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基于CT-SSC的GNSS兼容性分析方法研究


CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京

基于 CT-SSC 的 GNSS 兼容性分析方法研究*
王垚 1,2,3,王珏 2,3,罗显志 2,3,蔚保国 2,3
(1.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081; 3. 河北省卫星导航

技术与装备工程技术研究中心,河北 石家庄 050081) 摘 要:卫星导航系统的兼容性分析已经成为近年来研究的热点。谱分离系数(SSC)作为兼容性指标之一被广泛地研究,

但不能体现对码跟踪过程的影响。采用与传统兼容性准则相似的分析方法,考虑干扰信号对接收机超前与滞后通道的影 响, 引入新的干扰系数 (CT-SSC) 提出了基于码跟踪的兼容性分析方法。 , 与传统兼容性方法不同的是, 基于码跟踪的 GNSS 兼容性方法不仅与干扰信号与期望信号功率谱有关,而且还与超前减滞后码片宽度有关。仿真分析了各卫星导航信号间 的 CT-SSC 特性,得出在某些超前减滞后码片宽度时,CT-SSC 比 SSC 大 5dB 左右。最后,基于传统的兼容性方法与基于码 跟踪的兼容性方法分别仿真了 L1 频段内 Galileo 的系统内干扰,得出采用传统兼容性分析方法将会低估干扰分析结果。 关键词:兼容性;GNSS;SSC;CT-SSC;码跟踪

Research on GNSS Compatibility Methodology based on CT-SSC
Wang Yao1,2,3, Wang Jue2,3, Luo Xianzhi2,3,Yu Baoguo2,3
(1. School of Information and Communication engineering, Harbin Engineering University, Harbin Heilongjiang 150001, China; 2 The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China; 3. Hebei Satellite Navigation Technology and Equipment Engineering Technology Research Centre, Shijiazhuang Hebei 050081, China) Abstract: Compatibility Analysis of satellite navigation systems had become a research hotspot in recent years. Spectral separation coefficient (SSC),which was one of the most important index in GNSS compatibility, had been widely studied, but it didn’t reflect the impact of code tracking process. A code-tracking-based compatibility methodology was proposed, which was derived by the similar method with traditional compatibility criterion. The effects of early and late channels were considered, meanwhile an interference coefficient was introduced. Different from traditional compatibility methodology, this method not only related to power spectral density of desired signals and interference signals, but also related to E-L code width. Finally, the intrasystem interference in Galileo L1 band was simulated by both traditional and code-tracking-based compatibility methodology. It was concluded that the former would underestimate intra and intersystem interference.

1 引言
兼容性 是指多个卫星导航系统同时工作时,不会引起冲突,相对于单一系统工作模式不会产生性 能的显著降低,即系统间干扰引起的性能下降应在一个可接受的范围内,兼容性是设备级的概念。分析 多模 GNSS 系统之间的兼容性,其实就是分析非期望信号对终端接收机处理能力的影响,接收机的处理 过程包括捕获、载波跟踪、码跟踪和数据解调等。传统的兼容性分析方法只考虑了干扰对即时通道的影 响,即干扰对捕获、载波跟踪和数据解调的影响,并没有充分考虑干扰对码跟踪过程的影响 。传统的 兼容性分析方法采用等效载噪比的降低程度作为兼容性评估准则,但等效载噪比最大的局限性是其不能 准确地预测干扰对码跟踪的影响 。从而在一些情况下会低估干扰的影响。 针对以上问题,采用与传统兼容性准则相似的分析方法,引入新的干扰系数,称为码跟踪谱敏感系 数 (CT_SSC) ,提出了基于码跟踪的 GNSS 兼容性准则。与 SSC 相比,CT_SSC 中多了 sin2 的影响且
* [6]
[5] [2] [1]

基金项目:国家高技术研究发展计划(863 计划) (2008AA12Z302)资助项目 1 — 1 —

基于 CT-SSC 的 GNSS 兼容性分析方法研究

随超前减滞后码片宽度变化。 通过仿真分析得到在某些超前减滞后码片宽时, CT_SSC 比 SSC 大 5dB 左 右。最后分别基于传统兼容性方法与基于码跟踪的兼容性方法分析仿真了 Galileo 系统内干扰的情况。

2 传统兼容性准则
分析多模 GNSS 系统之间的兼容性,其实就是分析非期望信号对终端接收机处理能力的影响。信号 捕获、载波跟踪和数据解调等信号接收过程的性能主要取决于接收机即时通道相关器输出端的信干噪比

(SNIR),所以评估干扰对相关器输出端信干噪比的影响,可以作为干扰对这三种接收机功能的影响提供
基础。可以作为兼容性分析的一个评估准则,忽略带通滤波器的影响,SNIR 被定义为[7]
? βr 2 2TCs ? ∫ Gs ( f )df ? ?β 2 ? r Gs ( f )df + ∑ Ci
i =1 Nint

ρc =
N0

βr 2
? βr 2



βr 2

? ? ? ?

