北斗衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)及其特性分析

聶光皓，申亮亮，王新龍*，蔡遠(yuǎn)文，陳 鼎

(1.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100083；2.北京控制與電子技術(shù)研究所，北京 100038；3.航天工程大學(xué) 研究生院，北京 101416；4.天地一體化信息技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100086)

0 引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)是信息時(shí)代國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，在航空航天、大地測繪、軍事戰(zhàn)略、交通運(yùn)輸、日常生活等各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著越來越重要的作用。由于GNSS重要的戰(zhàn)略地位和應(yīng)用價(jià)值，西方大國自20世紀(jì)80年代起就開始競相發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，歐盟的Galileo系統(tǒng)等[1]。為打破GPS的壟斷地位，實(shí)現(xiàn)國家穩(wěn)定與國防穩(wěn)固，我國開始發(fā)展自己的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)北斗由有源定位到無源定位、由區(qū)域組網(wǎng)到全球覆蓋的系統(tǒng)建設(shè)。2017年，我國開始建設(shè)自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前已經(jīng)基本構(gòu)建完成并投入使用，這使我國成為世界上第四個(gè)擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家或地區(qū)[2]。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號起著至關(guān)重要的作用，既是連接衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段和地面段的重要反饋鏈路，也是空間段和用戶段之間的唯一接口，潛在影響導(dǎo)航系統(tǒng)的測距精度、抗干擾性能、抗多徑性能等指標(biāo)，很大程度上決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的先天性能，而對于不同導(dǎo)航系統(tǒng)之間存在的兼容性和互操作性等問題，只有通過合理有效的導(dǎo)航信號設(shè)計(jì)才能根本解決[3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號體制結(jié)構(gòu)是隨著通信技術(shù)的發(fā)展和導(dǎo)航需求的不斷出現(xiàn)而逐漸改進(jìn)和完善的，特別是我國目前正在建設(shè)的北斗三代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其信號體制在美國GPS系統(tǒng)和歐洲Galileo系統(tǒng)的基礎(chǔ)上推陳出新，既與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號體制相互協(xié)調(diào)、相互適應(yīng)，又有自身特色和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 北斗三代信號結(jié)構(gòu)分析

北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前提供公開服務(wù)的導(dǎo)航信號主要有B1I，B1C，B2a，B2I和B3I。其中，B1C信號是北斗三代新播發(fā)的信號；B2a將逐漸取代B2I信號，成為北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要公開服務(wù)信號；B1I和B3I信號將分別作為B1和B3頻點(diǎn)的公開服務(wù)信號保留。這些導(dǎo)航信號主要通過載波、擴(kuò)頻碼、導(dǎo)航電文等以復(fù)包絡(luò)的形式調(diào)制生成，即

s(t)=AdCd(t)D(t)cos(2πft+φ)+ApCp(t)sin(2πft+φ)

(1)

式中：Ad為數(shù)據(jù)信道的幅值；Ap為導(dǎo)頻通道的幅值；Cd為數(shù)據(jù)信道的擴(kuò)頻碼；Cp為導(dǎo)頻通道的擴(kuò)頻碼；D為導(dǎo)航電文；f為載波頻率；φ為初始載波相位。圖1所示為北斗三代導(dǎo)航信號的生成示意圖；圖2所示為傳統(tǒng)信號體制下的衛(wèi)星導(dǎo)航信號生成示意圖。對比圖1～2可知，新的北斗信號體制在信道結(jié)構(gòu)、頻率結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式和擴(kuò)頻碼結(jié)構(gòu)等方面均進(jìn)行了改進(jìn)。

圖1 北斗三代導(dǎo)航信號生成示意圖Fig.1 Navigation signal generation of the Beidou third-generation

圖2 傳統(tǒng)導(dǎo)航信號生成示意圖Fig.2 Traditional navigation signal generation

1.1 信道結(jié)構(gòu)

