溫日紅,劉志儉,葛 俠,趙曉東,張春海

(北京環(huán)球信息中心,北京 100094)

1 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)[1]應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,顯示出了其巨大的軍事、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益,成為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性,世界各主要大國(guó)和國(guó)家聯(lián)合體均不斷地完善自身的全球?qū)Ш较到y(tǒng)或建設(shè)全新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),例如美國(guó)和俄羅斯分別對(duì)自身已有GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化以提高服務(wù)精度和可用性,歐盟的GALILEO系統(tǒng)和我國(guó)的COMPASS系統(tǒng)均在緊張的建設(shè)過(guò)程中,印度正在計(jì)劃建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)IRNSS,從而使得分配給RNSS業(yè)務(wù)的頻率范圍擁擠不堪,系統(tǒng)間的互擾日益嚴(yán)重,因此有必要尋求新的頻率范圍分配給RNSS,以解決頻率資源稀缺的矛盾。

2 S頻段RDSS業(yè)務(wù)全球擴(kuò)展可行性分析

隨著天線技術(shù)的不斷進(jìn)步,使得S頻段中衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定服務(wù)(Radio Determination Satellite Service,RDSS)(空對(duì)地方向)使用的2 483.5～2 500MHz頻率范圍與地面移動(dòng)通信服務(wù)2.5 G以上的頻率范圍實(shí)現(xiàn)天線共用成為可能。與其它RNSS頻率范圍相比,該頻段更易于與移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)用,降低硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,有利于移動(dòng)通信和導(dǎo)航定位服務(wù)的融合,使得該頻段受到衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)的青睞。但是,根據(jù)ITU的區(qū)域和頻率劃分,在區(qū)域二RDSS是2 483.5～2 500 MHz頻段的首要業(yè)務(wù),而在區(qū)域一和和區(qū)域三(除腳注5.400外的國(guó)家)是次要業(yè)務(wù),其使用必須服從ITU規(guī)則No.9.21,并完成與其它使用該頻段的首要業(yè)務(wù)的協(xié)調(diào),因而該頻段還不能作為一個(gè)提供全球RNSS/RDSS服務(wù)的頻段。

根據(jù)歐洲伽利略系統(tǒng)的需求,在歐盟的支持下由歐洲郵電管理委員會(huì)(CEPT)在WRC-07[2]上為WRC-12提出了1.18議題,即考慮擴(kuò)大2 483.5～2 500 MHz頻段現(xiàn)有主要和次要衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)(空對(duì)地)的頻率劃分,以實(shí)現(xiàn)全球主要業(yè)務(wù)劃分,其主要目的是為下一代伽利略設(shè)計(jì)新的導(dǎo)航信號(hào)鋪平道路;ITU-R的4C工作組(WP4C)負(fù)責(zé)該議題的研究。

在之前的WRC及相關(guān)會(huì)議上,各國(guó)均對(duì)S頻段RDSS業(yè)務(wù)的全球擴(kuò)展表明了態(tài)度。美國(guó)表示不反對(duì)2 483.5～2 500 MHz的RDSS的全球擴(kuò)展,前提條件是必須對(duì)美國(guó)的全球星系統(tǒng)給予充分的保護(hù),同時(shí)要求不能將RDSS業(yè)務(wù)作為生命安全服務(wù);歐盟則為GALILEO系統(tǒng)尋求新的導(dǎo)航頻率積極推進(jìn)1.18議題;俄羅斯指出全球劃分的前提是與此頻段其它現(xiàn)有業(yè)務(wù)完全兼容,并提出保護(hù)其在區(qū)域一屬于次要業(yè)務(wù)的無(wú)線電定位服務(wù);在2009年6月舉行的APG-2會(huì)議上,亞太地區(qū)達(dá)成了初步共識(shí),即在ITU-R通過(guò)研究確認(rèn)對(duì)現(xiàn)有主要業(yè)務(wù)保護(hù)的前提下,支持全球劃分。

