北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)的進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

● 文| 清華大學(xué) 陸明泉 姚錚 張嘉怡 郭甫 魏禎怡

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)的進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

● 文| 清華大學(xué) 陸明泉 姚錚 張嘉怡 郭甫 魏禎怡

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)北斗系統(tǒng)）全球系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)是我國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。頻率資源的限制、GNSS兼容與互操作的要求以及不斷增長(zhǎng)的定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）服務(wù)需求，給北斗系統(tǒng)全球系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的不懈努力，我國(guó)在信號(hào)設(shè)計(jì)方面取得了重要進(jìn)展，提出了多個(gè)技術(shù)水平先進(jìn)、富有創(chuàng)新性的信號(hào)設(shè)計(jì)方案，為建設(shè)具有中國(guó)特色、世界先進(jìn)的北斗系統(tǒng)全球系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)支撐。

一、引言

眾所周知，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）由控制段、空間段和用戶(hù)段構(gòu)成。這三個(gè)組成部分既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系，而衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)則是同時(shí)在控制段、空間段和用戶(hù)段之間建立聯(lián)系的核心鏈路，在GNSS中具有十分重要的地位。首先，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)是控制段與空間段之間的一個(gè)重要反饋鏈路，因此導(dǎo)航信號(hào)的潛在性能在很大程度上決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的先天性能。其次，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)是空間段與用戶(hù)段之間的唯一接口，因此衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的定位和授時(shí)能力能否通過(guò)用戶(hù)接收機(jī)得到充分的發(fā)揮，直接影響到用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量。進(jìn)一步來(lái)看，由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的唯一處理對(duì)象是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，因此，導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)水平也在很大程度上決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化。由此可見(jiàn)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)不但是GNSS系統(tǒng)建設(shè)的重要內(nèi)容，也是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的關(guān)鍵。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的初期及相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期，導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)通常都是采用已有的成熟技術(shù)。以子午儀（Transit）為代表的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)直接借鑒了雷達(dá)的脈沖多普勒測(cè)距技術(shù)，只能實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的二維定位，且更新速率低、定位精度差。20世紀(jì)70年代，以GPS為代表的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始建設(shè)，其唯一的民用信號(hào)即L1 C/A碼信號(hào)雖然采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的直接序列擴(kuò)頻/二進(jìn)制相移鍵控（DSSS/BPSK）調(diào)制技術(shù)，但沒(méi)有充分考慮衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特殊性，并且對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的服務(wù)需求估計(jì)不足，基本上照搬了衛(wèi)星通信中的信號(hào)設(shè)計(jì)方案，測(cè)距碼的碼片速率也相對(duì)較低（1.023MHz），電文結(jié)構(gòu)、信道編碼也比較簡(jiǎn)單。

一直到20世紀(jì)90年代，隨著GPS的投入使用，導(dǎo)航信號(hào)的性能潛力不斷被后續(xù)涌現(xiàn)的先進(jìn)接收處理技術(shù)所充分發(fā)掘，其局限性也逐步顯現(xiàn)。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界才意識(shí)到衛(wèi)星導(dǎo)航性能的進(jìn)一步提升迫切需要針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)在信號(hào)設(shè)計(jì)方面更新理念、引入新的技術(shù)。因此，新型導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)成為GPS現(xiàn)代化和Galileo建設(shè)中十分重要的內(nèi)容，逐漸引入了針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用需求的多樣化設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了不少新技術(shù)。典型的例子是，在GPS和Galileo信號(hào)設(shè)計(jì)中提出了頻譜向中心頻點(diǎn)兩邊分裂的二進(jìn)制偏移載波（BOC）擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在保證與早期信號(hào)共用載波中心頻點(diǎn)的同時(shí)，避免了系統(tǒng)間的頻譜干擾；并且，信號(hào)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(lái)更大的Gabor帶寬，提高了導(dǎo)航信號(hào)的潛在碼跟蹤精度［1］。在此基礎(chǔ)上，MBOC與AltBOC等改進(jìn)技術(shù)以及導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)分離的新結(jié)構(gòu)等，都充分顯示了衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的特色，并進(jìn)一步提升了導(dǎo)航信號(hào)的接收和測(cè)距性能。

目前，我國(guó)的北斗區(qū)域系統(tǒng)已經(jīng)建成并順利投入使用，并正在開(kāi)始建設(shè)全球系統(tǒng)。在BDS區(qū)域系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的重要性有了新的認(rèn)識(shí)，也在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)方面積累了寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但現(xiàn)有的導(dǎo)航信號(hào)也存在著不少的局限性，如軍民信號(hào)頻譜重疊、電文速率過(guò)快、編碼增益較低等。

