天象一號導航增強信號設計與性能評估

伍蔡倫，樹玉泉，王 剛，李勝軍

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

北斗衛星導航系統即將建成，但面臨GNSS市場競爭日趨激烈和國民經濟發展對導航定位服務性能進一步提升的雙重需求，有必要進一步加強以北斗為核心的衛星導航系統建設，從而在競爭中占據更有效的地位[1]。低軌衛星由于運行速度快、多普勒變化大及幾何構型變化迅速等一系列特點越來越受到衛星導航領域的重視[2]。國內多家單位對低軌導航增強性能進行了仿真分析和研究，甚至發射了試驗衛星進行相關關鍵技術驗證，并取得了一定的研究成果[3]?？傮w而言，低軌導航增強是對北斗衛星導航系統非常好的補充、備份和增強。

從技術角度分析，低軌導航增強系統在天基監測、低軌完好性以及全球精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)服務等方面具有突出優勢[4]。天基監測解決了北斗系統無法在全球建站的難題，利用低軌衛星的動態特性顯著提高GEO衛星的定軌精度，從而提升北斗系統的基本服務性能。完好性服務則是利用衛星在低軌軌道實現對中高軌衛星信號的多重實時監測，綜合處理后提供及時的完好性告警信息，為航空、自動駕駛等生命安全領域提供服務。全球PPP服務則是通過低軌衛星播發北斗及低軌衛星的精密軌道和鐘差等增強信息，并利用低軌衛星幾何構型變化快等特點實現PPP，有效減少收斂時間，實現無需地面站支持的PPP服務。

為了加快低軌導航增強以及衛星互聯網建設進程，中國電子科技集團有限公司啟動了“天象一號”A/B雙星工程用于導航增強和移動通信等關鍵技術驗證。信號設計作為其中的核心環節，從需求和服務能力出發，并在與北斗信號滿足兼容和互操作的約束條件下，創新地設計了基于低軌衛星的導航增強信號體制以及性能評估，經過針對性的分析和計算，所設計信號為未來低軌導航增強系統的順利實施提供了良好的技術手段。

1 低軌導航增強系統概述

低軌導航增強系統通過星載GNSS接收機完成自主高精度實時定軌和時間同步，利用星上觀測數據結合少量地面站實現天基監測和完好性監測，同時低軌衛星播發調制有北斗及低軌衛星精密軌道和鐘差信息的下行導航增強信號，地面終端接收北斗信號及低軌信號實現完好性和精度增強，從而實現無需地面站支持的高精度、高可靠定位。

低軌導航增強系統按照體系架構分為空間段、控制端和應用段。空間段主要包括兩型衛星：I型衛星包含高精度接收載荷、PPP載荷以及完好性載荷；II型衛星只包含前二者。高精度接收載荷實現北斗信號的接收和處理，在I/II型衛星上均搭載，PPP載荷則提供PPP服務。仿真表明，衛星總數不低于150顆并采用合理星座構型就可以滿足PPP服務1 min以內收斂至水平0.1 m以內。為了滿足收斂時間要求，I/II型衛星均搭載PPP載荷。完好性監測則只需要部分衛星搭載就可以滿足要求，故只在I型衛星配置。控制段包括主控站、注入站以及地面監測網，實現對低軌信號的監測以及增強信息的生成和注入。應用段則主要是高精度高可靠導航用戶。天象一號低軌導航增強系統以此為框架開展關鍵技術演示驗證。整個低軌導航增強系統架構如圖1所示。

圖1 低軌導航增強系統架構Fig.1 Architecture of LEO enhanced navigation system

2 低軌導航增強信號設計

2.1 設計原則

信號體制是整個系統的核心，它的設計決定了系統的基本性能和服務水平。低軌導航增強信號播發精密定位和完好性信息，其良好的兼容性、測距性能及信息幀設計決定了終端的研制成本和用戶使用的便捷性[5]。同時，信號體制設計也需要考慮多種實際使用時的約束條件限制[6]。綜合分析，低軌導航增強信號體制的設計原則如表1所示。

表1 信號體制設計原則Tab.1 Principle of signal design

在天象一號低軌導航增強系統中將以上述原則為依據開展LePT信號的設計。從消除電離層誤差和信息播發實時性出發，LePT信號包含2種：LePT1和LePT2信號。LePT1信號主要播發低軌衛星本身的電文信息，北斗衛星增強信息及慢變完好性信息；LePT2信號主要播發快變完好性信息。同時，LePT信號支持可重構功能，可根據任務規劃更改播發內容。

