卫星导航信号体系设计研究

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2023-09-19 09:58:34

卫星导航信号体系设计研究

本文研究了卫星导航信号的载波频率、调制方式、信道编码、导航电文等关键组成要素，简要剖析了各组成要素对系统兼容性、互操作性、码跟踪捕获性能、抗干扰性、抗多径及用户终端成本等方面的影响，开展了卫星导航信号设计的需求分析，设计提出了一种卫星导航信号设计标准体系。

信号体制设计是卫星导航系统技术体制最为关键的部分，其结构参数选择的合理性、性能完善性关系到系统导航、定位和授时等基本功能以及PNT精度、兼容性、互操作性、抗干扰性等关键性能的实现。它以导航信号为载体，作为地面运控段、卫星段和用户段间信号联通和信息交互的唯一渠道。

在导航信号测量性能提高、应用环境更加苛刻、导航频段频谱资源紧张等背景需求的推动下，GPS、GLONASS、BDS等系统均对信号体制进行了升级设计；Galileo在设计之初就对信号体制进行了全面、深入的论证。目前，对导航信号体制的基础理论研究正在逐步深入，对各方面性能指标的计算方法也比较成熟。如何提高信号抗干扰能力，提高测距精度、选择信息下传速率和增加频谱利用率都是新一代卫星导航信号设计中备受关注的问题。

在码生成方面，GPS民用导航信号L1C/A采用的是Gold码，其码长为1023且码速率不高，虽定位精度相对较低，但能够进行快速的捕获。GPS军用导航信号L2P(Y)则采用复合长码，重复周期为7天，其相关性和抗干扰性均优于L1C/A码。现代化的GPS信号主码长度为10230，是L1C/A的10倍。码长的增加不但可以降低时间延迟信号的影响，而且有利于改善码的互相关和自相关特性，但是也给扩频码的产生和捕获跟踪带来了难度。

BDS发展规划的“第二步”区域系统已于2012年12月正式开通服务，开始为中国及周边地区用户提供导航定位、授时与短报文通信服务，并公布了北斗公开服务信号B1I相关的空间信号接口控制文件（1.0版）。2013年12月，中国卫星导航系统管理办公室正是发布了BDS公开服务信号2.0版接口控制文件，进一步公开了B2I相关的信号体制设计，明确了卫星发射信号采用正交相移键控（QPSK）调制方式，I、Q两个支路的“测距码+导航电文”正交调制在载波上，并采取BCH（15,11,1）码加交织方式进行纠错。测距码分为普通测距码（C码）和精密测距码（P码）。

随着各国通讯技术、导航定位技术的发展以及设计约束条件不同，各国卫星导航信号体制的设计结构和参数选择有着较大的不同，但所涵盖的关键设计要素基本一致，进而可以总结归纳形成概要设计标准，为各国卫星导航定位系统兼容性和互操作性打下坚实基础，也为用户终端的简化设计提供前提条件和重要支撑，引领卫星导航产业的国际化发展。信号体制的设计就是各方面要素综合权衡的结果，没有绝对的标准，需要随着技术的发展，进行改正参数和模型的优化设计，并对导航信号体制设计标准进行同步更新。

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