道56度角的倾斜轨道面上，每个轨道面9颗卫星。另外，3颗备用卫星（每个轨道面1颗卫星）可用来补充基线星座。COMPASS区域系统空间星座由14颗组网卫星组成，其中包括5颗地球静止轨道（GEO）和9颗非地球静止轨道（Non-GEO）卫星组成。其中，Non-GEO卫星包括4颗中圆地球轨道（MEO）卫星和5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星。 GEO 卫星分别定点于东经 58.75°、80°、110.5°、140°和160°，两大系统的星座参数如表1所示。

表1 COMPASS和Galileo的星座参数Tab.1 Constellation parameters of COMPASS and Galileo

由于目前COMPASS和Galileo均采用相同的CDMA传输模式，且在L1频段频谱重叠严重，因此本将对这两大系统在L1频段的民用信号兼容性进行仿真评估和分析，以期揭示两大系统在该频段民用信号受到干扰的程度。COMPASS和Galileo两大系统在L1频段的信号体制参数如表2所示[5-6]。

表2 COMPASS和Galileo的信号体制参数Tab.2 Signal structure parameters of COMPASSand Galileo

3 仿真及结果分析

基于文中所建立的卫星导航系统间干扰的评价方法，构建导航系统间信号兼容性仿真实验系统进行COMPASS和Galileo系统间干扰进行仿真分析，该仿真系统由空间星座及信号模块、空间环境模块、参考接收机特性模块、兼容评估模块以及输入控制及输出显示等部分组成。仿真和计算参数如表3所示。

考虑到目前COMPASS和Galileo在L1频段频谱重叠严重的实际情况，文中重点考虑以下场景：

场景 1：Galileo E1 OS← COMPASS（Galileo E1 OS信号受到COMPASS所有信号干扰）

场景 2：COMPASSB1-I← Galileo（COMPASSB1-I信号受到Galileo所有信号干扰）

图1表示Galileo E1 OS民用信号受到COMPASS所有信号干扰的最大有效载噪比衰减情况，可以发现，Galileo E1 OS信号受到干扰的载噪比衰减的最大值为0.004 1 dB，该信号在亚太区域受到的干扰最严重，这是由于COMPASS在该区域的GSO和IGSO卫星的信号干扰造成的。而图2表示COMPASSB1-I受到Galileo E1频段所有信号干扰的最大有效载噪比衰减情况，可以发现，COMPASSB1-I所受到的干扰造成的载噪比衰减的最大值为0.312 6 dB，远大于Galileo在该频段受到COMPASS干扰的情况，这是主要由于Galileo E1 PRS授权信号频谱主瓣远离1 575.42 MHz而跟COMPASS B1-I民用信号重叠造成的。

表3 仿真和计算参数Tab.3 Simulation and computation parameters

图1 GalileoE1OS信号受到COMPASS所有信号干扰的最大C/N0衰减Fig.1 Max C/N0 degradation of Galileo E1 OSdue to COMPASS intersystem interference

图2 COMPASSB1-I信号受到Galileo所有信号干扰的最大C/N0衰减Fig.2 Max C/N0 degradation of COMPASSB1-I due to Galileo intersystem interference

由以上仿真分析可知，对于COMPASS和Galileo两大系统的信号体制顶层设计而言，需要尽量避免频谱重叠的情况，特别是Galileo E1 PRS授权信号对COMPASSB1-I信号的重叠；对接收机设计而言，由于两大系统的中心频点偏离14.322 MHz，Galileo E1 OS信号受到COMPASS的影响很小，可忽略不仅，在COMPASS接收机设计中，需要在可接受的性能条件下减小前端带宽，以减小Galileo E1 PRS授权信号的干扰。

4 结 论

随着COMPASS和Galileo两大系统的建设，两大系统间信号的干扰问题已经引起了广泛关注。文中通过建立有效评价卫星导航系统间信号干扰[7]的方法，对两大系统间的所有民用信号间干扰进行仿真及分析，所建立的评价模型、方法和成果可为导航系统的信号体制顶层设计和接收机应用提供理论参考。

[1]Current and planned global and regional navigation satellite systems and satellite-based augmentation systems[R].New York:United Nations，2010.

[2]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考 [J].宇航学报，2008，29（2）:391-396.TANShu-sen.Development and thought of Compassnavigation satellite system[J].Journal of Astronautics，2008，29 （2）:391-396.

[3]Mistra P，Enge P.Global positioning system-signals，measurements，and performance[M].Lincoln，MA，USA:Ganga Jamuna Press，2006.

[4]Betz J.Effect of Partial-Band Interference on Receiver Estimation of C/N0[C]//Proc.of IONNTM 2001，2001:16-27.

[5]Galileo Open Service.Signal in space interface control document[S].OSSISICD， Draft 1.February，2008.

[6]China Satellite Navigation Office.BeiDou Navigation Satellite Sysmtem Signal in Space Interface Control Document（Test Version）[S].2011.

[7]周红玲，姜文龙，刘昌国.国内外卫星用液体远地点发动机发展综述[J].陕西电力，2011（5）：1-8.ZHOU Hong-ling，JIANG Wen-long，LIU Chang-guo.Development of liquid apogee engine for satellite at home and abroad[J].Shaanxi Electric Power，2011（5）：1-8.