CN110161542A

CN110161542A - 一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法

Info

Publication number: CN110161542A
Application number: CN201910516961.0A
Authority: CN
Inventors: 张悦; 江金凤
Original assignee: Fire Eye Location Digital Intelligence Technology Service Co Ltd
Current assignee: Fire Eye Location Digital Intelligence Technology Service Co Ltd
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2019-08-23
Anticipated expiration: 2039-06-14
Also published as: CN110161542B

Abstract

本发明涉及一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，包括下列步骤：1)利用MATLAB和STK软件建立低轨导航系统卫星星座、中高轨导航系统卫星星座，建立地面导航接收机；2)遍历两个系统卫星星座的所有卫星，计算卫星与接收机之间的星地相对距离；3)计算低轨导航信号、中高轨导航系统卫星信号的多普勒频移；4)根据两种信号的功率谱密度及相应的多普勒频移计算信号间频谱分离系数；5)计算干扰信号到地功率；6)计算该时刻等效载噪比衰减；7)累计计算整个仿真周期内所有历元的等效载噪比衰减值，对各个站点的干扰值进行兼容性评估。与现有技术相比，本发明可获取更真实的干扰结果，减少了分析结果与真实情况的偏差。

Description

一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术领域，尤其是涉及一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，特别是美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲Galileo系统和中国北斗系统，已在全球实现了广泛应用，并为各领域用户提供导航定位服务。而随着应用推广，当前高精度测绘、精密农业、交通物流运输、航空管理等领域对导航定位的精度、可用性、完好性要求越来越高，传统GNSS系统已不能满足需求，利用低轨卫星自身特点，建立低轨导航增强系统作为中高轨GNSS系统的补充，是未来的一个重要发展方向。

目前国际电报联盟(ITU)专门为卫星无线电导航划分的频段已经相当拥挤，美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的COMPASS系统、欧洲的GALILEO系统、日本的QZSS系统等都在L频段上重叠使用。

如何评估不同导航系统间信号干扰情况，目前常用做法是通过等效载噪比衰减作为一种评估指标，但目前的等效载噪比分析方法没有考虑到短码信号的真实功率谱密度函数，仅采用功率谱密度包络，导致分析结果与真实情况有较大偏差；另外，现有技术没有考虑到多普勒频移对频谱分离系数的影响；当前的分析方法中一般取系统干扰极端情况进行分析，比如取干扰距离最短，发射功率最大，然而该分析方法无法给出一段时间内真实的干扰结果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，该方法包括下列步骤：

S1、根据两个系统的卫星轨道六根数，利用MATLAB和STK软件生成相应卫星，并设置一地面接收机，然后设置地面接收机的初始经度、纬度、高度信息，进而产生的两个系统的空间相对位置。

S2、遍历低轨导航系统卫星星座和中高轨导航系统卫星星座的所有卫星，计算当前时刻所有卫星位置、卫星速度，并获取当前时刻地面导航接收机的位置，结合上述数据计算卫星与接收机之间的星地相对距离，并根据该距离判断当前卫星对接收机的可见性。

若卫星与接收机之间的星地相对距离小于卫星轨道高度计算地面接收机5度仰角时的星地相对距离，则判断当前卫星在接收机的可视范围内，并继续计算当前卫星产生的干扰，否则计算下一颗星的星地相对距离及可见性。

S3、根据低轨导航卫星相对接收机的相对速度计算低轨导航信号多普勒频移，根据中高轨导航卫星相对接收机的相对速度计算中高轨导航信号多普勒频移。

令卫星和接收机间的相对速度为v，信号载波频率为f，计算信号多普勒频移dopperFre的计算式如下：

式中，c为光速，α为星上天线指向角，即接收机到卫星连线与卫星到星下点(地球球心)直线的夹角。

S4、利用低轨导航信号的信号体制获取低轨信号的功率谱密度，利用中高轨导航信号的信号体制获取中高轨导航信号的功率谱密度，根据两种信号的功率谱密度及相应的多普勒频移计算信号间频谱分离系数。具体步骤包括：

401)对低轨导航系统和中高轨导航系统的导航信号，分别判断其属于长码还是短码，判断依据为：当导航信号的数据速率R_b、码速率R_c和码长N满足R_b≤R_c/N时，可视为短码，否则为长码。

402)对于长码信号，功率谱密度函数按功率谱包络，例如GPS系统L1P信号，码速率为10.23Mbps，码长为6187104000000，数据速率为50bps，调制方式为BPSK，根据步骤401判断其为长码，则其对应功率谱密度函数为：

