全球導航衛星系統互干擾評估分析及啟示

（錢學森空間技術實驗室，北京 100094）

1 引言

全球導航衛星系統（GNSS）是各個國家和地區為軍事或民用目的而發展的一套使用衛星提供位置與時間信息的系統，從導彈、戰機和軍艦到汽車、民用飛機、個人電腦乃至手持式通信設備，幾乎都能用到衛星導航定位技術［1］。

隨著衛星導航技術的發展及其應用領域的不斷擴大，眾多國家和地區紛紛加緊建設獨立自主的衛星導航系統［2］。美國正在實施GPS現代化計劃［3］，俄羅斯加緊恢復GLONASS全面性能［4］，歐盟正在建設GALILEO 系統［5］，與此同時，日本和印度也在積極建設自己的區域衛星導航系統。當前，我國正在推動北斗衛星導航系統（COMPASS）的建設，2012年底，已經建成北斗區域衛星導航系統，初步覆蓋亞洲及其周邊地區，滿足公路交通、鐵路運輸以及海上作業等領域的應用需求。

目前，國際電信聯盟（ITU）專門為無線電衛星導航配置的頻段上，存在美國的GPS信號和俄羅斯的GLONASS信號，再加上計劃發射的GALILEO和COMPASS信號，以及GPS現代化信號，這幾個頻段已變得相當的擁擠，除了GLONASS的頻段沒有明顯重疊之外，其它3個系統有的頻段部分重疊，有的完全重疊［6］，因此，衛星導航信號相互之間的干擾不可避免。一般來講，同一頻段內GNSS互相之間的干擾分為兩種，其中同一衛星導航系統中，來自不同衛星的信號相互干擾對方的接收，例如GPS系統中不同衛星導航信號之間的干擾等，稱為自干擾或系統內干擾；而在兩個不同的衛星導航系統之間的干擾，例如GPS 和GALILEO 信號之間的干擾等，稱為系統間干擾，此外，在利用衛星導航系統反射信號進行遙感應用的過程中，同一衛星的直達信號對于反射信號的干擾也稱為自干擾［7］。

美國和歐盟為了把GPS和GALILEO 信號系統間的干擾降至最低，達到信號之間的兼容與互操作，展開了長期的談判。目前，歐盟與美國之間已經基本結束在Ll和E1頻段上的信號兼容談判。我國的COMPASS系統在頻率上與GPS 和GALILEO都存在重疊。隨著GALILEO 和COMPASS建設進程的加快，我國和歐盟都迫切需要評估衛星導航信號系統間的干擾；而在評估衛星導航信號互相之間的干擾中，基于頻譜隔離系數的等效載噪比指標是一種有效的評價指標。針對這一通用的評價指標，考察其在各種場合下的特征，對于研究導航信號之間的互干擾特性有重要的參考價值。文章根據分析研究，提出了各方法之間的局限性。針對我國衛星導航系統的發展情況，提出相應的發展建議。

2 GNSS信號互干擾問題現狀

不同衛星導航系統占用相同的頻段會造成相互干擾而出現兼容問題，但同時占用相同頻段也為各個系統實現互操作提供了可能性［8］。在空間存在的眾多導航系統中，導航信號頻率段相互重疊。信號間存在著不同程度的干擾，如表1所示。

GALILEO 衛星發射6 種衛星信號，分別記做L1F，L1P，E6A，E6B，E5A 和E5B。L1F 是一個可公開訪問的信號，位于E1頻段，包括一個數據通道和一個導頻（或無數據）通道，它調制有未加密的測距碼和導航電文，可供所有用戶接收。

傳統的GPS導航信號在L1和L2兩個載波頻率上發射導航信號，另外GPS計劃廣播3種新的信號，其中一個位于1 176.45 MHz，稱為L5信號，新的軍用M 碼信號也將被疊加到L1和L2上。

