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第 11 卷 第 3 期 导航定位学报 Vol.11，No.3 2023 年 6 月 Journal of Navigation and Positioning Jun.，2023 引文格式：张鹏程,黄新明,侯林源,等.低轨导航功率增强信号兼容性分析J.导航定位学报,2023,11(3):119-124.（ZHANG Pengcheng,HUANG Xinming,HOU Linyuan,et al.Compatibility analysis on low-orbit navigation power enhancement signalsJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(3):119-124.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230316.低轨导航功率增强信号兼容性分析 张鹏程，黄新明，侯林源，李井源，欧 钢（国防科技大学 电子科学学院，长沙 410073）摘要：为了弥补有关低轨导航功率增强信号的兼容性分析相关研究的不足，提出一种基于等效载噪比和谱分离系数的兼容性评估方法：该分析方法类比干扰信号评估方法，计算原信号的等效载噪比损耗和谱分离系数，信号等效载噪比损耗绝对值越大，谱分离系数越大，增强信号兼容性越差；并对不同调制方式的信号分别作兼容性评估，筛选适合低轨导航功率增强信号调制方式。实验结果表明，二相移相键控体制（BPSK）功率增强信号兼容性较差，可以采用二进制偏置载波（BOC）（6,4）信号作为低轨导航功率增强信号；等效载噪比损耗低，谱分离系数小。关键词：导航增强；等效载噪比；谱分离系数；低轨；兼容性 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)03-0119-06 Compatibility analysis on low-orbit navigation power enhancement signals ZHANG Pengcheng,HUANG Xinming,HOU Linyuan,LI Jingyuan,OU Gang（College of Electronic Science and Technology,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China）Abstract：In order to make up for the insufficiency of related study on the compatibility analysis of low-orbit navigation power enhancement signals,the papaer proposed a compatibility evaluation method based on equivalent carrier-to-noise ratio and spectral separation coefficient:analogous to the interference signal evaluation method,the equivalent carrier-to-noise ratio loss and spectral separation coefficient of the original signals were calculated by the analysis method,getting that the larger the absolute value of the signal equivalent carrier-to-noise ratio loss was,the greater the spectral separation coefficient was,and the worse the enhanced signal compatibility was;and compatibility evaluations were made for the signals of different modulation modes;then the modulation modes suitable for low Earth orbiting(LEO)navigation power enhancement signals were screened.Experimental result showed