周自力，李　銳，王建強，唐　越，冉妮虹，唐萬斌

(1.中國民用航空局第二研究所，成都 610041；2.電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，成都 611731)

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局域增強系統(tǒng)臺站最小保護間隔的計算*

周自力1，李銳1，王建強1，唐越2，冉妮虹2，唐萬斌2

(1.中國民用航空局第二研究所，成都 610041；2.電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，成都 611731)

針對局域增強系統(tǒng)(LAAS)的頻率指配問題，提出了一種基于頻率保護服務區(qū)的頻率指配方法。根據(jù)LAAS頻率保護服務區(qū)的定義，在機載接收機信號干擾比要求的基礎上，結合無線電傳播模型和空間幾何關系，詳細描述了計算LAAS臺站間最小保護間隔的方法。計算結果與美國聯(lián)邦航空局(FAA)的規(guī)范吻合，為LAAS設備的頻率指配提供了簡單有效的計算方法。該方法可有效提高導航頻率資源利用率，解決頻率資源短缺的問題。

全球定位系統(tǒng)；局域增強系統(tǒng)；頻率指配；頻率保護服務區(qū)；最小保護間隔

1　引　言

全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,GPS)已廣泛應用于海、陸、空、天等軍事領域，并不斷延伸到民用航空導航領域。然而，GPS導航系統(tǒng)很難滿足現(xiàn)代航空對定位精度、連續(xù)性和完善性的要求[1-3]。為了確保嚴格的飛行安全，美國聯(lián)邦航空局(FederalAviationAdministration,FAA)提出了地基增強系統(tǒng)，即局域增強系統(tǒng)(LocalAreaAugmentationSystem,LAAS)，支持民用航空器實現(xiàn)高精度進離場和精密進近[4]。國際民航組織(InternationalCivilAviationOrganization,ICAO)稱其為地基增強系統(tǒng)(GroundBasedAugmentationSystem,GBAS)。

近年來，我國民航運輸生產(chǎn)保持了較快的增長勢頭。航空器、機場、航路和管制扇區(qū)的數(shù)量不斷增加，各機場對航空導航頻率的需求量迅速增長，使得導航頻率的使用日益緊張。因此，在LAAS臺站間進行頻率復用成為解決頻率資源短缺的有效途徑，高效的頻率指配方法也成為保障我國民航健康發(fā)展的重要技術手段。

為了提高頻率利用率，需要保證LAAS臺站安全運行的前提下，盡可能縮小臺站間的地理間隔，同時還需要保證周邊的LAAS臺站不受干擾地工作。目前，F(xiàn)AA已對LAAS/LAAS的最小保護間隔進行了規(guī)定[5]。但文獻[5]中的查找表只給出了部分情況下的地理間隔標準，沒有給出相應的原理方法。另外，最小保護間隔與臺站的發(fā)射功率和頻率保護服務區(qū)(FrequencyProtectedServiceVolume,FPSV)的范圍有關，文獻[5]對此沒有作出說明。

針對上述查找表的問題，本文將在FAA規(guī)定的FPSV基礎上，提出一種通過合理劃設頻率保護服務區(qū)的LAAS臺站間最小保護間隔的計算方法。該方法對有關LAAS的不同應用場景，根據(jù)需要滿足的信號干擾比要求來確定同頻和第一鄰頻的最小保護間隔。本文給出了不同功率和不同F(xiàn)PSV范圍下的最小保護間隔的曲線，計算結果與美國聯(lián)邦航空局的規(guī)范吻合，為LAAS設備的頻率指配提供了簡潔快速的計算方法。

2　局域增強系統(tǒng)主要性能要求

2.1頻道分配

依據(jù)FAA標準，LAAS計劃的工作頻段為112.050～117.950MHz。但為了保護鄰近的空/地語音通信，實際可分配給LAAS系統(tǒng)的工作頻段為112.050～ 117.150MHz。LAAS頻道方案采用50kHz頻率，即第一鄰頻為50kHz。因此，可指配的頻道為112.050～117.150MHz，共有103個頻道。

