聂光皓，申亮亮，王新龙*，蔡远文，陈 鼎

(1.北京航空航天大学 宇航学院，北京 100083；2.北京控制与电子技术研究所，北京 100038；3.航天工程大学 研究生院，北京 101416；4.天地一体化信息技术国家重点实验室，北京 100086)

0 引 言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是信息时代国家的重要基础设施之一，在航空航天、大地测绘、军事战略、交通运输、日常生活等各个领域都发挥着越来越重要的作用。由于GNSS重要的战略地位和应用价值，西方大国自20世纪80年代起就开始竞相发展自己的卫星导航系统，如美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，欧盟的Galileo系统等[1]。为打破GPS的垄断地位，实现国家稳定与国防稳固，我国开始发展自己的北斗卫星导航系统，并按照“三步走”的发展战略，实现北斗由有源定位到无源定位、由区域组网到全球覆盖的系统建设。2017年，我国开始建设自己的全球卫星导航系统——北斗三代卫星导航系统，目前已经基本构建完成并投入使用，这使我国成为世界上第四个拥有全球卫星导航系统的国家或地区[2]。

在卫星导航系统中，卫星导航信号起着至关重要的作用，既是连接卫星导航系统空间段和地面段的重要反馈链路，也是空间段和用户段之间的唯一接口，潜在影响导航系统的测距精度、抗干扰性能、抗多径性能等指标，很大程度上决定了导航系统的先天性能，而对于不同导航系统之间存在的兼容性和互操作性等问题，只有通过合理有效的导航信号设计才能根本解决[3]。北斗卫星导航系统的信号体制结构是随着通信技术的发展和导航需求的不断出现而逐渐改进和完善的，特别是我国目前正在建设的北斗三代全球卫星导航系统，其信号体制在美国GPS系统和欧洲Galileo系统的基础上推陈出新，既与其他卫星导航系统的信号体制相互协调、相互适应，又有自身特色和发展潜力。

1 北斗三代信号结构分析

北斗三代卫星导航系统目前提供公开服务的导航信号主要有B1I，B1C，B2a，B2I和B3I。其中，B1C信号是北斗三代新播发的信号；B2a将逐渐取代B2I信号，成为北斗全球卫星导航系统的主要公开服务信号；B1I和B3I信号将分别作为B1和B3频点的公开服务信号保留。这些导航信号主要通过载波、扩频码、导航电文等以复包络的形式调制生成，即

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

(1)

式中：Ad为数据信道的幅值；Ap为导频通道的幅值；Cd为数据信道的扩频码；Cp为导频通道的扩频码；D为导航电文；f为载波频率；φ为初始载波相位。图1所示为北斗三代导航信号的生成示意图；图2所示为传统信号体制下的卫星导航信号生成示意图。对比图1～2可知，新的北斗信号体制在信道结构、频率结构、调制方式和扩频码结构等方面均进行了改进。

图1 北斗三代导航信号生成示意图Fig.1 Navigation signal generation of the Beidou third-generation

图2 传统导航信号生成示意图Fig.2 Traditional navigation signal generation

1.1 信道结构

北斗三代信号的信道采用了“数据信道+导频信道”的设计方案，即在传统单数据信道设计方案的基础上，引入不播发导航电文的导频信道。由于导频信道上的信号不调制导航电文，所以在信号解调时不存在由于导航电文翻转引起的比特跳变问题[4]。在对导频信道信号进行跟踪时可舍弃传统的对导航电文翻转不敏感的Costas锁相环，而选用牵入范围更大、弱信号跟踪能力更强的纯锁相环。

