全球导航卫星系统互干扰评估分析及启示

（钱学森空间技术实验室，北京 100094）

1 引言

全球导航卫星系统（GNSS）是各个国家和地区为军事或民用目的而发展的一套使用卫星提供位置与时间信息的系统，从导弹、战机和军舰到汽车、民用飞机、个人电脑乃至手持式通信设备，几乎都能用到卫星导航定位技术［1］。

随着卫星导航技术的发展及其应用领域的不断扩大，众多国家和地区纷纷加紧建设独立自主的卫星导航系统［2］。美国正在实施GPS现代化计划［3］，俄罗斯加紧恢复GLONASS全面性能［4］，欧盟正在建设GALILEO 系统［5］，与此同时，日本和印度也在积极建设自己的区域卫星导航系统。当前，我国正在推动北斗卫星导航系统（COMPASS）的建设，2012年底，已经建成北斗区域卫星导航系统，初步覆盖亚洲及其周边地区，满足公路交通、铁路运输以及海上作业等领域的应用需求。

目前，国际电信联盟（ITU）专门为无线电卫星导航配置的频段上，存在美国的GPS信号和俄罗斯的GLONASS信号，再加上计划发射的GALILEO和COMPASS信号，以及GPS现代化信号，这几个频段已变得相当的拥挤，除了GLONASS的频段没有明显重叠之外，其它3个系统有的频段部分重叠，有的完全重叠［6］，因此，卫星导航信号相互之间的干扰不可避免。一般来讲，同一频段内GNSS互相之间的干扰分为两种，其中同一卫星导航系统中，来自不同卫星的信号相互干扰对方的接收，例如GPS系统中不同卫星导航信号之间的干扰等，称为自干扰或系统内干扰；而在两个不同的卫星导航系统之间的干扰，例如GPS 和GALILEO 信号之间的干扰等，称为系统间干扰，此外，在利用卫星导航系统反射信号进行遥感应用的过程中，同一卫星的直达信号对于反射信号的干扰也称为自干扰［7］。

美国和欧盟为了把GPS和GALILEO 信号系统间的干扰降至最低，达到信号之间的兼容与互操作，展开了长期的谈判。目前，欧盟与美国之间已经基本结束在Ll和E1频段上的信号兼容谈判。我国的COMPASS系统在频率上与GPS 和GALILEO都存在重叠。随着GALILEO 和COMPASS建设进程的加快，我国和欧盟都迫切需要评估卫星导航信号系统间的干扰；而在评估卫星导航信号互相之间的干扰中，基于频谱隔离系数的等效载噪比指标是一种有效的评价指标。针对这一通用的评价指标，考察其在各种场合下的特征，对于研究导航信号之间的互干扰特性有重要的参考价值。文章根据分析研究，提出了各方法之间的局限性。针对我国卫星导航系统的发展情况，提出相应的发展建议。

2 GNSS信号互干扰问题现状

不同卫星导航系统占用相同的频段会造成相互干扰而出现兼容问题，但同时占用相同频段也为各个系统实现互操作提供了可能性［8］。在空间存在的众多导航系统中，导航信号频率段相互重叠。信号间存在着不同程度的干扰，如表1所示。

GALILEO 卫星发射6 种卫星信号，分别记做L1F，L1P，E6A，E6B，E5A 和E5B。L1F 是一个可公开访问的信号，位于E1频段，包括一个数据通道和一个导频（或无数据）通道，它调制有未加密的测距码和导航电文，可供所有用户接收。

传统的GPS导航信号在L1和L2两个载波频率上发射导航信号，另外GPS计划广播3种新的信号，其中一个位于1 176.45 MHz，称为L5信号，新的军用M 码信号也将被叠加到L1和L2上。

GPS与GALILEO 的主要系统间干扰集中在下面两种形式的信号：①GALILEO 系统E5A 与GPS系统L5 之间的干扰；②GALILEO 系统L1F与GPS系统L1之间的干扰。

表1 GNSS相同频段分布Table 1 GNSS band distributions

3 GNSS信号互干扰评估方法研究

美国是卫星导航系统发展较早的国家，为了防止其它国家发展的卫星导航系统对GPS产生干扰，美国率先在互干扰评估方法上进行了研究，其方法始终根据系统发展而不断调整。欧盟为了与美国在信号频谱设计谈判中保持同等地位，在此方面也进行了大量的工作。目前，GNSS信号互干扰评估方法主要集中在2种方法：多径误差评估理论和载噪比评估理论。其中，载噪比评估理论由于其精确的数学解析，得到各国研究机构的广泛关注。

3.1 多径误差评估理论

多径误差是卫星导航系统中的主要误差源之一，并且它依赖于接收机天线周围的环境，在空间上的相关性很小，无法通过差分的方法加以消除。因此，多径误差是卫星导航系统信号设计与评估中的一个重要考虑因素。目前，关于多径减轻技术的研究比较多，多径误差的理论分析相对较少。多径误差分析方法主要有4类：

