北斗三号卫星导航信号及接收策略

Posted 2023-01-04 bobuddy

一、北斗三号卫星导航信号的特点

从上个世纪九十年代初北斗一号立项到现在，我国的北斗卫星导航系统已经走过了二十多年的发展历程。根据三步走的发展计划，先后经历了北斗一号和北斗二号两个阶段，目前正在向北斗三号发展。以用户的视角我们可以发现，从北斗一号、北斗二号到北斗三号的发展史，实际上就是北斗卫星导航信号的进化史。

 

北斗一号是我国的第一个卫星导航系统，覆盖我国及周边地区，采用RDSS体制，提供有源定位、短报文通信和单双向的授时服务。北斗一号的导航信号，包括收发两种信号，即L波段的入站信号和S波段的出站信号。这两个信号分别采用了非常简单、成熟的BPSK和QPSK调制。

 

北斗二号是我国目前已经建成并正在大规模使用的区域卫星导航系统，继承了北斗一号的RDSS，采用了国际GNSS主流的RNSS体制，也就是所谓的无源定位技术。北斗二号有14颗在轨卫星，由GEO和MEO两种卫星组成，但它还是一个区域系统，覆盖亚太地区，在三个频点即B1、B2和B3播发军用和民用信号。其中已经公布的民用信号有B1I、B2I，实际上还有一个民用信号B3I，虽然还没有正式公布，但不少厂家和行业用户都已经在使用了，各种高精度接收机基本上都在使用包括B3I在内的北斗信号。北斗二号是国际上首个提供三频公开服务的系统，是北斗系统的一大特色。可以看到，北斗二号系统的导航信号虽然数量多，但在技术上还是采用了非常简单和成熟的BPSK、QPSK类的调制。与早期的GPS信号基本一样。

 

根据三步走的发展战略，目前正在部署的是北斗三号。上个月初，也就是9月5日，北斗官方网站发布了一条不到200字的新闻，附件是一个80页的文件，这就是《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1C、B2a（测试版）》。虽然这次ICD的发布异常的低调，却是北斗卫星导航系统发展史上的一个重要里程碑，不但揭开了北斗三号系统的正式部署序幕，也终于揭开了北斗三号导航信号的面纱。根据这个ICD测试版，我们可以了解到北斗三号的一些基本情况，包括星座结构、导航信号、服务功能等，但服务性能还未公布。已经明确的重要信息有：

（1）北斗三号星座的工作卫星共30颗，包括3颗GEO、3颗IGSO和24颗MEO，并将视情部署在轨备份卫星；

（2）B1C和B2a信号在北斗三号MEO卫星和IGSO卫星上播发，提供公开服务；

（3）B1C信号为新增信号，B2a信号将取代B2I信号。B1I信号在北斗三号所有卫星上播发提供公开服务；

（4）GEO卫星将提供SBAS服务。SBAS（Satellite-Based Augmentation System），即星基增强系统，通过地球静止轨道（GEO）卫星搭载卫各SBAS系统全球分布图星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进，从而成为各航天大国竞相发展的手段

由此可见，北斗三号将至少由三个信号提供公开服务，即B1C、B1I和B2a。新的导航信号B1C和B2a将与GPS、Galileo实现兼容与互操作，这意味着北斗三号将进一步融入国际GNSS的大家庭，也将带来卫星导航接收机技术的重大变革，未来的服务性能将大幅提升，用户设备功耗和成本将明显降低。特别需要指出的是，继续播发B1I信号不但可以确保北斗二号到北斗三号的平稳过渡，也将在最大程度上保护接收机厂商和广大用户的利益。

下面重点介绍一下北斗三号新信号的技术特点。

B1C是北斗三号的主用信号，未来所有北斗用户、乃至全球的GNSS用户都需要接收，将成为北斗系统的重要标志（类似于当前GPS的L1 C/A和未来的L1C信号）。B1C是一个技术先进且具有自主知识产权的新一代导航信号，既能满足位置服务等消费类低成本用户的需求，又能满足高精度测量等专业类高性能用户的需求。

B1C信号的载波频率为1575.42MHz，与GPS L1和GalileoE1共享频点，带宽为32.736MHz。采用数据与导频正交的现代化信号结构：数据分量由导航电文和测距码经子载波调制产生，采用正弦BOC(1, 1)调制；导频分量由测距码经子载波调制产生，采用QMBOC(6, 1,4/33)调制。数据分量与导频分量的功率比为1:3，信号功率向导频倾斜，符合测距精度越高越好、解调性能够用即可的设计原则，有利于提升B1C信号的整体性能。