北斗三代信号的这种“数据信道+导频信道”设计方案是根据导频信道信号在跟踪环节具备的优势，为用户提供了一种解调导航电文的新方法。首先通过纯锁相环锁定导频信道信号的载波相位和码相位，完成对导频信道信号的跟踪，随后根据导频信道信号和数据信道信号之间的相位关系，得到数据信道信号的载波相位和码相位，最后对数据信道信号进行相干积分，提取电文符号，完成导航电文解调，无需检验电文相位是否翻转。与传统单数据信道设计方案的跟踪方法相比，这种设计方案既可以提高跟踪精度，又可以降低计算复杂度，节省硬件资源。

1.2 频率结构

频点数和载波频率的选择是信号频率结构设计的重要指标。早期的卫星导航系统大多播发单频或双频信号，而北斗三代卫星导航系统采用三频点设计方案，三个频点的载波中心频率分别为1 575.42 MHz，1 176.45 MHz和1 268.520 MHz。其中，北斗B1C信号的频点与GPS L1C信号和Galileo E1 OS信号的频点相同，而B2a信号和B3I信号的频段与其他卫星导航系统的信号频段均有部分重叠，有利于增强北斗与其他卫星导航系统之间的互操作性。

带宽的选择是信号频率结构设计的另一项重要指标。信号带宽表征了信号频谱的宽度，与信号自相关函数主峰的宽窄情况密切相关，而自相关函数主峰的宽窄情况又对信号的码跟踪精度和抗多径性能有重要影响，因此信号带宽对导航系统的性能起关键性作用[5]。北斗卫星导航系统的B1C信号带宽为32.736 MHz，B2a信号的带宽为10.23 MHz，与传统信号相比均有所提高。信号的带宽越大，其潜在的码跟踪精度越高和抗多径性能越好，系统的测距精度就越高。但带宽的增大会给接收机前端低噪声放大器和滤波器设计带来更多的困难，对后端数字处理速度的要求也更高，进而提高了终端设计的成本，因此存在接收机设备成本和精度权衡的问题。

1.3 调制方式

信号调制指使高频载波随基带信号幅度变化而变化的过程。传统GNSS信号采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)的调制方式，这种调制方式在早期的卫星导航中发挥了重要作用。但由于当前导航频段资源拥挤的现状及提高导航信号测距精度的需求，对传统信号的调制方式进行了相应的改进，使各路信号在共用频段的同时实现频谱分离。北斗三代信号体制的设计借鉴了GPS和Galileo提出的调制方式，并做出自己的改进。其中B1C，B2a和B3I信号的调制方式如表1所示。由表1可知，B2a和B3I信号采用了BPSK(10)的调制方式，即选择了扩频码速率为10.23 MHz的BPSK 调制。与传统的BPSK(1)调制相比，BPSK(10)的码速率更高，具有更宽的自相关峰主瓣和更高的码跟踪精度。

表1 北斗各频点信号调制方式Table 1 Beidou frequency signal modulation methods

B1C信号的导频信道和数据信道分别采用了二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)和复合二进制偏移载波(Multiplexed Binary Offset Carrier,MBOC)的调制方式，其中BOC调制是在原有BPSK调制的基础上，再用一个二进制子载波对BPSK信号进行二次扩频，如图3所示。而MBOC调制是将多个二进制偏移载波在频域上进行复合得到的一种新的子载波调制方式，其功率谱密度是多个二进制偏移载波的联合功率谱密度。由于MBOC只针对频域信号，其时域实现方式并不唯一，因此通常是采用改变时域波形的生成方式来解决各导航系统信号的兼容性问题。其中，GPS和Galileo的MBOC时域实现方式分别为TMBOC和CBOC调制，而北斗系统采用了QMBOC的调制方式[6-9]。如图4所示，QMBOC在时域上将BOC (1,1) 信号与BOC (6,1) 的子载波分别调制在两个彼此正交的相位上，有效避免两分量之间互相关分量的影响。

