北斗卫星导航系统信号设计的进展及发展趋势

● 文| 清华大学 陆明泉 姚铮 张嘉怡 郭甫 魏祯怡

北斗卫星导航系统信号设计的进展及发展趋势

● 文| 清华大学 陆明泉 姚铮 张嘉怡 郭甫 魏祯怡

北斗卫星导航系统（简称北斗系统）全球系统的信号设计是我国第二代卫星导航系统建设中的一项重要任务。频率资源的限制、GNSS兼容与互操作的要求以及不断增长的定位、导航与授时（PNT）服务需求，给北斗系统全球系统的信号设计工作带来了严峻的挑战。经过数年的不懈努力，我国在信号设计方面取得了重要进展，提出了多个技术水平先进、富有创新性的信号设计方案，为建设具有中国特色、世界先进的北斗系统全球系统提供了重要的技术支撑。

一、引言

众所周知，全球导航卫星系统（GNSS）由控制段、空间段和用户段构成。这三个组成部分既相对独立又相互联系，而卫星导航信号则是同时在控制段、空间段和用户段之间建立联系的核心链路，在GNSS中具有十分重要的地位。首先，卫星导航信号是控制段与空间段之间的一个重要反馈链路，因此导航信号的潜在性能在很大程度上决定了导航系统的先天性能。其次，卫星导航信号是空间段与用户段之间的唯一接口，因此卫星导航信号的优劣直接关系到系统的定位和授时能力能否通过用户接收机得到充分的发挥，直接影响到用户的服务质量。进一步来看，由于卫星导航接收机的唯一处理对象是卫星导航信号，因此，导航信号设计水平也在很大程度上决定了卫星导航系统的应用推广和产业化。由此可见，卫星导航信号不但是GNSS系统建设的重要内容，也是卫星导航应用的关键。

在卫星导航系统发展的初期及相当长的一个时期，导航信号的设计通常都是采用已有的成熟技术。以子午仪（Transit）为代表的第一代卫星导航系统的信号设计直接借鉴了雷达的脉冲多普勒测距技术，只能实现不连续的二维定位，且更新速率低、定位精度差。20世纪70年代，以GPS为代表的第二代卫星导航系统开始建设，其唯一的民用信号即L1 C/A码信号虽然采用当时最先进的直接序列扩频/二进制相移键控（DSSS/BPSK）调制技术，但没有充分考虑卫星导航系统的特殊性，并且对未来可能出现的服务需求估计不足，基本上照搬了卫星通信中的信号设计方案，测距码的码片速率也相对较低（1.023MHz），电文结构、信道编码也比较简单。

一直到20世纪90年代，随着GPS的投入使用，导航信号的性能潜力不断被后续涌现的先进接收处理技术所充分发掘，其局限性也逐步显现。学术界和工业界才意识到卫星导航性能的进一步提升迫切需要针对卫星导航系统的特点在信号设计方面更新理念、引入新的技术。因此，新型导航信号的设计成为GPS现代化和Galileo建设中十分重要的内容，逐渐引入了针对卫星导航系统特点和应用需求的多样化设计理念，开发了不少新技术。典型的例子是，在GPS和Galileo信号设计中提出了频谱向中心频点两边分裂的二进制偏移载波（BOC）扩频调制技术，在保证与早期信号共用载波中心频点的同时，避免了系统间的频谱干扰；并且，信号能量向以载波频率为中心的上下边带分裂的频谱可以带来更大的Gabor带宽，提高了导航信号的潜在码跟踪精度［1］。在此基础上，MBOC与AltBOC等改进技术以及导频与数据分离的新结构等，都充分显示了卫星导航信号的特色，并进一步提升了导航信号的接收和测距性能。

目前，我国的北斗区域系统已经建成并顺利投入使用，并正在开始建设全球系统。在BDS区域系统的建设和应用过程中，对导航信号的重要性有了新的认识，也在卫星导航信号的设计方面积累了宝贵的工程实践经验，但现有的导航信号也存在着不少的局限性，如军民信号频谱重叠、电文速率过快、编码增益较低等。