2.2頻率保護服務區(qū)

頻率保護服務區(qū)描述了導航設備提供有效導航服務的空間范圍。LAAS的FPSV定義為一個覆蓋范圍高達3 048m、半徑為23nmile的圓柱體，其可選覆蓋范圍達到6 096m，如圖1所示。

圖1LAAS設備的FPSV

Fig.1FPSVofLAASfacility

2.3信號干擾比要求

在LAAS臺站間最小保護間隔分析中，主要考慮的指標是航空器接收機輸入端的期望信號和干擾信號的功率比值，簡稱為信號干擾比(DesiredtoUndesired,D/U)。D/U描述了航空器接收機的靈敏度需求，是航空器在其相應FPSV內必須滿足的關鍵性能指標。

不同導航設備按同頻和鄰頻都有其各自相應的D/U比要求。根據(jù)FAA標準，在LAAS設備的FPSV中，航空器接收機的D/U至少要滿足表1的要求[5]。根據(jù)這些D/U要求，通過在地理上分處于同頻或鄰頻的多個LAAS設備，達到既保護這些設備的服務要求，又可實現(xiàn)頻率復用，提高頻譜效率的目的。

表1航空器的D/U標準

Tab.1D/Urequirementsforaircraft

信號干擾類型(D/U)/dB同頻+26第一鄰頻(50kHz)-46

3　傳播模型

傳播模型采用國際電信聯(lián)盟的建議P.525，即自由空間傳播模型。自由空間傳播損耗的計算公式如下：

PLFS=37.8+20lg(f)+20lg(d)。

(1)

式中：PLFS為自由空間的傳播損耗(單位dB)；f為頻率(單位MHz)；d為傳播距離(單位nmile)。

與自由空間的傳播相比，無線電波在甚高頻和特高頻頻段中的傳播要受到若干附加條件的制約。為此，引入無線電地平線距離的概念以增加該模型的適用性，如圖2所示。

圖2無線電地平線與物理地平線

Fig.2Radiohorizonandphysicalhorizon

可以使用下面的公式計算發(fā)射機和接收機之間的無線電地平線距離：

(2)

式中：dRH是發(fā)射機和接收機之間的無線電地平線距離(單位nmile)；hTX是發(fā)射機距離地球表面的高度(單位m)；hRX是接收機距離地球表面的高度(單位m)。

根據(jù)收發(fā)機間距和無線電地平線距離的大小關系，需按以下方法進行計算：如果發(fā)射機和接收機之間的實際距離d小于無線電地平線的距離dRH，則用公式(1)計算自由空間傳播損耗；如果發(fā)射機和接收機之間的實際距離d大于無線電地平線的距離dRH，則用下面的公式計算總的傳播損耗：

PL=37.8+20lg(f)+20lg(dRH)+a·(d-dRH)。

(3)

式中：f為頻率(單位MHz)；d為距離(單位nmile)；在頻段108～137MHz，a=0.5dB/nmile。

4　保護間隔計算方法

如前所述，計算兩個LAAS臺站間的地理位置間隔，是為了在保護設備能有效提供導航服務的同時，通過頻率復用達到提高頻譜效率的目的。下面將采用FPSV這個核心概念，詳細給出有關LAAS臺站間最小保護間隔的計算方法。

4.1計算模型

如圖3所示，設需要保護的信號干擾比為D/U，其中干擾信號來自同頻或鄰頻。圖中，Pd為期望臺站的發(fā)射功率(dBm)；Pu為干擾臺站的發(fā)射功率(dBm)；R為期望臺站FPSV的半徑(nmile)，H為關鍵點處接收機的高度(m)；Ld為期望臺站到接收機的距離(nmile);Lu為干擾臺站到接收機的距離(nmile)；D/U為需要滿足的信號干擾比；PRx,d為接收機處期望信號的功率(dBm)，PRx,u為接收機處干擾信號的功率(dBm)；Du為干擾臺站到接收機水平方向的距離(nmile)；S為期望臺站與干擾臺站的地理間隔(nmile)。