图3 BPSK和BOC调制对比图Fig.3 Comparison of BPSK and BOC modulation

图4 QMBOC时域信号示意图Fig.4 QMBOC time domain signal

图5～6分别为BPSK，BOC和MBOC调制的自相关函数和功率谱密度对比图。由图5可知，MBOC调制的自相关函数的主峰比BOC和BPSK调制更尖锐。由图6可知，BOC调制的功率谱主瓣分裂为对称的两部分，有利于减少信号之间的干扰，实现频谱分离，而MBOC的功率谱与BOC调制相比具有更好的高频分量，因此，MBOC调制具有更好的码跟踪精度和抗多径性能。

图5 三种调制方式的自相关函数对比图Fig.5 Comparison of autocorrelation functions of three modulation methods

图6 三种调制方式的功率谱密度对比图Fig.6 Comparison of power spectral density of three modulation methods

1.4 扩频码结构

扩频码是码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)卫星导航系统信号的一个重要组成部分。一方面，扩频码可以增强信号在长距离传输过程中抵抗各种干扰的能力，降低信号接收的误码率；另一方面，扩频码的相移可用于测量卫星到用户接收机的传输时间，可计算伪距、伪距率等重要信息。扩频码的设计对其构成的信号的影响主要体现在信号的自互相关特性上[10-12]。

针对传统扩频码暴露出来的一些问题，北斗信号对其做了一些改进，主要包括采用分层结构的扩频码，引入新的主码码型，改变扩频码的码长和码速率等。北斗信号扩频码的相关参数如表2所示。

表2 北斗信号各频点扩频码参数Table 2 Spread frequency code parameters of each frequency point of Beidou signal

采用分层结构的扩频码，即信号扩频码由长度较长的主码和长度较短的子码相异或构成，如图7所示。由图7可知，子码的码片宽度与主码的周期相同，子码码片的起始时刻与主码第一个码片的起始时刻严格对齐。

图7 分层码结构示意图Fig.7 Layered code structure

采用分层结构的好处主要有：(1) 在不降低捕获性能的同时改善了码的相关特性；(2) 使信号的功率谱接近于连续谱，增强信号的抗窄带干扰能力；(3) 由于子码实现了与导航电文的同步，避免了位同步的过程。

传统的扩频码采用由移位寄存器生成的Gold序列，而Gold序列受寄存器数量限制，仅能输出特定长度的扩频码，如果对序列进行截短或补长，扩频码的自互相关性能都会下降。北斗B1C信号采用Weil序列截短的扩频码，而B2a信号的子码也采用了Weil码的形式。Weil码的优点是码长满足质数要求即可，码长的选择具有灵活性。与Gold码相比，Weil码的奇偶相关特性较好。

新播发的北斗信号与GPS L1 C/A信号和北斗B1I信号相比，主码码长由原来的1 023位增加为10 230位。码长的增加有利于改善扩频码的自互相关特性，但也会增加计算的复杂度和扩频码捕获难度。北斗新体制信号的码速率分别为1.023 Mcps和10.23 Mcps，均为原先码速率的整数倍，可以通过一个频率源产生，有利于简化星上设备和终端设备。同时，也为北斗与GPS，Galileo之间的互操作打下基础。

2 信号结构对导航系统性能影响分析

导航信号体制对卫星导航系统的性能起着决定性作用。随着北斗三代卫星导航系统的逐步建成，新的信号体制必然对北斗卫星导航系统的性能产生更大影响。

2.1 多频信号的影响

早期的GNSS导航信号大多为双频模式，而目前各国卫星导航系统的开发和升级使三频或三频以上信号的应用成为一种趋势。北斗卫星导航系统提供B1，B2和B3三频信号，在MEO和IGSO导航卫星上播发，是首个提供三频信号服务的全球卫星导航系统，如图8所示。

图8 三频信号示意图Fig.8 Tri-frequency signal

北斗系统播发的三频信号最大的应用价值在于对多频组合理论的应用，即通过线性组合，形成一种对导航定位更有利的多频组合虚拟信号。对同一颗卫星的三频组合信号的频率表达式为

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

(2)