that the binary phase shift keying system(BPSK)power enhancement signals would have poor compatibility,and the binary offset carrier(BOC)(6,4)signals could be used as the low orbit navigation power enhancement signals;meanwhile,the equivalent carrier-to-noise ratio loss would be low,and the spectral separation factor would be small.Keywords:navigation enhancement;equivalent carrier-to-noise ratio;spectral separation factor;low orbit;compatibility 0 引言 随着用户需求的不断提高和未来导航战的背景影响，全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）的不足逐渐突显，无法满足高精度用户的需求，且抗干扰能力差1。传统的导航功率增强受限于轨道高度和天线增益等因素，增强信号一般大于原信号 15 dB，增强效果有限；而低轨卫星系统具备落地电平高且几何构型变化快等优点，可以改善遮挡条件下的定位效果和加快高精度定位收敛速度2，可以实现更高增益的导航功率增强，进一步提升系统可靠性和抗干扰性，可以实现对全球卫星导航系统的增强与补充3。因此，利用低轨（low Earth orbiting，LEO）卫星播 收稿日期：2022-08-03 第一作者简介：张鹏程（1999），男，湖南湘潭人，硕士研究生，研究方向为星基导航与定位技术。通信作者简介：黄新明（1988），男，湖北孝感人，博士，讲师，研究方向为星际导航与定位技术。120 导航定位学报 2023 年 6 月 发导航功率增强信号已经成为导航领域的研究热点。但如果播发新的导航增强信号，势必会影响到原有导航信号的工作性能4，故需要对低轨导航功率增强信号进行兼容性分析。低轨导航增强的信号优化设计目标是保证良好的信号兼容性，目前对于低轨导航增强的信号优化设计较少。文献5提出了基于等效载噪比的导航信号干扰分析方法；文献6从频谱重叠、接收信号等效载噪比 2 个方面分析了全球定位系统（global positioning system，GPS）L1 信号功率增强对导航信号的影响；文献7采用等效载噪比分析了 GPS 与其他导航系统同频段信号之间的互干扰；文献8分析了北斗导航系统与其他导航系统之间的兼容性；文献9分析了导航增强信号体制约束的关键要素，对低轨星座加入后的现有导航系统兼容性进行分析评估。目前的研究主要针对的是不同导航系统之间的兼容性，并未对导航增强信号的兼容性进行深入分析，没有给出导航增强信号调制方式的优选方案。当前卫星导航系统主要集中在 B3 频点实现导航功率增强，故本文主要分析在 B3 频点播发导航功率增强信号。为了便于接收机兼容接收和实现互操作，导航增强信号应与原导航信号位于同一频段，且信号带宽也应保持一致。B3 频点上原导航信号调制方式为二进制相移键控调制（binary phase shift keying，BPSK），具体调制方式为 BPSK（10），故可限定接收机前端带宽为 20 MHz。因此在限定在同一频点、同一频段的条件下，优选增强信号调制方式，保证更高的兼容性。本文类比干扰信号评估方法，提出一种基于等效载噪比和谱分离系数的兼容性评估方法，对不同信号体制的增强信号如二进制偏置载波（binary offset carrier，BOC）信号，分别进行兼容性分析。1 低轨导航功率增强的信号兼容性评估方法 低轨导航功率增强信号的兼容性是确定增强信号的信号体制的关键因素，确定合适的信号体制可以使得低轨导航功率增强信号的兼容性更好。本文类比干扰信号的评估方法，基于等效载噪比损耗和谱分离系数建立信号兼容性评估方法。1.1 等效载噪比损耗 导航信号接收机相关器输出端的载噪比决定了信号捕获和载波跟踪的性能10，而信号存在干扰时，难以准确计算接收机相关器输出端的载噪比，通常利用等效载噪比对后续的捕获、跟踪进行分析。对于 B3 频点上原有的 BPSK（10）信号，可将低轨导航功率增强信号视为干扰信号，分析B3 频点原信号的等效载噪比损耗，来作为信号兼容性的评价指标。等效载噪比损耗越大，则信号兼容性越差。