王夢麗，金國平，馬志奇

(1.北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094;2.北京信息技術(shù)研究所，北京100094)

0 引言

在GPS和GLONASS現(xiàn)代化升級建設(shè)成果顯著、Galileo系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)步發(fā)展的國際背景下，作為世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展面臨著國際化的機遇與挑戰(zhàn)。導(dǎo)航信號體制是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體制最重要的組成部分之一，關(guān)系到精度、連續(xù)性、可用性、實時性、抗干擾以及兼容和互操作性等系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標的實現(xiàn)，是開展衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)以及用戶設(shè)備研制的基礎(chǔ)。

從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各類民用用戶需求和系統(tǒng)現(xiàn)代化升級建設(shè)為出發(fā)點，在對國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用信號設(shè)計進行分析、研究的基礎(chǔ)上，從用戶功能和性能需求、與國際GNSS系統(tǒng)兼容和互操作需求等方面，全面分析我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用導(dǎo)航信號設(shè)計需求，給出現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用導(dǎo)航信號設(shè)計建議。

1 國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用信號設(shè)計分析

近年來，世界各GNSS系統(tǒng)面向系統(tǒng)現(xiàn)代化建設(shè)需求，紛紛對民用信號體制進行了現(xiàn)代化設(shè)計和升級。GPS面向民用的服務(wù)信號增加到3個頻點，且各民用頻點的設(shè)計盡可能滿足不同民用場合的需求;Galileo面向民用的服務(wù)信號設(shè)計了3個頻點，包括用于公開服務(wù)的1個頻點和用于生命安全服務(wù)的2個頻點;作為GLONASS現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，俄羅斯正在研制的新一代GLONASS-K衛(wèi)星將增發(fā)L3/L5民用信號，使民用信號達到3個。

1.1 GPS民用信號設(shè)計

GPS面向廣大民用用戶最初配置了L1C/A碼一種信號?，F(xiàn)代化GPS II對民用服務(wù)性能進行了擴展和提升，增配了L2C和L5信號。GPS III進一步增配L1C信號，以在未來取代L1C/A碼。L2C信號的載頻和數(shù)據(jù)跟蹤門限得到明顯改善，相關(guān)性能十分優(yōu)越;L2C碼率較低(1.023 Mcps)，使接收機功耗更小［1］。由于L2頻段附近在美國和歐洲有大功率對空監(jiān)視雷達在工作，可能對L2信號造成干擾影響從而其連續(xù)性，所以應(yīng)航空用戶的需求設(shè)立了有最強的信號且處于ARNS頻段內(nèi)的L5信號［2］。另外，L5還能夠與L1和L2配合工作，實現(xiàn)快速解算載波相位的整周模糊度。L1C信號在與L1C/A信號兼容和互操作的基礎(chǔ)上，考慮了數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的前瞻性設(shè)計，采用了譯碼更為復(fù)雜但編碼增益更高的LDPC信道編碼方式［3］?？梢姡瑢我恍盘柣蚨嘈盘柕慕邮諜C用戶來說，不同頻率的GPS民用信號設(shè)計所表現(xiàn)出的不同性能可以滿足不同用戶群需求。

1.2 Galileo民用信號設(shè)計

Galileo設(shè)計了3個民用信號，其中E5a提供公開服務(wù)，E5b和 E1提供生命安全服務(wù)［4］。Galileo系統(tǒng)的設(shè)計目標是一個開放的、能與GPS兼容互操作又完全獨立于GPS的全球系統(tǒng)。為了實現(xiàn)與GPS互操作的目標，Galileo系統(tǒng)信號盡量采用和GPS信號相同的中心頻率，以使接收機成本最低。Galileo民用信號傾向于采用較長的碼長，自相關(guān)和互相關(guān)性能均較好，有較強的抗干擾能力。各頻點信號設(shè)計滿足相應(yīng)服務(wù)類型功能和性能需求。