式中：i,j,k为组合系数；f0为基准频率。通常将n定义为巷数，巷数在不受组合载波其他特性参数影响的情况下，能够完全且唯一代表组合载波的波长[13-17]。由式(2)可知，通过对不同组合系数形成的组合进行筛选，可获得一种具有长波长、低电离层误差和低噪声等性质的组合测量值，可提高整周模糊度解算成功率和定位精度。同时，北斗多频信号对多频观测值组合理论的应用价值也为载波相位定位、差分定位和精密单点定位的发展提供了新思路[18-21]。

对于载波相位定位而言，整周模糊度解算和周跳检测与修复是提高载波相位定位精度和动态范围的关键性问题。在接收机获得多频观测量后，通过线性组合可以将信号中的电离层误差、卫星钟差等消除，此时仅受整周模糊度的影响，在忽略多径的前提下，可以得到比较准确的周跳估计值。

差分定位指在多个观测值、多个接收机或多个卫星之间进行差分运算来消除各种误差，如对流层误差、电离层误差或者卫星钟差等。如果能够通过多频组合信号获得长波长、低电离层误差和低噪声的信号，可以提高差分定位的精度。

通过利用北斗系统的三频信号进行三频精密单点定位，可以获得更高的定位精度和更快的收敛速度。目前已经提出的三频精密单点定位模型主要有三频非组合模型、三频无电离层两两组合模型和三频消电离层组合模型等，能够提供三频信号的北斗系统势必会为三频精密单点定位的理论发展和实际应用提供助力。

2.2 对测距精度的影响

在卫星导航中，信号测距功能的实现主要包括扩频码测距和载波相位测距。对于两种测距方式而言，码跟踪精度和载波相位跟踪精度决定了卫星信号测距所能达到的精度，也就直接表征了导航系统的测距性能。扩频码跟踪精度由信号的均方根带宽、载噪比等因素决定[22-26]。其中，均方根带宽又叫Gabor 带宽，表达式为

(3)

式中：βr为闭合环路的接收带宽；f为信号的频率；S(f)为信号的功率谱密度[22-26]。由式(3)可知，信号在接收机射频前端带宽上的均方根带宽越大，接收机码环对该信号的码跟踪精度误差均方差的下限值就越低，即信号的潜在码跟踪精度就越高。

北斗新信号体制对导航信号测距精度的影响体现在：一是调制方式的改进。北斗的B1C信号采用MBOC的调制方式，与传统的北斗B1I信号和GPS的L1 C/A信号相比，在高频处有更高的功率谱密度，因此其Gabor带宽更大，具有更高的码跟踪精度和测距性能。与同样采用了MBOC调制方式的GPS L1C信号和Galileo E1 OS信号相比，在接收带宽一致的情况下，具有相同的捕获、跟踪性能，测距精度基本相同。但在非匹配接收的情况下，北斗信号采用的QMBOC的捕获、跟踪灵敏度要优于GPS采用的TMBOC调制。二是引入了导频信道，改用纯锁相环后扩大了信号的牵入范围，提高了弱信号跟踪能力，避免了导航电文翻转带来的问题，可得到更高的码跟踪精度。三是在频率结构上选择了比传统导航信号更高的带宽，带宽的增加可提高信号的均方根带宽，从而提高信号的码跟踪精度。四是在扩频码的改进上引入了更长的码长和更高的码速率，提高了扩频码的自互相关特性、跟踪精度及导航信号的测距精度。

2.3 对抗干扰性能的影响

导航信号在传播过程中易受背景噪声干扰和电磁干扰的影响。随着GNSS的广泛应用，对导航信号抗干扰性能的研究越发重视起来。信号干扰可以分为压制式干扰和欺骗式干扰两种。压制式干扰一般采用窄带干扰，其中心频点位于导航信号功率谱峰值点，干扰效果明显；欺骗式干扰一般采用匹配谱干扰，通过干扰机发射具有与导航信号相同或相似的功率谱密度的信号，从而误导导航接收机。因此，可以从信号的抗窄带干扰性能和抗匹配干扰性能来具体分析信号的抗干扰能力[27-29]。