在當(dāng)今世界上其它幾大全球?qū)Ш较到y(tǒng)幾乎完成信號(hào)部署的背景下，北斗全球系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)面臨更多的挑戰(zhàn)。不斷增長(zhǎng)的定位服務(wù)需求對(duì)全球系統(tǒng)信號(hào)的測(cè)距精度與服務(wù)的穩(wěn)健性提出了更高的要求，而且GPS和Galileo系統(tǒng)利用先發(fā)優(yōu)勢(shì)搶占了導(dǎo)航頻段中有利的頻率資源，并通過(guò)對(duì)核心技術(shù)的專(zhuān)利保護(hù)以及雙邊談判制定規(guī)則等方式，給北斗信號(hào)體制的設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多制約。

目前，在GPS一家獨(dú)大并持續(xù)進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)、GLONASS迅速?gòu)?fù)興、Galileo力圖通過(guò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)后發(fā)制人的條件下，北斗全球系統(tǒng)為能在不遠(yuǎn)的將來(lái)取得后發(fā)優(yōu)勢(shì)，迫切需要在系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的核心技術(shù)方面取得全方位的突破。其中，作為衛(wèi)星系統(tǒng)的標(biāo)志性技術(shù)，導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)在北斗全球系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)中有十分重要的地位，理論性強(qiáng)、涉及面廣，對(duì)系統(tǒng)的性能和應(yīng)用推廣的影響大，因此無(wú)論是在技術(shù)創(chuàng)新還是在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面，都對(duì)北斗全球系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的要求。設(shè)計(jì)高性能、具有北斗特色且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航信號(hào)成為北斗全球系統(tǒng)建設(shè)的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

二、北斗全球系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)中的新技術(shù)

鑒于導(dǎo)航信號(hào)在導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要性，我國(guó)對(duì)北斗全球系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)給予了高度重視，聯(lián)合了國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)力量開(kāi)展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。在過(guò)去的幾年里，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界面對(duì)北斗全球系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)來(lái)自頻率資源、系統(tǒng)間的兼容性與互操作、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面的嚴(yán)苛約束，以及日益細(xì)化和更高性能的服務(wù)需求，經(jīng)過(guò)不懈地努力，出現(xiàn)了多種具有北斗特色的創(chuàng)新性技術(shù)。

1.QMBOC

為了提供與其它系統(tǒng)更好的互操作能力，北斗全球系統(tǒng)的民用信號(hào)B1C的中心頻率設(shè)在1575.42MHz，與GPS L1和Galileo E1頻點(diǎn)重疊?？梢灶A(yù)計(jì)，未來(lái)各系統(tǒng)在該頻點(diǎn)的公開(kāi)服務(wù)信號(hào)都將會(huì)是主要的民用導(dǎo)航定位業(yè)務(wù)的承載信號(hào)。因此，在B1C信號(hào)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，既需要與同一頻點(diǎn)其他信號(hào)滿(mǎn)足射頻兼容性要求，保證與GPS L1C信號(hào)和Galileo E1 OS信號(hào)的互操作能力，又應(yīng)盡量具有高的測(cè)距精度和穩(wěn)健性，同時(shí)支持多種不同的接收處理策略，能為高中低端接收機(jī)在定位性能和復(fù)雜度上提供多個(gè)平衡點(diǎn)；此外，出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的考慮，發(fā)射與接收基本方式應(yīng)當(dāng)可以規(guī)避歐美專(zhuān)利封鎖。

如果拋開(kāi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題不論，GPS L1C所使用的時(shí)分復(fù)用BOC（TMBOC）是一種滿(mǎn)足B1頻點(diǎn)設(shè)計(jì)要求的調(diào)制技術(shù)。但該技術(shù)由英國(guó)國(guó)防部下屬公司申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)，并已于2013年在中國(guó)獲得了授權(quán)。根據(jù)專(zhuān)利法的規(guī)定，英國(guó)有權(quán)向發(fā)射TMBOC的衛(wèi)星制造商以及使用TMBOC信號(hào)的接收機(jī)、芯片制造商收取專(zhuān)利使用費(fèi)，或者禁止這些單位使用相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)［3］。這為北斗未來(lái)的導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)一定的潛在威脅。