2.2 頻率選擇

LePT信號的頻率選擇主要從頻率可選擇性、與GNSS信號的兼容性以及對其他系統的干擾等角度綜合考慮。

① 與現有GNSS信號兼容，LePT信號可選擇L頻段，但對北斗系統使用應不造成干擾；

② 采用雙頻實現電離層校正，從電離層消除效果考慮，建議頻率相隔在200 MHz以上；

③ 具體頻率值應考慮信號發射和星載接收載荷的收發隔離問題。星載接收載荷選擇頻點主要包括1 575.42，1 227.6及1 176.45MHz等頻點；

④ 所選頻點應為1.023 MHz的整數倍。

綜合以上分析，天象一號低軌導航增強系統中選擇1 525.21 MHz為LePT1信號試驗試用頻點，1 298.187 MHz為LePT2信號試驗試用頻點。

2.3 信號設計

低軌導航增強信號承載了精度增強以及完好性增強功能，主要設計內容包括偽碼設計、調制方式、信息速率、符號速率及發射功率等。信號設計將充分考慮與已有GNSS信號的兼容互操作性，使地面用戶接收機易于設計和使用[7-8]。

① 調制方式：為了滿足兼容性和測距要求，信號調制方式采用擴頻+BPSK調制。

② 偽碼碼型及信號帶寬：從GNSS信號兼容和互相關性考慮，LePT1和LePT2信號的偽碼采用1.023 MHz偽隨機碼，周期為1 ms，碼長1 023碼片。

③ 符號速率：低軌衛星需要播發北斗及自身精密軌道和鐘差信息，播發信息量大。受限于擴頻碼周期為1 ms的限制，采用1 Kb/s的符號速率。

④ 發射功率：為了不對GNSS造成干擾，落地電平應不高于-133 dBm。天象一號衛星軌道高度為500 km，地球半徑按6 378 km計算，當接收機仰角為0°時，遠地點距離為4383.29 km。由自由空間損耗公式可得：

Ls=32.45 dB+20lgF+20lgD，

式中，F分別為1 298.187 MHz和1 525.21 MHz；遠地點距離D為4 383.29 km。計算得出LePT1信號空間損耗為168.95 dB， LePT2信號空間損耗為167.55 dB。0°仰角天線增益按-1 dB計算，可以得出LePT1信號發射功率不低于36.95 dBm，LePT2信號發射功率不低于35.55 dBm。

⑤ 信道編碼：信道編碼采用北斗三號信號中類似的信道編碼方式，即LDPC(972，486)編碼[9-10]。

低軌導航增強信號設計框架如表2所示。

表2 低軌導航增強信號設計框架Tab.2 Design framework of LePT signals

2.4 信息幀設計

低軌導航增強信號主要播發精度增強和完好性增強2類信息。精度增強信息包括北斗衛星以及低軌衛星自身的精密軌道和鐘差信息。完好性信息則包括快變完好性信息和慢變完好性信息。由于數據類型和作用各不相同，每類數據的更新周期也不同。在天象一號低軌導航增強系統中選擇高壓縮比、高更新率的信息幀設計和發播策略。為了提高電文可靠性，采用具備糾錯能力和校驗功能的電文設計方案，以保證在低軌衛星交接或信號短期中斷等特殊條件下仍具備穩定可靠的信息獲取能力。此外，增強信息幀具備重構能力，支持未來更多信息內容的擴展[11]。

信息幀設計的基礎元素為基本幀，符號速率為1 Kb/s，每幀長為1 000 bit，周期為1 s。幀頭與秒起始位對齊，便于進行距離測量。基本幀結構定義如圖2所示。

圖2 基本幀結構定義Fig.2 Basic frame structure definition

每個電文數據幀由486 bit構成。其中，最高6 bit表示信息類型(MesTypeID)，最低24 bit為循環冗余校驗位(CRC)，其余456 bit為數據域，其具體內容由不同信息類型決定。電文數據幀經過LDPC信道編碼后為972個符號，與長度為16個符號的同步頭、8個符號的本星PRN號、4個符號的預留標識位共同構成1 000個符號，即一個基本幀。

每個基本幀第一個符號(即同步頭第一個符號)的前沿與衛星時間的整秒沿對齊，每幀播發時間為1 s。其中，同步頭為固定16位獨特字，值為0xEB90，播發時高位先發，即1110101110010000。衛星編號為本星PRN號。預留標識位用于指示PPP服務狀態：預留標識位高位為1時表示本星PPP服務不可用；預留標識位高位為0時表示本星PPP服務可用；其他符號位含義預留。預留標識位狀態極少發生變化，用戶可通過多幀信息疊加得到電文，從而降低解調時的誤碼率。