其中，f为该信号的频率，f_c为码速率，且f_c＝10.23*10^6；

对于短码信号，功率谱密度函数为详细功率谱密度函数，例如对于GLONASS系统L10F信号，其码速率为511kbps，码长为511，数据速率为50bps，调制方式为BPSK，根据步骤401)判断其为短码，则其对应功率谱密度函数为：

其中，码长N₀＝511，N₁为一个数据码宽中包含的伪码数，且N₁＝数据码周期/伪码周期＝1/数据码速率*码速率/码长＝1/50*511000/511＝20，c_n为对应511长度的伪随机码值，T_c为码周期＝1/511000；

403)根据低轨系统功率谱密度函数和中高轨系统功率谱密度函数，计算信号间频谱分离系数，计算公式如下：

式中，|H(f)|表示接收机前端滤波器的传递函数，G_s(f)表示目标信号在无穷带宽上归一化的功率谱密度，G_f(f)表示干扰信号在无穷带宽上归一化的功率谱密度，Δf_s表示目标信号的多普勒频移，Δf_f表示干扰信号的多普勒频移；β_γ表示接收机滤波器的前端带宽。

S5、根据卫星与接收机间的星地相对距离关系获取地面导航接收机对卫星的仰角，获取相应角度下的卫星星上发射天线增益、地面接收天线接收增益，并根据星地相对距离、发射天线增益、接收天线增益、发射功率、空间链路损耗等计算信号到地功率。具体步骤包括：

501)利用卫星接收机间的星地相对距离d，卫星轨道相对于地表的高度h，地球半径Re获取地面接收机此时相对于卫星仰角el、星上天线指向角α。

502)根据仰角el以及接收机天线方向图获取当前接收机接收天线增益Gr。

503)根据天线指向角α以及星上发射天线方向图获取当前发射天线增益Gs。

504)计算第i颗星干扰信号地信号功率，计算公式为：

P_r＝P_send+G_s+G_r-92.45-20log(f)-20log(d)-1.5-1

其中，f为信号载波频率(GHz)，d为卫星与接收机间的距离(km)，-1.5为极化损耗一般取值，-1为大气损耗取值。P_send为卫星发射功率。

S6、根据步骤S5获取的信号到地功率、步骤S4获取的信号间频谱分离系数，计算等效噪声功率谱密度，计算该时刻等效载噪比衰减。具体内容为：

根据干扰信号到地信号功率，根据频谱分离系数计算系统内干扰功率谱密度、系统间干扰功率谱密度。

系统内干扰功率谱密度的计算公式为：

其中，M(t)为干扰系统可见卫星数；K_i(t)为干扰系统每颗星信号数；P_i,j(t)为在t时刻第i个卫星发射的第j个干扰信号的接收功率。η^s(t)为期望信号接收功率且假设接收机前端带宽足够宽可包含期望信号的全部功率，则η^s(t)＝1；

系统间干扰功率谱密度的计算公式为：

其中O(t)为期望系统可见卫星数；N_i(t)为期望系统除期望信号外其他信号数；

根据系统内干扰功率谱密度、系统间干扰功率谱密度计算系统间等效载噪比衰减：

S7、将当前时刻增加仿真步长，重复上述步骤S2～步骤S6，累计计算整个仿真周期内所有历元的等效载噪比衰减值，取其中最大值即为此经纬度下接收机最大干扰值，更改接收机经纬度，计算下一站点。全球遍历一遍获取全球范围内低轨导航系统、中高轨导航系统的干扰情况示意图。

当前导航接收机接收GPS、BD、Glonass、Galileo信号的载噪比范围为33dB～55dB左右，当信号接收载噪比小于33dB载噪比门限时将出现失锁情况，根据国际电联对导航信号兼容性的规定为：所有干扰所引起的载噪比损失不能使到达地面的信号载噪比低于载噪比门限，同时保证其他卫星导航系统的载噪比。通过本发明分析出低轨系统对其他中高轨导航系统全球任一地点的等效载噪比衰减，结合地面接收机对该中高轨导航系统信号接收的载噪比情况，评估该低轨系统与中高轨导航系统的兼容性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明方法充分利用了STK软件的轨道仿真功能和MATLAB软件的仿真计算功能，不再基于极限值近似考虑分析，实现了系统间不同时刻干扰情况的真实仿真，可获取更真实的干扰结果；

(2)本发明方法考虑了长码信号与短码信号的功率谱密度函数不同情况，并考虑了接收信号多普勒频移对频谱分离系数的影响，实现了真实等效载噪比衰减的计算，大大减少了分析结果与真实情况的偏差。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为多普勒频移计算空间示意图；