1.3 GLONASS民用信號設(shè)計

早期GLONASS系統(tǒng)面向廣大民用用戶，配置了L1信號［5］。從2003年起，GLONASS系統(tǒng)開始增發(fā)GLONASS-M衛(wèi)星，并對服務(wù)模式和性能進行了擴展和提升。GLONASS-M衛(wèi)星增發(fā)了L2民用信號，L2上未調(diào)制電文，但能夠配合L1信號作雙頻電離層延遲改正。作為GLONASS現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，俄羅斯正在研制新一代的GLONASS-K衛(wèi)星。GLONASS-K衛(wèi)星將增發(fā)L3/L5民用信號，使民用信號達到3個。GLONASS現(xiàn)代化的另外一個方面是積極開展國際合作，考慮在 FDMA信號中添加CDMA信號，以保證 GLONASS與GPS以及Galileo系統(tǒng)的兼容與互操作性。

2 現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用信號需求分析

民用信號設(shè)計需求分析的基本思路是以現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需求為立足點，基于不同用戶群對系統(tǒng)服務(wù)功能和性能指標的需求，分析各項指標對信號元素設(shè)計的需求和約束。將不同指標對信號元素的需求進行綜合評定，從而確定民用信號設(shè)計需求。下面著重從測距精度、電離層延遲改正、整周模糊度解算、定位實時性、抗干擾以及兼容與互操作性等方面對民用信號設(shè)計需求進行分析。

2.1 測距精度需求

與測距精度相關(guān)的信號設(shè)計要素主要是信號功率和信號帶寬。

對于一個最優(yōu)設(shè)計的非相干超前減滯后功率型碼跟蹤環(huán)，根據(jù)文獻［6］中環(huán)路噪聲引起的碼跟蹤顫動和載波跟蹤顫動對其測距性能的影響公式可以看到，信號功率越高，接收載噪比越高，越有利于提高偽碼和載波相位偽距測量精度。但信號功率大小還需要遵守國際電聯(lián)相關(guān)規(guī)則，并考慮兼容性要求。

信號帶寬主要由調(diào)制方式和偽碼速率決定的。碼率越高，信號帶寬越寬，自相關(guān)函數(shù)峰值越尖，信號到達時間的估計就越精確。因此，從測距精度角度來說，碼率越高測距精度越高。但信號帶寬越寬，數(shù)據(jù)處理所需要的采樣率越高，對器件水平要求也越高，接收機功耗及實現(xiàn)難度越大。

2.2 電離層延遲改正需求

參考目前國內(nèi)外GNSS系統(tǒng)的定位精度指標，以水平10 m、高程10 m(PDOP＜6)的定位精度為例計算，要求偽距誤差小于2.33 m。鑒于模型法電離層延遲改正誤差較大(按75%的改正精度計算，電離層延遲超過10 m時，凈電離層改正誤差就達到2.5 m)，該精度要求通過雙頻電離層延遲改正實現(xiàn)。

多頻電離層改正中，傳統(tǒng)算法是雙頻改正，即采用2個頻點的數(shù)據(jù)，改正電離層效應(yīng)的一階項，且頻率間隔越大改正精度越高;或者三頻二階改正算法，即采用3個頻點的數(shù)據(jù)，改正電離層效應(yīng)的一階項和二階項;另外還可以采用三頻一階改正算法，即采用3個頻點的數(shù)據(jù)但只改正到電離層效應(yīng)的一階項［7，8］。3種算法中，偽距誤差對三頻一階改正算法的影響最小，但改正效果與雙頻改正算法接近。三頻二階改正雖然改正了電離層延遲的二階項，但受偽距誤差的影響較大。相比于雙頻電離層延遲改正，三頻電離層延遲改正對改正精度貢獻不大［7，8］。

因此電離層延遲改正對導(dǎo)航信號的需求是:配置2個頻點值相差較大的頻點，以滿足電離層延遲改正精度需求。

2.3 整周模糊度解算需求

海洋測繪、航空航天測量和陸地測量等作業(yè)對測量精度要求非常高，需要借助載波相位進行精密定位才能滿足其使用要求，其關(guān)鍵是首先要完成載波相位整周模糊度的快速、準確解算。