電文信息類型用于區分有效數據域播發的信息內容，信息類型定義和播發策略如表3所示。信息類型預留了6位，可以表示64種電文信息類型。在天象一號中所使用的低軌衛星精密軌道與鐘差、GNSS衛星精密軌道與鐘差以及完好性信息等信息類型進行了設計和編排，分別設計了“綜合信息幀”和“完好性信息幀”2種基本幀，分別在LePT1和LePT2信號進行播發。信息幀類型可根據實際應用進行擴展重構。

表3 信息類型定義和播發策略Tab.3 Information type definition and broadcasting strategy

3 信號仿真分析

3.1 兼容性分析

低軌導航增強信號與北斗信號兼容使用，兼容性分析是低軌導航信號性能評估的重要內容。頻譜分離系數(Spectral Separation Coefficient，SSC)作為衡量兼容性的一項重要指標，主要測量低軌導航增強信號與北斗信號的相互干擾關系[12]。該指標與二者的信號功率密度有關，反映了北斗信號對低軌導航信號的捕獲、跟蹤以及解調性能的影響，目前已經成為兼容性評估最常用的指標之一，其計算公式如下：

式中，βr為接收機前端帶寬(Hz)；Gs(f)為低軌信號功率譜密度(W/Hz)；Gl(f)為北斗信號的功率譜密度(W/Hz)?？梢钥闯?，它客觀地反映了低軌導航信號與北斗信號的頻譜重疊程度。如果頻譜分離系數越小，則低軌信號與北斗信號的相互干擾程度就越小。假定發射帶寬為無線帶寬，接收帶寬為20 MHz，低軌信號與GNSS信號的頻譜分離系數計算如表4所示。

表4 LePT信號與GNSS信號譜分離系數計算Tab.4 SSC calculation of LePT and GNSS signals

由表4可以看出，由于LePT信號與GNSS信號并不完全重疊，其譜分離系數均在-100 dB以下，不對原有GNSS信號產生干擾，因此滿足兼容性要求。

除了兼容性以外，與北斗信號之間的互操作也是信號設計的重點?；ゲ僮髦饕侵傅孛娼K端用戶接收低軌導航增強信號比單獨接收北斗信號或低軌信號帶來更好的性能提升，且不會給接收機生產廠家和用戶帶來額外的負擔和成本[13]。本文所提出的LePT信號體制從空間基準、時間基準及信號調制等參數與北斗信號均保持一致，減少了接收機開發難度，因此二者之間具備互操作能力。

3.2 跟蹤精度分析

碼跟蹤誤差是評估導航信號測距性能的重要指標。常規接收機中采用碼跟蹤環路實現對偽碼的跟蹤和同步并獲得偽距觀測量。它的誤差大小決定了設計信號的質量，一般采用超前減滯后的偽碼跟蹤環實現[14]。相干偽碼跟蹤環的碼跟蹤誤差表達式為：

式中，βr為接收機前端濾波器帶寬；BL為環路帶寬；T為相干積分周期，C/N0為載噪比；Gs為接收信號功率；Gs(f)為接收信號歸一化功率譜密度；Gw(f)為噪聲干擾信號的歸一化功率譜密度；δ為相關器間距。設定環路帶寬為1 Hz，相干積分時間為1 ms，前端帶寬為2.046 MHz，相關器間距為1 碼片，系統噪聲為高斯白噪聲，經計算，LePT信號與L1、B1I、B1C信號的碼跟蹤比較誤差分別如圖3所示[15]。由圖3可以看出，LePT信號在載噪比為40 dB-Hz時碼跟蹤誤差為0.7 m，跟蹤誤差稍高于B1I和B1C信號，但小于GPS L1信號。載噪比為60 dB-Hz時LePT信號跟蹤誤差為0.08 m，和B1C和B1I信號接近。在同樣載噪比條件下，LePT信號的碼跟蹤誤差要優于GPS L1信號，稍低于北斗B1I信號和B1C信號。

圖3 LePT信號碼跟蹤誤差Fig.3 Code tracking error of LePT signal

4 結束語

針對低軌導航增強的服務需求和可用資源設計了LePT1和LePT2雙頻低軌導航增強信號，并滿足與GNSS信號的兼容與互操作要求，簡化了低軌導航增強終端設計流程，降低了研發成本。在信息幀設計方面，通過播發北斗與低軌衛星的精密軌道、鐘差以及完好性信息，為未來滿足全球PPP、全球SBAS等高精度高可靠定位服務提供了實現途徑。同時，信息幀設計支持多種信息類型的擴展，未來可進一步支持安全認證、輔助增強等多種業務能力。所設計的LePT信號在天象一號衛星平臺上進行了在軌驗證，各項性能指標均符合預期并滿足設計要求，為后續低軌導航增強系統的規模化應用打下了良好基礎。