正交復(fù)用BOC（QMBOC）技術(shù)［4］的出現(xiàn)打破了在B1C信號(hào)設(shè)計(jì)中面對(duì)的專(zhuān)利壁壘。QMBOC將BOC（1，1）信號(hào)與BOC（6，1）信號(hào)分量分別調(diào)制在載波的兩個(gè)彼此正交的相位上，不僅避免了兩分量之間互相關(guān)分量的影響，而且規(guī)避TMBOC以及CBOC的專(zhuān)利問(wèn)題。QMBOC的功率譜與TMBOC相同，并且同樣可以采用類(lèi)BOC（1，1）的低復(fù)雜度接收模式以及高性能匹配接收模式，與GPS和Galileo系統(tǒng)在同一頻段的公開(kāi)服務(wù)信號(hào)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(shí)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(yōu)于TMBOC［5］。

此外，與TMBOC相比，QMBOC在收、發(fā)的靈活性方面同樣具有優(yōu)勢(shì)。在播發(fā)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(lái)BOC（6，1）在QMBOC總信號(hào)中的比重靈活調(diào)整，而不會(huì)影響到已經(jīng)生產(chǎn)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)；而TMBOC由于將BOC（6，1）分量放置在一些特定的時(shí)隙內(nèi)，因此一旦使用，未來(lái)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(jī)只處理信號(hào)中的BOC（1，1）分量，獲得與GPS L1C和Galileo E1 OS信號(hào)高度互操作能力；對(duì)于高端接收機(jī)，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(tǒng)將在B2頻段的兩個(gè)中心頻點(diǎn)——B2a（1176.45MHz）和B2b（1207.14MHz）上播發(fā)寬帶信號(hào)。信號(hào)應(yīng)具有較高的測(cè)距性能和抗頻帶內(nèi)干擾的能力。兩個(gè)載波中心頻點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)在發(fā)射端復(fù)用成一個(gè)恒包絡(luò)信號(hào)，以節(jié)約載荷資源，并盡可能降低復(fù)用損失。此外，這種合并使B2信號(hào)在接收機(jī)端既可以看作為兩組QPSK（10）信號(hào)分別接收，又為未來(lái)的高端接收機(jī)提供超寬帶接收的可能。另外重要的一點(diǎn)是，信號(hào)方案應(yīng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

時(shí)分AltBOC（TD-AltBOC）［6］是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種調(diào)制技術(shù)，為了降低發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，其每一邊帶的數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻分量采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)形成一路二值信號(hào)，之后使用2分量AltBOC技術(shù)［2］進(jìn)行合并發(fā)射。

非對(duì)稱(chēng)恒包絡(luò)BOC（ACE-BOC）［7］［8］同樣是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且滿(mǎn)足北斗B2頻點(diǎn)信號(hào)設(shè)計(jì)要求的新技術(shù)，其數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻分量正交放置，組成信號(hào)分量支持任意的功率配比，具有很高的設(shè)計(jì)靈活性。

TD-AltBOC由于時(shí)分復(fù)用中不引入額外的交調(diào)信號(hào)，在寬帶匹配接收時(shí)具有接近100%的復(fù)用效率。相比于ACE-BOC，TD-AltBOC的發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。但其所使用的時(shí)分復(fù)用導(dǎo)致B2信號(hào)有效擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度減小，互相關(guān)性能惡化，且擴(kuò)頻序列的非理想互相關(guān)特性可能會(huì)造成碼跟蹤的固有偏差［9］［10］［11］。而且TD-AltBOC的接收機(jī)為了避免50%的相關(guān)后信噪比損失，需要將每一邊帶當(dāng)作TD-QPSK信號(hào)來(lái)處理。而L5與E5a、E5b信號(hào)均可直接當(dāng)作QPSK信號(hào)接收。因此，對(duì)于多系統(tǒng)接收機(jī)，對(duì)B2/L5/E5頻段的接收，TD-AltBOC信號(hào)與其它信號(hào)無(wú)法使用相同架構(gòu)的相關(guān)器通道。與同頻點(diǎn)GPS L5，Galileo E5信號(hào)的互操作性略差。

ACE-BOC技術(shù)則通過(guò)將每一邊帶的數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻分量正交放置，避免了時(shí)分復(fù)用所帶來(lái)的上述問(wèn)題。而且進(jìn)一步，ACE-BOC能夠?qū)⒏嗟墓β史峙溆趯?dǎo)頻通道，提高偽距與載波測(cè)量的精度以及低信噪比下捕獲跟蹤的穩(wěn)定性。當(dāng)ACE-BOC信號(hào)在B2a，B2b兩個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)頻分量的功率為數(shù)據(jù)分量功率的3倍時(shí)，與AltBOC和TD-AltBOC相比，可將熱噪聲下的跟蹤門(mén)限降低1.8dB［8］。ACE-BOC的數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻分量正交放置，確保信號(hào)的后向兼容能力，方便發(fā)射方案的隨時(shí)調(diào)整，而不會(huì)對(duì)已經(jīng)投入使用的接收機(jī)產(chǎn)生影響。此外，正交放置的信號(hào)與GPS和Galileo在同一頻段的信號(hào)具有高度互操作能力，能更好的支持未來(lái)的北斗+GPS+Galileo三系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)架構(gòu)。在生成復(fù)雜度上，ACE-BOC信號(hào)的低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)方式具有與AltBOC相同的時(shí)鐘速率與電路結(jié)構(gòu)。