圖3計算地理間隔的幾何關系示意圖

Fig.3Geometricalrelationshipdiagramofgeographicalseparationcomputation

為保證LAAS能有效覆蓋整個頻率保護服務區(qū)，需要找出服務區(qū)內信號干擾功率比最小的點，稱為關鍵點[5]。關鍵點表示航空器距離期望設備最遠同時距離干擾設備最近的位置，即關鍵點位于期望臺站FPSV的最遠邊緣，如圖3中接收機的位置。這樣，就可以根據(jù)表1的D/U要求和第3節(jié)的傳播模型計算LAAS/LAAS臺站間的最小保護間隔。

4.2計算方法

對于任何希望計算最小保護間隔的目標設備，都應首先按照公式(2)確定無線電地平線的距離。根據(jù)幾何關系，并注意單位轉換，可得到期望臺站到關鍵點的距離

(4)

可以看到，垂直高度相對于水平距離可以忽略不計。由此可計算出期望臺站到關鍵點處的傳播損耗

(5)

通常情況下，Ld

PRx,d=Pd-PLd。

(6)

根據(jù)要求的信號干擾比，可以得到干擾臺站到關鍵點處的傳播損耗

PLu=Pu-PRx,u=Pu-PRx,d+D/U。

(7)

接下來計算干擾臺站到接收機水平方向的距離Du。為方便計算，可先設定參考距離d0，并根據(jù)式(3)有

PLu=37.8+20lg(f)+20lg(dRH)+a·(d0-dRH)。

(8)

變換得到

d0=(PLu-37.8-20lg(f)-20lg(dRH)+a·dRH)/a。

(9)

于是，干擾臺站到關鍵點的距離

(10)

根據(jù)幾何關系，并注意單位轉換，得到干擾臺站到關鍵點水平方向的距離

(11)

同樣，垂直高度相對于水平距離可以忽略不計。因此，可得到臺站間的地理間隔

S=Du+R。

(12)

4.3計算結果與比較

對應于表1要求的D/U，采用上述計算方法可以得到有關期望臺站功率和FPSV范圍的最小保護間隔曲線。其中，圖4給出了LAAS/LAAS的最小保護間隔與期望臺站發(fā)射功率(干擾臺站功率為47dBm)之間的關系。隨著期望臺站的功率增加，地理位置間隔將減小，在同頻時，最小保護間隔隨期望臺站功率呈線性變化；在鄰頻時，由于D/U要求降低為-46dB，只要少量的間隔即可達到此要求，其最小地理間隔值略大于期望臺站FPSV的半徑值。

(a)同頻D/U：+26 dB

(b)第一鄰頻D/U：-46 dB

圖4LAAS/LAAS有關期望臺站功率的地理間隔(干擾臺站功率47dBm)

Fig.4GeographicalseparationasafunctionofdesiredstationpowerforLAAS/LAAS

圖5給出了LAAS/LAAS(期望臺站和干擾臺站等功率，均為47dBm)的最小保護間隔與FPSV高度之間的關系。由于關鍵點距離期望臺站越遠，期望信號傳播損耗越大，因此隨著服務空間范圍的增加，地理位置間隔將越大。在鄰頻時，同樣由于D/U要求降低為-46dB，只要少量的間隔即可達到此要求，因此最小地理間隔值與FPSV關系不大，略大于服務保護區(qū)的半徑值。

(a)同頻D/U：+26 dB

(b)第一鄰頻D/U：-46 dB

圖5LAAS/LAAS有關FPSV高度的地理間隔(臺站功率均為47dBm)

Fig.5GeographicalseparationasafunctionofFPSVheightforLAAS/LAAS

需要注意的是，期望臺站和干擾臺站地位等同。在實際計算中，應將有關的所有臺站作為期望臺站進行輪換分析，并按上述方法計算，最終結果取所有計算結果的最大值。

根據(jù)上述得到的計算結果可以和FAA已有的表規(guī)范進行對比，如表2所示。

表2最小保護間隔計算結果及FAA表規(guī)范

Tab.2CalculationresultsandFAAtableregulationofminimumprotectedseparation

信號干擾類型高度/m最小保護間隔/nmile計算結果FAA查找表同頻30481691596096214206第一鄰頻304824609624無要求注:計算結果基于LAAS發(fā)射功率為50W(47dBm);所有結果向上取整。