2

(1)

? βr 2



Gi ( f )Gs ( f )df

其中,T 为预积分时间;Cs 为期望信号接收功率;Ci 为第 i 个干扰信号的接收功率;Gs( f )为归一化 的期望信号功率谱密度;Gi( f )为归一化的干扰信号功率谱密度;N0 为接收机热噪声密度;Nint 为干扰信 号个数;βr 为前端滤波器带宽。当不存在非白噪声干扰时,载噪比可以表示为

Cs = N0

βr 2

ρc
Gs ( f )df

(2)

2T

? βr 2



当存在非白噪声干扰时,可以引出等效载噪比的概念,与式(2)类似可以表示为
? Cs ? ? ? = ? N 0 ?eff
βr 2

ρc
Gs ( f )df
βr 2

2T

? βr 2



(3)

Cs = N0
?

βr 2

? βr 2



Gs ( f )df
βr 2
? βr 2

∫ β
r

Gs ( f )df + ∑ Ci
i =1

Nint

2



Gi ( f )Gs ( f )df

上式经过化简,引入等效噪声 N eq _ pro ,分母可以表示为

N eq _ pro = N 0 + I 0 _ pro
式中
βr 2
Nint

(4)

I 0 _ pro = ∑ Ci
i =1

? βr 2



Gi ( f )Gs ( f )df
βr 2

?

∫ β
r

= ∑ Ciκ s ,i
i =1

Nint

(5)

Gs ( f )df
2

I 0 _ pro 是由干扰信号功率与谱分离系数( κ s ,i ,SSC)相乘得到,表示干扰所引入的等效白噪声功率
谱密度,可产生与实际情况相同的 SNIR,原理如图 1 所示。谱分离系数表征了 干扰信号与期望信号功 率谱重叠程度,是传统兼容性分析方法中的一个重要参量。
N0

N0

I 0 _ pro

N eq _ pro

— 2 —

2

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图 1 SSC 原理图 系统内与系统间兼容性由等效载噪比的降低程度来表征,分别为
?C ? Δ? s ? = ? N 0 ?int ra , pro Cs I 0 _ pro ,int ra N0 = 1+ Cs N0 N 0 + I 0 _ pro,int ra

(6)

?C ? Δ? s ? = ? N 0 ?int er , pro

Cs N 0 + I 0 _ pro ,int ra I 0 _ pro,int er = 1+ Cs N 0 + I 0 _ pro ,int ra N 0 + I 0 _ pro ,int ra + I 0 _ pro ,int er

(7)

3 基于码跟踪的兼容性准则
3.1 准则推导
码跟踪过程不同于其它信号接收过程,后者仅依赖相关器的即时通道,而前者还依赖于超前与滞后 通道。由上节讨论可知,干扰信号与期望信号具有较大的频谱重叠时,才会造成较大的干扰。但对于码 跟踪过程,干扰信号与期望信号具有很小的频谱重叠时,仍然会引起大的跟踪误差,文献[8]给出了各种 信号在窄带干扰时的跟踪误差。假设接收机前端滤波器为理想的情况下,相干超前减滞后处理的方差为
[7]
βr 2

N0
2 σ CELP = 2 BLT (1 ? 0.5 BLT ) i ?

∫ β
r

Gs ( f ) sin 2 (π f Δ )df + ∑ Ci
i =1

Nint

βr 2
?

2

∫ β
r

Gs ( f )Gi ( f ) sin 2 (π f Δ ) df ? ? ? ?
2

2

(8)

? 2(2π ) 2 TCs ? ∫ fGs ( f ) sin(π f Δ) df ? ?β 2 ? r
βr 2

其中, Δ 为超前减滞后相关器间隔, BL 为码跟踪环的单边带等效带宽。此处只考虑了相干的情况。 对于 NELP 码跟踪误差,其方差是 CELP 码跟踪误差的方差与一个大于 1 的平方损耗项的乘积,而当信 号功率相对于白噪声水平和干扰功率增加时,平方损耗项接近于 1[9]。当不存在非白噪声干扰时,式(8) 可以写为
Cs = N0 2 BL (1 ? 0.5BLT )
βr 2
?

∫ β
r

Gs ( f )sin 2 (π f Δ)df ? ? ? ?
2

2

(9)

? βr 2 2 8π 2σ CELP ? ∫ fGs ( f ) sin(π f Δ)df ? ?β 2 ? r

与处理即时通道相类似,此处也引入一个等效载噪比,记为 (Cs N o ) eff _ ELS ,表示为
βr 2

? Cs ? ? ? = ? N 0 ?eff =

Cs
βr 2

? βr 2



Gs ( f ) sin 2 (π f Δ)df
Nint

N0
?