在2009年9月舉行的第四次WP4C會(huì)議上,研究表明:假設(shè)RDSS系統(tǒng)衛(wèi)星EIRP為37.3 dBW時(shí),RDSS將會(huì)對(duì)MSS(Mobile Satellite Service)產(chǎn)生影響,但是可以通過(guò)放寬MSS下行鏈路約束3 dB以克服RDSS對(duì)MSS的干擾。RDSS與 SAP/SAB(Services Ancillary to Programme-making/Services Ancillary to Broadcasting)業(yè)務(wù)間的共用研究表明,為了保護(hù)移動(dòng)或固定業(yè)務(wù),提出了對(duì)于使用2 483.5～2 500 MHz頻段的同極化的單顆RDSS衛(wèi)星,其最大功率通量密度不得超過(guò)-134 dBW/m2/MHz,即每顆衛(wèi)星RDSS的GSO衛(wèi)星的EIRP不得超過(guò)40.2 dBW。

總的來(lái)說(shuō),在解決兼容性的前提下,S頻段RDSS業(yè)務(wù)的全球擴(kuò)展勢(shì)在必行。

3 我國(guó)S頻段RDSS業(yè)務(wù)全球擴(kuò)展研究必要性及內(nèi)容

3.1 必要性

頻率資源是一種不可再生資源,特別是在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域,各國(guó)出于國(guó)家安全的考慮,授權(quán)信號(hào)的設(shè)計(jì)往往獨(dú)占頻譜,先使用者往往阻止后來(lái)者使用相同的頻譜,或者迫使后來(lái)者接受苛刻的條件,從而導(dǎo)致后來(lái)者在性能上的下降。在我國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)COMPASS以及歐盟GALILEO系統(tǒng)的建設(shè)上就存在類似的問(wèn)題。由于起步較晚,大部分的頻率被美國(guó)和俄羅斯占用,導(dǎo)致信號(hào)設(shè)計(jì)存在相當(dāng)大的困難。目前,歐盟和印度均對(duì)2 483.5～2 500 MHz頻段提出了衛(wèi)星導(dǎo)航的使用需求,并向國(guó)際無(wú)線電聯(lián)提出了申報(bào)。

我國(guó)在S頻段2 483.5～2 500 MHz頻率范圍的應(yīng)用存在事實(shí)上的領(lǐng)先,我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在該頻段實(shí)現(xiàn)了區(qū)域的RDSS衛(wèi)星定位和短報(bào)文通信服務(wù),并于2000年投入應(yīng)用。但是在該頻段的全球擴(kuò)展方面還沒(méi)有進(jìn)行研究,屬于空白領(lǐng)域。在S頻段的全球擴(kuò)展上,各國(guó)處在同一起跑線上。在我國(guó)大力加強(qiáng)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而傳統(tǒng)導(dǎo)航頻段十分擁擠的形勢(shì)下,我們有必要加強(qiáng)對(duì)S頻段用于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的預(yù)先研究,全面分析2 483.5～2 500MHz頻段全球 RDSS主要業(yè)務(wù)擴(kuò)展對(duì)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的利與弊,在充分保護(hù)現(xiàn)有RDSS服務(wù)的基礎(chǔ)上,研究該頻段在我國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中的使用方法;完成與使用該頻段和鄰近頻段業(yè)務(wù)/系統(tǒng)的干擾分析并制定相關(guān)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn);在以上研究的基礎(chǔ)上,對(duì)該頻段的導(dǎo)航信號(hào)傳輸體制設(shè)計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),確定信號(hào)特性,作為頻率和軌位申報(bào)的基礎(chǔ),將我們區(qū)域事實(shí)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換為全球的頻率使用優(yōu)勢(shì),為我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)儲(chǔ)備資源。

3.2 研究?jī)?nèi)容

3.2.1 兼容性分析方法

實(shí)現(xiàn)S頻段RDSS業(yè)務(wù)的全球擴(kuò)展,首先必須完成RDSS業(yè)務(wù)與其它同頻段業(yè)務(wù)之間的兼容性分析。所謂兼容性是指同頻段或臨近頻段內(nèi),一種業(yè)務(wù)的存在不會(huì)導(dǎo)致另外一種業(yè)務(wù)性能不可接受的下降。如何判斷不同服務(wù)是否兼容,需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型,研究干擾評(píng)估方法,并根據(jù)干擾計(jì)算結(jié)果和C/N的裕量,設(shè)定合理的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),以保證雙方業(yè)務(wù)的正常使用。研究可以從3個(gè)方面進(jìn)行:

(1)確認(rèn)已有的和新的潛在使用該頻段RDSS系統(tǒng)的技術(shù)特性;

(2)確認(rèn)使用該頻段的其它業(yè)務(wù)的技術(shù)特性;

(3)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行RDSS與其它業(yè)務(wù)的公用研究。

基于已有的頻率分配,根據(jù)ITU-RR Article 5的相關(guān)內(nèi)容,2 483.5～2 500MHz頻段主要用于固定(fixed)、移動(dòng)(mobile)、移動(dòng)衛(wèi)星(mobile-satellite)、無(wú)線電探測(cè)(radiolocation)和無(wú)線電測(cè)定衛(wèi)星服務(wù)等業(yè)務(wù),典型的系統(tǒng)包括美國(guó)的GLOBLE STAR、日本的VICS等。

根據(jù)業(yè)務(wù)分配,S頻段RDSS業(yè)務(wù)的全球擴(kuò)展需要完成的兼容性分析主要包括以下若干種類型,參見表1。表2給出了該頻段部分業(yè)務(wù)用于兼容性計(jì)算的發(fā)射特性參數(shù)。

表1 兼容性分析類型Table 1 Scenarios to be studied

表2 2 483.5～2 500 MHz頻段部分業(yè)務(wù)特性參數(shù)Table 2 Summary of characteristics of services and applications utilizing the 2 483.5～2 500MHz band

3.2.2 信號(hào)發(fā)射和鏈路傳輸特性

作為向ITU進(jìn)行頻率申報(bào)資料的一部分,S頻段RDSS信號(hào)發(fā)射特性和鏈路傳輸特性必不可少。信號(hào)發(fā)射特性主要包括信號(hào)發(fā)射帶寬、發(fā)射功率、帶外抑制、極化方式等,鏈路傳輸特性主要包括自由損耗、大氣損耗等,這些特性直接決定了與其它服務(wù)的兼容性。

通過(guò)兼容性分析,可以獲取S頻段RDSS業(yè)務(wù)與其它業(yè)務(wù)之間的干擾保護(hù)門限;基于保護(hù)門限和衛(wèi)星鏈路分析,確定滿足保護(hù)門限要求的RDSS全球業(yè)務(wù)的信號(hào)發(fā)射特性邊界條件,建立發(fā)射帶寬、發(fā)射功率、帶外抑制之間的相互約束關(guān)系。

3.2.3 “北斗”RDSS業(yè)務(wù)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

“北斗”系統(tǒng)已經(jīng)建成10余年,期間與周邊國(guó)家也進(jìn)行過(guò)多次頻率協(xié)調(diào)談判,解決了一些系統(tǒng)之間的相互干擾問(wèn)題。但由于S頻段全球擴(kuò)展帶來(lái)的干擾是一個(gè)新的技術(shù)問(wèn)題,首先需要考慮的是如何維持我國(guó)現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)先地位,使得“北斗”系統(tǒng)的RDSS業(yè)務(wù)不受由于其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用該頻段而帶來(lái)的有害干擾。

確定“北斗”RDSS業(yè)務(wù)的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題,需要對(duì)“北斗”系統(tǒng)接收機(jī)各個(gè)處理環(huán)節(jié)的損耗和失真進(jìn)行建模仿真,并分析不同類型干擾對(duì)信號(hào)捕獲、跟蹤、解調(diào)和測(cè)距的影響,最終通過(guò)定義最低系統(tǒng)性能保證,確定系統(tǒng)需要的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4 “北斗”全球系統(tǒng)使用S頻段關(guān)鍵技術(shù)

