北斗衛星導航系統信號設計的進展及發展趨勢

● 文| 清華大學 陸明泉 姚錚 張嘉怡 郭甫 魏禎怡

北斗衛星導航系統信號設計的進展及發展趨勢

● 文| 清華大學 陸明泉 姚錚 張嘉怡 郭甫 魏禎怡

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統）全球系統的信號設計是我國第二代衛星導航系統建設中的一項重要任務。頻率資源的限制、GNSS兼容與互操作的要求以及不斷增長的定位、導航與授時（PNT）服務需求，給北斗系統全球系統的信號設計工作帶來了嚴峻的挑戰。經過數年的不懈努力，我國在信號設計方面取得了重要進展，提出了多個技術水平先進、富有創新性的信號設計方案，為建設具有中國特色、世界先進的北斗系統全球系統提供了重要的技術支撐。

一、引言

眾所周知，全球導航衛星系統（GNSS）由控制段、空間段和用戶段構成。這三個組成部分既相對獨立又相互聯系，而衛星導航信號則是同時在控制段、空間段和用戶段之間建立聯系的核心鏈路，在GNSS中具有十分重要的地位。首先，衛星導航信號是控制段與空間段之間的一個重要反饋鏈路，因此導航信號的潛在性能在很大程度上決定了導航系統的先天性能。其次，衛星導航信號是空間段與用戶段之間的唯一接口，因此衛星導航信號的優劣直接關系到系統的定位和授時能力能否通過用戶接收機得到充分的發揮，直接影響到用戶的服務質量。進一步來看，由于衛星導航接收機的唯一處理對象是衛星導航信號，因此，導航信號設計水平也在很大程度上決定了衛星導航系統的應用推廣和產業化。由此可見，衛星導航信號不但是GNSS系統建設的重要內容，也是衛星導航應用的關鍵。

在衛星導航系統發展的初期及相當長的一個時期，導航信號的設計通常都是采用已有的成熟技術。以子午儀（Transit）為代表的第一代衛星導航系統的信號設計直接借鑒了雷達的脈沖多普勒測距技術，只能實現不連續的二維定位，且更新速率低、定位精度差。20世紀70年代，以GPS為代表的第二代衛星導航系統開始建設，其唯一的民用信號即L1 C/A碼信號雖然采用當時最先進的直接序列擴頻/二進制相移鍵控（DSSS/BPSK）調制技術，但沒有充分考慮衛星導航系統的特殊性，并且對未來可能出現的服務需求估計不足，基本上照搬了衛星通信中的信號設計方案，測距碼的碼片速率也相對較低（1.023MHz），電文結構、信道編碼也比較簡單。

一直到20世紀90年代，隨著GPS的投入使用，導航信號的性能潛力不斷被后續涌現的先進接收處理技術所充分發掘，其局限性也逐步顯現。學術界和工業界才意識到衛星導航性能的進一步提升迫切需要針對衛星導航系統的特點在信號設計方面更新理念、引入新的技術。因此，新型導航信號的設計成為GPS現代化和Galileo建設中十分重要的內容，逐漸引入了針對衛星導航系統特點和應用需求的多樣化設計理念，開發了不少新技術。典型的例子是，在GPS和Galileo信號設計中提出了頻譜向中心頻點兩邊分裂的二進制偏移載波（BOC）擴頻調制技術，在保證與早期信號共用載波中心頻點的同時，避免了系統間的頻譜干擾；并且，信號能量向以載波頻率為中心的上下邊帶分裂的頻譜可以帶來更大的Gabor帶寬，提高了導航信號的潛在碼跟蹤精度［1］。在此基礎上，MBOC與AltBOC等改進技術以及導頻與數據分離的新結構等，都充分顯示了衛星導航信號的特色，并進一步提升了導航信號的接收和測距性能。

目前，我國的北斗區域系統已經建成并順利投入使用，并正在開始建設全球系統。在BDS區域系統的建設和應用過程中，對導航信號的重要性有了新的認識，也在衛星導航信號的設計方面積累了寶貴的工程實踐經驗，但現有的導航信號也存在著不少的局限性，如軍民信號頻譜重疊、電文速率過快、編碼增益較低等。

在當今世界上其它幾大全球導航系統幾乎完成信號部署的背景下，北斗全球系統信號設計面臨更多的挑戰。不斷增長的定位服務需求對全球系統信號的測距精度與服務的穩健性提出了更高的要求，而且GPS和Galileo系統利用先發優勢搶占了導航頻段中有利的頻率資源，并通過對核心技術的專利保護以及雙邊談判制定規則等方式，給北斗信號體制的設計帶來了諸多制約。

