局域增强系统台站最小保护间隔的计算*

周自力，李　锐，王建强，唐　越，冉妮虹，唐万斌

(1.中国民用航空局第二研究所，成都 610041；2.电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，成都 611731)



局域增强系统台站最小保护间隔的计算*

周自力1，李锐1，王建强1，唐越2，冉妮虹2，唐万斌2

(1.中国民用航空局第二研究所，成都 610041；2.电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，成都 611731)

针对局域增强系统(LAAS)的频率指配问题，提出了一种基于频率保护服务区的频率指配方法。根据LAAS频率保护服务区的定义，在机载接收机信号干扰比要求的基础上，结合无线电传播模型和空间几何关系，详细描述了计算LAAS台站间最小保护间隔的方法。计算结果与美国联邦航空局(FAA)的规范吻合，为LAAS设备的频率指配提供了简单有效的计算方法。该方法可有效提高导航频率资源利用率，解决频率资源短缺的问题。

全球定位系统；局域增强系统；频率指配；频率保护服务区；最小保护间隔

1　引　言

全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)已广泛应用于海、陆、空、天等军事领域，并不断延伸到民用航空导航领域。然而，GPS导航系统很难满足现代航空对定位精度、连续性和完善性的要求[1-3]。为了确保严格的飞行安全，美国联邦航空局(FederalAviationAdministration,FAA)提出了地基增强系统，即局域增强系统(LocalAreaAugmentationSystem,LAAS)，支持民用航空器实现高精度进离场和精密进近[4]。国际民航组织(InternationalCivilAviationOrganization,ICAO)称其为地基增强系统(GroundBasedAugmentationSystem,GBAS)。

近年来，我国民航运输生产保持了较快的增长势头。航空器、机场、航路和管制扇区的数量不断增加，各机场对航空导航频率的需求量迅速增长，使得导航频率的使用日益紧张。因此，在LAAS台站间进行频率复用成为解决频率资源短缺的有效途径，高效的频率指配方法也成为保障我国民航健康发展的重要技术手段。

为了提高频率利用率，需要保证LAAS台站安全运行的前提下，尽可能缩小台站间的地理间隔，同时还需要保证周边的LAAS台站不受干扰地工作。目前，FAA已对LAAS/LAAS的最小保护间隔进行了规定[5]。但文献[5]中的查找表只给出了部分情况下的地理间隔标准，没有给出相应的原理方法。另外，最小保护间隔与台站的发射功率和频率保护服务区(FrequencyProtectedServiceVolume,FPSV)的范围有关，文献[5]对此没有作出说明。

针对上述查找表的问题，本文将在FAA规定的FPSV基础上，提出一种通过合理划设频率保护服务区的LAAS台站间最小保护间隔的计算方法。该方法对有关LAAS的不同应用场景，根据需要满足的信号干扰比要求来确定同频和第一邻频的最小保护间隔。本文给出了不同功率和不同FPSV范围下的最小保护间隔的曲线，计算结果与美国联邦航空局的规范吻合，为LAAS设备的频率指配提供了简洁快速的计算方法。

2　局域增强系统主要性能要求

2.1频道分配

依据FAA标准，LAAS计划的工作频段为112.050～117.950MHz。但为了保护邻近的空/地语音通信，实际可分配给LAAS系统的工作频段为112.050～ 117.150MHz。LAAS频道方案采用50kHz频率，即第一邻频为50kHz。因此，可指配的频道为112.050～117.150MHz，共有103个频道。

2.2频率保护服务区

频率保护服务区描述了导航设备提供有效导航服务的空间范围。LAAS的FPSV定义为一个覆盖范围高达3 048m、半径为23nmile的圆柱体，其可选覆盖范围达到6 096m，如图1所示。

图1LAAS设备的FPSV

Fig.1FPSVofLAASfacility

2.3信号干扰比要求

在LAAS台站间最小保护间隔分析中，主要考虑的指标是航空器接收机输入端的期望信号和干扰信号的功率比值，简称为信号干扰比(DesiredtoUndesired,D/U)。D/U描述了航空器接收机的灵敏度需求，是航空器在其相应FPSV内必须满足的关键性能指标。

不同导航设备按同频和邻频都有其各自相应的D/U比要求。根据FAA标准，在LAAS设备的FPSV中，航空器接收机的D/U至少要满足表1的要求[5]。根据这些D/U要求，通过在地理上分处于同频或邻频的多个LAAS设备，达到既保护这些设备的服务要求，又可实现频率复用，提高频谱效率的目的。