GPS與GALILEO 的主要系統間干擾集中在下面兩種形式的信號：①GALILEO 系統E5A 與GPS系統L5 之間的干擾；②GALILEO 系統L1F與GPS系統L1之間的干擾。

表1 GNSS相同頻段分布Table 1 GNSS band distributions

3 GNSS信號互干擾評估方法研究

美國是衛星導航系統發展較早的國家，為了防止其它國家發展的衛星導航系統對GPS產生干擾，美國率先在互干擾評估方法上進行了研究，其方法始終根據系統發展而不斷調整。歐盟為了與美國在信號頻譜設計談判中保持同等地位，在此方面也進行了大量的工作。目前，GNSS信號互干擾評估方法主要集中在2種方法：多徑誤差評估理論和載噪比評估理論。其中，載噪比評估理論由于其精確的數學解析，得到各國研究機構的廣泛關注。

3.1 多徑誤差評估理論

多徑誤差是衛星導航系統中的主要誤差源之一，并且它依賴于接收機天線周圍的環境，在空間上的相關性很小，無法通過差分的方法加以消除。因此，多徑誤差是衛星導航系統信號設計與評估中的一個重要考慮因素。目前，關于多徑減輕技術的研究比較多，多徑誤差的理論分析相對較少。多徑誤差分析方法主要有4類：

（1）外場實測方法，即通過對接收機的實際定位結果進行統計，從而分析多徑效應的影響；

（2）模擬仿真方法，即通過建立多徑信號模型，由信號模擬器產生導航信號，軟件接收機處理和統計分析；

（3）數值分析方法，即假定導航接收機采用非相干鑒別算法和窄相關技術，建立多徑誤差的隱式表達式，用數值分析方法求解方程的根，從而獲得多徑誤差；

（4）純理論解析方法，它能夠給出多徑誤差包絡的直接表達式。目前，記錄采用這種方法的文獻均將導航信號的自相關函數用直線來分段表示，通過計算疊加多徑信號之后的鑒別曲線，推算出多徑誤差。

多徑誤差評估理論的不足，主要體現在：通過計算疊加多徑信號之后的鑒別曲線，推算出多徑誤差。這種自相關函數模型，使得目前的理論解析法僅適用于發射和接收帶寬均遠大于碼速率的情況，不能滿足一般情況下的應用。

3.2 信干噪比評估方法

信干噪比評估理論來源于偽碼跟蹤理論，1977年，Simon首先提出偽碼跟蹤理論，闡述了兩種非相干的偽碼跟蹤環路——延遲鎖定環（DLL）和τ抖動環，并分析了其中的碼跟蹤性能，在Simon的分析過程中，擴頻信號的自相關函數被當成理想的三角形，這只有在碼片形狀為矩形，且前段帶寬為無限的假設條件下才能成立，因而在對碼跟蹤精度要求很嚴格的導航系統中的應用受限。隨著技術的發展，τ抖動環在節約相關器資源方面的優勢被削弱，而延遲鎖定環則被廣泛采用。另一方面，隨著GPS應用的推廣，開始尋求提高碼跟蹤精度的方法，并致力提出更精確的碼跟蹤性能分析方法［9］。2000年，美國GPS現代化信號體制的John W.Betz，將前端帶寬引入到了碼跟蹤精度分析過程中，分析出綜合信號功率譜、前端帶寬、相關器間隔、碼環帶寬、預積分時間因素在內的信干噪比表達式，并總結了這些因素對信號互相關干擾性能的影響。

信干噪比（SNIR），即信號和噪聲加干擾比，是指被傳輸的可用信號與來自其它或相同信道的干擾信號（噪聲）加干擾的比率。它是傳輸質量的量度標準。SNIR 的計算為檢測統計值均值的平方與方差的比值：