（1）外场实测方法，即通过对接收机的实际定位结果进行统计，从而分析多径效应的影响；

（2）模拟仿真方法，即通过建立多径信号模型，由信号模拟器产生导航信号，软件接收机处理和统计分析；

（3）数值分析方法，即假定导航接收机采用非相干鉴别算法和窄相关技术，建立多径误差的隐式表达式，用数值分析方法求解方程的根，从而获得多径误差；

（4）纯理论解析方法，它能够给出多径误差包络的直接表达式。目前，记录采用这种方法的文献均将导航信号的自相关函数用直线来分段表示，通过计算叠加多径信号之后的鉴别曲线，推算出多径误差。

多径误差评估理论的不足，主要体现在：通过计算叠加多径信号之后的鉴别曲线，推算出多径误差。这种自相关函数模型，使得目前的理论解析法仅适用于发射和接收带宽均远大于码速率的情况，不能满足一般情况下的应用。

3.2 信干噪比评估方法

信干噪比评估理论来源于伪码跟踪理论，1977年，Simon首先提出伪码跟踪理论，阐述了两种非相干的伪码跟踪环路——延迟锁定环（DLL）和τ抖动环，并分析了其中的码跟踪性能，在Simon的分析过程中，扩频信号的自相关函数被当成理想的三角形，这只有在码片形状为矩形，且前段带宽为无限的假设条件下才能成立，因而在对码跟踪精度要求很严格的导航系统中的应用受限。随着技术的发展，τ抖动环在节约相关器资源方面的优势被削弱，而延迟锁定环则被广泛采用。另一方面，随着GPS应用的推广，开始寻求提高码跟踪精度的方法，并致力提出更精确的码跟踪性能分析方法［9］。2000年，美国GPS现代化信号体制的John W.Betz，将前端带宽引入到了码跟踪精度分析过程中，分析出综合信号功率谱、前端带宽、相关器间隔、码环带宽、预积分时间因素在内的信干噪比表达式，并总结了这些因素对信号互相关干扰性能的影响。

信干噪比（SNIR），即信号和噪声加干扰比，是指被传输的可用信号与来自其它或相同信道的干扰信号（噪声）加干扰的比率。它是传输质量的量度标准。SNIR 的计算为检测统计值均值的平方与方差的比值：

式中：T为相关器的积分时间；Cs是GNSS接收机天线输入端接收到的有用信号功率；ℜ（·）表示括号内函数的实部；βr 为接收机双边前端带宽；Gs（f）是归一化为无穷带宽上单位面积内的信号功率谱密度；HT（f）为卫星发射机的传递函数；HR（f）为接收机滤波器的传递函数；τ为时间延迟；f为载波频率；θ为初始相位；e为指数表达形式；i为复数表达形式；Cl为接收到干扰信号功率；Gl（f）是归一化为无穷带宽上单位面积内的总干扰信号功率谱密度。

SNIR 的不足主要体现在：由于是被传输的可用信号与来自其它或相同信道的干扰信号（噪声）加干扰的比率。它是传输质量的量度标准，但在计算信干噪比过程中，任何非白干扰也必须被计算在内，且必须以其功率谱密度和功率来表征。因此对互相关干扰下相关器输出的SNIR 的分析是非常麻烦的，并且在干扰条件下的分析也不全面。因此，有必要在国外的模型基础上做进一步的理论推导验证和改进分析。

4 基于频谱隔离系数的等效载噪比评估方法

4.1 即时相关器输出信号干噪比

假设GNSS接收机接收到的基带处理信号为

式中：s（t）为GNSS基带信号；θ为载波相位；t0为时间延迟；n（t）为接收的高斯白噪声；ι（t）为干扰信号，其概率密度函数为高斯分布。

接收的信号数据长度为Tobs，即0＜t≤Tobs，假设GPS 基带信号被接收机滤波后的信号为s1（t），因此，接收的信号数据为

SNIR 的计算为检测统计值均值的平方与方差的比值，则即时相关器输出信干噪比为

4.2 等效载噪比评估模型

根据卫星导航系统信号捕获、载波跟踪和数据解调的特性，提出基于频谱隔离系数的等效载噪比模型，针对卫星导航系统信号体制，推导了频谱隔离系数。当总的干扰可以建模为统计平稳过程，且干扰或有用信号（或两者）的频谱可以很好的近似为某一带宽（这一带宽是相关中所用的累计时间的倒数）上的一条直线时，即时相关器的输出SNIR 可以表示成载噪比、传输函数、所需信号与干扰信号功率谱密度的函数：

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，即相当于把干扰“白化”为热噪声，由此转化为等效噪声功率谱密度。等价关系如图1所示，则利用这一等效白噪声得到的同样正确的等效噪声功率谱密度（Cs／N0）eff。