在当今世界上其它几大全球导航系统几乎完成信号部署的背景下，北斗全球系统信号设计面临更多的挑战。不断增长的定位服务需求对全球系统信号的测距精度与服务的稳健性提出了更高的要求，而且GPS和Galileo系统利用先发优势抢占了导航频段中有利的频率资源，并通过对核心技术的专利保护以及双边谈判制定规则等方式，给北斗信号体制的设计带来了诸多制约。

目前，在GPS一家独大并持续进行现代化改进、GLONASS迅速复兴、Galileo力图通过技术优势后发制人的条件下，北斗全球系统为能在不远的将来取得后发优势，迫切需要在系统建设和应用的核心技术方面取得全方位的突破。其中，作为卫星系统的标志性技术，导航信号的设计在北斗全球系统的关键技术中有十分重要的地位，理论性强、涉及面广，对系统的性能和应用推广的影响大，因此无论是在技术创新还是在自主知识产权等方面，都对北斗全球系统的设计提出了新的要求。设计高性能、具有北斗特色且具有自主知识产权的导航信号成为北斗全球系统建设的一项紧迫任务。

二、北斗全球系统信号设计中的新技术

鉴于导航信号在导航系统中的重要性，我国对北斗全球系统的信号设计给予了高度重视，联合了国内的优势力量开展了关键技术攻关。在过去的几年里，国内学术界和工业界面对北斗全球系统信号设计来自频率资源、系统间的兼容性与互操作、知识产权等方面的严苛约束，以及日益细化和更高性能的服务需求，经过不懈地努力，出现了多种具有北斗特色的创新性技术。

1.QMBOC

为了提供与其它系统更好的互操作能力，北斗全球系统的民用信号B1C的中心频率设在1575.42MHz，与GPS L1和Galileo E1频点重叠。可以预计，未来各系统在该频点的公开服务信号都将会是主要的民用导航定位业务的承载信号。因此，在B1C信号的设计过程中，既需要与同一频点其他信号满足射频兼容性要求，保证与GPS L1C信号和Galileo E1 OS信号的互操作能力，又应尽量具有高的测距精度和稳健性，同时支持多种不同的接收处理策略，能为高中低端接收机在定位性能和复杂度上提供多个平衡点；此外，出于知识产权的考虑，发射与接收基本方式应当可以规避欧美专利封锁。

如果抛开知识产权问题不论，GPS L1C所使用的时分复用BOC（TMBOC）是一种满足B1频点设计要求的调制技术。但该技术由英国国防部下属公司申请了专利保护，并已于2013年在中国获得了授权。根据专利法的规定，英国有权向发射TMBOC的卫星制造商以及使用TMBOC信号的接收机、芯片制造商收取专利使用费，或者禁止这些单位使用相关专利技术［3］。这为北斗未来的导航产业发展带来一定的潜在威胁。

正交复用BOC（QMBOC）技术［4］的出现打破了在B1C信号设计中面对的专利壁垒。QMBOC将BOC（1，1）信号与BOC（6，1）信号分量分别调制在载波的两个彼此正交的相位上，不仅避免了两分量之间互相关分量的影响，而且规避TMBOC以及CBOC的专利问题。QMBOC的功率谱与TMBOC相同，并且同样可以采用类BOC（1，1）的低复杂度接收模式以及高性能匹配接收模式，与GPS和Galileo系统在同一频段的公开服务信号有很好的兼容性与互操作性［5］。

在接收性能方面，TMBOC与QMBOC在匹配接收时有相同的Gabor带宽，从而具有相同的捕获、跟踪性能；而在非匹配接收下，QMBOC的捕获、跟踪灵敏度均优于TMBOC［5］。

此外，与TMBOC相比，QMBOC在收、发的灵活性方面同样具有优势。在播发灵活性方面，QMBOC中的BOC（6，1）分量与BOC（1，1）分量相位正交，允许未来BOC（6，1）在QMBOC总信号中的比重灵活调整，而不会影响到已经生产的接收机结构；而TMBOC由于将BOC（6，1）分量放置在一些特定的时隙内，因此一旦使用，未来不能更改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）分量与BOC（1，1）分量相位正交，便于中低端接收机只处理信号中的BOC（1，1）分量，获得与GPS L1C和Galileo E1 OS信号高度互操作能力；对于高端接收机，则可以额外接收BOC（6，1）分量以改善多径性能。