表1航空器的D/U标准

Tab.1D/Urequirementsforaircraft

信号干扰类型(D/U)/dB同频+26第一邻频(50kHz)-46

3　传播模型

传播模型采用国际电信联盟的建议P.525，即自由空间传播模型。自由空间传播损耗的计算公式如下：

PLFS=37.8+20lg(f)+20lg(d)。

(1)

式中：PLFS为自由空间的传播损耗(单位dB)；f为频率(单位MHz)；d为传播距离(单位nmile)。

与自由空间的传播相比，无线电波在甚高频和特高频频段中的传播要受到若干附加条件的制约。为此，引入无线电地平线距离的概念以增加该模型的适用性，如图2所示。

图2无线电地平线与物理地平线

Fig.2Radiohorizonandphysicalhorizon

可以使用下面的公式计算发射机和接收机之间的无线电地平线距离：

(2)

式中：dRH是发射机和接收机之间的无线电地平线距离(单位nmile)；hTX是发射机距离地球表面的高度(单位m)；hRX是接收机距离地球表面的高度(单位m)。

根据收发机间距和无线电地平线距离的大小关系，需按以下方法进行计算：如果发射机和接收机之间的实际距离d小于无线电地平线的距离dRH，则用公式(1)计算自由空间传播损耗；如果发射机和接收机之间的实际距离d大于无线电地平线的距离dRH，则用下面的公式计算总的传播损耗：

PL=37.8+20lg(f)+20lg(dRH)+a·(d-dRH)。

(3)

式中：f为频率(单位MHz)；d为距离(单位nmile)；在频段108～137MHz，a=0.5dB/nmile。

4　保护间隔计算方法

如前所述，计算两个LAAS台站间的地理位置间隔，是为了在保护设备能有效提供导航服务的同时，通过频率复用达到提高频谱效率的目的。下面将采用FPSV这个核心概念，详细给出有关LAAS台站间最小保护间隔的计算方法。

4.1计算模型

如图3所示，设需要保护的信号干扰比为D/U，其中干扰信号来自同频或邻频。图中，Pd为期望台站的发射功率(dBm)；Pu为干扰台站的发射功率(dBm)；R为期望台站FPSV的半径(nmile)，H为关键点处接收机的高度(m)；Ld为期望台站到接收机的距离(nmile);Lu为干扰台站到接收机的距离(nmile)；D/U为需要满足的信号干扰比；PRx,d为接收机处期望信号的功率(dBm)，PRx,u为接收机处干扰信号的功率(dBm)；Du为干扰台站到接收机水平方向的距离(nmile)；S为期望台站与干扰台站的地理间隔(nmile)。

图3计算地理间隔的几何关系示意图

Fig.3Geometricalrelationshipdiagramofgeographicalseparationcomputation

为保证LAAS能有效覆盖整个频率保护服务区，需要找出服务区内信号干扰功率比最小的点，称为关键点[5]。关键点表示航空器距离期望设备最远同时距离干扰设备最近的位置，即关键点位于期望台站FPSV的最远边缘，如图3中接收机的位置。这样，就可以根据表1的D/U要求和第3节的传播模型计算LAAS/LAAS台站间的最小保护间隔。

4.2计算方法

对于任何希望计算最小保护间隔的目标设备，都应首先按照公式(2)确定无线电地平线的距离。根据几何关系，并注意单位转换，可得到期望台站到关键点的距离

(4)

可以看到，垂直高度相对于水平距离可以忽略不计。由此可计算出期望台站到关键点处的传播损耗

(5)

通常情况下，Ld

PRx,d=Pd-PLd。

(6)

根据要求的信号干扰比，可以得到干扰台站到关键点处的传播损耗

PLu=Pu-PRx,u=Pu-PRx,d+D/U。

(7)

接下来计算干扰台站到接收机水平方向的距离Du。为方便计算，可先设定参考距离d0，并根据式(3)有

PLu=37.8+20lg(f)+20lg(dRH)+a·(d0-dRH)。

(8)

变换得到

d0=(PLu-37.8-20lg(f)-20lg(dRH)+a·dRH)/a。

(9)

于是，干扰台站到关键点的距离

(10)

根据几何关系，并注意单位转换，得到干扰台站到关键点水平方向的距离

(11)

同样，垂直高度相对于水平距离可以忽略不计。因此，可得到台站间的地理间隔

S=Du+R。

(12)

4.3计算结果与比较

对应于表1要求的D/U，采用上述计算方法可以得到有关期望台站功率和FPSV范围的最小保护间隔曲线。其中，图4给出了LAAS/LAAS的最小保护间隔与期望台站发射功率(干扰台站功率为47dBm)之间的关系。随着期望台站的功率增加，地理位置间隔将减小，在同频时，最小保护间隔随期望台站功率呈线性变化；在邻频时，由于D/U要求降低为-46dB，只要少量的间隔即可达到此要求，其最小地理间隔值略大于期望台站FPSV的半径值。