北斗三代信號的信道采用了“數(shù)據(jù)信道+導(dǎo)頻信道”的設(shè)計(jì)方案，即在傳統(tǒng)單數(shù)據(jù)信道設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，引入不播發(fā)導(dǎo)航電文的導(dǎo)頻信道。由于導(dǎo)頻信道上的信號不調(diào)制導(dǎo)航電文，所以在信號解調(diào)時(shí)不存在由于導(dǎo)航電文翻轉(zhuǎn)引起的比特跳變問題[4]。在對導(dǎo)頻信道信號進(jìn)行跟蹤時(shí)可舍棄傳統(tǒng)的對導(dǎo)航電文翻轉(zhuǎn)不敏感的Costas鎖相環(huán)，而選用牽入范圍更大、弱信號跟蹤能力更強(qiáng)的純鎖相環(huán)。

北斗三代信號的這種“數(shù)據(jù)信道+導(dǎo)頻信道”設(shè)計(jì)方案是根據(jù)導(dǎo)頻信道信號在跟蹤環(huán)節(jié)具備的優(yōu)勢，為用戶提供了一種解調(diào)導(dǎo)航電文的新方法。首先通過純鎖相環(huán)鎖定導(dǎo)頻信道信號的載波相位和碼相位，完成對導(dǎo)頻信道信號的跟蹤，隨后根據(jù)導(dǎo)頻信道信號和數(shù)據(jù)信道信號之間的相位關(guān)系，得到數(shù)據(jù)信道信號的載波相位和碼相位，最后對數(shù)據(jù)信道信號進(jìn)行相干積分，提取電文符號，完成導(dǎo)航電文解調(diào)，無需檢驗(yàn)電文相位是否翻轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)單數(shù)據(jù)信道設(shè)計(jì)方案的跟蹤方法相比，這種設(shè)計(jì)方案既可以提高跟蹤精度，又可以降低計(jì)算復(fù)雜度，節(jié)省硬件資源。

1.2 頻率結(jié)構(gòu)

頻點(diǎn)數(shù)和載波頻率的選擇是信號頻率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。早期的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)大多播發(fā)單頻或雙頻信號，而北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用三頻點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，三個(gè)頻點(diǎn)的載波中心頻率分別為1 575.42 MHz，1 176.45 MHz和1 268.520 MHz。其中，北斗B1C信號的頻點(diǎn)與GPS L1C信號和Galileo E1 OS信號的頻點(diǎn)相同，而B2a信號和B3I信號的頻段與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號頻段均有部分重疊，有利于增強(qiáng)北斗與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的互操作性。

帶寬的選擇是信號頻率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要指標(biāo)。信號帶寬表征了信號頻譜的寬度，與信號自相關(guān)函數(shù)主峰的寬窄情況密切相關(guān)，而自相關(guān)函數(shù)主峰的寬窄情況又對信號的碼跟蹤精度和抗多徑性能有重要影響，因此信號帶寬對導(dǎo)航系統(tǒng)的性能起關(guān)鍵性作用[5]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的B1C信號帶寬為32.736 MHz，B2a信號的帶寬為10.23 MHz，與傳統(tǒng)信號相比均有所提高。信號的帶寬越大，其潛在的碼跟蹤精度越高和抗多徑性能越好，系統(tǒng)的測距精度就越高。但帶寬的增大會給接收機(jī)前端低噪聲放大器和濾波器設(shè)計(jì)帶來更多的困難，對后端數(shù)字處理速度的要求也更高，進(jìn)而提高了終端設(shè)計(jì)的成本，因此存在接收機(jī)設(shè)備成本和精度權(quán)衡的問題。

1.3 調(diào)制方式

信號調(diào)制指使高頻載波隨基帶信號幅度變化而變化的過程。傳統(tǒng)GNSS信號采用二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)的調(diào)制方式，這種調(diào)制方式在早期的衛(wèi)星導(dǎo)航中發(fā)揮了重要作用。但由于當(dāng)前導(dǎo)航頻段資源擁擠的現(xiàn)狀及提高導(dǎo)航信號測距精度的需求，對傳統(tǒng)信號的調(diào)制方式進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，使各路信號在共用頻段的同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜分離。北斗三代信號體制的設(shè)計(jì)借鑒了GPS和Galileo提出的調(diào)制方式，并做出自己的改進(jìn)。其中B1C，B2a和B3I信號的調(diào)制方式如表1所示。由表1可知，B2a和B3I信號采用了BPSK(10)的調(diào)制方式，即選擇了擴(kuò)頻碼速率為10.23 MHz的BPSK 調(diào)制。與傳統(tǒng)的BPSK(1)調(diào)制相比，BPSK(10)的碼速率更高，具有更寬的自相關(guān)峰主瓣和更高的碼跟蹤精度。