2.TD-AltBOC与ACE-BOC

为了支持与GPS L5和Galileo E5之间的互操作，BDS全球系统将在B2频段的两个中心频点——B2a（1176.45MHz）和B2b（1207.14MHz）上播发宽带信号。信号应具有较高的测距性能和抗频带内干扰的能力。两个载波中心频点的信号应在发射端复用成一个恒包络信号，以节约载荷资源，并尽可能降低复用损失。此外，这种合并使B2信号在接收机端既可以看作为两组QPSK（10）信号分别接收，又为未来的高端接收机提供超宽带接收的可能。另外重要的一点是，信号方案应具有自主知识产权。

时分AltBOC（TD-AltBOC）［6］是具有自主知识产权的一种调制技术，为了降低发射机的实现复杂度，其每一边带的数据、导频分量采用时分复用技术形成一路二值信号，之后使用2分量AltBOC技术［2］进行合并发射。

非对称恒包络BOC（ACE-BOC）［7］［8］同样是一种具有自主知识产权，且满足北斗B2频点信号设计要求的新技术，其数据和导频分量正交放置，组成信号分量支持任意的功率配比，具有很高的设计灵活性。

TD-AltBOC由于时分复用中不引入额外的交调信号，在宽带匹配接收时具有接近100%的复用效率。相比于ACE-BOC，TD-AltBOC的发射机实现较为简单。但其所使用的时分复用导致B2信号有效扩频序列长度减小，互相关性能恶化，且扩频序列的非理想互相关特性可能会造成码跟踪的固有偏差［9］［10］［11］。而且TD-AltBOC的接收机为了避免50%的相关后信噪比损失，需要将每一边带当作TD-QPSK信号来处理。而L5与E5a、E5b信号均可直接当作QPSK信号接收。因此，对于多系统接收机，对B2/L5/E5频段的接收，TD-AltBOC信号与其它信号无法使用相同架构的相关器通道。与同频点GPS L5，Galileo E5信号的互操作性略差。

ACE-BOC技术则通过将每一边带的数据和导频分量正交放置，避免了时分复用所带来的上述问题。而且进一步，ACE-BOC能够将更多的功率分配于导频通道，提高伪距与载波测量的精度以及低信噪比下捕获跟踪的稳定性。当ACE-BOC信号在B2a，B2b两个频点的导频分量的功率为数据分量功率的3倍时，与AltBOC和TD-AltBOC相比，可将热噪声下的跟踪门限降低1.8dB［8］。ACE-BOC的数据、导频分量正交放置，确保信号的后向兼容能力，方便发射方案的随时调整，而不会对已经投入使用的接收机产生影响。此外，正交放置的信号与GPS和Galileo在同一频段的信号具有高度互操作能力，能更好的支持未来的北斗+GPS+Galileo三系统接收机的设计架构。在生成复杂度上，ACE-BOC信号的低复杂度实现方式具有与AltBOC相同的时钟速率与电路结构。

3.双QPSK

B3频点位于1268.52MHz，将主要用于部署北斗全球阶段的军用信号，在保持现有B3信号长期播发的同时，增加现代化的军用信号B3A。双QPSK是一种具有自主知识产权的星上复用技术，能够解决B3频点两个BOC（15，2.5）和QPSK（10）在星上发射机中等功率合并的需求，其中BOC（15，2.5）有正交的数据、导频通道。推广的双QPSK能够对灵活控制合并信号的功率，能够实现两个类QPSK信号的任意功率比恒包络合并，且能得到优化的解析实现和最大化的功率效率，解决B3频点平稳过渡的需求。

三、信号设计发展趋势

近年来随着信号设计、接收机实现及其他卫星导航相关技术的发展迅速，我们很难预测未来卫星导航信号设计的走向。然而，基于提升导航性能这一本质需求，可以从导航信号的几个基本要素着眼，对未来信号设计的发展趋势进行展望。