由于美、歐等對(duì)頻率資源的爭(zhēng)奪和獨(dú)占,“北斗”全球系統(tǒng)信號(hào)體制設(shè)計(jì)面臨非常嚴(yán)峻的國(guó)際形勢(shì),現(xiàn)狀是“如果不和GPS或GALILEO的授權(quán)信號(hào)存在頻譜重疊,“北斗”全球系統(tǒng)將面臨無(wú)頻率可用的尷尬局面”。在傳統(tǒng)L頻段的資源爭(zhēng)奪之中,我國(guó)“北斗”系統(tǒng)處于非常被動(dòng)的局面;而S頻段由于“北斗”現(xiàn)有系統(tǒng)的存在,我國(guó)在該頻段資源的爭(zhēng)奪之中具有明顯優(yōu)勢(shì),因此如何利用既有優(yōu)勢(shì),充分研究國(guó)際規(guī)則,盡早進(jìn)行全球系統(tǒng)S頻段信號(hào)體制設(shè)計(jì),將優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為“北斗”全球系統(tǒng)的獨(dú)占資源是目前非常迫切的任務(wù)。歐盟GALILEO系統(tǒng)和印度IRNSS系統(tǒng)均已完成該頻段的信號(hào)體制設(shè)計(jì),信號(hào)體制設(shè)計(jì)涉及頻點(diǎn)選擇、服務(wù)類型確定、調(diào)制方式、擴(kuò)頻碼設(shè)計(jì)等多個(gè)方面,“北斗”全球系統(tǒng)S頻段的信號(hào)體制設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)還是空白,無(wú)相關(guān)的研究成果可供借鑒。

從傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō),RDSS服務(wù)的分類主要包括開放服務(wù)、授權(quán)服務(wù)以及生命安全服務(wù)等,具體服務(wù)類型的定義需要從可能的應(yīng)用前景和用戶分布進(jìn)行分析;調(diào)制方式主要包括 BPSK、QPSK、BOC、MBOC[3]等多種類型,調(diào)制類型決定了頻譜的使用范圍;擴(kuò)頻碼速率的高低從一定程度上決定了測(cè)距精度的高低;信息速率的高低決定了信息容量的大小,同時(shí)從一定程度上決定了處理增益的大小,在擴(kuò)頻碼速率一定的條件下,信息速率越高,擴(kuò)頻增益越低;糾錯(cuò)方式主要包括 BCH、Turbo、卷積、LDPC 等方式,不同的設(shè)計(jì)可以獲取不同的糾錯(cuò)能力和糾錯(cuò)效率。

為了對(duì)所設(shè)計(jì)的信號(hào)體制進(jìn)行驗(yàn)證,必須研制中頻的軟件信號(hào)源和軟件接收機(jī)。中頻軟件信號(hào)源用于按照設(shè)計(jì)的信號(hào)體制生成中頻采樣后的RDSS/RNSS信號(hào);中頻軟件接收機(jī)用于接收仿真的中頻RDSS/RNSS信號(hào),完成捕獲、跟蹤、解調(diào)等過(guò)程,對(duì)信號(hào)體制的性能進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)束語(yǔ)

在得到世界主要國(guó)家和地區(qū)支持以及解決兼容性問(wèn)題的前提下,S頻段RDSS業(yè)務(wù)的全球擴(kuò)展是世界各國(guó)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源匱乏問(wèn)題的一種有效解決途徑。同時(shí),由于其與2.5G移動(dòng)通信業(yè)務(wù)頻率相近,使得S頻段RDSS頻率范圍相對(duì)L頻段衛(wèi)星導(dǎo)航頻率范圍相比,具備了先天的融合優(yōu)勢(shì),因此得到了廣泛的重視,歐盟和印度均對(duì)該頻段的使用展開了研究。

為確保我國(guó)對(duì)S頻段RDSS頻率范圍的使用優(yōu)勢(shì),建議展開相關(guān)的研究工作,確定兼容性分析方法和保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),完成我國(guó)RDSS業(yè)務(wù)全球擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)研究,為頻率和軌位申報(bào)奠定基礎(chǔ)。

[1] 譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.TAN Shu-sen.Satellite Navigation Engineering[M].Beijing:National Defense Industring Press,2007.(in Chinese)

[2] Working document towards draft CPM text on WRC-11 agenda item 1.18[Z].[S.l.]:ITU Study Groups,2007.

[3] Rodriguez J,Wallner S,Hein G,et al.MBOC:The new Optimized Spreading Modulation Recommended for Galileo L1 OS andGPS L1C[C]//Proceedings of 2006 IEEE/ION Position,Location,and Navigation Symposium.San Diego,CA:IEEE,2006:883-892.