表1 北斗各頻點(diǎn)信號調(diào)制方式Table 1 Beidou frequency signal modulation methods

B1C信號的導(dǎo)頻信道和數(shù)據(jù)信道分別采用了二進(jìn)制偏移載波(Binary Offset Carrier,BOC)和復(fù)合二進(jìn)制偏移載波(Multiplexed Binary Offset Carrier,MBOC)的調(diào)制方式，其中BOC調(diào)制是在原有BPSK調(diào)制的基礎(chǔ)上，再用一個(gè)二進(jìn)制子載波對BPSK信號進(jìn)行二次擴(kuò)頻，如圖3所示。而MBOC調(diào)制是將多個(gè)二進(jìn)制偏移載波在頻域上進(jìn)行復(fù)合得到的一種新的子載波調(diào)制方式，其功率譜密度是多個(gè)二進(jìn)制偏移載波的聯(lián)合功率譜密度。由于MBOC只針對頻域信號，其時(shí)域?qū)崿F(xiàn)方式并不唯一，因此通常是采用改變時(shí)域波形的生成方式來解決各導(dǎo)航系統(tǒng)信號的兼容性問題。其中，GPS和Galileo的MBOC時(shí)域?qū)崿F(xiàn)方式分別為TMBOC和CBOC調(diào)制，而北斗系統(tǒng)采用了QMBOC的調(diào)制方式[6-9]。如圖4所示，QMBOC在時(shí)域上將BOC (1,1) 信號與BOC (6,1) 的子載波分別調(diào)制在兩個(gè)彼此正交的相位上，有效避免兩分量之間互相關(guān)分量的影響。

圖3 BPSK和BOC調(diào)制對比圖Fig.3 Comparison of BPSK and BOC modulation

圖4 QMBOC時(shí)域信號示意圖Fig.4 QMBOC time domain signal

圖5～6分別為BPSK，BOC和MBOC調(diào)制的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度對比圖。由圖5可知，MBOC調(diào)制的自相關(guān)函數(shù)的主峰比BOC和BPSK調(diào)制更尖銳。由圖6可知，BOC調(diào)制的功率譜主瓣分裂為對稱的兩部分，有利于減少信號之間的干擾，實(shí)現(xiàn)頻譜分離，而MBOC的功率譜與BOC調(diào)制相比具有更好的高頻分量，因此，MBOC調(diào)制具有更好的碼跟蹤精度和抗多徑性能。

圖5 三種調(diào)制方式的自相關(guān)函數(shù)對比圖Fig.5 Comparison of autocorrelation functions of three modulation methods

圖6 三種調(diào)制方式的功率譜密度對比圖Fig.6 Comparison of power spectral density of three modulation methods

1.4 擴(kuò)頻碼結(jié)構(gòu)

擴(kuò)頻碼是碼分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的一個(gè)重要組成部分。一方面，擴(kuò)頻碼可以增強(qiáng)信號在長距離傳輸過程中抵抗各種干擾的能力，降低信號接收的誤碼率；另一方面，擴(kuò)頻碼的相移可用于測量衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的傳輸時(shí)間，可計(jì)算偽距、偽距率等重要信息。擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì)對其構(gòu)成的信號的影響主要體現(xiàn)在信號的自互相關(guān)特性上[10-12]。

