隨著美國GPS現代化進程的實施，俄羅斯GLONASS的更新換代，歐洲Galileo以及中國Compass的部署建設，形成了新的四大系統共存的全球衛星導航系統GNSS（Global Navigation Satellite System）。頻率資源的有限性，以及多系統組合對于導航精度和完好性的提升優勢，使得四大衛星導航系統間兼容與互操作問題成為業界關注和研究的熱點^[1-2]。同時，單系統自身在升級換代時也需要考慮新舊體制信號的兼容和復用問題^[4]。

目前國內外對GNSS兼容互用性評估手段往往十分復雜，在實踐時缺少可操作性。本文將面向應用，研究多模式GNSS的兼容互用性評估方法，為開展相關研究提供目標性依據。

1 GNSS信號兼容性評估

1.1 頻譜分離系數與等效載噪比衰減

    所謂GNSS兼容性，目前國際上較統一的概念描述是，多個GNSS系統或單個GNSS系統對特定的GNSS系統干擾引起的導航定位性能下降在可接受的范圍內^[5]。判斷GNSS系統之間是否相互兼容的一個重要指標是一個系統的信號對另一個系統的接收性能所產生的性能下降在一個預期并可控制的范圍以內。可以用等效載噪比衰減值Δ(C/N₀)來評估GNSS兼容性，因為Δ(C/N₀)反映的是導航信號受到系統內與系統間干擾的相對影響，與各系統接收機的不同設計無關，具有普遍性。

    也有文獻提出用頻譜分離系數（SSC）進行衛星導航系統兼容性分析^[6]，當接收期望衛星導航系統信號過程中存在其他系統的干擾時，將需要接收的信號定義為期望信號，其他系統內和系統間的信號就稱作干擾信號，期望信號與干擾信號之間的頻譜分離系數SSC定義如下：

其中：B表示接收機前端濾波器的帶寬，G_j表示干擾信號的功率譜密度，G_s表示期望信號的功率譜密度，f_dopj表示干擾信號的多普勒頻移，f_dops表示期望信號的多普勒頻移。由此可見，頻譜分離系數是關于接收機前端濾波器帶寬、期望信號與干擾信號的功率譜密度和多普勒的函數，它的具體數值可以間接反應干擾信號與期望信號之間的干擾程度。但是SSC的計算與整個導航系統的可見性與信號功率無關，反應的是信號之間的重疊度，因此它只能作為系統兼容性的一個參考，而不能作為評判標準。

1.2 等效載噪比衰減計算

    等效載噪比(C/N₀)_eq的定義可用下式表示：

式中：C表示期望信號功率，單位是W；v表示無量綱的有效熱噪聲功率因子，通常假設接收機前端濾波器是理想濾波器，所以假定它的值為1；N₀表示熱噪聲功率譜密度，單位是W/Hz，常溫下取值為-201.5 dBW/Hz；I_intra和I_inter分別表示衛星導航系統內部和外部的干擾信號功率譜密度；I_ext表示除了衛星導航系統以外的無線電系統電磁干擾信號的功率譜密度。

    根據衛星空間鏈路公式，地球上任意一點的衛星信號功率為：

其中：C_j表示地面上某一位置對于期望衛星的接收功率；P_j表示期望衛星發射功率，單位是W；G_j表示期望衛星的天線增益；A_dist表示空間損耗，A_atm表示大氣損耗，A_pol表示天線的極化損耗，G_usr表示接收機天線增益。通常大氣損耗取值為0.5 dB，極化損耗與天線增益都要根據不同GNSS系統的不同衛星來取值。