理論上，使用單頻、雙頻或三頻觀測數(shù)據(jù)都可以求解載波相位整周模糊度，但解算時間和應(yīng)用范圍、解算成功率有較大差異。一般來說，對于10 km以內(nèi)的短距離應(yīng)用，單頻解模糊度時間一般在15 min左右，雙頻解模糊度時間一般在3 min左右，三頻能實現(xiàn)準實時解算。但是，對于上百千米的中長距離應(yīng)用，單頻和雙頻解模糊均要依賴長時間的數(shù)據(jù)累積，無法在短時間內(nèi)實現(xiàn)模糊度解算，而三頻應(yīng)用可以在短時間內(nèi)收集足夠的累積數(shù)據(jù)，幾分鐘以內(nèi)成功解算模糊度。另外，根據(jù)GPS的數(shù)據(jù)分析，三頻超寬巷組合的模糊度單歷元估計成功率幾乎達到 100%［9，11］。

因此整周模糊度解算對導(dǎo)航信號設(shè)計的需求是:需要配置3個頻點，且3個頻點的距離能夠產(chǎn)生足夠的巷寬。

2.4 定位實時性需求

定位實時性(即首次定位時間)主要取決于信號捕獲時間、基本導(dǎo)航信息收集時間以及接收機處理能力等。與信號設(shè)計相關(guān)的主要指標要素是與信息速率有關(guān)的基本導(dǎo)航信息收集時間。參考國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能指標，以冷啟動和溫啟動1 min、熱啟動2 s的首次定位時間指標要求為例分析。

熱啟動狀態(tài)下，接收機可以快速恢復(fù)衛(wèi)星信號且接收機中存有有效的基本導(dǎo)航信息，不需要重新接收和解調(diào)基本導(dǎo)航信息。冷啟動和溫啟動條件下，信號捕獲時間主要是在時域?qū)φ麄€周期內(nèi)的碼片和頻域?qū)Χ嗥绽疹l移范圍的搜索時間。按照目前的接收機硬件水平估計，信號的捕獲時間約1 s;接收機導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理的時間在幾十ms量級?；緦?dǎo)航信息的收集時間主要取決于信息速率和信息播發(fā)周期。初步評估，基本導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)量約為665 bit，加上周內(nèi)秒、同步頭等輔助信息，預(yù)計數(shù)據(jù)量為900 bit。如果信息速率分別為50 bps和25 bps，基本導(dǎo)航信息的播發(fā)時間分別約為18 s和36 s?？紤]播發(fā)其他類導(dǎo)航電文信息的占用時間，基本導(dǎo)航信息的收集時間約分別為25 s和50 s。

因此，50 bps和25 bps的基本導(dǎo)航信息播發(fā)速率均能滿足冷啟動和溫啟動條件下定位實時性需求。

2.5 抗電磁干擾需求

影響系統(tǒng)抗干擾能力的因素有多種，下面主要從導(dǎo)頻信號、頻譜結(jié)構(gòu)、碼長和信息速率等幾個方面的設(shè)計進行分析。

①導(dǎo)頻信號:現(xiàn)代化GPS、Galileo系統(tǒng)均設(shè)計了導(dǎo)頻信號。導(dǎo)頻通道的載波不需要處理由數(shù)據(jù)調(diào)制引起的載波相位翻轉(zhuǎn)。載波跟蹤可由載波環(huán)完成，比數(shù)據(jù)通道載波跟蹤用Costas環(huán)的門限優(yōu)越6 dB，使地面接收機能夠快速捕獲衛(wèi)星導(dǎo)航信號。地面接收機只要捕獲并跟蹤導(dǎo)頻信號，即建立了載波跟蹤環(huán)路。因此增加導(dǎo)頻信號，有助于弱信號條件下信號的捕獲和跟蹤。

②頻譜結(jié)構(gòu):一方面，為了確保采取功率增強等手段來提高軍用信號的抗干擾能力時，能夠不影響民用信號的正常使用，另一方面，為了避免戰(zhàn)時敵方對軍用信號實施干擾時會同時干擾民用信號，要求軍民信號頻譜分離，以確保導(dǎo)航戰(zhàn)環(huán)境下民用信號的正常、連續(xù)使用。正如GPS將M碼與C/A碼和P碼的頻譜分開，就是要解決增加M碼功率對C/A和P(Y)碼的干擾問題，提高與C/A碼和P(Y)碼的兼容性。