B1C信号的测距码结构与B2a相同，均由主码和子码异或构成。主码速率为1.023Mcps，码长为10230，由长度为10243的Weil码通过截断获得。主码共有126个，即数据码和导频码各63个。B1C导频分量的子码长度为1800，由长度为3607的Weil码通过截断得到，生成方式与主码相同，共63个。

B1C信号的导航电文采用B—CNAV1格式。B-CNAV1导航电文数据调制在B1C数据分量上，每帧电文长度为1800符号位，符号速率为100 sps，播发周期为18秒。

B2a为北斗三号的第二个民用信号，用来替换北斗二号的B2I信号，主要为双频或者三频接收机提供服务，可用于生命安全服务和高精度测量等高性能服务，也可用于对性能要求较高的消费类服务。

B2a信号载波频率1176.45MHz，与GPSL5和Galileo E5a共享频点，带宽为20.46MHz。也采用数据与导频正交的结构（QPSK）：数据分量由导航电文数据和测距码调制产生，采用BPSK(10)调制；导频分量仅包括测距码，也采用BPSK(10)调制。导频分量与数据分量的功率比为1:1。

刚才已经说过，B2a信号的测距码结构与B1C相同，也由主码和子码异或构成。主码速率为10.23Mcps，码长为10230，由两个13级线性反馈移位寄存器通过移位及模二和生成的Gold码扩展得到。在同一卫星上，B2a信号两个分量的主码生成多项式不同，但采用相同的初始状态。B2a信号测距码共有126个，其中数据码、导频码各63个。对于不同的卫星，B2a数据分量的子码相同，B2a导频分量的子码不同。B2a数据分量子码码长为5，采用固定的5位码序列作为子码，子码序列为00010。B2a导频分量子码码长为100，由长度为1021的Weil 码通过截断得到，定义方式与B1C主码相同。

B2a信号的导航电文采用B-CNAV2格式。B-CNAV2导航电文数据调制在B2a数据分量上，每帧电文长度为600符号位，符号速率为200sps，播发周期为3秒。B-CNAV2导航电文最多可定义63种信息类型，当前定义了7个有效信息类型。

二、卫星导航信号的接收策略

B1C是一种全新的导航信号，技术先进、结构复杂，信号分量较多，可以发展出多种不同接收方案，以满足不同用户需求。而且，北斗三号将在MEO和IGSO卫星上同时播发B1C和B1I，将发展出独特的接收方法，可充分挖掘北斗三号的潜能。B2a信号是一种数据与导频正交的复合信号，与GPS L5和Galileo E5a相似，其基本的接收方法已趋成熟。因此，未来北斗三号接收技术的主要创新在于B1C信号接收处理的新理论、新方法，以及B1C与GPS L1C、Galileo E1 OS信号高效的互操作接收技术。这也是本报告接下来要介绍的内容。

先来分析B1C信号的结构特点。前面已经谈到B1C信号由BOC(1, 1)数据分量与BOC(6, 1, 4/33)导频分量构成，其中的BOC(6, 1, 4/33)分量包含了正交的BOC(1, 1)和BOC(6, 1)成分。因此，整个B1C信号实际包含了三个实分量：BOC(1, 1)数据、BOC(1, 1)导频和BOC(6, 1)导频。

由此，从方法论的角度出发，我们可以发展出两种基本的接收方法：宽带接收和窄带接收。

宽带接收：带宽取14MHz左右，同时接收窄带分量BOC(1, 1)和宽带分量BOC(6, 1)。在这种匹配接收模式下，由于B1C的QMBOC与TMBOC、CMBOC具有相同的功率谱密度，三者具有完全相同的捕获、跟踪性能。

窄带接收：带宽取4MHz左右，只接收窄带分量BOC(1, 1)。当接收机只处理BOC(1,1)分量时，QMBOC具有更好的性能：QMBOC的捕获灵敏度比TMBOC提高0.51dB以上；QMBOC性能在接收带宽为4MHz时比TMBOC提高0.6164 dB。

因此，整体来说QMBOC的性能优于GPS和Galileo的TMBOC、CMBOC信号。

由于北斗三号将在MEO和IGSO卫星上同时播发B1C和B1I，而B1I、B1C基于同一星上时钟分别产生，经过一种特殊的复用方案后经功放和天线发射到地面，故从用户的角度可将B1C和B1I视为一个特殊的双边带宽带信号。我们暂且称之为B1频点上的非对称双边带信号B1-ADS。B1-ADS信号的特点有：

（1）很高的等效RMS带宽：B1-ADS等效带宽不仅大于B1I和B1C，甚至大于采用10.23 Mcps宽带B2a信号。因此，B1-ADS信号在理论上具有显著的测距性能优势，以及明显的抗干扰、抗多径优势。