3.雙QPSK

B3頻點(diǎn)位于1268.52MHz，將主要用于部署北斗全球階段的軍用信號(hào)，在保持現(xiàn)有B3信號(hào)長(zhǎng)期播發(fā)的同時(shí)，增加現(xiàn)代化的軍用信號(hào)B3A。雙QPSK是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星上復(fù)用技術(shù)，能夠解決B3頻點(diǎn)兩個(gè)BOC（15，2.5）和QPSK（10）在星上發(fā)射機(jī)中等功率合并的需求，其中BOC（15，2.5）有正交的數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻通道。推廣的雙QPSK能夠?qū)`活控制合并信號(hào)的功率，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)類(lèi)QPSK信號(hào)的任意功率比恒包絡(luò)合并，且能得到優(yōu)化的解析實(shí)現(xiàn)和最大化的功率效率，解決B3頻點(diǎn)平穩(wěn)過(guò)渡的需求。

三、信號(hào)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)隨著信號(hào)設(shè)計(jì)、接收機(jī)實(shí)現(xiàn)及其他衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)的發(fā)展迅速，我們很難預(yù)測(cè)未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)的走向。然而，基于提升導(dǎo)航性能這一本質(zhì)需求，可以從導(dǎo)航信號(hào)的幾個(gè)基本要素著眼，對(duì)未來(lái)信號(hào)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1.先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制與復(fù)用技術(shù)

基于目前L頻段頻譜擁擠的現(xiàn)狀，下一代導(dǎo)航信號(hào)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(shì)。同時(shí)，數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻的分離與定位服務(wù)的細(xì)化導(dǎo)致播發(fā)信號(hào)個(gè)數(shù)持續(xù)增加。頻率資源受限以及發(fā)射功率受限的現(xiàn)狀對(duì)擴(kuò)頻調(diào)制和復(fù)用設(shè)計(jì)提出了苛刻的要求。在現(xiàn)有MBOC，ACE-BOC等復(fù)雜調(diào)制技術(shù)中，擴(kuò)頻調(diào)制波形設(shè)計(jì)與多路信號(hào)的功率分配、復(fù)用效率耦合，使得調(diào)制、復(fù)用聯(lián)合設(shè)計(jì)和優(yōu)化能夠取得更優(yōu)秀的性能，同時(shí)帶來(lái)更大的靈活性，以適應(yīng)系統(tǒng)平穩(wěn)過(guò)渡階段信號(hào)切換的需求。

2.載波頻段擴(kuò)展到S頻段和C頻段

ITU在2011年為無(wú)線電導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)（RNSS）的下行導(dǎo)航信號(hào)分配的公共導(dǎo)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(wèn)題日益加劇，未來(lái)在S頻段，C頻段播發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)將是信號(hào)體制設(shè)計(jì)的發(fā)展的最終趨勢(shì)。

S頻段指2483.5MHz ～ 2500MHz 的頻段，已被ITU開(kāi)放用于無(wú)線電測(cè)定衛(wèi)星服務(wù)（RDSS）。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的RDSS、印度IRNSS的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)將使用這一頻段。S頻帶信號(hào)與L頻段信號(hào)組合可以提升RNSS服務(wù)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(hào)難以超越L頻帶信號(hào)的性能；Globalstar、WIMAX的系統(tǒng)間干擾也是S頻段導(dǎo)航應(yīng)用需要考慮的問(wèn)題。

C頻段指的是5010MHz ～ 5030MHz的20MHz頻段。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)使用C頻段具有顯著的優(yōu)勢(shì)。C頻段載波波長(zhǎng)約6cm（1575.42MHz的L1頻段信號(hào)為19cm），使得測(cè)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(wù)，與L頻段的偽距組合能夠更好的消除電離層時(shí)延。C頻段的載波相位多徑誤差更小，利用載波進(jìn)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(hào)使用C頻段的劣勢(shì)在于，其相比于L頻段有較為嚴(yán)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(fā)生概率。