從表2可以看出:同頻的LAAS/LAAS結果基本等于FAA表規(guī)范的保護間隔，與規(guī)范吻合;同時本文的計算方法可以提供在規(guī)范中未定義的第一鄰頻應用場景。

5　結束語

本文提出了一種LAAS設備最小保護間隔的計算方法，在保護設備有效提供導航服務的同時，通過頻率復用達到提高頻譜利用率的目的。該方法通過對頻率保護服務區(qū)的合理劃設，根據(jù)要求的信號干擾比對LAAS/LAAS臺站間的最小保護間隔進行計算，并給出有關功率和FPSV范圍的地理間隔曲線。該方法簡單有效，為基于LAAS導航設備臺站間保護間隔的頻率指配提供了一種新的方法。

本文雖然只對LAAS設備間同頻和第一鄰頻的地理間隔進行了討論，但事實上，該方法對于其他導航設備也同樣適用，如甚高頻全向信標(VeryHighFrequencyOmnidirectionalRange,VOR)、儀表著陸系統(tǒng)(InstrumentLandingSystem,ILS)、測距儀(DistanceMeasuringEquipment,DME)等。與FAA不同，ICAO標準的GBAS系統(tǒng)中規(guī)定的工作頻段定于108.000～117.950MHz，其中涵蓋了ILS的工作頻段，為了保證ILS與LAAS之間互不干擾，未來需要進一步研究兩種設備的D/U要求，并尋求更加符合導航信道特性的傳播模型。

[1]馬霞,王永勝.SINS/GPS/TACAN機載綜合導航定位系統(tǒng)設計[J].電訊技術,2011,51(4):16-20.

MAXia,WANGYongsheng.DesignofanairborneintegratednavigationandlocationsystembasedonSINS/GPS/TACAN[J].TelecommunicationEngineering,2011,51(4):16-20.(inChinese)

[2]甘興利.GPS局域增強系統(tǒng)的完善性監(jiān)測技術研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

GANXingli.ResearchontheintegritymonitoringofGPSlocalareaaugmentationsystem[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2008.(inChinese)

[3]REDDYAS,JHANSIB,SARMAAD.AnalysisoffutureLAAS‘a(chǎn)vailability’athyderabadstationforprecisionApproachofaircraft[C]//Proceedingsof2012AnnualIEEEIndiaConference(INDICON).Kochi,India:IEEE,2012:865-868.

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[5]FederalAviationAdministration.SpectrumManagementRegulationsandProceduresManual:Order6050.32B[S].NewJersey,USA:DepartmentofTransportaion,2005.

周自力(1971—)，男，重慶人，1993年于上海交通大學獲雙學士學位，現(xiàn)為中國民用航空局第二研究所高級工程師，主要從事航空通信導航監(jiān)視技術研究工作;

ZHOUZiliwasborninChongqing,in1971.HereceivedthedualB.S.degreesfromShanghaiJiaotongUniversityin1993.Heisnowaseniorengineer.Hisresearchconcernsaviationcommunication,navigationandsurveillancetechnology.

Email：zzlemail@163.com

李銳(1968—)，女，四川成都人，1999年于中國科學院成都計算所獲工學碩士學位，現(xiàn)為中國民用航空局第二研究所高級工程師，主要從事航空通信導航監(jiān)視技術等領域的研究工作;

LIRuiwasborninChengdu,SichuanProvince,in1968.ShereceivedtheM.S.degreefromInstituteofComputerApplication,ChineseAcademyofSciencesin1999.Sheisnowaseniorengineer.Herresearchconcernsaviationcommunication,navigationandsurveillancetechnology.