針對傳統(tǒng)擴(kuò)頻碼暴露出來的一些問題，北斗信號對其做了一些改進(jìn)，主要包括采用分層結(jié)構(gòu)的擴(kuò)頻碼，引入新的主碼碼型，改變擴(kuò)頻碼的碼長和碼速率等。北斗信號擴(kuò)頻碼的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 北斗信號各頻點(diǎn)擴(kuò)頻碼參數(shù)Table 2 Spread frequency code parameters of each frequency point of Beidou signal

采用分層結(jié)構(gòu)的擴(kuò)頻碼，即信號擴(kuò)頻碼由長度較長的主碼和長度較短的子碼相異或構(gòu)成，如圖7所示。由圖7可知，子碼的碼片寬度與主碼的周期相同，子碼碼片的起始時(shí)刻與主碼第一個(gè)碼片的起始時(shí)刻嚴(yán)格對齊。

圖7 分層碼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Layered code structure

采用分層結(jié)構(gòu)的好處主要有：(1) 在不降低捕獲性能的同時(shí)改善了碼的相關(guān)特性；(2) 使信號的功率譜接近于連續(xù)譜，增強(qiáng)信號的抗窄帶干擾能力；(3) 由于子碼實(shí)現(xiàn)了與導(dǎo)航電文的同步，避免了位同步的過程。

傳統(tǒng)的擴(kuò)頻碼采用由移位寄存器生成的Gold序列，而Gold序列受寄存器數(shù)量限制，僅能輸出特定長度的擴(kuò)頻碼，如果對序列進(jìn)行截短或補(bǔ)長，擴(kuò)頻碼的自互相關(guān)性能都會下降。北斗B1C信號采用Weil序列截短的擴(kuò)頻碼，而B2a信號的子碼也采用了Weil碼的形式。Weil碼的優(yōu)點(diǎn)是碼長滿足質(zhì)數(shù)要求即可，碼長的選擇具有靈活性。與Gold碼相比，Weil碼的奇偶相關(guān)特性較好。

新播發(fā)的北斗信號與GPS L1 C/A信號和北斗B1I信號相比，主碼碼長由原來的1 023位增加為10 230位。碼長的增加有利于改善擴(kuò)頻碼的自互相關(guān)特性，但也會增加計(jì)算的復(fù)雜度和擴(kuò)頻碼捕獲難度。北斗新體制信號的碼速率分別為1.023 Mcps和10.23 Mcps，均為原先碼速率的整數(shù)倍，可以通過一個(gè)頻率源產(chǎn)生，有利于簡化星上設(shè)備和終端設(shè)備。同時(shí)，也為北斗與GPS，Galileo之間的互操作打下基礎(chǔ)。

2 信號結(jié)構(gòu)對導(dǎo)航系統(tǒng)性能影響分析

導(dǎo)航信號體制對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能起著決定性作用。隨著北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步建成，新的信號體制必然對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能產(chǎn)生更大影響。

2.1 多頻信號的影響

早期的GNSS導(dǎo)航信號大多為雙頻模式，而目前各國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)和升級使三頻或三頻以上信號的應(yīng)用成為一種趨勢。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供B1，B2和B3三頻信號，在MEO和IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星上播發(fā)，是首個(gè)提供三頻信號服務(wù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 三頻信號示意圖Fig.8 Tri-frequency signal

北斗系統(tǒng)播發(fā)的三頻信號最大的應(yīng)用價(jià)值在于對多頻組合理論的應(yīng)用，即通過線性組合，形成一種對導(dǎo)航定位更有利的多頻組合虛擬信號。對同一顆衛(wèi)星的三頻組合信號的頻率表達(dá)式為

f=i·f1+j·f2+k·f3=f0(i·n1+j·n2+k·n3)=n·f0

(2)

式中：i,j,k為組合系數(shù)；f0為基準(zhǔn)頻率。通常將n定義為巷數(shù)，巷數(shù)在不受組合載波其他特性參數(shù)影響的情況下，能夠完全且唯一代表組合載波的波長[13-17]。由式(2)可知，通過對不同組合系數(shù)形成的組合進(jìn)行篩選，可獲得一種具有長波長、低電離層誤差和低噪聲等性質(zhì)的組合測量值，可提高整周模糊度解算成功率和定位精度。同時(shí)，北斗多頻信號對多頻觀測值組合理論的應(yīng)用價(jià)值也為載波相位定位、差分定位和精密單點(diǎn)定位的發(fā)展提供了新思路[18-21]。