1.先进的扩频调制与复用技术

基于目前L频段频谱拥挤的现状，下一代导航信号的频谱将逐渐向中心频率两边分裂已成为广泛接受的趋势。同时，数据、导频的分离与定位服务的细化导致播发信号个数持续增加。频率资源受限以及发射功率受限的现状对扩频调制和复用设计提出了苛刻的要求。在现有MBOC，ACE-BOC等复杂调制技术中，扩频调制波形设计与多路信号的功率分配、复用效率耦合，使得调制、复用联合设计和优化能够取得更优秀的性能，同时带来更大的灵活性，以适应系统平稳过渡阶段信号切换的需求。

2.载波频段扩展到S频段和C频段

ITU在2011年为无线电导航卫星服务（RNSS）的下行导航信号分配的公共导航频段包括L频段、S频段和C频段。随着L频段的频谱拥挤问题日益加剧，未来在S频段，C频段播发卫星导航信号将是信号体制设计的发展的最终趋势。

S频段指2483.5MHz ～ 2500MHz 的频段，已被ITU开放用于无线电测定卫星服务（RDSS）。北斗卫星导航系统的RDSS、印度IRNSS的卫星导航信号将使用这一频段。S频带信号与L频段信号组合可以提升RNSS服务的综合性能。然而，由于S频段只有16.5MHz的带宽，单一的S频段信号难以超越L频带信号的性能；Globalstar、WIMAX的系统间干扰也是S频段导航应用需要考虑的问题。

C频段指的是5010MHz ～ 5030MHz的20MHz频段。导航卫星信号使用C频段具有显著的优势。C频段载波波长约6cm（1575.42MHz的L1频段信号为19cm），使得测距的精度更高，天线尺寸更小。C频段具有较小的电离层传播误差，能提供非常精确的单频服务，与L频段的伪距组合能够更好的消除电离层时延。C频段的载波相位多径误差更小，利用载波进行伪距平滑的效果更好，且由热噪声引起的相位跟踪误差更小。GNSS信号使用C频段的劣势在于，其相比于L频段有较为严重的自由空间损耗和大气损耗、载波相位噪声、多普勒频移不确定性和载波跟踪的周跳发生概率。

基于C频段的特性，其适合用于播发军用和授权信号。首先，C频段没有其他信号的交叠干扰，信号受电离层和无意干扰的影响较小，而较大的自由空间传输损耗也使得恶意干扰的难度更高。同时，较之普通民用接收机，对成本与功耗敏感度略低的军用接收机能更有效的克服C频段信号处理的负面影响。此外，在C频段播发下行导航信号能满足高精度等GNSS高端需求，并且在L频段信号性能被有意或无意干扰而降低的情况下，仍可以独立支持GNSS导航和定位服务，增强整个GNSS系统的服务稳健性。这使得研究和开发C频段导航资源受到越来越多的重视。

3.与PNT体系的兼容

随着卫星导航系统的建设日趋完善，导航定位服务的应用领域和规模的多元化蓬勃发展，传统的单一卫星定位将逐渐过渡到融合了移动通信、互联网等多种信息来源的定位、导航与授时（PNT）体系。美国在GPS现代化进程的同时，也在推进面向2025年的国家PNT体系研究。在电子设备日趋集成化、智能化的前提下，以卫星导航为基础，加入包括地基导航、无线电授时、无线通信、信息网络以及惯性器件、片上原子钟等信息与服务的来源，能够在更广的服务区域提供更好的PNT服务。可以预见，为了发挥PNT体系中的核心地位，下一代北斗系统的建设中将需要在导航信号的设计方面有所作为，为多系统的融合、增强提供必要的条件。这对未来北斗导航系统的信号设计提出了更高的要求。

四、结束语

在卫星导航系统的建设和应用已经走过的半个多世纪中，卫星导航信号始终贯穿着整个卫星导航发展的历程。尽管在卫星导航系统发展的早期，卫星导航信号的设计尚未引起足够的重视，但随着传统GNSS的现代化和新兴导航系统的建设，卫星导航信号的设计已经成为新一代GNSS建设和应用的重点，也已经成为学术界和工业界的一个研究热点。令人欣慰的是，经过近10多年的研究，卫星导航信号的设计已经逐步摆脱了雷达信号和通信信号的影响，走上了独立的发展道路，出现一批既有卫星导航的鲜明特色、又有更好的定位、授时性能的新信号，标志着卫星导航信号的发展进入了一个新时代。实际上，导航信号已经成为卫星导航技术发展、卫星导航系统更新换代的标志性符号。