    將式（3）用對數形式寫成如下形式：

    下面對同一個GNSS系統，確定地球上某一位置上的接收機所能接收到的所有干擾信號功率。假設該系統的可見星的數目為U顆，而第u顆衛星發射的不同類型的信號共有I個：

    這就是同一個GNSS系統上，地球上某一位置上的接收機所能接收到的所有干擾信號功率的表達式。

    為了減少對的重復大量計算，對于屬于同一個星座的干擾信號，定義了集總增益參數，表示為：

    這里，其他非導航系統的干擾暫且設為零，因此主要針對以上參數進行分析，對GNSS兼容性做出一個整體評估。

    在L1頻段，選取GPS L1C信號、GalileoE1OS信號和Compass B1C1信號，將仿真環境分成以下幾種場景，對GNSS兼容性進行研究，得出干擾引起的Δ(C/N₀)如表1所示，單位是dB。

2 GNSS信號互用性評估

    GNSS互用性主要指的是若干個衛星導航系統在一起工作時，特定系統的用戶接收機可以不經過改造就能接收其他系統的信號，并且用戶接收機能獲得比單獨使用一個系統相當或更優的導航定位性能。通常認為GNSS互用主要集中在信號、星座及時間坐標系統3個方面，而信號互用最為關鍵，優良的信號設計可以有效減小同頻段相鄰信號干擾問題^[6]。

    目前，L1C信號、E1OS信號和B1C1信號提供公共互用，中心頻率均為1 575.42 MHz，采用MBOC（6，1，1/11）調制方式，用戶接收機可以不經過復雜的研制就接收其他系統的互用信號進行導航。

    由于信號互用是以犧牲兼容性為代價的，因此可以利用等效載噪比衰減值，對互用信號的互用性按兩種情況進行研究，第一種是將互用信號都作為系統內的干擾，第二種是都作為系統間的干擾。

    若按照第一種情況，將所有系統的互用信號作為系統內的干擾來算，則它們造成的載噪比衰減是：

    取N₀=-201.5 dBW/Hz，根據之前的計算方式，可以得到I_intra=-201.48 dBW/Hz。這樣就可以得到系統內的互用信號所造成的等效載噪比衰減為3.02 dB。

    若按照第二種情況，將所有系統的互用信號當成系統間的干擾來算，則它們造成的載噪比衰減是：

其中，I_inter是這3個系統在L1頻段上除了互用信號以外的干擾信號。同樣根據之前的計算方法，可以得出GPS、Galileo和Compass 3個系統在該頻段上造成的等效集總干擾分為-203.691 dBW/Hz、-233.17 dBW/Hz和-224.22 dBW/Hz，再根據式（15）可以得出這些信號對互用信號的干擾為1.154 dB。

    影響衛星導航系統兼容互用的主要因素是導航信號，等效載噪比衰減Δ(C/N₀)可以很好地表征干擾信號對期望信號的干擾程度，具有普遍實際應用價值，可作為評估系統間信號兼容互用的主要參數。隨著四大衛星導航系統的不斷完善，可在此基礎上開展更為全面和具有針對性的兼容互用性評估。

參考文獻

[1] WALLNER S，HEIN G W，PANY T.Interference computations between CPS and GALILEO[C].ION GNSS 2005，Long Beach，2005：861-876.

[2] TITUS B M，BETZ J W，HEGARTY J.Intersystem and intrasystem interference analysis methodology[C].ION GPS/GNSS 2003，Portland，2003：2061-2069.

[3] 朱亮，陸明泉，馮振明.北斗系統B1頻段導航信號的多路復用策略研究[J].電子技術應用，2012，38(7)：91-94.

[4] DELLAGO R，DETOMA E，LUONGO F.Galileo-GPS interoperability and compatibility：a synergetic viewpoint[C].ION GPS/GNSS 2003 USA：Institute of Navigation，2003：542-549.

[5] 羅顯志，王垚.GPS-L1/Galileo-E1信號兼容性分析與仿真[J].系統仿真學報，2009，23(5)：1039-1044.

[6] 朱亮，陸明泉，馮振明.北斗系統C頻段導航信號的波形設計[J].電子技術應用，2012，38(8)：89-92.