图3为Glonass与LEO星座空间相对位置示意图；

图4为全球范围内两导航系统干扰情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明涉及一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，包括如下步骤：

步骤一、通过MATLAB和STK软件建立系统场景，包括生成低轨导航(LEO)卫星星座、中高轨导航系统(Glonass)卫星星座，建立地面导航接收机。具体步骤为：

步骤101：联合MATLAB和STK软件建立系统场景，设置仿真步长及仿真周期，仿真周期可选取两系统卫星轨道周期的最小公倍数，仿真步长可选取设置1min、5min、10min等。

步骤102：根据两个系统的卫星轨道六根数(轨道根数，或称轨道要素或轨道参，是用来描述天体在其轨道运行状态的一组参数，通常情况下指的是用经典万有引力定律描述天体按圆锥曲线运动时所必需的6个参数)，利用MATLAB和STK软件生成相应卫星，并设置一地面导航接收机，然后设置地面导航接收机的初始经度、纬度、高度信息，进而产生的两个系统的空间相对位置如附图3所示。

步骤二、遍历低轨导航星座和中高轨导航系统所有卫星，计算当前时刻所有卫星位置、卫星速度，计算当前时刻地面导航接收机位置，由此计算卫星接收机间距离，并根据距离判断当前卫星对接收机的可见性。具体步骤包括：

步骤201：通过stkPosVelCBF(‘SatobjPath’，time)函数计算time时刻卫星在地球固定坐标系下位置(X_i、Y_i、Z_i)和速度(V_ix、V_iy、V_iz)。

步骤202：通过stkPosVelCBF(‘FacobjPath’，time)函数计算time时刻地面导航接收机在地球固定坐标系下位置(X_r、Y_r、Z_r)和速度(V_rx、V_ry、V_rz)。

步骤203：通过卫星位置和地面导航接收机位置计算第i颗星与地面导航接收机之间的距离di，根据卫星轨道高度计算地面导航接收机5度仰角时的星地相对距离D_max。

步骤204：若di<D_max，说明当前第i颗星在接收机的可视范围内，则往下计算第i颗星产生的干扰，否则i＝i+1，计算下一颗星。

步骤三、根据低轨导航卫星相对接收机的相对速度计算低轨导航信号多普勒频移，根据中高轨导航卫星相对接收机的相对速度计算中高轨导航信号多普勒频移。

令卫星和接收机间的相对速度为v，信号载波频率为f，计算信号多普勒频移dopperFre的方法如下：

式中，c为光速，空间示意图如附图2所示，图中d为卫星和接收机间的星地相对距离，α为星上天线指向角，即接收机到卫星连线与卫星到星下点(地球球心)直线的夹角。h为卫星轨道相对于地表的高度，Re为地球半径，el为地面导航接收机此时相对于卫星的仰角。

步骤四、根据低轨导航信号的信号体制得到低轨信号功率谱密度，根据中高轨导航信号的信号体制得到中高轨导航信号功率谱密度，根据两信号功率谱密度及多普勒频移计算信号频谱分离系数。

步骤401：对低轨导航系统和中高轨导航系统的导航信号，分别判断其属于长码还是短码，判断依据为：当导航信号的数据速率R_b、码速率R_c和码长N满足R_b≤R_c/N时，可视为短码，否则为长码。

步骤402：对于长码信号，功率谱密度函数按功率谱包络，例如GPS系统L1P信号，码速率为10.23Mbps，码长为6187104000000，数据速率为50bps，调制方式为BPSK，根据步骤401判断其为长码，则其对应功率谱密度函数为：

其中，f为该信号的信号载波频率，f_c为，且f_c＝10.23*10^6。

其中，码长N₀＝511，N₁为一个数据码宽中包含的伪码数，且N₁＝数据码周期/伪码周期＝1/数据码速率*码速率/码长＝1/50*511000/511＝20，c_n为对应511长度的伪随机码值，T_c为码周期＝1/511000。

步骤403：根据低轨系统功率谱密度函数和中高轨系统功率谱密度函数，计算信号间频谱分离系数，计算公式如下：

步骤五：根据卫星接收机间的星地相对距离关系得地面导航接收机对卫星仰角，并获取相应角度下卫星星上发射天线增益、地面接收天线接收增益，根据星地相对距离、发射功率、发射天线增益、接收天线增益、空间链路损耗等计算信号到地功率。

步骤501：根据图2，利用卫星接收机间的星地相对距离d，卫星轨道相对于地表的高度h，地球半径Re解三角函数可解出地面导航接收机此时相对于卫星仰角el，星上天线指向角α(接收机到卫星连线与卫星到星下点直线的夹角)。