信号的子载波频率、扩频码速率以及信号的调制方式都会对其抗干扰性能产生影响。通常用品质因数Q表征信号的抗干扰能力，品质因数Q越高，表明信号的抗干扰性能越好。由于窄带干扰可视为一个频率在中心频点的单频干扰，因此可以将抗窄带干扰的品质因数表示为

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

(4)

式中：fJ为干扰信号的频率；Rc为扩频码速率；S(fJ)为干扰信号等效基带信号的归一化功率谱密度。由于匹配谱干扰信号的功率谱密度与有用信号相似，因此，可以将信号的抗匹配干扰的品质因数表示为

(5)

式中：f为有用信号的频率；S(f)为有用信号的功率谱密度[29-30]。由式(4)～(5)可知，信号的抗窄带干扰性能与信号的扩频码速率、调制信号的类型有关，而信号的抗匹配干扰能力与扩频码速率、子载波频率和调制信号的类型有关。

北斗B1C信号采用了MBOC调制，其抗干扰能力与BPSK和BOC调制相比得到提高，同时，扩频码速率的提高也使信号的抗干扰能力增强。此外，北斗信号通过对扩频码增加子码的方式提高了信号的抗窄带干扰能力。由于子码的周期长于主码周期，使信号频谱的谱线间隔缩短，每条谱线的功率密度下降，功率谱更接近连续谱。由于窄带干扰仅能与几条谱线重合，因此信号的抗窄带干扰能力增强。

2.4 对抗多径性能的影响

多径指接收机除接收到卫星信号的直射波外，还接收到该直射波的一份甚至多份反射波的现象。在空间和时间上均不呈相关性的多径误差是GNSS特别是差分GNSS的主要误差源，因此，卫星信号抗多径性能的好坏是影响GNSS接收机定位性能的重要因素。目前，衡量抗多径性能的指标主要有多径误差包络(MEE)、多径误差包络面积和多径平均误差等参量。

多径误差包络表达式为

(6)

式中：a0,τ0为直达信号的幅度和时延；a1,τ1分别为多径信号的幅度和时延；d为相关器间隔；S(f)为信号的功率谱密度[30-32]。由式(6)可知，卫星信号的多路径效应与载波频率、扩频码速率和数据调制方式等信号的结构与参数有很大的关联。

从载波频率的选择来看，高频率的载波使北斗信号的波长仅约为19 cm，使得任何大于几厘米的金属物体均可产生多径效应，但这是由于多种条约、规定的限制引起的，北斗信号与GPS信号相比并没有明显差异；北斗B2，B3频点均采用了10.23 Mcps的码速率，是传统新号码速率的10倍，而分层结构的引入和码长的增加都极大地改善了北斗信号扩频码的自互相关特性，极大提高了北斗信号的抗多径性能；北斗B1C信号采用MBOC调制，与BPSK调制的信号相比，具有更尖锐的自相关函数主峰，相关特性更好，抗多径性能会有所提高。

2.5 对兼容性和互操作性的影响

系统的互操作性指综合利用多个全球导航卫星系统、区域卫星导航系统、增强卫星导航系统及相应服务，从而在用户层面获得比单独使用一种服务更好的导航定位能力。北斗B1频点与GPS L1C和Galileo E1 OS频点相同，北斗B2，B3频段均与GPS和Galileo有部分重合。频段的重叠和部分重合大大增强了系统的互操作性。对于开放服务而言，频谱的重叠能够为各导航系统提供更好的导航性能。但对于授权服务而言，在仅能使用本国导航系统的情况下，频谱的重叠会导致不同导航系统之间相互干扰，影响导航系统性能，可能会给国家安全带来不利影响，因此需要研究各导航系统的兼容性。

