姚铮教授：北斗PPP服务信号调制复用方案设计与质量评估| SANA佳文速递
标题：北斗PPP服务信号调制复用方案设计与质量评估
作者：刘 成，姚 铮*，王 盾，高为广，刘天雄，饶永南，李东俊，宿晨庚
主题词：北斗；精密单点定位；恒包络复用；非对称恒包络二进制偏移调制；交调构造
（图片来自作者）
引用文章:
Liu, C., Yao, Z., Wang, D. et al. Multiplexing modulation design optimization and quality evaluation of BDS‑3 PPP service signal. Satell Navig 3, 1 (2022). https://doi.org/10.1186/s43020-022-00063-5
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https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-022-00063-5
BDS-3 PPP service signal design and evaluation
The Precise Point Positioning (PPP) service of BeiDou Navigation Satellite System (BDS-3) is implemented on its Geostationary Earth Orbit (GEO) satellites. However, the design of BDS-3 PPP service signal faces many technical challenges. It needs to take into account several constraints simultaneously, such as forward compatibility, on-board realizability, and the limitation of transmit power.
In this paper, a PPP service signal based on improved ACE-BOC multiplexing is designed. The signal quality was continuously monitored and tested using large-diameter antennas. The results show that the proposed signal multiplexing modulation scheme is an ideal solution that meets all indicators of the design constraints, and can achieve the requirements of efficient information broadcasting and forward compatibility of the BDS PPP service. All of authors are major members of the BDS-3 PPP signal design taskforce.
This paper not only proposes a new dual-frequency multiplexing method and demonstrates its practical application in BDS-3 PPP service signals, but more importantly, it allows readers to understand the design process of BDS-3 PPP signals and the various technical challenges overcome, which has significant reference value for both the researcher of navigation signal designand the user of PPP service signal.
本文亮点
首次系统分析展现了北斗三号系统精密单点定位服务信号调制复用设计攻克包括信息播发效率、星上复用成本、服务兼容性和延续性在内的多项技术挑战的全过程，对导航信号设计领域的研究者和精密单点定位服务信号的使用者都具有重要的参考意义。
紧密结合北斗三号系统精密单点定位服务信号的特殊约束与需求，首次在ACE-BOC信号基础上进一步创新引入相位旋转与交调抑制技术，提出并实现了基于改进ACE-BOC复用的北斗三号GEO卫星B2频点合成播发信号调制复用方案。
首次展现了大口径天线对设计的北斗三号系统精密单点定位服务信号的连续监测和质量测试结果。结果表明，信号射频特征良好，各项指标满足设计要求，是能够实现信号高效播发与服务前后兼容的理想信号体制。
内容简介