③碼長:測距碼越長，自相關(guān)和互相關(guān)性能就越好，同一衛(wèi)星信號或不同衛(wèi)星信號之間的相互干擾就越小。因此，選擇較長的測距碼，可以提高抗干擾能力，但同時會增加信號捕獲時間和實現(xiàn)復(fù)雜度，需要綜合考慮。

④信息速率:對于脈沖干擾，如果脈沖干擾的脈沖周期小于導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特持續(xù)時間，就可以忽略對系統(tǒng)的影響，即低信息速率有利于抗脈沖干擾;對于窄帶干擾，速率越低，解擴帶寬就越小，擴頻增益也越高，落在解擴帶寬內(nèi)的干擾功率就越低，即低信息速率有助于提高抗窄帶干擾能力。因此，信息速率越低抗干擾性能越高，同時有利于信號的捕獲、跟蹤和解調(diào)，但低信息速率會限制信息的更新周期，需要綜合考慮。

2.6 兼容性需求

兼容性(Compatibility)是指使用單一系統(tǒng)或多系統(tǒng)組合為用戶提供定位、導(dǎo)航和定時服務(wù)時，各系統(tǒng)間互不干擾。目前國際上普遍將兼容性定義為:多個GNSS系統(tǒng)對單個GNSS系統(tǒng)干擾引起的性能下降在可接受的范圍內(nèi)。在ITU-R M.1831建議書中采用等效載噪比作為系統(tǒng)間干擾評估參量。全球系統(tǒng)民用信號的兼容性主要考察落在相應(yīng)帶寬內(nèi)的GPS、Galileo和GLONASS所有導(dǎo)航信號、全球系統(tǒng)其他導(dǎo)航信號(如授權(quán)信號)以及其他系統(tǒng)信號與民用導(dǎo)航信號的分離特性，分析各導(dǎo)航信號的干擾所導(dǎo)致的載噪比損失。由于干擾的存在使得載噪比下降，可以用等效載噪比的下降來評估干擾對接收機的影響。

信號兼容性需求標準是:所有干擾所引起的載噪比損失不能使到達地面的信號載噪比低于載噪比門限，同時保證其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的載噪比。

2.7 互操作需求

互操作性(Interoperability)是指使用多系統(tǒng)組合進行定位、導(dǎo)航和定時，將比單一系統(tǒng)提供更好的服務(wù)性能且所獲得精度、完好性、可用性、連續(xù)性的好處大于接收機增加的代價。GNSS的兼容性使得多系統(tǒng)互操作成為新的發(fā)展趨勢，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也必然要與其他GNSS系統(tǒng)實現(xiàn)互操作。

縱觀導(dǎo)航頻率分配和其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號規(guī)劃，Galileo的 E5a(1 176.45MHz)和 E1(1 575.42 MHz)將分別與GPS在L5和L1頻段上實現(xiàn)互操作。GLONASS也已在現(xiàn)代化計劃中提出要在L5和L1頻段上添加CDMA信號，與GPS實現(xiàn)互操作。日本QZSS發(fā)布的頻率計劃中，也將在L1、L2和L5上實現(xiàn)與GPS的完全兼容與互操作。可見，L1和L5已成為國際上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要互操作頻段。

根據(jù)互操作要求，GNSS頻率配置和空間信號的互操作主要是通過共用中心頻率和頻譜重疊來實現(xiàn)的，一方面解決了衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源的緊缺問題，另一方面可以減少接收機內(nèi)為不同中心頻率提供基準頻率而產(chǎn)生的負擔(dān)，簡化多系統(tǒng)聯(lián)合GNSS接收機設(shè)計和制造，降低功耗、成本和重量。

結(jié)合國外GNSS系統(tǒng)互操作情況，為適應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展大趨勢、提高市場競爭力，我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要與國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接軌，也應(yīng)該在L1和L5頻段上設(shè)計民用導(dǎo)航信號，實現(xiàn)與GPS、Galileo和GLONASS三大導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作，且中心頻點、調(diào)制方式和信號結(jié)構(gòu)要與其他GNSS系統(tǒng)趨于一致。