∫ β
r

Gs ( f ) sin 2 (π f Δ)df + ∑ Ci
i =1

βr 2
?

2

∫ β
r

Gs ( f )Gi ( f )sin 2 (π f Δ)df
βr 2
?

(10)

2

N 0 + ∑ Ci
i =1

Nint

βr 2
?

Cs Gs ( f )Gi ( f )sin 2 (π f Δ)df

∫ β
r

2

∫ β
r

Gs ( f ) sin 2 (π f Δ)df

2

引入等效噪声密度 N eq _ ELS ,上式分母可以表示为
3

— 3 —

基于 CT-SSC 的 GNSS 兼容性分析方法研究

N eq _ ELS = N 0 + I 0 _ ELS
式中
βr 2

(11)

I 0 _ ELS = ∑ Ci
i =1

N int

?

∫ β
r

Gs ( f )Gi ( f ) sin 2 (π f Δ)df
βr 2

2

?

∫ β
r

Gs ( f ) sin 2 (π f Δ)df

= ∑ Ci μ s ,i
i =1

Nint

(12)

2

,表征了干扰信号对码跟踪过程的影响程度。 I 0 _ ELS 的引入 μ s ,i 称为码跟踪谱敏感系数 (CT-SSC)
[6]

可以产生与实际情况相同的码跟踪误差,如图 2 所示。
N0

N0

I 0 _ ELS

N eq _ ELS
2 σ CELP

图 2 CT_SSC 原理图 同样的,用等效载噪比的降低程度来衡量系统内与系统间的兼容性。分别表示为
?C ? Δ? s ? ? N 0 ?int ra , ELS Cs I 0 _ ELS ,int ra N0 = = 1+ Cs N0 N 0 + I 0 _ ELS ,int ra
Cs N 0 + I 0 _ ELS ,int ra I 0 _ ELS ,int er = = 1+ Cs N 0 + I 0 _ ELS ,int ra N 0 + I 0 _ ELS ,int ra + I 0 _ ELS ,int er

(13)

?C ? Δ? s ? ? N 0 ?int er , ELS

(14)

以往评估干扰对接收机性能的影响时, 常常忽略对码跟踪过程的影响或者使用不恰当的参数 SSC 来 评估。实际上,相比 SSC,CT-SSC 会带来更大或更小的影响。下节将具体分析 CT-SSC 的性能。

3.2 CT-SSC 特性分析
比较式(5)和式(12)可知,SSC 与 CT-SSC 在积分中相差一个 sin2 函数,该函数在积分中起到“滤波的 作用”。由于干扰信号及期望信号与 sin2 函数的重叠程度不同,所以使得 SSC 与 CT-SSC 存在差别,且 不同的 Δ 取值使得 CT-SSC 发生变化。随着 Δ 的增大,sin2 函数渐变为“带通滤波器”的形式,即 SSC 与

CT-SSC 近似相等。 BPSK(1)作为期望信号, 以 前端双边带带宽为 50MHz, 各种干扰信号的 SSC 与 CT-SSC
见图 3, 其中实线为 CT-SSC, 虚线为 SSC; BOC(1,1)作为期望信号, 以 各种干扰信号对其的 SSC 与 CT-SSC 见图 4。
-60
-65

-62 BPSK(1)
-70 BOC(1,1)

CT-SSC和SSC(dB/Hz)

-64
CT-SSC和SSC(dB/Hz)

BPSK(2) -66

-75 BOC(2,2) -80

-68

-70
-85 BOC(10,5)

-72

BPSK(10)

-74 0

0.1

0.2

0.3

0.4

ELS(chip)

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-90 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 ELS(chip)

0.6

0.7

0.8

0.9

1

— 4 —

4

(a) 干扰信号为 BPSK 调制信号

CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 (b) 干扰信号为 BOC 调制信号

图 3 BPSK(1)作为期望信号
-64 -66 -68 CT-SSC和SSC(dB/Hz) -70 -72 -74 -76 -78 -80 -82 0

BPSK(2) BPSK(1)

BPSK(10)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 ELS(chip)

0.6

0.7

0.8

0.9

1

(a) 干扰信号为 BPSK 调制信号

(b) 干扰信号为 BOC 调制信号

图 4 BOC(1,1)作为期望信号 通过以上仿真,可以得到以下几点结论:1)当干扰信号与期望信号均为 BPSK 调制时,其 SSC 总 是大于 CT-SSC。2)当期望信号为 BPSK 调制,干扰信号为 BOC(m,n)调制,m≠n 时,CT-SSC 总是大于