精密单点定位（Precise Point Positioning, PPP）服务覆盖范围广、精度分布均匀、所需地面参考基准站数量少，是实现卫星导航广域高精度定位的重要技术手段。PPP系统最初一般由企业主导建设，使用国际海事通信卫星Inmarsat播发，采用自定义数据格式，提供付费商业服务。
近年来，随着各卫星导航系统的技术发展和能力提升，由基本星座提供内嵌的公开或免费PPP服务也开始成为趋势。根据规划，Galileo系统设计在其E6B信号上提供全球覆盖、预期精度0.2m 的高精度免费PPP服务。日本准天顶卫星系统（QZSS）通过其L6D信号，面向日本本土提供基于PPP-RTK技术的厘米级增强服务。此外，QZSS还正利用其Block II卫星L6E信号，开展覆盖亚太地区的广域厘米级增强服务的技术验证工作。GLONASS也已宣布其预期精度0.1m的PPP服务规划，主要用于精密工程、应急交通服务（ERS）以及无人驾驶等领域。
北斗同样重视PPP服务的建设与发展。2019年12月27日，北斗三号卫星导航系统（BDS-3）召开全球服务一周年新闻发布会，宣布包括PPP在内的七大公开服务；同时，正式发布《北斗卫星导航系统应用服务体系（1.0版）》、《北斗系统空间信号接口控制文件PPP-B2b（测试版）》等相关文件。北斗PPP服务通过地球静止轨道（GEO）卫星B2b信号（称为“PPP-B2b”信号）播发实现，分两阶段开展建设。其中，第一阶段（2020年）利用首批三颗GEO卫星的PPP-B2b信号I支路为中国及周边地区用户提供高精度定位免费服务，数据速率500bpps；第二阶段（2020年后）通过后续GEO卫星提升播发速率、拓展服务范围，并进一步提升定位精度、减少收敛时间。
北斗PPP服务基于GEO卫星一体化实现，资源的优化与高效利用是关键所在。此外，虽然前后两阶段的卫星状态和播发速率存在不同，但在设计上需要实现服务的兼容性和延续性。这些要求对PPP信号体制设计提出了挑战。
BDS-3 GEO卫星B2频点包含B2a和B2b两个信号。其中，B2a已规划用于提供双频多星座（DFMC）SBAS服务，称为“BDSBAS-B2a”信号。根据国际星基增强系统互操作工作组（SBAS IWG）及国际民航组织（ICAO）的DFMC SBAS标准要求，BDSBAS-B2a采用与GPS/WAAS L5信号相同的QPSK(10)调制，且必须满足其最小落地电平标准要求（-158.5dBW）。根据GEO卫星实际功率能力，为确保B2a落地功率满足ICAO标准要求，B2a和B2b按照2:1的比例进行功率分配。此外，受国际电联（ITU）对频谱包络的约束，北斗B2信号各分量码速率要求均为
PPP-B2b信号需要在上述约束条件下开展信号体制设计。非对称恒包络二进制偏移（Asymmetric Constant Envelope Binary Offset Carrier, ACE-BOC）恒包络复用方法在双频多分量信号复用和功率分配方面的优势，使得其可以灵活设计和实现多种信号调试方式，成为良好的解决方案。
本文从BDS-3 GEO卫星当前实际状态出发，基于ACE-BOC技术，提出了若干可行的调制复用方式，并从播发效率、复用效率、服务兼容性等方面进行了比较和优选。其中，采用第III类ACE-BOC复用，也即B2a频段的信号配置不变，在B2b频段采用与北斗MEO卫星和IGSO卫星B2b信号I支路相同的BPSK方式，仅播发单支路信号，相比于同时播发I、Q两支路信号，可以更好地实现前后两服务阶段用户使用的平稳过渡和兼容升级，并使得整个PPP-B2b服务信号的设计架构更为规整和清晰。
具体而言，由于预留了Q支路，因此第一阶段PPP服务可仅通过BDS-3首批三颗GEO卫星的PPP-B2b_I支路播发实现；第二阶段PPP服务需要增加的电文内容和数据速率则可通过后续备份GEO卫星的PPP-B2b_Q支路实现，同时保持原I支路信号体制不变。这样，不同服务阶段各GEO卫星的I支路信号对于所有用户而言是相同的，从而保证服务的兼容性和延续性，如图1所示。
图 1 PPP-B2b信号演进。
其次，相比于同时播发I、Q两支路信号，该方案可以节省一套同步头和CRC占位。北斗公开服务信号电文帧结构的一般同步头长度为8bits、CRC长度为24bits，一套同步头+CRC长度合计为32bits。根据北斗PPP服务自定义压缩电文格式，可用于播发约1颗卫星的轨道改正数、2颗卫星的钟差改正数以及32颗卫星的掩码号，从而提高播发效率。
最后，采用第III类ACE-BOC复用还使得PPP-B2b_I支路能够使用与MEO、IGSO卫星上播发的B2b公开服务信号I支路相同特性的测距码，以及完全相同的LDPC(162, 81)编码方案和参数，从而更加方便用户的一体化接收使用。
然而，在B2b所需的功率配比关系下，上边带有用分量数量比下边带少，使得为了维持恒包络所引入的交调项集中在上边带上，从而造成对各分量间码相位偏差的影响。一方面，在PPP-B2b_I相对于BDSBAS-B2a_I的相位关系为0°时，为维持合成信号包络恒定所需引入的交调项占比较大，导致复用效率降低；另一方面，新增交调分量会对有用分量产生一定干扰，不仅造成实际接收功率与设计指标之间有一定偏差，而且一部分交调分量与各有用分量的波形造成各不能理想正交，增加了分量间码相位偏差增大。
