摘  要： 集总增益系数是GNSS系统间干扰分析的重要参数，需要通过仿真计算得到。介绍了集总增益系数仿真算法，利用Visualyse Professional软件构建仿真系统，仿真分析了Compass、GPS和Galileo系统不同信号的集总增益系数。计算结果的准确性已在国际电联新增导航频段609决议磋商会中得到了验证。该仿真分析方法为开展GNSS系统间干扰分析提供了一种快捷有效的手段。
关键词： 集总增益系数； GNSS； 仿真系统； Compass

　　全球导航卫星系统（GNSS）间频率兼容性研究已经成为国际卫星导航领域的一个热点问题[1-4]。国际电联ITU-R M.1831建议书给出了GNSS系统间频率兼容性协调的分析方法。该方法中，集总增益系数Gagg是进行GNSS系统兼容性计算的一个非常重要、耗时最多的中间参数，它反映了不同星座配置的GNSS系统的集总干扰功率差别，与星座的动态运行特性、收发天线相对增益变化、接收站点的分布等都有关系，须通过动态仿真进行计算。但是，目前国内还没有一个有效的对集总增益系数进行仿真计算的方法。因此,本文介绍了如何利用Visualyse Professional软件构建Compass、GPS和Galileo系统的集总增益系数仿真系统；并对三个系统的集总增益系数计算结果进行了分析；该结果已在国际电联609决议磋商会中得到了验证。
1 集总增益系数仿真算法
　　对于指定的GNSS信号类型，第i位置接收机接收到的集总干扰功率(W)可表示如下：

式(2)中，是接收机天线输出端的单颗卫星发射的最大信号功率(W)，最大意味着所有接收位置中收到的最大信号功率。参考接收天线的增益GR可能和接收到的信号极化方式不匹配，从而导致附加损耗。式(2)计算得到的G_agg是所有接收位置中的最坏值，适用于任何干扰信号类型。在干扰计算中统一用这个最坏值分析其他任意接收位置干扰情况。事实上，大多数情况下的干扰会好于该种方式的计算值。但是通过这种评估方法可以确保系统间频率兼容性不会被低估。
2 集总增益系数仿真系统搭建
2.1 集总增益系数仿真系统总体架构
　　集总增益系数仿真需要模拟系统的载波频率、星座特性、卫星发射天线增益、接收机天线增益、空间链路传输特性、接收机地理分布等。本文利用Visualyse Professional软件环境构建仿真系统进行集总增益系数仿真。仿真系统由空间段、链路段和接收段三部分组成。空间段包括星座模块、卫星发射天线模块和载波设置模块，接收段由站点模块、接收天线模块组成。仿真系统可以实时计算不同接收位置的集总干扰功率，然后通过事后处理从所有的计算结果中选取最大值，与接收到的单颗卫星发射的最大信号功率相除，得到集总增益系数。图1给出了仿真系统各个模块之间的逻辑关系。

2.2 集总增益系数星座设置
　　Compass系统由27颗中圆轨道卫星(MEO)、3颗倾斜轨道同步卫星 (IGSO) 和5颗静地轨道卫星(GSO)组成。27颗MEO卫星均匀分布在3个离地高度21 500 km，轨道倾角55°的轨道上，每个轨道有9颗卫星。星座的回归周期为7天。3颗IGSO卫星均匀分布在3个离地高度为35 786 km，倾角55°的轨道上，每个轨道上1颗卫星，3颗卫星星下点轨迹的交叉点经度为东经118°。5颗GSO卫星的轨道位置为58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E。
　　GPS系统星座基本配置[5]由24颗卫星组成，24颗卫星平均分布在离地面20 181.56 km、轨道倾角为55°的MEO轨道上，每个轨道上4颗卫星。星座的回归周期为1天。另外还有4颗备份卫星，均匀分布在第1个轨道上。
　　Galileo系统星座由27颗卫星组成，27颗卫星平均分布在3个离地高度为23 616 km、轨道倾角为56°的MEO轨道上，每个轨道上有9颗卫星。星座的回归周期为3天。
　　本文根据上述轨道参数分别设置三个系统的星座。由于Compass系统空间段由MEO、IGSO和GSO三种星座组成，在仿真分析中分别针对MEO和IGSO两种不同的星座模型进行仿真，GSO星座不涉及时间变化，可直接计算得到。为了准确模拟地面接收功率随时间的变化，本文仿真时长设置与星座的回归周期相同，仿真步长设为30 s。
2.3 集总增益系数载波特性设置
　　Compass系统发射B1(1 575.42 MHz）、B2(1 191.795 MHz)和B3(1 268.52 MHz)三个载频。GPS系统发射L1(1  575.42 MHz)、L2(1 227.6 MHz)和L5(1 176.45 MHz)三个载频信号。Galileo系统发射E1(1 575.42 MHz)、E5(1 191.795MHz)和E6(1 278.75 MHz)三个载频信号。
　　载波信号频率不同，其空间传输特性和收发天线辐射特性也有差异。Compass系统3个载频频率间隔较大，即使相差较小的B2和B3信号之间，其路径损耗差也有0.6 dB。因此为了准确分析信号间的干扰，本文分别针对3种载频信号进行仿真，每一个载频信号对应一个集总增益系数。GPS信号虽然也在3个载频上发射信号，但是L5和L2载频之间的路径损耗仅为0.2 dB，在仿真分析中，将L5和L2信号作为一种类型信号仿真，其仿真载波频率均设置为1.2 GHz。Galileo信号与Compass类似，也是对3个不同的载频信号分别仿真。
2.4 接收机站点分布模块设置
　　Compass、GPS和Galileo系统的服务区均为全球。本文在仿真分析中将接收区域设置为全球，接收机的分布密度按照经纬度各5°间隔均匀设置,即东西方向从经度-180°～180°，按5°间隔均匀设置73台接收机，南北方向从-90°～90°按5°间隔均匀设置37台接收机，共设置2 701台接收机覆盖地球表面，每种星座仿真平台中建立2 701个接收链路。
2.5 收/发天线增益设置
　　Compass、GPS和Galileo系统卫星天线增益图模型及参数采用中美、中欧关于GNSS系统双边频率会谈中协商的计算条件设置。图2和图3分别描述了本研究中GPS系统L1载波信号和L5载波信号采用的典型接收机天线增益模型，它们分别来源于美国航空无线电委员会制定的评估对GNSS系统无线电干扰的Do-235和Do-229规范。可以假设Compass的B1接收机天线具有与GPS L1相同的特性进行干扰分析，Compass的B2/B3接收机天线具有与GPS L5相同的特性进行干扰分析。