(a)同频D/U：+26 dB

(b)第一邻频D/U：-46 dB

图4LAAS/LAAS有关期望台站功率的地理间隔(干扰台站功率47dBm)

Fig.4GeographicalseparationasafunctionofdesiredstationpowerforLAAS/LAAS

图5给出了LAAS/LAAS(期望台站和干扰台站等功率，均为47dBm)的最小保护间隔与FPSV高度之间的关系。由于关键点距离期望台站越远，期望信号传播损耗越大，因此随着服务空间范围的增加，地理位置间隔将越大。在邻频时，同样由于D/U要求降低为-46dB，只要少量的间隔即可达到此要求，因此最小地理间隔值与FPSV关系不大，略大于服务保护区的半径值。

(a)同频D/U：+26 dB

(b)第一邻频D/U：-46 dB

图5LAAS/LAAS有关FPSV高度的地理间隔(台站功率均为47dBm)

Fig.5GeographicalseparationasafunctionofFPSVheightforLAAS/LAAS

需要注意的是，期望台站和干扰台站地位等同。在实际计算中，应将有关的所有台站作为期望台站进行轮换分析，并按上述方法计算，最终结果取所有计算结果的最大值。

根据上述得到的计算结果可以和FAA已有的表规范进行对比，如表2所示。

表2最小保护间隔计算结果及FAA表规范

Tab.2CalculationresultsandFAAtableregulationofminimumprotectedseparation

信号干扰类型高度/m最小保护间隔/nmile计算结果FAA查找表同频30481691596096214206第一邻频304824609624无要求注:计算结果基于LAAS发射功率为50W(47dBm);所有结果向上取整。

从表2可以看出:同频的LAAS/LAAS结果基本等于FAA表规范的保护间隔，与规范吻合;同时本文的计算方法可以提供在规范中未定义的第一邻频应用场景。

5　结束语

本文提出了一种LAAS设备最小保护间隔的计算方法，在保护设备有效提供导航服务的同时，通过频率复用达到提高频谱利用率的目的。该方法通过对频率保护服务区的合理划设，根据要求的信号干扰比对LAAS/LAAS台站间的最小保护间隔进行计算，并给出有关功率和FPSV范围的地理间隔曲线。该方法简单有效，为基于LAAS导航设备台站间保护间隔的频率指配提供了一种新的方法。

本文虽然只对LAAS设备间同频和第一邻频的地理间隔进行了讨论，但事实上，该方法对于其他导航设备也同样适用，如甚高频全向信标(VeryHighFrequencyOmnidirectionalRange,VOR)、仪表着陆系统(InstrumentLandingSystem,ILS)、测距仪(DistanceMeasuringEquipment,DME)等。与FAA不同，ICAO标准的GBAS系统中规定的工作频段定于108.000～117.950MHz，其中涵盖了ILS的工作频段，为了保证ILS与LAAS之间互不干扰，未来需要进一步研究两种设备的D/U要求，并寻求更加符合导航信道特性的传播模型。

[1]马霞,王永胜.SINS/GPS/TACAN机载综合导航定位系统设计[J].电讯技术,2011,51(4):16-20.

MAXia,WANGYongsheng.DesignofanairborneintegratednavigationandlocationsystembasedonSINS/GPS/TACAN[J].TelecommunicationEngineering,2011,51(4):16-20.(inChinese)

[2]甘兴利.GPS局域增强系统的完善性监测技术研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

GANXingli.ResearchontheintegritymonitoringofGPSlocalareaaugmentationsystem[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2008.(inChinese)

[3]REDDYAS,JHANSIB,SARMAAD.AnalysisoffutureLAAS‘availability’athyderabadstationforprecisionApproachofaircraft[C]//Proceedingsof2012AnnualIEEEIndiaConference(INDICON).Kochi,India:IEEE,2012:865-868.

[4]MUY.Researchandapplicationreviewofground-basedaugmentationsystem[J].ModernNavigation,2014(4):1-5.

[5]FederalAviationAdministration.SpectrumManagementRegulationsandProceduresManual:Order6050.32B[S].NewJersey,USA:DepartmentofTransportaion,2005.

周自力(1971—)，男，重庆人，1993年于上海交通大学获双学士学位，现为中国民用航空局第二研究所高级工程师，主要从事航空通信导航监视技术研究工作;

ZHOUZiliwasborninChongqing,in1971.HereceivedthedualB.S.degreesfromShanghaiJiaotongUniversityin1993.Heisnowaseniorengineer.Hisresearchconcernsaviationcommunication,navigationandsurveillancetechnology.