式中：T為相關器的積分時間；Cs是GNSS接收機天線輸入端接收到的有用信號功率；?（·）表示括號內函數的實部；βr 為接收機雙邊前端帶寬；Gs（f）是歸一化為無窮帶寬上單位面積內的信號功率譜密度；HT（f）為衛星發射機的傳遞函數；HR（f）為接收機濾波器的傳遞函數；τ為時間延遲；f為載波頻率；θ為初始相位；e為指數表達形式；i為復數表達形式；Cl為接收到干擾信號功率；Gl（f）是歸一化為無窮帶寬上單位面積內的總干擾信號功率譜密度。

SNIR 的不足主要體現在：由于是被傳輸的可用信號與來自其它或相同信道的干擾信號（噪聲）加干擾的比率。它是傳輸質量的量度標準，但在計算信干噪比過程中，任何非白干擾也必須被計算在內，且必須以其功率譜密度和功率來表征。因此對互相關干擾下相關器輸出的SNIR 的分析是非常麻煩的，并且在干擾條件下的分析也不全面。因此，有必要在國外的模型基礎上做進一步的理論推導驗證和改進分析。

4 基于頻譜隔離系數的等效載噪比評估方法

4.1 即時相關器輸出信號干噪比

假設GNSS接收機接收到的基帶處理信號為

式中：s（t）為GNSS基帶信號；θ為載波相位；t0為時間延遲；n（t）為接收的高斯白噪聲；ι（t）為干擾信號，其概率密度函數為高斯分布。

接收的信號數據長度為Tobs，即0＜t≤Tobs，假設GPS 基帶信號被接收機濾波后的信號為s1（t），因此，接收的信號數據為

SNIR 的計算為檢測統計值均值的平方與方差的比值，則即時相關器輸出信干噪比為

4.2 等效載噪比評估模型

根據衛星導航系統信號捕獲、載波跟蹤和數據解調的特性，提出基于頻譜隔離系數的等效載噪比模型，針對衛星導航系統信號體制，推導了頻譜隔離系數。當總的干擾可以建模為統計平穩過程，且干擾或有用信號（或兩者）的頻譜可以很好的近似為某一帶寬（這一帶寬是相關中所用的累計時間的倒數）上的一條直線時，即時相關器的輸出SNIR 可以表示成載噪比、傳輸函數、所需信號與干擾信號功率譜密度的函數：

假設干擾信號之間相互獨立，并與所需信號不相關，干擾信號所造成的相關器輸出的SNIR，相當于只有噪聲單獨存在時相關器輸出的SNIR，即相當于把干擾“白化”為熱噪聲，由此轉化為等效噪聲功率譜密度。等價關系如圖1所示，則利用這一等效白噪聲得到的同樣正確的等效噪聲功率譜密度（Cs／N0）eff。

圖1 系統內干擾信號等效載噪比Fig.1 Equivalent CNR of interference signals within the system

式中：κlS為頻譜隔離系數。

通過式（7）可以看到頻譜隔離系數依賴于所期望信號的譜和干擾的譜，如果兩個導航信號之間的譜峰相互重疊，它們之間的捕獲頻譜隔離系數就越大，等效載噪比的衰減就會愈明顯，相互之間的干擾就越強。

4.3 GNSS信號間的頻譜隔離系數分析

基于頻譜隔離系數計算模型，表2與表3分別給出了GPS、GALILEO 和COMPASS 系統在L1頻段9種不同類型信號在各自的實際發射帶寬下仿真計算結果。由此可知，接收機前端帶寬越小，功率譜密度主瓣遠離中心頻點的信號對其它信號的干擾就越??；GPS系統的M 碼、GALILEO 系統E1PRS和COMPASS系統B1A 的3個授權信號與其它信號的頻譜分離比較明顯，這是由于它們遠離中心頻點的緣故；隨著接收機前端帶寬的減小，頻譜隔離系數SSC 值越來越小，頻譜重疊程度越低；另外，3個系統的MBOC 互操作信號比GPS系統L1C／A 碼有更好的頻譜分離能力。