步骤502：根据仰角el以及接收机天线方向图获取当前接收机接收天线增益Gr。

步骤503：根据天线指向角α以及星上发射天线方向图获取当前发射天线增益Gs。

步骤504：计算第i颗星干扰信号地信号功率，具体计算公式为：

P_r＝P_send+G_s+G_r-92.45-20log(f)-20log(d)-1.5-1

步骤六：根据信号到地信号功率、信号间频谱分离系数，计算当前时刻等效噪声功率谱密度，并计算该时刻等效载噪比衰减。

步骤601：根据干扰信号到地信号功率，根据频谱分离系数计算系统内干扰功率谱密度、系统间干扰功率谱密度。

系统内干扰功率谱密度的计算公式为：

其中，M(t)为干扰系统可见卫星数；K_i(t)为干扰系统每颗星信号数；P_i,j(t)为在t时刻第i个卫星发射的第j个干扰信号的接收功率。η^s(t)为期望信号接收功率且假设接收机前端带宽足够宽可包含期望信号的全部功率，则η^s(t)＝1。

系统间干扰功率谱密度的计算公式为：

步骤602：根据系统内干扰功率谱密度、系统间干扰功率谱密度计算系统间等效载噪比衰减：

步骤七：当前时刻加仿真步长，重复上述步骤二～步骤六，累计计算整个仿真周期所有历元的等效载噪比衰减值，取其中最大值即为此经纬度下接收机最大干扰值，更改接收机经纬度，计算下一站点。

步骤701：当前时刻加仿真步长，重复步骤二-六，计算整个仿真周期内所有历元等效载噪比衰减值，取最大值即为此经纬度下接收机最大干扰值；

步骤702，地面导航接收机经度加10度，纬度加10度，重复以上步骤，计算下一站点，全球遍历一遍即可得到全球范围内两导航系统干扰情况示意图，如附图4所示。

步骤703，当前导航接收机接收GPS、BD、Glonass、Galileo信号的载噪比范围为33dB～55dB左右，当信号接收载噪比小于33dB载噪比门限时容易出现失锁情况，根据国际电联对导航信号兼容性的规定为：所有干扰所引起的载噪比损失不能使到达地面的信号载噪比低于载噪比门限，同时保证其他卫星导航系统的载噪比。通过本发明分析出低轨系统对其他中高轨导航系统全球任一地点的等效载噪比衰减，结合地面接收机对该中高轨导航系统信号接收的载噪比情况，即评估该低轨系统与中高轨导航系统的兼容性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)利用MATLAB和STK软件建立系统场景，包括生成低轨导航系统卫星星座、中高轨导航系统卫星星座，设置仿真步长及仿真周期，并建立地面导航接收机；

2)遍历低轨导航系统卫星星座和中高轨导航系统卫星星座的所有卫星，获取当前时刻所有卫星的位置、速度，并获取当前时刻地面导航接收机的位置，结合获取的数据计算卫星与接收机之间的星地相对距离，并根据星地相对距离判断当前卫星对接收机的可见性；

3)根据低轨导航系统卫星相对接收机的相对速度计算低轨导航信号多普勒频移，根据中高轨导航系统卫星相对接收机的相对速度计算中高轨导航信号多普勒频移；

4)利用低轨导航信号的信号体制获取低轨信号的功率谱密度，利用中高轨导航信号的信号体制获取中高轨导航信号的功率谱密度，根据两种信号的功率谱密度及相应的多普勒频移计算信号间频谱分离系数；

5)利用卫星与接收机间的星地相对距离关系获取地面导航接收机对卫星的仰角，随后获取相应角度下的卫星星上发射天线增益、地面接收天线接收增益，根据星地相对距离、发射天线增益、接收天线增益、发射功率、空间链路损耗计算信号到地功率；

6)根据步骤5)获取的信号到地功率、步骤4)获取的信号间频谱分离系数，计算等效噪声功率谱密度，并计算该时刻等效载噪比衰减；

7)将当前时刻增加仿真步长，重复上述步骤2)～步骤6)，累计计算整个仿真周期内所有历元的等效载噪比衰减值，取其中最大值作为此经纬度下接收机最大干扰值，更改接收机经纬度，计算下一站点，并对计算得到的各个站点的干扰值进行兼容性评估。

2.根据权利要求1所述的一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：

101)结合MATLAB和STK软件建立系统场景，设置仿真步长及仿真周期，仿真周期选取低轨导航系统卫星轨道周期、中高轨导航系统卫星轨道周期的最小公倍数；

102)根据两个系统的卫星轨道六根数，利用MATLAB和STK软件生成相应卫星，随后设置一个地面导航接收机，并设置地面导航接收机的初始经度、纬度、高度信息，进而获取两个系统之间的空间相对位置。

