卫星导航信号体系设计研究
摘 要
针对卫星导航当前面临导航信号测量性能提高、应用环境更加苛刻、导航频段频谱资源紧张等需求，合理的信号体制和各类标准的相辅相成是卫星导航系统持续稳定运行的重要保障。该文在梳理和分析国内外公开的卫星导航信号体制的基础上，研究了卫星导航信号的载波频率、调制方式、信道编码、导航电文等关键组成要素，简要剖析了各组成要素对系统兼容性、互操作性、码跟踪捕获性能、抗干扰性、抗多径及用户终端成本等方面的影响，开展了卫星导航信号设计的需求分析，设计提出了一种卫星导航信号设计标准体系。
引用格式：辛洁，谢金石，郭睿，等．卫星导航信号体系设计研究［Ｊ］．测绘科学，２０１７，４２（９）：１６３-１６８．
正 文
信号体制设计是卫星导航系统技术体制最为关键的部分，其结构参数选择的合理性、性能完善性关系到系统导航、定位和授时等基本功能以及PNT精度、兼容性、互操作性、抗干扰性等关键性能的实现。它以导航信号为载体，作为地面运控段、卫星段和用户段间信号联通和信息交互的唯一渠道。在导航信号测量性能提高、应用环境更加苛刻、导航频段频谱资源紧张等背景需求的推动下，GPS、GLONASS、BDS等系统均对信号体制进行了升级设计；Galileo在设计之初就对信号体制进行了全面、深入的论证。目前，对导航信号体制的基础理论研究正在逐步深入，对各方面性能指标的计算方法也比较成熟。如何提高信号抗干扰能力，提高测距精度、选择信息下传速率和增加频谱利用率都是新一代卫星导航信号设计中备受关注的问题。导航信号的设计正朝着多样化在发展，而标准是一个行业可持续发展、高效产业化的重要前提和保障。二者相辅相成必将有力推进卫星导航技术的创新和发展，规范卫星导航应用产业市场。目前，四大卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo和BDS）均发布了多个版本的空间信号接口控制文件（ICD文件），但还没有形成统一的国际标准，各系统仅针对各自系统特点进行信号格式定义。
本文回顾了目前四大卫星导航系统的信号体制设计发展历程，对卫星导航信号结构参数设计进行了初步研究，提出了一种脉络清晰、功能完整的卫星导航信号设计标准，为多系统的互操作性能提升、用户终端规范化提供一定的借鉴。
GPS卫星导航信号体制设计
1973年美国国防部正式批准了以军事目的而建设的GPS方案，其目的是用于精确武器投放，并提供统一的导航定位，扭转军用导航种类激增的局面。但随着卫星导航定位应用的推广，GPS于1983年1月首次公布了其卫星导航信号接口文件，并随着技术的发展和用户需求不断改进信号体制。美国早期公布的空间段与用户段之间的接口规定文件中规定的L1上传统的导航电文格式NAV采用基于超帧、帧和子帧的固定格式。2004年公布了新的GPS接口文件中规定了一种在L2和L5上播发的新民用导航格式CNAV，同时在L1和L2上加载新的军用码（M码）。L2C采用BPSK调制方式，并采用了新的纠错方式--卷积编码，不仅抵消了数据通道、导频通道功率分配带来的不利影响，还降低了解调门限。L2C的增加也使得普通民用用户可以通过双频接收消除电离层时延影响。M码采用BOC调制，虽然其码速率仅为P(Y)码的一半，但其跟踪精度相对提高了一倍左右，且具有很好的谱分离度。与GPS一直使用的导航电文NAV相比，CNAV的内容和结构都有了许多变化。在电文格式方面，摒弃了NAV采用基于超帧、帧和子帧的固定格式，采用了基于信息类型分类的格式。在内容方面，将广播星历参数由16参数增加为18参数，表示精度更高，卫星位置的算法也有所不同。现代化GPS还在L1频点C码播发新的CNAV-2，首次采用CRC码校验、LDPC码和交织码相结合的方式纠错，进一步提升了系统抗随机错误和突发错误的能力，并采用Weil码中插入固定扩展序列的方式构建测距码。内容和结构的变化反映了导航电文设计的新趋势，必将给导航定位的性能带来影响。在码生成方面，GPS民用导航信号L1C/A采用的是Gold码，其码长为1023且码速率不高，虽定位精度相对较低，但能够进行快速的捕获。GPS军用导航信号L2P(Y)则采用复合长码，重复周期为7天，其相关性和抗干扰性均优于L1C/A码。现代化的GPS信号主码长度为10230，是L1C/A的10倍。码长的增加不但可以降低时间延迟信号的影响，而且有利于改善码的互相关和自相关特性，但是也给扩频码的产生和捕获跟踪带来了难度。针对新的伪码判据提出的奇相关和偶相关概念，GPS L1C主码则采用了奇相关特性和偶相关特性都较好的Weil码，以替代Gold码。