Email：zzlemail@163.com

李锐(1968—)，女，四川成都人，1999年于中国科学院成都计算所获工学硕士学位，现为中国民用航空局第二研究所高级工程师，主要从事航空通信导航监视技术等领域的研究工作;

LIRuiwasborninChengdu,SichuanProvince,in1968.ShereceivedtheM.S.degreefromInstituteofComputerApplication,ChineseAcademyofSciencesin1999.Sheisnowaseniorengineer.Herresearchconcernsaviationcommunication,navigationandsurveillancetechnology.

王建强(1977—)，男，山西沁县人，2001年于四川大学获工学学士学位，现为中国民用航空局第二研究所工程师，主要从事计算机应用、航空无线电导航频率工程等方面的研究;

WANGJianqiangwasborninQinxian,ShanxiProvince,in1977.HereceivedtheB.S.degreefromSichuanUniversityin2001.Heisnowanengineer.Hisresearchconcernscomputerapplication,aeronauticalnavigationalaidfrequencyengineering.

唐越(1990—)，男，湖南益阳人，2013年于湖南科技大学获学士学位，现为电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室硕士研究生，主要从事无线通信算法及信道建模的研究;

TANGYuewasborninYiyang,HunanProvince,in1990.HereceivedtheB.S.degreefromHunanUniversityofScienceandTechnologyin2013.Heisnowagraduatestudent.Hisresearchconcernssignalprocessingalogrithmsandchannelmodelingforwirelesscommunicationsystems.

Email:tangyue1080@163.com

冉妮虹(1993—)，女，四川广元人，2015年于西南交通大学获学士学位，现为电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室硕士研究生，主要从事通信网络、无线通信系统的研究;

RANNihongwasborninGuangyuan，SichuanProvince,in1993.ShereceivedtheB.S.degreefromSouthwestJiaotongUniversityin2015.Sheisnowagraduatestudent.Herreserchconcernscommunicationnetworkandwirelesscommunicationsystems.

唐万斌(1973—)，男，重庆人，2013年于电子科技大学获博士学位，现为电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室研究员，主要从事无线移动通信研究工作。

TANGWanbinwasborninChongqing,in1973.HereceivedthePh.D.degreefromUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinain2013.Heisnowaseniorengineerofprofessor.Hisresearchconcernswirelessandmobilecommunication.

CalculationofMinimumProtectedDistancebetweenNavigationFacilitiesforLocalAreaAugmentationSystem

ZHOUZili1,LIRui1,WANGJianqiang1,TANGYue2,RANNihong2,TANGWanbin2

(1.TheSecondResearchInstituteofCivilAviationAdministrationofChina,Chengdu610041,China;2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonCommunications,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731，China)

FocusingonthefrequencyassignmentproblemofLocalAreaAugmentationSystem(LAAS),thispaperproposeamethodbasedontheconceptofFrequencyProtectedServiceVolume(FPSV).Usingtheradiopropagationmodelandspacegeometricalrelationship,itdescribesthealgorithmofcalculatingtheminimumprotecteddistancebetweenthenavigationfacilities,whichcanguaranteetherequiredsignal-to-interferenceratioofairbornereceiversinFPSV.ThenumericalcalculationresultmatcheswellwiththeregulationgivenbyFederalAviationAdministration(FAA),andthemethodisprovedtobesimpleandefficientforfrequencyassignmentonLAASfacilities.Sotheproposedmethodcanimprovespectralefficiencyandsolvethespectrumscarcityproblem.

globalpositioningsystem;localareaaugmentationsystem；frequencyassignment；frequencyprotectedservicevolume；minimumprotecteddistance

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.008

2016-03-03；

2016-05-10Receiveddate:2016-03-03；Reviseddate：2016-05-10

国家自然科学基金资助项目(61271169)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(ZYGX2014Z005);民航安全能力建设项目(TMSA1510)FoundationItem：TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61271169)；TheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(ZYGX2014Z005)；CivilAviationSecurityCapacityBuildingProject(TMSA1510)

V249

A

1001-893X(2016)09-0995-05

引用格式：周自力，李锐，王建强,等.局域增强系统台站最小保护间隔的计算[J].电讯技术，2016,56(9):995-999.[ZHOUZili,LIRui,WANGJianqiang,etal.Calculationofminimumprotecteddistancebetweennavigationfacilitiesforlocalareaaugmentationsystem[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):995-999.]

**通信作者：tangyue1080@163.comCorrespondingauthor：tangyue1080@163.com