對于載波相位定位而言，整周模糊度解算和周跳檢測與修復(fù)是提高載波相位定位精度和動態(tài)范圍的關(guān)鍵性問題。在接收機(jī)獲得多頻觀測量后，通過線性組合可以將信號中的電離層誤差、衛(wèi)星鐘差等消除，此時(shí)僅受整周模糊度的影響，在忽略多徑的前提下，可以得到比較準(zhǔn)確的周跳估計(jì)值。

差分定位指在多個(gè)觀測值、多個(gè)接收機(jī)或多個(gè)衛(wèi)星之間進(jìn)行差分運(yùn)算來消除各種誤差，如對流層誤差、電離層誤差或者衛(wèi)星鐘差等。如果能夠通過多頻組合信號獲得長波長、低電離層誤差和低噪聲的信號，可以提高差分定位的精度。

通過利用北斗系統(tǒng)的三頻信號進(jìn)行三頻精密單點(diǎn)定位，可以獲得更高的定位精度和更快的收斂速度。目前已經(jīng)提出的三頻精密單點(diǎn)定位模型主要有三頻非組合模型、三頻無電離層兩兩組合模型和三頻消電離層組合模型等，能夠提供三頻信號的北斗系統(tǒng)勢必會為三頻精密單點(diǎn)定位的理論發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供助力。

2.2 對測距精度的影響

在衛(wèi)星導(dǎo)航中，信號測距功能的實(shí)現(xiàn)主要包括擴(kuò)頻碼測距和載波相位測距。對于兩種測距方式而言，碼跟蹤精度和載波相位跟蹤精度決定了衛(wèi)星信號測距所能達(dá)到的精度，也就直接表征了導(dǎo)航系統(tǒng)的測距性能。擴(kuò)頻碼跟蹤精度由信號的均方根帶寬、載噪比等因素決定[22-26]。其中，均方根帶寬又叫Gabor 帶寬，表達(dá)式為

(3)

式中：βr為閉合環(huán)路的接收帶寬；f為信號的頻率；S(f)為信號的功率譜密度[22-26]。由式(3)可知，信號在接收機(jī)射頻前端帶寬上的均方根帶寬越大，接收機(jī)碼環(huán)對該信號的碼跟蹤精度誤差均方差的下限值就越低，即信號的潛在碼跟蹤精度就越高。

北斗新信號體制對導(dǎo)航信號測距精度的影響體現(xiàn)在：一是調(diào)制方式的改進(jìn)。北斗的B1C信號采用MBOC的調(diào)制方式，與傳統(tǒng)的北斗B1I信號和GPS的L1 C/A信號相比，在高頻處有更高的功率譜密度，因此其Gabor帶寬更大，具有更高的碼跟蹤精度和測距性能。與同樣采用了MBOC調(diào)制方式的GPS L1C信號和Galileo E1 OS信號相比，在接收帶寬一致的情況下，具有相同的捕獲、跟蹤性能，測距精度基本相同。但在非匹配接收的情況下，北斗信號采用的QMBOC的捕獲、跟蹤靈敏度要優(yōu)于GPS采用的TMBOC調(diào)制。二是引入了導(dǎo)頻信道，改用純鎖相環(huán)后擴(kuò)大了信號的牽入范圍，提高了弱信號跟蹤能力，避免了導(dǎo)航電文翻轉(zhuǎn)帶來的問題，可得到更高的碼跟蹤精度。三是在頻率結(jié)構(gòu)上選擇了比傳統(tǒng)導(dǎo)航信號更高的帶寬，帶寬的增加可提高信號的均方根帶寬，從而提高信號的碼跟蹤精度。四是在擴(kuò)頻碼的改進(jìn)上引入了更長的碼長和更高的碼速率，提高了擴(kuò)頻碼的自互相關(guān)特性、跟蹤精度及導(dǎo)航信號的測距精度。