2.6 链路模块设置
　　链路模块电波传播模型选择自由空间传输模型。三个系统的信号采用同样的传播模型，便于比对分析。其他链路损耗如雨衰、大气损耗和极化失配损耗等，在进行后续的干扰计算时，可按工程经验值统一予以扣除处理。
3 仿真结果及分析
　　表1给出了Compass、GPS和Galileo系统不同信号的集总增益系数。为了分析系统内部其他导航信号的干扰，即自干扰的影响，本文还仿真计算了关注信号和干扰信号类型相同时的集总增益系数(Gagg*)。在这种情况下，假设在干扰最恶劣的条件下进行计算，即假设接收机接收到的关注信号的功率为最低仰角时接收到的单颗卫星信号的功率，本文分析中GPS和Compass系统考虑5°仰角的接收功率，Galileo系统考虑10°仰角时的接收功率。GPS系统在仿真时虽然只考虑了2个载频信号，但是由于其卫星发射天线增益在三个载频上不同，因此仍然得到了3个不同的结果。

　　表1中的数据表明：(1)Compass MEO、GPS、Galileo系统中频率相近的信号，其集总增益系数也比较接近。比如，Compass MEO的B1信号、GPS Galileo的L1信号以及Galileo的E1信号，其集总增益系数相差在0.4 dB以内； (2)对于Compass而言，MEO星座的集总增益系数最大，其对Compass系统自干扰以及与其他系统互干扰的贡献会较大，但是，GSO以及IGSO的集总增益系数也处于相对较大水平(7.2 dB~10.6 dB)，因此在计算系统自干扰以及系统间的互干扰时不能忽略； (3)由于计算自干扰情况下集总增益系数(Gagg*)比计算互干扰情况下的集总增益系数（Gagg）时只少计算一条链路，所以其数值较为接近(从表中可以看出差值在0.3 dB以内)。因此在保守地分析干扰时,可以选择只计算Gagg以节约仿真时间。
　　本文利用Visualyse Professional软件构建了Compass、GPS和Galileo系统的集总增益系数仿真系统，该系统可以模拟导航系统的星座动态运行、接收机的地理分布、频率特性以及收发天线辐射特性等,为GNSS系统集总增益系数的计算提供了一种快捷的仿真手段。仿真系统计算的准确性已在国际电联新增导航频段609决议磋商会中得到了验证。本文仿真计算的三个系统不同信号的集总增益系数不仅可用于三个系统间的干扰分析，也可用于其他卫星导航系统的干扰分析。
参考文献
[1]  DELLAGO R, DETOMA E, LUONGO F. Galileo-GPS  interoperability and compatibility: A Synergetic Viewpoint [C]. ION GPS/GNSS 2003，Port land, 9-12 September, 2003.
[2]  WALLNER S, HEIN G W, et al. Interference computations between GPS and galileo[C]. ION GNSS 2005，Long Beach， California 13-16 September, 2005.
[3]  TITUS L B M, BETZ J W, HEGARTY C J, et al. Intersystem and intrasystem interference analysi methodalogy[C]. ION GPS/GNSS 2003，Portland,9-12 September 2003.
[4]  SOUALLE F, BURGER T. Radio frequency compatibility criterion for code tracking performance[C]. ION GNSS 2007， Texas, 25-28 September 2007.
[5]  Resolution 609(WRC-03) Consultation Meeting, Xi′an, China 13-15.05. 2008. Record of Decisions Taken at the  Fifth Resolution 609 (WRC-03) Consultation Meeting [EB/OL].//http://www.itu.int/ITU-R/space/res609/docs/5th_res-609.pdf, 2009-03-02.