表2 L1頻段的頻譜隔離系數（接收機前端帶寬：24 MHz）Table 2 Spectral separation coefficients in L1band（Receiver front-end bandwidth：24 MHz）

表3 L1頻段的頻譜隔離系數（接收機前端帶寬：12 MHz）Table 3 Spectral separation coefficients in L1band（Receiver front-end bandwidth：12 MHz）

5 GNSS信號互干擾評估理論發展建議

本文主要研究了GNSS 信號互干擾問題對GNSS系統性能的影響。包括GNSS信號間干擾分析，系統內干擾評估方法等，對今后我國衛星導航系統的發展具有參考意義。

1）明確衛星導航信號互干擾評估的標準

設計性能既好、又與其它系統的信號之間互干擾最低的信號，這是目前世界各國研究機構的研究熱點之一。這兩方面通常無法同時兼顧，經常是在這兩方面進行折中。而折中的依據就是GNSS 衛星導航系統互干擾評估的標準，另外，民用信號受到系統間干擾影響比較大，最壞情況時，C／A 碼受到的系統間干擾引起的最大最小載噪比衰減比較明顯，這樣就對GALILEO 信號的設計提出更嚴格的要求，因為減掉系統內干擾引起的干擾之后，剩下的可用的載噪比干擾就很小了，這也意味著，我國的COMPASS系統面臨著更高的挑戰。因此，互干擾測試評估的標準不應該是一個單一的標準，而是GNSS信號互干擾測試評估的統一值。我國的COMPASS系統必須在這方面積極做準備，利用等效載噪比方法研究這一標準，使其在今后的信號設計中，處于有利地位。

2）研制GNSS信號的設計方法

從分析GNSS信號間干擾、提出GNSS互干擾評估參數，以及GNSS基帶信號功率譜的推導和長碼的界定，到分析GPS和GALILEO 在L1頻段上的相互干擾，這些為如何設計滿足互干擾最低要求的信號奠定初步基礎。本文對無線頻率兼容的理論進行了研究，這些基礎使對如何設計滿足兼容要求的信號有了初步想法，在信號設計初期，干擾系數和碼跟蹤干擾系數是評估無線頻率兼容的最好中間參數，而這兩個參數與信號的功率譜密切相關，于是信號功率譜的設計是信號設計的關鍵環節，不少文獻也強調了功率譜的重要，并分析了功率譜測量的方法和碼的選擇對功率譜的影響，可以基于式（5），分析干擾系數和碼跟蹤干擾系數與載噪比衰減值和碼跟蹤誤差增量的關系，依據此關系，為設計高性能的信號提供技術支持。

3）盡快制定針對性的試驗驗證

基于頻譜隔離系數的等效載噪比理論分析的方法相對比較簡單，可以在減小復雜度的基礎上提供一種近似的評估結果，而且這個方法還可以部分結合計算機模擬仿真或實驗室實物測量來提高評估精度，而不需要進行端到端的仿真，在系統設計初期，理論分析方法較為重要。但實際應用前還需要試驗驗證。2004年6月，美國和歐盟同意采用計算載噪比衰減值的方法來評估GPS／GALILEO 的互干擾性，并就此方法展開試驗驗證。國內目前針對該方法可靠性的驗證工作尚未展開，因此，在開展理論研究的同時，應開展大量的試驗驗證工作，即在多個GNSS同時工作的情況下，利用實際接收機捕獲、跟蹤目標信號，需要在不同的地理位置測量并記錄系統參數，在不同地理位置進行長時間的大量測量。

6 結束語

本文描述了GNSS 衛星導航系統信號互干擾評估問題，介紹了GNSS衛星導航系統信號互干擾的發展現狀，對多徑誤差評估理論、載噪比評估理論的產生及發展進行了分析，并提出發展建議。對于進一步開展GNSS 衛星導航系統信號互干擾評估理論的研究，具有一定的借鑒意義。

（References）

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