目前，在GPS一家獨大并持續進行現代化改進、GLONASS迅速復興、Galileo力圖通過技術優勢后發制人的條件下，北斗全球系統為能在不遠的將來取得后發優勢，迫切需要在系統建設和應用的核心技術方面取得全方位的突破。其中，作為衛星系統的標志性技術，導航信號的設計在北斗全球系統的關鍵技術中有十分重要的地位，理論性強、涉及面廣，對系統的性能和應用推廣的影響大，因此無論是在技術創新還是在自主知識產權等方面，都對北斗全球系統的設計提出了新的要求。設計高性能、具有北斗特色且具有自主知識產權的導航信號成為北斗全球系統建設的一項緊迫任務。

二、北斗全球系統信號設計中的新技術

鑒于導航信號在導航系統中的重要性，我國對北斗全球系統的信號設計給予了高度重視，聯合了國內的優勢力量開展了關鍵技術攻關。在過去的幾年里，國內學術界和工業界面對北斗全球系統信號設計來自頻率資源、系統間的兼容性與互操作、知識產權等方面的嚴苛約束，以及日益細化和更高性能的服務需求，經過不懈地努力，出現了多種具有北斗特色的創新性技術。

1.QMBOC

為了提供與其它系統更好的互操作能力，北斗全球系統的民用信號B1C的中心頻率設在1575.42MHz，與GPS L1和Galileo E1頻點重疊。可以預計，未來各系統在該頻點的公開服務信號都將會是主要的民用導航定位業務的承載信號。因此，在B1C信號的設計過程中，既需要與同一頻點其他信號滿足射頻兼容性要求，保證與GPS L1C信號和Galileo E1 OS信號的互操作能力，又應盡量具有高的測距精度和穩健性，同時支持多種不同的接收處理策略，能為高中低端接收機在定位性能和復雜度上提供多個平衡點；此外，出于知識產權的考慮，發射與接收基本方式應當可以規避歐美專利封鎖。

如果拋開知識產權問題不論，GPS L1C所使用的時分復用BOC（TMBOC）是一種滿足B1頻點設計要求的調制技術。但該技術由英國國防部下屬公司申請了專利保護，并已于2013年在中國獲得了授權。根據專利法的規定，英國有權向發射TMBOC的衛星制造商以及使用TMBOC信號的接收機、芯片制造商收取專利使用費，或者禁止這些單位使用相關專利技術［3］。這為北斗未來的導航產業發展帶來一定的潛在威脅。

正交復用BOC（QMBOC）技術［4］的出現打破了在B1C信號設計中面對的專利壁壘。QMBOC將BOC（1，1）信號與BOC（6，1）信號分量分別調制在載波的兩個彼此正交的相位上，不僅避免了兩分量之間互相關分量的影響，而且規避TMBOC以及CBOC的專利問題。QMBOC的功率譜與TMBOC相同，并且同樣可以采用類BOC（1，1）的低復雜度接收模式以及高性能匹配接收模式，與GPS和Galileo系統在同一頻段的公開服務信號有很好的兼容性與互操作性［5］。

在接收性能方面，TMBOC與QMBOC在匹配接收時有相同的Gabor帶寬，從而具有相同的捕獲、跟蹤性能；而在非匹配接收下，QMBOC的捕獲、跟蹤靈敏度均優于TMBOC［5］。

此外，與TMBOC相比，QMBOC在收、發的靈活性方面同樣具有優勢。在播發靈活性方面，QMBOC中的BOC（6，1）分量與BOC（1，1）分量相位正交，允許未來BOC（6，1）在QMBOC總信號中的比重靈活調整，而不會影響到已經生產的接收機結構；而TMBOC由于將BOC（6，1）分量放置在一些特定的時隙內，因此一旦使用，未來不能更改BOC（6，1）的比重或者取消BOC（6，1）分量。在接收方面，QMBOC中的BOC（6，1）分量與BOC（1，1）分量相位正交，便于中低端接收機只處理信號中的BOC（1，1）分量，獲得與GPS L1C和Galileo E1 OS信號高度互操作能力；對于高端接收機，則可以額外接收BOC（6，1）分量以改善多徑性能。

2.TD-AltBOC與ACE-BOC

為了支持與GPS L5和Galileo E5之間的互操作，BDS全球系統將在B2頻段的兩個中心頻點——B2a（1176.45MHz）和B2b（1207.14MHz）上播發寬帶信號。信號應具有較高的測距性能和抗頻帶內干擾的能力。兩個載波中心頻點的信號應在發射端復用成一個恒包絡信號，以節約載荷資源，并盡可能降低復用損失。此外，這種合并使B2信號在接收機端既可以看作為兩組QPSK（10）信號分別接收，又為未來的高端接收機提供超寬帶接收的可能。另外重要的一點是，信號方案應具有自主知識產權。