在存在增强信号与白噪声的条件下，等效载噪比的计算公式11为()seff/Rss-/lRsRls-/-/()()d()()d()()()dCNHfSffCCNHfSffHfS f SffN=+022222220220 （1）式中：()seff/CN0为等效载噪比；sC为接收到的原信号功率；N0为白噪声的功率谱密度；为接收机前端接收带宽；R()Hf为接收机滤波器的传输函数；f为信号频率；s()Sf为归一化为无穷带宽上的单位面积内的原信号功率谱密度；lC为接收到的增强信号的功率；l()Sf为归一化为无穷带宽上的单位面积内的总增强信号的功率谱密度。等效载噪比损耗衡量了由于限带和增强信号造成的相关器输出载噪比与理想情况之间的差距，可以推出等效载噪比损耗的计算公式为 ()sloss/Rs/lRsRls/()()d()()d()()()dCNHfSffCHfSffHfSf SffN=+02222222220 （2）式中()sloss/CN0为等效载噪比损耗。等效载噪比损耗绝对值越大，代表导航增强信号与原信号的兼容性越差；等效载噪比损耗绝对值越小，代表导航功率增强信号与原信号的兼容性越好。优选信号调制方式使得低轨导航功率增强信号造成的等效载噪比损耗尽可能小。1.2 谱分离系数 等效载噪比衰减主要受到信号体制、导航星座、原信号载噪比、接收机前端带宽的影响，可以采用谱分离系数作为计算等效载噪比衰减的中间值。谱分离系数可以体现原信号功率谱与增强信号功率谱的重叠程度，也可作为增强信号兼容性的评估指标。谱分离系数计算公式为12 ()()rrl,slsdGf Gff=22（3）式中：l,s为增强信号和原信号的谱分离系数；r为接收带宽；()lGf和()sGf分别为增强信号和原 第 3 期 张鹏程，等.低轨导航功率增强信号兼容性分析 121 信号在各自的发射带宽内归一化的功率谱密度。谱分离系数反映增强信号对原信号的影响程度，谱分离系数越大，增强信号对原信号的影响越大。将谱分离系数l,s代入式（2），则可将式（2）化简为 ()-ll,ss/losss/()dCCNNSff+102021（4）谱分离系数越大，代表增强信号对原信号的影响越大，兼容性越差。应优选信号调制方式使得谱分离系数尽可能小。2 BPSK 体制增强信号兼容性分析 B3 频点原信号调制方式为BPSK（10）。要保证接收机可以兼容接收和实现互操作，则低轨导航功率增强信号要与原信号保持在同一频点，且位于同一频段。当低轨导航功率增强信号与原信号调制方式保持一致时，如图 1 所示，此时增强信号与原信号功率谱完全重合。图 1 信号归一化功率谱密度 目前B3 导航信号落地电平130 dBm，考虑空间链路损耗等因素，不妨设置原信号载噪密度比/C N0为 42.5 dB。分析在此条件下不同的增强信号功率下原信号的等效载噪比损耗，可以得到载噪比损耗结果如图 2 所示。根据式（3）可以计算此时谱分离系数为 71.872 5 dB。当增强信号与原信号功率比为 30 dB，信号载噪比为 42.5 dB时，等效载噪比损耗为 3.103 dB，增强信号与原信号功率谱完全重合，谱分离系数大，等效载噪比损耗绝对值较大，信号兼容性差。等效载噪比损耗还会受到原信号载噪比的影响，设定增强信号与原信号功率比分别为 30、20、15 dB，分析此条件下不同原信号载噪比条 图 2 BPSK（10）功率增强信号的等效载噪比损耗 变化曲线 件下的等效载噪比损耗，可以得到等效载噪比损耗结果如图 3 所示。图 3 不同功率比条件下等效载噪比损耗对比 从图 3 可以看出，原信号载噪比越大，则等效载噪比损耗绝对值越大。当增强信号与原信号功率比为 30 dB，信号载噪比为 45 dB时，等效载噪比损耗为4.556 dB；且在相同原信号载噪比条件下，增强信号与原信号功率比越大，等效载噪比损耗也越大。3 BOC 体制增强信号兼容性分析 低轨导航功率增强信号与原信号功率谱完全重合时，信号兼容性较差。当采用BOC体制的增强信号时，信号功率谱会呈现多峰形式，实现频谱分离，可以有效降低谱分离系数，提升信号兼容性。在保证接收机兼容接收和互操作的前提下，即功率增强信号与原信号位于同一频段，本文主要分析BOC（5,5）和BOC（6,4）2 种调制方式。3.1 BOC（5,5）若低轨导航功率增强信号采用BOC（5,5）122 导航定位学报 2023 年 6 月 信号调制方式，导航增强信号与原信号处在同一频带，但频谱分离，将BOC（5,5）信号与BPSK（10）信号叠加，信号归一化功率谱密度如图 4所示。图 4 信号归一化功率谱密度 同样设置原信号载噪密度比/C N0为 42.5 dB，分析在此条件下不同的增强信号功率下原信号的等效载噪比损耗，可以得到原信号的等效载噪比损耗结果如图 5 所示。图 5 BOC（5,5）功率增强信号的等效载噪比损耗 变化曲线 根据式（3）可以计算此时谱分离系数为 73.136 9 dB。