王建強(1977—)，男，山西沁縣人，2001年于四川大學獲工學學士學位，現(xiàn)為中國民用航空局第二研究所工程師，主要從事計算機應用、航空無線電導航頻率工程等方面的研究;

WANGJianqiangwasborninQinxian,ShanxiProvince,in1977.HereceivedtheB.S.degreefromSichuanUniversityin2001.Heisnowanengineer.Hisresearchconcernscomputerapplication,aeronauticalnavigationalaidfrequencyengineering.

唐越(1990—)，男，湖南益陽人，2013年于湖南科技大學獲學士學位，現(xiàn)為電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室碩士研究生，主要從事無線通信算法及信道建模的研究;

TANGYuewasborninYiyang,HunanProvince,in1990.HereceivedtheB.S.degreefromHunanUniversityofScienceandTechnologyin2013.Heisnowagraduatestudent.Hisresearchconcernssignalprocessingalogrithmsandchannelmodelingforwirelesscommunicationsystems.

Email:tangyue1080@163.com

冉妮虹(1993—)，女，四川廣元人，2015年于西南交通大學獲學士學位，現(xiàn)為電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室碩士研究生，主要從事通信網(wǎng)絡、無線通信系統(tǒng)的研究;

RANNihongwasborninGuangyuan，SichuanProvince,in1993.ShereceivedtheB.S.degreefromSouthwestJiaotongUniversityin2015.Sheisnowagraduatestudent.Herreserchconcernscommunicationnetworkandwirelesscommunicationsystems.

唐萬斌(1973—)，男，重慶人，2013年于電子科技大學獲博士學位，現(xiàn)為電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室研究員，主要從事無線移動通信研究工作。

TANGWanbinwasborninChongqing,in1973.HereceivedthePh.D.degreefromUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinain2013.Heisnowaseniorengineerofprofessor.Hisresearchconcernswirelessandmobilecommunication.

CalculationofMinimumProtectedDistancebetweenNavigationFacilitiesforLocalAreaAugmentationSystem

ZHOUZili1,LIRui1,WANGJianqiang1,TANGYue2,RANNihong2,TANGWanbin2

(1.TheSecondResearchInstituteofCivilAviationAdministrationofChina,Chengdu610041,China;2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonCommunications,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731，China)

FocusingonthefrequencyassignmentproblemofLocalAreaAugmentationSystem(LAAS),thispaperproposeamethodbasedontheconceptofFrequencyProtectedServiceVolume(FPSV).Usingtheradiopropagationmodelandspacegeometricalrelationship,itdescribesthealgorithmofcalculatingtheminimumprotecteddistancebetweenthenavigationfacilities,whichcanguaranteetherequiredsignal-to-interferenceratioofairbornereceiversinFPSV.ThenumericalcalculationresultmatcheswellwiththeregulationgivenbyFederalAviationAdministration(FAA),andthemethodisprovedtobesimpleandefficientforfrequencyassignmentonLAASfacilities.Sotheproposedmethodcanimprovespectralefficiencyandsolvethespectrumscarcityproblem.

globalpositioningsystem;localareaaugmentationsystem；frequencyassignment；frequencyprotectedservicevolume；minimumprotecteddistance

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.008

2016-03-03；

2016-05-10Receiveddate:2016-03-03；Reviseddate：2016-05-10

國家自然科學基金資助項目(61271169)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(ZYGX2014Z005);民航安全能力建設項目(TMSA1510)FoundationItem：TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61271169)；TheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(ZYGX2014Z005)；CivilAviationSecurityCapacityBuildingProject(TMSA1510)

V249

A

1001-893X(2016)09-0995-05

引用格式：周自力，李銳，王建強,等.局域增強系統(tǒng)臺站最小保護間隔的計算[J].電訊技術，2016,56(9):995-999.[ZHOUZili,LIRui,WANGJianqiang,etal.Calculationofminimumprotecteddistancebetweennavigationfacilitiesforlocalareaaugmentationsystem[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):995-999.]

**通信作者：tangyue1080@163.comCorrespondingauthor：tangyue1080@163.com