2.3 對抗干擾性能的影響

導(dǎo)航信號在傳播過程中易受背景噪聲干擾和電磁干擾的影響。隨著GNSS的廣泛應(yīng)用，對導(dǎo)航信號抗干擾性能的研究越發(fā)重視起來。信號干擾可以分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩種。壓制式干擾一般采用窄帶干擾，其中心頻點(diǎn)位于導(dǎo)航信號功率譜峰值點(diǎn)，干擾效果明顯；欺騙式干擾一般采用匹配譜干擾，通過干擾機(jī)發(fā)射具有與導(dǎo)航信號相同或相似的功率譜密度的信號，從而誤導(dǎo)導(dǎo)航接收機(jī)。因此，可以從信號的抗窄帶干擾性能和抗匹配干擾性能來具體分析信號的抗干擾能力[27-29]。

信號的子載波頻率、擴(kuò)頻碼速率以及信號的調(diào)制方式都會對其抗干擾性能產(chǎn)生影響。通常用品質(zhì)因數(shù)Q表征信號的抗干擾能力，品質(zhì)因數(shù)Q越高，表明信號的抗干擾性能越好。由于窄帶干擾可視為一個(gè)頻率在中心頻點(diǎn)的單頻干擾，因此可以將抗窄帶干擾的品質(zhì)因數(shù)表示為

Q=(Rc/S(fJ))-1

(4)

式中：fJ為干擾信號的頻率；Rc為擴(kuò)頻碼速率；S(fJ)為干擾信號等效基帶信號的歸一化功率譜密度。由于匹配譜干擾信號的功率譜密度與有用信號相似，因此，可以將信號的抗匹配干擾的品質(zhì)因數(shù)表示為

(5)

式中：f為有用信號的頻率；S(f)為有用信號的功率譜密度[29-30]。由式(4)～(5)可知，信號的抗窄帶干擾性能與信號的擴(kuò)頻碼速率、調(diào)制信號的類型有關(guān)，而信號的抗匹配干擾能力與擴(kuò)頻碼速率、子載波頻率和調(diào)制信號的類型有關(guān)。

北斗B1C信號采用了MBOC調(diào)制，其抗干擾能力與BPSK和BOC調(diào)制相比得到提高，同時(shí)，擴(kuò)頻碼速率的提高也使信號的抗干擾能力增強(qiáng)。此外，北斗信號通過對擴(kuò)頻碼增加子碼的方式提高了信號的抗窄帶干擾能力。由于子碼的周期長于主碼周期，使信號頻譜的譜線間隔縮短，每條譜線的功率密度下降，功率譜更接近連續(xù)譜。由于窄帶干擾僅能與幾條譜線重合，因此信號的抗窄帶干擾能力增強(qiáng)。

2.4 對抗多徑性能的影響

多徑指接收機(jī)除接收到衛(wèi)星信號的直射波外，還接收到該直射波的一份甚至多份反射波的現(xiàn)象。在空間和時(shí)間上均不呈相關(guān)性的多徑誤差是GNSS特別是差分GNSS的主要誤差源，因此，衛(wèi)星信號抗多徑性能的好壞是影響GNSS接收機(jī)定位性能的重要因素。目前，衡量抗多徑性能的指標(biāo)主要有多徑誤差包絡(luò)(MEE)、多徑誤差包絡(luò)面積和多徑平均誤差等參量。

多徑誤差包絡(luò)表達(dá)式為

(6)

式中：a0,τ0為直達(dá)信號的幅度和時(shí)延；a1,τ1分別為多徑信號的幅度和時(shí)延；d為相關(guān)器間隔；S(f)為信號的功率譜密度[30-32]。由式(6)可知，衛(wèi)星信號的多路徑效應(yīng)與載波頻率、擴(kuò)頻碼速率和數(shù)據(jù)調(diào)制方式等信號的結(jié)構(gòu)與參數(shù)有很大的關(guān)聯(lián)。