基于C頻段的特性，其適合用于播發(fā)軍用和授權(quán)信號(hào)。首先，C頻段沒(méi)有其他信號(hào)的交疊干擾，信號(hào)受電離層和無(wú)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(shí)，較之普通民用接收機(jī)，對(duì)成本與功耗敏感度略低的軍用接收機(jī)能更有效的克服C頻段信號(hào)處理的負(fù)面影響。此外，在C頻段播發(fā)下行導(dǎo)航信號(hào)能滿(mǎn)足高精度等GNSS高端需求，并且在L頻段信號(hào)性能被有意或無(wú)意干擾而降低的情況下，仍可以獨(dú)立支持GNSS導(dǎo)航和定位服務(wù)，增強(qiáng)整個(gè)GNSS系統(tǒng)的服務(wù)穩(wěn)健性。這使得研究和開(kāi)發(fā)C頻段導(dǎo)航資源受到越來(lái)越多的重視。

3.與PNT體系的兼容

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)日趨完善，導(dǎo)航定位服務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模的多元化蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的單一衛(wèi)星定位將逐漸過(guò)渡到融合了移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)等多種信息來(lái)源的定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）體系。美國(guó)在GPS現(xiàn)代化進(jìn)程的同時(shí)，也在推進(jìn)面向2025年的國(guó)家PNT體系研究。在電子設(shè)備日趨集成化、智能化的前提下，以衛(wèi)星導(dǎo)航為基礎(chǔ)，加入包括地基導(dǎo)航、無(wú)線電授時(shí)、無(wú)線通信、信息網(wǎng)絡(luò)以及慣性器件、片上原子鐘等信息與服務(wù)的來(lái)源，能夠在更廣的服務(wù)區(qū)域提供更好的PNT服務(wù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，為了發(fā)揮PNT體系中的核心地位，下一代北斗系統(tǒng)的建設(shè)中將需要在導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)方面有所作為，為多系統(tǒng)的融合、增強(qiáng)提供必要的條件。這對(duì)未來(lái)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用已經(jīng)走過(guò)的半個(gè)多世紀(jì)中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)始終貫穿著整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展的歷程。盡管在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的早期，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)尚未引起足夠的重視，但隨著傳統(tǒng)GNSS的現(xiàn)代化和新興導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為新一代GNSS建設(shè)和應(yīng)用的重點(diǎn)，也已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。令人欣慰的是，經(jīng)過(guò)近10多年的研究，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步擺脫了雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)的影響，走上了獨(dú)立的發(fā)展道路，出現(xiàn)一批既有衛(wèi)星導(dǎo)航的鮮明特色、又有更好的定位、授時(shí)性能的新信號(hào)，標(biāo)志著衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。實(shí)際上，導(dǎo)航信號(hào)已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更新?lián)Q代的標(biāo)志性符號(hào)。

鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)在系統(tǒng)建設(shè)、應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化中的重要地位，也為了能在未來(lái)的國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航競(jìng)爭(zhēng)的格局取得有利地位，向全世界用戶(hù)展現(xiàn)北斗全球系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平，我國(guó)對(duì)北斗全球系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)給予了高度的重視。面對(duì)頻率資源受限，典型技術(shù)手段存在專(zhuān)利保護(hù)等一系列不利因素，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界經(jīng)過(guò)幾年的不懈努力，提出了多種具有北斗特色的創(chuàng)新性技術(shù)，初步展示了展示北斗全球系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，有效規(guī)避了歐美在信號(hào)體制上的專(zhuān)利陷阱，可望在我國(guó)北斗全球系統(tǒng)建設(shè)和衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到重要的作用。此外，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展也在國(guó)際學(xué)術(shù)界引起了廣泛的關(guān)注，提升了我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位。

當(dāng)然，北斗全球系統(tǒng)的建成并不意味著衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)計(jì)的結(jié)束。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，北斗系統(tǒng)和其他GNSS系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)建成并投入使用之日便是系統(tǒng)更新?lián)Q代的開(kāi)始，并且，面對(duì)以北斗系統(tǒng)為核心的我國(guó)PNT體系的發(fā)展，下一代北斗系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)將面臨更多的挑戰(zhàn)。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)將是一項(xiàng)長(zhǎng)期、持續(xù)的工作，需要我國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界立足自主創(chuàng)新、加強(qiáng)國(guó)際學(xué)術(shù)交流，不斷在信號(hào)設(shè)計(jì)的理論和技術(shù)方面取得新的進(jìn)展，為我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域躋身國(guó)際領(lǐng)先的地位提供強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。

［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. 英美衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)專(zhuān)利糾紛及其對(duì)中國(guó)北斗專(zhuān)利布局的影響［J］. 數(shù)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.