時分AltBOC（TD-AltBOC）［6］是具有自主知識產權的一種調制技術，為了降低發射機的實現復雜度，其每一邊帶的數據、導頻分量采用時分復用技術形成一路二值信號，之后使用2分量AltBOC技術［2］進行合并發射。

非對稱恒包絡BOC（ACE-BOC）［7］［8］同樣是一種具有自主知識產權，且滿足北斗B2頻點信號設計要求的新技術，其數據和導頻分量正交放置，組成信號分量支持任意的功率配比，具有很高的設計靈活性。

TD-AltBOC由于時分復用中不引入額外的交調信號，在寬帶匹配接收時具有接近100%的復用效率。相比于ACE-BOC，TD-AltBOC的發射機實現較為簡單。但其所使用的時分復用導致B2信號有效擴頻序列長度減小，互相關性能惡化，且擴頻序列的非理想互相關特性可能會造成碼跟蹤的固有偏差［9］［10］［11］。而且TD-AltBOC的接收機為了避免50%的相關后信噪比損失，需要將每一邊帶當作TD-QPSK信號來處理。而L5與E5a、E5b信號均可直接當作QPSK信號接收。因此，對于多系統接收機，對B2/L5/E5頻段的接收，TD-AltBOC信號與其它信號無法使用相同架構的相關器通道。與同頻點GPS L5，Galileo E5信號的互操作性略差。

ACE-BOC技術則通過將每一邊帶的數據和導頻分量正交放置，避免了時分復用所帶來的上述問題。而且進一步，ACE-BOC能夠將更多的功率分配于導頻通道，提高偽距與載波測量的精度以及低信噪比下捕獲跟蹤的穩定性。當ACE-BOC信號在B2a，B2b兩個頻點的導頻分量的功率為數據分量功率的3倍時，與AltBOC和TD-AltBOC相比，可將熱噪聲下的跟蹤門限降低1.8dB［8］。ACE-BOC的數據、導頻分量正交放置，確保信號的后向兼容能力，方便發射方案的隨時調整，而不會對已經投入使用的接收機產生影響。此外，正交放置的信號與GPS和Galileo在同一頻段的信號具有高度互操作能力，能更好的支持未來的北斗+GPS+Galileo三系統接收機的設計架構。在生成復雜度上，ACE-BOC信號的低復雜度實現方式具有與AltBOC相同的時鐘速率與電路結構。

3.雙QPSK

B3頻點位于1268.52MHz，將主要用于部署北斗全球階段的軍用信號，在保持現有B3信號長期播發的同時，增加現代化的軍用信號B3A。雙QPSK是一種具有自主知識產權的星上復用技術，能夠解決B3頻點兩個BOC（15，2.5）和QPSK（10）在星上發射機中等功率合并的需求，其中BOC（15，2.5）有正交的數據、導頻通道。推廣的雙QPSK能夠對靈活控制合并信號的功率，能夠實現兩個類QPSK信號的任意功率比恒包絡合并，且能得到優化的解析實現和最大化的功率效率，解決B3頻點平穩過渡的需求。

三、信號設計發展趨勢

近年來隨著信號設計、接收機實現及其他衛星導航相關技術的發展迅速，我們很難預測未來衛星導航信號設計的走向。然而，基于提升導航性能這一本質需求，可以從導航信號的幾個基本要素著眼，對未來信號設計的發展趨勢進行展望。

1.先進的擴頻調制與復用技術

基于目前L頻段頻譜擁擠的現狀，下一代導航信號的頻譜將逐漸向中心頻率兩邊分裂已成為廣泛接受的趨勢。同時，數據、導頻的分離與定位服務的細化導致播發信號個數持續增加。頻率資源受限以及發射功率受限的現狀對擴頻調制和復用設計提出了苛刻的要求。在現有MBOC，ACE-BOC等復雜調制技術中，擴頻調制波形設計與多路信號的功率分配、復用效率耦合，使得調制、復用聯合設計和優化能夠取得更優秀的性能，同時帶來更大的靈活性，以適應系統平穩過渡階段信號切換的需求。

2.載波頻段擴展到S頻段和C頻段

ITU在2011年為無線電導航衛星服務（RNSS）的下行導航信號分配的公共導航頻段包括L頻段、S頻段和C頻段。隨著L頻段的頻譜擁擠問題日益加劇，未來在S頻段，C頻段播發衛星導航信號將是信號體制設計的發展的最終趨勢。

S頻段指2483.5MHz ～ 2500MHz 的頻段，已被ITU開放用于無線電測定衛星服務（RDSS）。北斗衛星導航系統的RDSS、印度IRNSS的衛星導航信號將使用這一頻段。S頻帶信號與L頻段信號組合可以提升RNSS服務的綜合性能。然而，由于S頻段只有16.5MHz的帶寬，單一的S頻段信號難以超越L頻帶信號的性能；Globalstar、WIMAX的系統間干擾也是S頻段導航應用需要考慮的問題。