当增强信号与原信号功率比为 30 dB，信号载噪比为 42.5 dB时，等效载噪比损耗为2.503 dB，增强信号与原信号功率谱重合度降低，谱分离系数变小，等效载噪比损耗绝对值相比于BPSK体制变小，信号兼容性较好。等效载噪比损耗还会受到原信号载噪比的影响，设定增强信号与原信号功率比分别为 30、20、15 dB，分析此条件下不同原信号载噪比条件下的等效载噪比损耗，可以得到等效载噪比损耗结果如图 6所示。图 6 不同功率比条件下等效载噪比损耗对比 从图 6 可以看出，原信号载噪比越大，则等效载噪比损耗绝对值越大。当增强信号与原信号功率比为 30 dB，信号载噪比为 45 dB时，等效载噪比损耗为3.778 dB；且在相同原信号载噪比条件下，增强信号与原信号功率比越大，等效载噪比损耗也越大。3.2 BOC（6,4）若将低轨导航功率增强信号功率谱与原信号进一步分开，采用BOC（6,4）信号调制方式，导航增强信号与原信号处在同一频带且频谱分离，将BOC（6,4）信号与BPSK（10）信号叠加。信号归一化功率谱密度如图 7 所示。图 7 信号归一化功率谱密度 同样设置原信号载噪密度比/C N0为 42.5 dB，分析在此条件下不同的增强信号功率下原信号的等效载噪比损耗，可以得到原信号的等效载噪比损耗结果如图 8 所示。根据式（3）可以计算此时谱分离系数为 74.822 6 dB。当增强信号与原信号功率比为 30 dB，信号载噪比为 42.5 dB时，等效载噪比损耗为1.844 dB，增强信号与原信号功率谱重合度进一步降低，谱分离系数变小，等效载噪比损耗绝 第 3 期 张鹏程，等.低轨导航功率增强信号兼容性分析 123 图 8 BOC（5,5）功率增强信号的等效载噪比 损耗变化曲线 对值相比于BOC（5,5）体制进一步变小，信号兼容性更好。等效载噪比损耗还会受到原信号载噪比的影响，设定增强信号与原信号功率比分别为30、20、15 dB，分析此条件下不同原信号载噪比条件下的等效载噪比损耗，可以得到等效载噪比损耗结果如图 9 所示。图 9 不同功率比条件下等效载噪比损耗对比 从图 9 可以看出，原信号载噪比越大，则等效载噪比损耗绝对值越大。当增强信号与原信号功率比为 30 dB，信号载噪比为 45 dB时，等效载噪比损耗为2.879 dB；且在相同原信号载噪比条件下，增强信号与原信号功率比越大，等效载噪比损耗也越大。综上所述，针对不同调制方式的导航增强信号，设置不同接收机前端带宽和原信号载噪比，当导航增强信号大于原信号 30 dB时，原信号等效载噪比损耗结果可总结如表 1 所示。表 1 谱分离系数和等效载噪比损耗结果表 dB 低轨导航功率增强信号调制方式 谱分离系数 C/N0=45 dB 时等效载噪 比损耗 C/N0=42.5 dB时等效载噪比损耗 BPSK（10）-71.873-4.556-3.103 BOC（5,5）-73.137-3.778-2.503 BOC（6,4）-74.823-2.879-1.844 4 结束语 本文提出了一种基于等效载噪比损耗和谱分离系数的低轨导航功率增强信号兼容性分析方法，优选增强信号调制方式，使得信号兼容性更好。仿真结果表明：1）在B3 频点上播发低轨导航功率增强信号，增强信号与原信号频谱交叠越少，谱分离系数越小，信号的等效载噪比损耗绝对值越小，信号兼容性越好。当增强信号调制方式为BOC（6,4）时，此时谱分离系数为-74.823 dB。2）原信号载噪比越大，等效载噪比损耗越大。信号载噪比为 45 dB时的损耗明显比信号载噪比为 42.5 dB时的损耗大。故B3 频点上低轨导航功率增强信号可以采用BOC（6,4）信号调制方式，也可以设计新的信号调制方式，使得信号在满足同一频带的条件下，谱分离系数更小，信号兼容性更好。本文分析结果可为我国未来的卫星导航增强信号频段和调制方式的选择提供参考。后续将会对增强信号的多径性能、码跟踪精度影响等进行优化分析。参考文献 1 CHEN J,ZHANG Y,YU C,et al.Models and performance of SBAS and PPP of BDSJ.Satellite Navigation,2022,3(1):1-14.2 LU J,GUO X,SU C.Global capabilities of BeiDou navigation satellite systemJ.Satellite Navigation,2020,1(1):27.3 张小红,马福建.低轨导航增强 GNSS 发展综述J.测绘学报,2019,48(9):1073-1087.4 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