GLONASS卫星导航信号体制设计
GLONASS的研发始于前苏联时代的1976年，并于1990年公布了其接口控制文件，打破了美国GPS独霸天下的局面。GLONASS标准精度信号的导航电文采用超帧、帧和串的结构，并以循环产生串的方式来削弱UTC跳秒引入带来的影响。与GPS给出的开普勒参数不同，GLONASS广播星历提供PE-90坐标系下的卫星位置、速度及太阳和月亮引起的摄动加速度，采用内插方式获得卫星任意时刻的位置。在信号体制方面，GLONASS采用FDMA信号体制，通过载波频率的不同来区分每颗卫星，所有卫星都可使用通用的伪随机码序列。但由于频率间隔不大，现代带宽干扰的抵御能力十分有限，还增加了接收机的基准频率设计负担，使得这种信号体制有一定的局限性。因此，GLONASS也在计划实施现代化。2011年，GLONASS首颗播发CDMA信号体制的卫星已经升空。
Galileo卫星导航信号体制设计
2006年，Galileo信号体制设计基本确定。同时，Galileo和GPS的兼容与互操作工作组达成一致，最终确定E1/L1频率的普通信号采用一种新的调制方式—MBOC。美国和欧盟的联合工作组于2007年7月26日声明了这一共识，并且将MBOC定为第一代Galileo信号调制方式。2010年9月，Galileo首次正式公布了第1版开放服务空间信号接口控制文件（OS SIS ICD），并于2014年月，发布了1.2版接口文件。Galileo系统在4个波段（E5a、E5b、E6、E1）上传播导航信号。这4个波段为Galileo信号的传播提供了一个宽泛的带宽。在码生成方面，测距码是通过使用分层码结构,由主码和次码建立的，其优化的主扩频码需要存储在存储器中，因此也常被称为Random码；次级码则是以16进制符号表示的混合序列。Galileo系统还采用了二次编码的设计，所有初级码均通过线性位移寄存器产生。二次编码能够使接收机快速实现载波同步；缩小频谱谱线的间隔，减小卫星信号之间的互相关性；进一步提高信号的抗干扰能力。
BDS卫星导航信号体制设计
BDS发展规划的“第二步”区域系统已于2012年12月正式开通服务，开始为中国及周边地区用户提供导航定位、授时与短报文通信服务，并公布了北斗公开服务信号B1I相关的空间信号接口控制文件（1.0版）。2013年12月，中国卫星导航系统管理办公室正是发布了BDS公开服务信号2.0版接口控制文件，进一步公开了B2I相关的信号体制设计，明确了卫星发射信号采用正交相移键控（QPSK）调制方式，I、Q两个支路的“测距码+导航电文”正交调制在载波上，并采取BCH（15,11,1）码加交织方式进行纠错。测距码分为普通测距码（C码）和精密测距码（P码）。每个频点的载波分别调制数据码、普通测距码和精密测距码。数据码与卫星类型和载波频点有关，即不同的卫星类型和载波频点，相应数据码的信息速率和信息内容不同。BDS数据码按信息速率不同分为D1码和D2码：D1导航电文速率为50bps，并调制有速率为1kbps的二次编码，内容包含基本导航信息（本卫星基本导航信息、全部卫星历书信息、与其他系统时间同步信息）；D2导航电文速率为500bps，内容包含基本导航信息和增强服务信息（BDS的差分及完好性信息和格网电离层信息）。目前，正是BDS迈入全球卫星导航系统的导航信号设、计论证和研制等过程的关键迭代阶段。根据BDS在国际协调中向GPS和Galileo系统提供的信号框架设计参考假设文件，新一代BDS卫星导航信号将启用BOC、AltBOC、MBOC等多种信号调制方式，以进一步提高卫星导航信号测量性能。
随着各国通讯技术、导航定位技术的发展以及设计约束条件不同，各国卫星导航信号体制的设计结构和参数选择有着较大的不同，但所涵盖的关键设计要素基本一致，进而可以总结归纳形成概要设计标准，为各国卫星导航定位系统兼容性和互操作性打下坚实基础，也为用户终端的简化设计提供前提条件和重要支撑，引领卫星导航产业的国际化发展。信号体制的设计就是各方面要素综合权衡的结果，没有绝对的标准，需要随着技术的发展，进行改正参数和模型的优化设计，并对导航信号体制设计标准进行同步更新。
2017年（第42卷）第9期
感谢关注、点赞、留言、转发
主管：国家测绘地理信息局
主办：中国测绘科学研究院
邮箱：niu@casm.ac.cn
网站：http://chkd.cbpt.cnki.net
作者QQ群：555495420
编务QQ：2378225509