從載波頻率的選擇來看，高頻率的載波使北斗信號的波長僅約為19 cm，使得任何大于幾厘米的金屬物體均可產(chǎn)生多徑效應(yīng)，但這是由于多種條約、規(guī)定的限制引起的，北斗信號與GPS信號相比并沒有明顯差異；北斗B2，B3頻點(diǎn)均采用了10.23 Mcps的碼速率，是傳統(tǒng)新號碼速率的10倍，而分層結(jié)構(gòu)的引入和碼長的增加都極大地改善了北斗信號擴(kuò)頻碼的自互相關(guān)特性，極大提高了北斗信號的抗多徑性能；北斗B1C信號采用MBOC調(diào)制，與BPSK調(diào)制的信號相比，具有更尖銳的自相關(guān)函數(shù)主峰，相關(guān)特性更好，抗多徑性能會有所提高。

2.5 對兼容性和互操作性的影響

系統(tǒng)的互操作性指綜合利用多個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及相應(yīng)服務(wù)，從而在用戶層面獲得比單獨(dú)使用一種服務(wù)更好的導(dǎo)航定位能力。北斗B1頻點(diǎn)與GPS L1C和Galileo E1 OS頻點(diǎn)相同，北斗B2，B3頻段均與GPS和Galileo有部分重合。頻段的重疊和部分重合大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的互操作性。對于開放服務(wù)而言，頻譜的重疊能夠?yàn)楦鲗?dǎo)航系統(tǒng)提供更好的導(dǎo)航性能。但對于授權(quán)服務(wù)而言，在僅能使用本國導(dǎo)航系統(tǒng)的情況下，頻譜的重疊會導(dǎo)致不同導(dǎo)航系統(tǒng)之間相互干擾，影響導(dǎo)航系統(tǒng)性能，可能會給國家安全帶來不利影響，因此需要研究各導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性。

系統(tǒng)之間的兼容性指當(dāng)多個(gè)導(dǎo)航信號在同一頻段同時(shí)工作時(shí)，導(dǎo)航信號之間的干擾對單獨(dú)存在導(dǎo)航信號的系統(tǒng)性能影響在可接受的指標(biāo)之內(nèi)，即其他導(dǎo)航信號不影響有用信號的性能。目前，國際上主要利用等效載噪比衰減量或譜分離系數(shù)來評估衛(wèi)星導(dǎo)航信號的兼容性。通常譜分離系數(shù)可以表示為

(7)

式中：SX(f)和SI(f)分別為歸一化的有用信號和干擾信號的功率譜密度；KX,I為兩信號之間的功率譜密度分離度，即譜分離系數(shù)。等效載噪比衰減量與譜分離系數(shù)成正比關(guān)系[33-37]。由式(7)可知，譜分離系數(shù)越大，兩個(gè)信號頻譜的重疊部分越多，相互間的干擾也越嚴(yán)重。北斗B1C信號選擇了與GPS L1C和Galileo E1 OS信號相同的頻點(diǎn)，使三種信號具有高度的互操作性，而B1C信號采用的QMBOC的調(diào)制方式使其頻譜與采用的TMBOC和CBOC調(diào)制的另外兩種信號頻譜的譜分離系數(shù)較小，因此B1C信號同樣具有很高的兼容性，為差分定位、多頻組合理論等的實(shí)際應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

2.6 對接收性能的影響

北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用新的信號體制，對于信號的測距精度、抗干擾和抗多徑能力都有所改善。但從信號的接收來看，新的信號體制也會帶來新的問題，需要改善地面段和用戶段的接收方法來提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收性能[38-39]。

一是多峰性問題。北斗B1C信號的數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻信道分別采用BOC(1,1)和QMBOC(6,1,4/33)進(jìn)行調(diào)制，其中QMBOC(6,1,4/33)可視為BOC(1,1)和BOC(6,1)的復(fù)合調(diào)制。由于BOC 調(diào)制信號的自相關(guān)函數(shù)存在多個(gè)副峰，信號在跟蹤過程中易發(fā)生誤鎖現(xiàn)象，由此導(dǎo)致跟蹤模糊的問題。