C頻段指的是5010MHz ～ 5030MHz的20MHz頻段。導航衛星信號使用C頻段具有顯著的優勢。C頻段載波波長約6cm（1575.42MHz的L1頻段信號為19cm），使得測距的精度更高，天線尺寸更小。C頻段具有較小的電離層傳播誤差，能提供非常精確的單頻服務，與L頻段的偽距組合能夠更好的消除電離層時延。C頻段的載波相位多徑誤差更小，利用載波進行偽距平滑的效果更好，且由熱噪聲引起的相位跟蹤誤差更小。GNSS信號使用C頻段的劣勢在于，其相比于L頻段有較為嚴重的自由空間損耗和大氣損耗、載波相位噪聲、多普勒頻移不確定性和載波跟蹤的周跳發生概率。

基于C頻段的特性，其適合用于播發軍用和授權信號。首先，C頻段沒有其他信號的交疊干擾，信號受電離層和無意干擾的影響較小，而較大的自由空間傳輸損耗也使得惡意干擾的難度更高。同時，較之普通民用接收機，對成本與功耗敏感度略低的軍用接收機能更有效的克服C頻段信號處理的負面影響。此外，在C頻段播發下行導航信號能滿足高精度等GNSS高端需求，并且在L頻段信號性能被有意或無意干擾而降低的情況下，仍可以獨立支持GNSS導航和定位服務，增強整個GNSS系統的服務穩健性。這使得研究和開發C頻段導航資源受到越來越多的重視。

3.與PNT體系的兼容

隨著衛星導航系統的建設日趨完善，導航定位服務的應用領域和規模的多元化蓬勃發展，傳統的單一衛星定位將逐漸過渡到融合了移動通信、互聯網等多種信息來源的定位、導航與授時（PNT）體系。美國在GPS現代化進程的同時，也在推進面向2025年的國家PNT體系研究。在電子設備日趨集成化、智能化的前提下，以衛星導航為基礎，加入包括地基導航、無線電授時、無線通信、信息網絡以及慣性器件、片上原子鐘等信息與服務的來源，能夠在更廣的服務區域提供更好的PNT服務。可以預見，為了發揮PNT體系中的核心地位，下一代北斗系統的建設中將需要在導航信號的設計方面有所作為，為多系統的融合、增強提供必要的條件。這對未來北斗導航系統的信號設計提出了更高的要求。

四、結束語

在衛星導航系統的建設和應用已經走過的半個多世紀中，衛星導航信號始終貫穿著整個衛星導航發展的歷程。盡管在衛星導航系統發展的早期，衛星導航信號的設計尚未引起足夠的重視，但隨著傳統GNSS的現代化和新興導航系統的建設，衛星導航信號的設計已經成為新一代GNSS建設和應用的重點，也已經成為學術界和工業界的一個研究熱點。令人欣慰的是，經過近10多年的研究，衛星導航信號的設計已經逐步擺脫了雷達信號和通信信號的影響，走上了獨立的發展道路，出現一批既有衛星導航的鮮明特色、又有更好的定位、授時性能的新信號，標志著衛星導航信號的發展進入了一個新時代。實際上，導航信號已經成為衛星導航技術發展、衛星導航系統更新換代的標志性符號。

鑒于衛星導航信號在系統建設、應用推廣和產業化中的重要地位，也為了能在未來的國際衛星導航競爭的格局取得有利地位，向全世界用戶展現北斗全球系統設計的技術水平，我國對北斗全球系統的信號設計給予了高度的重視。面對頻率資源受限，典型技術手段存在專利保護等一系列不利因素，國內學術界和工業界經過幾年的不懈努力，提出了多種具有北斗特色的創新性技術，初步展示了展示北斗全球系統的設計水平，有效規避了歐美在信號體制上的專利陷阱，可望在我國北斗全球系統建設和衛星導航產業發展中起到重要的作用。此外，我國衛星導航信號設計的研究進展也在國際學術界引起了廣泛的關注，提升了我國在衛星導航領域的學術地位。

當然，北斗全球系統的建成并不意味著衛星導航設計的結束。在可以預見的未來，北斗系統和其他GNSS系統一樣，系統建成并投入使用之日便是系統更新換代的開始，并且，面對以北斗系統為核心的我國PNT體系的發展，下一代北斗系統信號設計將面臨更多的挑戰。因此，衛星導航信號的設計將是一項長期、持續的工作，需要我國學術界和工業界立足自主創新、加強國際學術交流，不斷在信號設計的理論和技術方面取得新的進展，為我國在衛星導航領域躋身國際領先的地位提供強大的技術基礎。

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