针对上述问题，我们对第III类ACE-BOC复用的PPP-B2b信号BPSK调制方案进行了优化和改进。针对为维持合成信号包络恒定所引入的交调项占比较大的问题，提出对PPP-B2b_I支路分量进行“相位旋转”处理。通过改变信号分量相位查找表，使得PPP-B2b_I支路相对BDSBAS-B2a信号I、Q支路的相位关系从0°变为45°，如图2所示。由于相位旋转所改变的只是BDSBAS-B2a与PPP-B2b两个信号之间的相对相位关系，而非同一信号不同分量之间的相位关系，因此对于单独接收和使用PPP-B2b信号的接收机而言，没有任何影响。
进一步，利用CEMIC技术，我们精确调整了恒包络复用中交调分量的频域分布，将相位45°旋转后的第III类ACE-BOC用交调构造法进行二次优化，如图3所示，进一步抑制了剩余交调分量，消除了交调干扰影响，达到了理想设计状态。
图 3 PPP-B2b信号交调分量抑制。
优化调整后的第III类ACE-BOC功率配比和复用效率情况见表1，对应的无限带宽下星座图及功率谱密度仿真分别如图4和图5所示。
图 4 改进的第III类ACE-BOC复用调制星座图。
图 5 改进的第III类ACE-BOC复用调制功率谱密度。
可以看出，抑制交调项影响后的信号，在无限带宽下的复用效率71.22%，与第III类ACE-BOC复用方案的效率相同。但优化调整后的ACE-BOC信号中的交调项主要存在于副载波的高次谐波处，由于实际发射的B2信号的工作带宽为71.61 MHz，因此经星上滤波器滤波后，交调分量在实际发射的信号中的占比显著降低，仅为总功率的6.46%。也即，在工作带宽条件下的复用效率为93.54%。因此，根据BDS-3 GEO卫星当前实际功率状态，不会对服务造成明显影响。
为进一步验证信号性能，于2021年6月23日利用中科院国家授时中心昊平观测站40米口径天线对北斗三号系统GEO-1组网卫星播发的PPP-B2b信号进行连续监测和数据采集，并利用信号质量评估软件进行分析处理。
图 6 BDS-3 GEO-1 PPP-B2b信号单独接收时的星座图。
图6给出了实际播发的PPP-B2b信号单独接收时的星座图，可以看出其呈现BPSK形式，所有能量集中在I支路上。
图 8 BDS-3 GEO-1 PPP-B2b信号功率谱。
图7和图8给出了实际播发的B2及PPP-B2b_I分量信号功率谱。从图中可以看出，在参考带宽下，实测合成功率谱偏差均值为0.228 dB，标准差为0.571 dB，与理论功率谱曲线良好吻合。
图 9 BDS-3 GEO-1 PPP-B2b-I分量单独接收时的相关函数。
图 10 BDS-3 GEO-1 PPP-B2b_I分量单独接收时的相关损失。
图9和图10给出了BDS-3 GEO-1 PPP-B2b_I支路单独接收时的相关函数。可以看出，参考带宽下的实测相关损失为0.110 dB，与理论相关函数值良好吻合，对实际服务影响的可忽略不计。
图 12 BDS-3 GEO-1 PPP-B2b_I支路码鉴相曲线斜率偏差。
图11和图12分别给出了PPP-B2b_I信号在主瓣带宽接收条件下的码鉴相曲线（即S曲线）过零点偏差，以及PPP-B2b_I支路码鉴相曲线斜率偏差随鉴相器相关间距的变化。从中可以看出，PPP-B2b_I支路的最大偏差为0.092ns，S曲线过零点斜率偏差平均为1.558%，满足相关设计质量要求。
图 14 BDS-3 GEO-1 PPP-B2b_I支路数字畸变统计图。
图13和图14给出了实际播发的PPP-B2b_I支路基带信号波形及其数字畸变统计量图。统计可知，正/负码片与理想码片长度差均值为0.0006ns，标准差为2.8409ns，具有良好和稳定的信号波形结构。
图 15 BDS-3 GEO-1 PPP-B2b_I支路载波与伪码一致性。
图15给出了实际播发的PPP-B2b_I支路的载波与伪码相干性。统计可知，载波与伪码相干性为0.082°，表现出高度一致性。测试结果表明，利用所提出的改进第III类ACE-BOC生成的复用合成信号各项指标满足设计要求，射频特征良好，能够实现信息的高效播发和北斗PPP服务的前后兼容，是满足设计约束和要求的理想信号体制。
作者简介
姚铮 长聘副教授
清华大学
姚铮，清华大学电子工程系长聘副教授，信息系统研究所所长，博士生导师，教育部青年长江学者。
长期从事导航信号处理的理论与技术研究。在卫星导航信号设计、导航信号接收处理方法、GNSS软件接收机以及陆基无线电导航系统等方向的多项科研成果不仅在国内外导航领域的学术界和工业界产生了重要影响，受到国际和国内权威机构的认可，而且在国家重大项目中得到了实际应用。
在导航领域顶尖学术会议或重要期刊发表论文100余篇，出版学术专著4部，获国际发明专利授权33项，中国发明专利授权15项。获得国家级人才计划支持，并获得美国导航学会早期成就奖（亚洲首位）、卫星导航定位科技进步特等奖、军队科技进步二等奖、中国产学研合作创新奖、清华大学学术新人奖等荣誉。
撰稿：本文作者
编辑：星航
校对：姚教授
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