二是子碼符號翻轉(zhuǎn)問題。北斗信號采用了分層結(jié)構(gòu)的擴(kuò)頻碼，其中每個(gè)擴(kuò)頻碼的子碼碼片覆蓋一個(gè)主碼周期。子碼的存在使信號的導(dǎo)頻信道在接收過程中出現(xiàn)符號翻轉(zhuǎn)問題，但不會影響數(shù)據(jù)信道。由于數(shù)據(jù)信道以與子碼相同的速率播發(fā)導(dǎo)航電文，因此符號翻轉(zhuǎn)問題也存在于數(shù)據(jù)信道中。

三是計(jì)算復(fù)雜度問題。北斗信號的擴(kuò)頻碼主碼長度是傳統(tǒng)信號擴(kuò)頻碼長度的10倍，在捕獲和跟蹤過程中，碼長的增加意味著更高的計(jì)算復(fù)雜度，硬件資源大量消耗。目前接收機(jī)采用的FPGA資源很難滿足這種計(jì)算量。

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展展望

北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已經(jīng)基本建成并投入使用，北斗系統(tǒng)的未來發(fā)展與應(yīng)用，必然會與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、航空航天技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和突破息息相關(guān)[40-41]?？梢灶A(yù)測，未來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展有以下趨勢：

(1) 信號波形的設(shè)計(jì)需要在測距性能、兼容性和設(shè)備復(fù)雜度之間進(jìn)行權(quán)衡。波形設(shè)計(jì)必將越來越靈活，也會越來越復(fù)雜。面對頻譜擁擠的現(xiàn)狀，可能會出現(xiàn)多電平、多相位的符號調(diào)制，在提高信號的測距精度的同時(shí)避免信號間譜峰的重疊干擾。

(2) 擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì)需要在碼相關(guān)特性和捕獲性能之間進(jìn)行權(quán)衡。而對于一些具有良好自互相關(guān)特性的擴(kuò)頻碼結(jié)構(gòu)而言，需要捕獲算法的進(jìn)步來提高接收效率。

(3) 接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展是適應(yīng)北斗信號體制優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)市場化應(yīng)用的重要一步，對于新信號體制中存在的問題，如BOC調(diào)制帶來的多峰性問題、分層碼結(jié)構(gòu)帶來的符號翻轉(zhuǎn)問題等，都需要從接收機(jī)層面改進(jìn)傳統(tǒng)算法，從而提高信號的跟蹤精度，發(fā)揮新信號體制具備的優(yōu)勢。

(4) 頻率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在頻譜的已占用情況和系統(tǒng)的兼容性與互操作性之間進(jìn)行綜合考慮。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，授權(quán)信號的載波頻段將會逐漸發(fā)展到S頻段和C頻段上來，以避免頻譜擁擠和兼容性問題，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)健性。

另外，多系統(tǒng)的融合發(fā)展是未來北斗系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，在與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的基礎(chǔ)上，北斗系統(tǒng)會逐漸加強(qiáng)與移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息平臺的聯(lián)系，跟蹤5G、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，融入到國家定位、導(dǎo)航與授時(shí)(PNT)體系的建設(shè)中來。

4 結(jié) 束 語

新信號體制下的北斗系統(tǒng)的建成和投入使用會給衛(wèi)星導(dǎo)航各領(lǐng)域的研究和應(yīng)用帶來新一輪熱潮。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的新信號體制既會使系統(tǒng)的測距精度、抗多徑和抗干擾能力得到提高，也會帶來各種問題，需要通過系統(tǒng)內(nèi)各部分的協(xié)調(diào)配合來解決，已成為國內(nèi)外競相研究的焦點(diǎn)。隨著GNSS技術(shù)的不斷發(fā)展和硬件水平的提高，北斗系統(tǒng)的信號體制結(jié)構(gòu)必然會被不斷地改進(jìn)和升級，衛(wèi)星導(dǎo)航信號的潛在性能將會得到更好的發(fā)揮，其在系統(tǒng)建設(shè)、應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化中的重要地位也將不斷提升。