3.根据权利要求2所述的一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：

201)计算当前时刻第i个卫星在地球固定坐标系下的位置(X_i、Y_i、Z_i)和速度(V_ix、V_iy、V_iz)；

202)计算当前时刻地面接收机在地球固定坐标系下位置(X_r、Y_r、Z_r)和速度(V_rx、V_ry、V_rz)；

203)通过卫星位置和地面接收机位置计算第i颗卫星与地面导航接收机之间的距离di，根据卫星轨道高度计算地面接收机5度仰角时的星地相对距离D_max；

204)对di、D_max进行判断，若di<D_max，则证明当前第i颗星在接收机的可视范围内，继续计算第i颗星产生的干扰，否则令i＝i+1，对下一颗卫星由步骤201)起进行计算。

4.根据权利要求1所述的一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，其特征在于，步骤3)中，多普勒频移dopperFre的计算公式为：

式中，c为光速，α为星上天线指向角，即接收机到卫星连线与卫星到星下点连线的夹角，v为卫星和接收机间的相对速度，f为信号载波频率。

5.根据权利要求4所述的一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，步骤4)具体包括以下步骤：

401)对低轨导航系统和中高轨导航系统的导航信号进行长码、短码判断，若导航信号的数据速率R_b、码速率R_c和码长N满足R_b≤R_c/N，则该信号为短码，否则为长码；

402)对于长码信号，功率谱密度函数按功率谱包络，比如BPSK调制的GPS系统L1P信号，对应功率谱密度函数的表达式为：

其中，f_c为码速率，且f_c＝10.23*10^6；

对于短码信号，功率谱密度函数为详细功率谱密度函数，比如GLONASS系统L1OF信号，其对应功率谱密度函数的表达式为：

式中，|H(f)|为接收机前端滤波器的传递函数，G_s(f)为目标信号在无穷带宽上归一化的功率谱密度，G_f(f)为干扰信号在无穷带宽上归一化的功率谱密度，Δf_s为目标信号的多普勒频移，Δf_f为干扰信号的多普勒频移，β_γ为接收机滤波器的前端带宽。

6.根据权利要求5所述的一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，步骤5)具体包括以下步骤：

501)利用卫星接收机间的星地相对距离d，卫星轨道相对于地表的高度h，地球半径Re获取地面接收机此时相对于卫星仰角el、星上天线指向角α；

502)根据仰角el及接收机天线方向图获取当前接收机接收天线增益Gr；

503)根据天线指向角α及星上发射天线方向图获取当前发射天线增益Gs；

504)计算第i颗星干扰信号空间链路损耗及到地信号功率，干扰信号到地信号功率P_r的计算公式为：

P_r＝P_send+G_s+G_r-92.45-20log(f)-20log(d)-1.5-1

其中，f为信号载波频率，d为卫星接收机间的星地相对距离，-1.5为极化损耗一般取值，-1为大气损耗取值，P_send为卫星发射功率。

7.根据权利要求6所述的一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，步骤6)具体包括以下步骤：

601)根据干扰信号到地信号功率及频谱分离系数计算系统内干扰功率谱密度、系统间干扰功率谱密度；其中，系统内干扰功率谱密度的计算公式为：

式中，M(t)为干扰系统可见卫星数，K_i(t)为干扰系统每颗星信号数，P_i,j(t)为在t时刻第i个卫星发射的第j个干扰信号的接收功率，η^s(t)为期望信号接收功率，且假设接收机前端带宽足够宽可包含期望信号的全部功率，则η^s(t)＝1；

系统间干扰功率谱密度的计算公式为：

式中，O(t)为期望系统可见卫星数，N_i(t)为期望系统除期望信号外其他信号数；

602)根据系统内干扰功率谱密度、系统间干扰功率谱密度计算系统间等效载噪比衰减，其计算式为：

8.根据权利要求7所述的一种低轨导航系统和中高轨导航系统之间兼容性评估方法，步骤7)具体包括以下步骤：

701)将当前时刻加仿真步长，重复步骤2)～步骤6)，计算整个仿真周期内所有历元等效载噪比衰减值，取最大值作为此经纬度下接收机的最大干扰值；

702)令地面接收机的经度加10度，纬度加10度，重复以上步骤，计算下一站点，全球遍历一遍获取全球范围内低轨导航系统、中高轨导航系统的干扰情况示意图，结合干扰情况示意图，对计算的等效载噪比衰减值进行兼容性评估。