SSC;m=n 且 Δ 较大时,CT-SSC 值大于 SSC。3)当期望信号为 BOC 调制干扰信号为 BPSK 调制,Δ 较
小时,SSC 大于 CT-SSC。

4 GNSS 兼容性分析
由于用 SSC 代替 CT_SSC 来计算干扰对码跟踪的影响,在一些情况下将会低估干扰的影响。由于

L1 频段内信号最为复杂[14],以接收 Galileo E1OS 信号为例,分别基于传统兼容性方法与基于码跟踪的
兼容性方法分析仿真了 Galileo 系统内干扰的情况。 建立星座及射频链路模型,相关配置模型及参数见文献[14]。评估系统内干扰时要考虑最差情况, 即期望信号的发射功率为最小,干扰信号的发射功率为最大,通过系统设计的地面接收的最小与最大接 收功率发推发射功率,具体仿真统计参数如表 1 所示。 表1
参数 仿真时间 时间步进量 网格分辨率 遮挡角 发射功率

仿真统计参数
Galileo 1天 10×60s 5°×5° 10° E1 OS: 16.043 dBW L1A 18.043 dBW

在仿真时间段内,分别基于传统兼容性分析方法及本文提出的基于码跟踪的兼容性分析方法,得到 每一经纬栅格的等效载噪下降值,计算两值之差,得到仿真时间内的最大值、平均值、最小值,分别如 图 5-图 7 所示。可以看到,最大值达到 0.056dB,且中纬度地区的差值较小,赤道与两极差值较大。

5

— 5 —

基于 CT-SSC 的 GNSS 兼容性分析方法研究

图 5 等效载噪比下降最大值统计

图 6 等效载噪比下降平均值统计

图 7 等效载噪比下降最小值统计

5 结论
传统全球卫星导航系统兼容性准则是基于接收机即时通道推导的,不能反映干扰对码跟踪的影响。 ,提出了一种基于码跟 考虑干扰信号对超前通道与滞后通道的影响,引入码跟踪谱敏感系数(CT_SSC) 踪的 GNSS 兼容性分析方法。并采用该方法仿真分析了 Galileo L1 频段内系统内干扰的情况。得出采用 传统兼容性分析方法将会低估 GPS 系统间的干扰。所以,在分析卫星导航系统内与系统间兼容性问题 时,要充分考虑信号间 SSC 与 CT_SSC,才能得到最大的干扰冗余度。

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CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京

参 考 文 献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] Dellago R.,Detoma E..Galileo-GPS Interoperability And Compatibility: A Synergetic Viewpoint[C].ION GPS/GNSS 2003,9-12 September 2003,Portland,OR:542-548 Titus B.M.,Betz J. W., Hegarty J.,et al..Intersystem and Intrasystem Interference Analysis Methodology. ION GPS/GNSS 2003,9-12 September 2003, Portland, OR. Godet J. GPS/GALILEO Radio Frequency Compatibility Analysis[C].ION GPS 2000 Salt Lake City:1782-1790. Godet J.,De Mateo J. C.,et al..Assessing the Radio Frequency Compatibility between GPS and Gaileo[C].ION GPS 2002, 2002, Portland, OR:1260-1269 Hegarty C., Tran M., Lee Y.. Simplified Techniques for Analyzing the Effects of Non-white Interference on GPS Receivers[C]. ION GPS 2002, 620-629 Soualle F.. Introduction of an Additional Radio Frequency Compatibility Criterion for Code Tracking Performance[C]. GNSS Signals & Signal Processing 2007, 1-8 Betz J. W.. Effect of Narrowband Interference on GPS Code Tracking Accuracy[C]. ION NTM 2000, 16-27 王垚, 郝然, 李隽等. GPS 信号抗干扰性能分析[J]. 无线电工程, 2008,38(8):35-37,40 Kaplan E.D., Hegarty C.J..寇艳红译. GPS 原理与应用(第二版)[M]. 北京:电子工业出版社,2007. Avila-Rodriguez J.A.,Hein G.W.,et al.The MBOC Modulation:The Final Touch to the Galileo Frequency and Signal Plan[C].ION GNSS 20th ITM, 25-28,September 2007. Avila-Rodriguez J.A., Hein G. W., Wallner S., et.al.. Revised Combined Galileo/GPS Frequency and Signal Performance Analysis[C]. ION GNSS 18th ITM, Long Beach CA. Betz. J. W.. Effect of Narrowband Interference on GPS Code Tracking Accuracy[C]. Proceedings of ION 2000 NTM. Meyr H.,Moeneclaey M.,et-al..Digital Communication Reveivers[M]. John Wiley&Sons,1998. Wang Y., Yang S.Y. et al. Interference Analysis and Simulation for GPS/Galileo Signals[C], ICMA 2009.

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