2.8 國際市場競爭需求

GPS面向民用的服務(wù)信號有3個頻點(包括用于生命安全服務(wù)的2個頻點)，且各個民用頻點的設(shè)計能夠滿足不同民用場合的需求;Galileo面向民用的服務(wù)信號有3個頻點(包括用于公開服務(wù)的1個頻點和用于生命安全服務(wù)的2個頻點);作為GLONASS現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，俄羅斯正在研制新一代的 GLONASS-K衛(wèi)星，GLONASS-K衛(wèi)星將增發(fā)L3/L5民用信號，使民用信號達到3個。

從國際民用市場競爭需求的角度分析，我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用信號的設(shè)計應(yīng)不少于3個頻點，在考慮數(shù)字處理技術(shù)發(fā)展的同時能夠滿足不同民用場合的需求。

3 結(jié)論和應(yīng)用

導(dǎo)航信號是空間衛(wèi)星星座、地面系統(tǒng)以及終端設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作的紐帶和基礎(chǔ)，這里采用定量與定性相結(jié)合的方法，探討了民用信號設(shè)計需求、設(shè)計原則及分析思路。綜合以上各方面的分析結(jié)論，給出現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用導(dǎo)航信號設(shè)計主要需求建議如下:

①民用信號至少設(shè)計3個頻點:其中2個頻點值相差較大以滿足雙頻電離層延遲改正精度需求，3個頻點值能夠產(chǎn)生足夠的寬巷以滿足載波相位整周模糊度快速解算需求;在國際規(guī)定的不易受干擾的航空無線電導(dǎo)航頻段(ARNS)設(shè)計2個民用信號L1和L5，以滿足生命安全服務(wù)和與國際GNSS系統(tǒng)互操作需求。

②各個頻點信號獨立設(shè)計、互為備份:在確保服務(wù)功能和性能的前提下，盡可能考慮各頻點信號的多樣化設(shè)計，使用戶能夠權(quán)衡服務(wù)性能、實現(xiàn)成本、設(shè)備結(jié)構(gòu)等需求來選擇合適的信號，以滿足各種民用場合的應(yīng)用。如為車輛、手機等大宗用戶市場設(shè)立的公開服務(wù)，要求信號設(shè)計盡量低碼率、低數(shù)據(jù)速率等，以滿足接收機體積小、耗電省、價格低的需求;為民用航空以及陸地、鐵路、海運等載體設(shè)立的生命安全服務(wù)，對服務(wù)的完好性、連續(xù)性和可用性要求較高，要求碼序列較長，能產(chǎn)生較強的抗干擾能力等。

③增加導(dǎo)頻信號，盡可能與軍用信號頻譜分離:導(dǎo)頻信號有助于弱信號條件下信號的捕獲和跟蹤;民用信號盡可能與軍用信號頻譜分離，以確保導(dǎo)航戰(zhàn)環(huán)境下民用信號的正常、連續(xù)使用。

④對系統(tǒng)多個性能指標有影響且相互矛盾的信號元素，采取以下設(shè)計原則綜合考慮:關(guān)鍵指標優(yōu)先考慮、對系統(tǒng)指標影響大的信號元素優(yōu)先考慮、合理平衡信號性能與系統(tǒng)和用戶端的實現(xiàn)代價。如碼長的設(shè)計要綜合考慮抗干擾能力和捕獲時間、實現(xiàn)復(fù)雜度等需求，信息速率的設(shè)計要綜合考慮抗干擾性能和信息的更新速率等需求。

除以上總結(jié)的幾點外，在現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號體制設(shè)計中，還應(yīng)考慮頻率資源約束條件、星上和接收機可實現(xiàn)性等對頻點、信號功率、調(diào)制方式、頻譜結(jié)構(gòu)等的設(shè)計約束。

4 結(jié)束語

上述立足于現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頂層設(shè)計，在對國外GPS、Galileo以及GLONASS等系統(tǒng)民用信號設(shè)計進行充分分析的基礎(chǔ)上，從全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶需求和現(xiàn)代化升級建設(shè)等方面，分析了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用信號設(shè)計需求。研究結(jié)論為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號體制的現(xiàn)代化設(shè)計提供分析思路和設(shè)計依據(jù)。

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