图1 系统内干扰信号等效载噪比Fig.1 Equivalent CNR of interference signals within the system

式中：κlS为频谱隔离系数。

通过式（7）可以看到频谱隔离系数依赖于所期望信号的谱和干扰的谱，如果两个导航信号之间的谱峰相互重叠，它们之间的捕获频谱隔离系数就越大，等效载噪比的衰减就会愈明显，相互之间的干扰就越强。

4.3 GNSS信号间的频谱隔离系数分析

基于频谱隔离系数计算模型，表2与表3分别给出了GPS、GALILEO 和COMPASS 系统在L1频段9种不同类型信号在各自的实际发射带宽下仿真计算结果。由此可知，接收机前端带宽越小，功率谱密度主瓣远离中心频点的信号对其它信号的干扰就越小；GPS系统的M 码、GALILEO 系统E1PRS和COMPASS系统B1A 的3个授权信号与其它信号的频谱分离比较明显，这是由于它们远离中心频点的缘故；随着接收机前端带宽的减小，频谱隔离系数SSC 值越来越小，频谱重叠程度越低；另外，3个系统的MBOC 互操作信号比GPS系统L1C／A 码有更好的频谱分离能力。

表2 L1频段的频谱隔离系数（接收机前端带宽：24 MHz）Table 2 Spectral separation coefficients in L1band（Receiver front-end bandwidth：24 MHz）

表3 L1频段的频谱隔离系数（接收机前端带宽：12 MHz）Table 3 Spectral separation coefficients in L1band（Receiver front-end bandwidth：12 MHz）

5 GNSS信号互干扰评估理论发展建议

本文主要研究了GNSS 信号互干扰问题对GNSS系统性能的影响。包括GNSS信号间干扰分析，系统内干扰评估方法等，对今后我国卫星导航系统的发展具有参考意义。

1）明确卫星导航信号互干扰评估的标准

设计性能既好、又与其它系统的信号之间互干扰最低的信号，这是目前世界各国研究机构的研究热点之一。这两方面通常无法同时兼顾，经常是在这两方面进行折中。而折中的依据就是GNSS 卫星导航系统互干扰评估的标准，另外，民用信号受到系统间干扰影响比较大，最坏情况时，C／A 码受到的系统间干扰引起的最大最小载噪比衰减比较明显，这样就对GALILEO 信号的设计提出更严格的要求，因为减掉系统内干扰引起的干扰之后，剩下的可用的载噪比干扰就很小了，这也意味着，我国的COMPASS系统面临着更高的挑战。因此，互干扰测试评估的标准不应该是一个单一的标准，而是GNSS信号互干扰测试评估的统一值。我国的COMPASS系统必须在这方面积极做准备，利用等效载噪比方法研究这一标准，使其在今后的信号设计中，处于有利地位。

2）研制GNSS信号的设计方法

从分析GNSS信号间干扰、提出GNSS互干扰评估参数，以及GNSS基带信号功率谱的推导和长码的界定，到分析GPS和GALILEO 在L1频段上的相互干扰，这些为如何设计满足互干扰最低要求的信号奠定初步基础。本文对无线频率兼容的理论进行了研究，这些基础使对如何设计满足兼容要求的信号有了初步想法，在信号设计初期，干扰系数和码跟踪干扰系数是评估无线频率兼容的最好中间参数，而这两个参数与信号的功率谱密切相关，于是信号功率谱的设计是信号设计的关键环节，不少文献也强调了功率谱的重要，并分析了功率谱测量的方法和码的选择对功率谱的影响，可以基于式（5），分析干扰系数和码跟踪干扰系数与载噪比衰减值和码跟踪误差增量的关系，依据此关系，为设计高性能的信号提供技术支持。

3）尽快制定针对性的试验验证

基于频谱隔离系数的等效载噪比理论分析的方法相对比较简单，可以在减小复杂度的基础上提供一种近似的评估结果，而且这个方法还可以部分结合计算机模拟仿真或实验室实物测量来提高评估精度，而不需要进行端到端的仿真，在系统设计初期，理论分析方法较为重要。但实际应用前还需要试验验证。2004年6月，美国和欧盟同意采用计算载噪比衰减值的方法来评估GPS／GALILEO 的互干扰性，并就此方法展开试验验证。国内目前针对该方法可靠性的验证工作尚未展开，因此，在开展理论研究的同时，应开展大量的试验验证工作，即在多个GNSS同时工作的情况下，利用实际接收机捕获、跟踪目标信号，需要在不同的地理位置测量并记录系统参数，在不同地理位置进行长时间的大量测量。

6 结束语

本文描述了GNSS 卫星导航系统信号互干扰评估问题，介绍了GNSS卫星导航系统信号互干扰的发展现状，对多径误差评估理论、载噪比评估理论的产生及发展进行了分析，并提出发展建议。对于进一步开展GNSS 卫星导航系统信号互干扰评估理论的研究，具有一定的借鉴意义。

（References）

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