鉴于卫星导航信号在系统建设、应用推广和产业化中的重要地位，也为了能在未来的国际卫星导航竞争的格局取得有利地位，向全世界用户展现北斗全球系统设计的技术水平，我国对北斗全球系统的信号设计给予了高度的重视。面对频率资源受限，典型技术手段存在专利保护等一系列不利因素，国内学术界和工业界经过几年的不懈努力，提出了多种具有北斗特色的创新性技术，初步展示了展示北斗全球系统的设计水平，有效规避了欧美在信号体制上的专利陷阱，可望在我国北斗全球系统建设和卫星导航产业发展中起到重要的作用。此外，我国卫星导航信号设计的研究进展也在国际学术界引起了广泛的关注，提升了我国在卫星导航领域的学术地位。

当然，北斗全球系统的建成并不意味着卫星导航设计的结束。在可以预见的未来，北斗系统和其他GNSS系统一样，系统建成并投入使用之日便是系统更新换代的开始，并且，面对以北斗系统为核心的我国PNT体系的发展，下一代北斗系统信号设计将面临更多的挑战。因此，卫星导航信号的设计将是一项长期、持续的工作，需要我国学术界和工业界立足自主创新、加强国际学术交流，不断在信号设计的理论和技术方面取得新的进展，为我国在卫星导航领域跻身国际领先的地位提供强大的技术基础。

［1］Betz J W， Kolodziejski K R. Generalized theory of code tracking with an early-late discriminator part l: lower bound and coherent processing［J］. Aerospace and Electronic Systems， lEEE Transactions on， 2009， 45（4）: 1538-1556.

［2］Lestarquit L， Artaud G， lssler J L. AltBOC for dummies or everything you always wanted to know about AltBOC［C］ // ln lON GNSS 2008. Savannah. GA.， 2008: 961-970.

［3］施蕾. 英美卫星导航信号专利纠纷及其对中国北斗专利布局的影响［J］. 数字通信世界， 2013 （12）: 16-19.

［4］Yao Z， Lu M， Feng Z M. Quadrature multiplexed BOC modulation for interoperable GNSS signals［J］. Electronics letters， 2010， 46（17）: 1234-1236.

［5］Yao Z， Lu M. Optimized modulation for Compass B1-C signal with multiple processing modes［C］// ln lON GNSS 2011. Portland. OR.， 20011: 1234-1242.

［6］Tang Z， Zhou H， Wei J， et al. TD-AltBOC: A new COMPASS B2 modulation［J］. Science China Physics， Mechanics and Astronomy， 2011， 54（6）: 1014-1021.

［7］Yao Z， Lu M. Constant Envelope Combination for Components on Different Carrier Frequencies with Unequal Power Allocation［C］// ln lON lTM 2013. San Diego， CA.， 2013: 629-637.

［8］Yao Z， Lu M. Design， Implementation， and Performance Analysis of ACE-BOC Modulation［C］// ln lON GNSS 2013. Nashville. TN.， 2013: 361-368.

［9］Yan T， Wei J， Tang Z， et al. Performance Analysis on Single Sideband of TD-AltBOC Modulation Signal［C］//China Satellite Navigation Conference （CSNC） 2013 Proceedings. Springer Berlin Heidelberg， 2013: 91-100.

［10］Liu Y， Tang X， Ge R， et al. Analysis for Cross Correlation in Multiplexing［C］//China Satellite Navigation Conference （CSNC） 2013 Proceedings. Springer Berlin Heidelberg， 2013: 81-90.

［11］Zhu Y， Yao Z， Cui X， et al. Comparative Analysis of Dual-Frequency Constant Envelop Multiplexing Techniques for ARNS Band［C］// ln lON lTM 2014. San Diego， CA.， 2014: 792-801.