（2）复杂的自相关函数：B1-ADS的自相关函数具有非常尖锐的主峰，说明B1-ADS信号理论上具有显著的测距性能优势，但也具有更复杂的边峰结构，在接收中需要解决复杂的多峰模糊问题。

由于B1-ADS的两个边带B1I、B1C信号的调制方式、码速率、电文和功率都不相同，传统的用于对称信号接收的处理技术不适用。因此，我们需要发展一类特殊的接收方法来接收B1-ADS，即同时接收B1I和B1C，进一步挖掘北斗三号信号测距精度和抗干扰、抗多径的潜能。下图是一种建议的B1-ADS接收方案，也就是B1I和B1C信号的联合接收方案。

这种方案的基本思路是：借鉴DET独立跟踪副载波解决多峰模糊；上下边带分别进行相关，避免生成副载波波形，并可灵活支持双边带和单边带处理；上下边带采用不同结构的相关器，解决上下边带调制方式不同问题；利用已知发射功率比值进行功率补偿，解决上下边带功率不同问题；利用数据辅助的电文剥离方法，解决B1I仅有数据通道的问题。

这种方法可以较低的硬件复杂度支持B1-ADS信号的准最优接收处理，此外还可以兼容B1I或B1C独立接收处理模式。

三、未来的北斗和GNSS接收机的发展趋势

2020年前后，GPS的现代化将进入到GPS III阶段，伽利略的部署将基本完成，我们的北斗三号也将部署完毕。这意味着即使不计入GLONASS的卫星，北斗三号和GPS、Galileo三大系统就有90余颗在轨卫星，除了将成为主流的L1/E1/B1和L5/E5a/B2a两个频点的6个互操作信号，还有其它信号可供用户使用。全球的GNSS资源将空前丰富，特别是在我国。

届时，虽然卫星导航资源十分丰富，也就是用户可以接收的信号非常的多，但如果照单全收，把所有的信号全部接收下来，那么接收机的代价实在太大。今天的特邀报告一直在讨论要实现低成本的高精度，显然照单全收的简单方式是难于做到低成本下的高精度。幸运的是，未来GNSS的主流信号是新一代的互操作信号，互操作信号的播发为我们实现低成本下的高精度定位带来了一个合理的途径：有选择性地接收多个系统的互操作信号，开发新一代的互操作接收机。这也将是未来卫星导航接收机的主要发展方向。

互操作接收机的基本概念是：充分利用不同导航系统互操作信号的相似性，通过共用天线、射频，复用捕获与跟踪通道，降低接收机的复杂度，并达到性能提升、功耗降低、成本降低的目的。可以预料，未来的互操作接收机将有三种基本形态：一种是单频多系统互操作接收机，第二种是双频多系统互操作接收机，第三种是多频多系统互操作接收机。

单频多系统互操作接收机：只接收L1/E1/B1频点的互操作信号，主要包括L1C、E1 OS和B1C，将有可能成为未来应用最普及的一种低成本、低功耗接收机。目前的很多消费类单频多系统接收机实际上是三频接收机，即同时接收了GPS L1 C/A、北斗B1I和GLONASSG1，硬件还是比较复杂的。到2020年前后，新一代的单频多系统互操作接收机能实现真正的单频接收，性能一定会更好，而且功耗和成本大大降低。

双频多系统互操作接收机：目前的双频多系统接收机并不属于互操作接收机的范畴。未来将发展出一种接收B1C和B2a、L1C和L5、E1 OS和E5a的互操作双频接收机，既可以成为高可靠、高性能的双频接收机主流产品，也将随着技术的发展而很快进入高性能的消费领域。这类接收机是新一代互操作信号的投入使用的必然产物，是从无到有的一类新型接收机，经过星基增强以后，实时定位的精度可以达到分米级，将在对应用安全性和可靠性要求比较高的智能驾驶、机器控制、基础设施授时以及高性能导航定位等方面发挥重要作用。此外，还可应用于高精度测量领域和性能要求较高的消费领域。双频互操作接收机是未来接收机的发展重点，最新发布的产品也佐证了这个观点。上个月国外某公司发布了一款新型的双频SoC芯片，据称双频接收情况下能够达到30厘米的精度，而且功耗很低。国内也有厂商推出了支持北斗三号新信号的类似产品。

第三类是以高精度测量为主的高精度多频互操作接收机：这类接收机以接收双频的互操作信号为主，再加上第三个频点的信号。这类接收机的出现，将使目前高精度测量型接收机厂商的看家本领之一——半无码和无码接收技术逐步淡出市场，将引发高精度接收机市场的又一轮技术竞争。由于以接收互操作信号为主，避免了无码、半无码技术的弊端，新一代多频互操作接收机在降低成本和功耗的同时显著提升高精度定位性能，将成为未来高精度测量型接收机的主流。