系统之间的兼容性指当多个导航信号在同一频段同时工作时，导航信号之间的干扰对单独存在导航信号的系统性能影响在可接受的指标之内，即其他导航信号不影响有用信号的性能。目前，国际上主要利用等效载噪比衰减量或谱分离系数来评估卫星导航信号的兼容性。通常谱分离系数可以表示为

(7)

式中：SX(f)和SI(f)分别为归一化的有用信号和干扰信号的功率谱密度；KX,I为两信号之间的功率谱密度分离度，即谱分离系数。等效载噪比衰减量与谱分离系数成正比关系[33-37]。由式(7)可知，谱分离系数越大，两个信号频谱的重叠部分越多，相互间的干扰也越严重。北斗B1C信号选择了与GPS L1C和Galileo E1 OS信号相同的频点，使三种信号具有高度的互操作性，而B1C信号采用的QMBOC的调制方式使其频谱与采用的TMBOC和CBOC调制的另外两种信号频谱的谱分离系数较小，因此B1C信号同样具有很高的兼容性，为差分定位、多频组合理论等的实际应用提供了良好的基础。

2.6 对接收性能的影响

北斗三代卫星导航系统采用新的信号体制，对于信号的测距精度、抗干扰和抗多径能力都有所改善。但从信号的接收来看，新的信号体制也会带来新的问题，需要改善地面段和用户段的接收方法来提高北斗卫星导航系统的接收性能[38-39]。

一是多峰性问题。北斗B1C信号的数据和导频信道分别采用BOC(1,1)和QMBOC(6,1,4/33)进行调制，其中QMBOC(6,1,4/33)可视为BOC(1,1)和BOC(6,1)的复合调制。由于BOC 调制信号的自相关函数存在多个副峰，信号在跟踪过程中易发生误锁现象，由此导致跟踪模糊的问题。

二是子码符号翻转问题。北斗信号采用了分层结构的扩频码，其中每个扩频码的子码码片覆盖一个主码周期。子码的存在使信号的导频信道在接收过程中出现符号翻转问题，但不会影响数据信道。由于数据信道以与子码相同的速率播发导航电文，因此符号翻转问题也存在于数据信道中。

三是计算复杂度问题。北斗信号的扩频码主码长度是传统信号扩频码长度的10倍，在捕获和跟踪过程中，码长的增加意味着更高的计算复杂度，硬件资源大量消耗。目前接收机采用的FPGA资源很难满足这种计算量。

3 北斗卫星导航系统发展展望

北斗三代卫星导航系统目前已经基本建成并投入使用，北斗系统的未来发展与应用，必然会与通信技术、计算机技术、航空航天技术等相关领域的发展和突破息息相关[40-41]。可以预测，未来北斗卫星导航系统的发展有以下趋势：

(1) 信号波形的设计需要在测距性能、兼容性和设备复杂度之间进行权衡。波形设计必将越来越灵活，也会越来越复杂。面对频谱拥挤的现状，可能会出现多电平、多相位的符号调制，在提高信号的测距精度的同时避免信号间谱峰的重叠干扰。

(2) 扩频码的设计需要在码相关特性和捕获性能之间进行权衡。而对于一些具有良好自互相关特性的扩频码结构而言，需要捕获算法的进步来提高接收效率。

(3) 接收机技术的发展是适应北斗信号体制优势、实现市场化应用的重要一步，对于新信号体制中存在的问题，如BOC调制带来的多峰性问题、分层码结构带来的符号翻转问题等，都需要从接收机层面改进传统算法，从而提高信号的跟踪精度，发挥新信号体制具备的优势。

(4) 频率结构设计需要在频谱的已占用情况和系统的兼容性与互操作性之间进行综合考虑。随着无线电技术的发展，授权信号的载波频段将会逐渐发展到S频段和C频段上来，以避免频谱拥挤和兼容性问题，提高系统的安全性和稳健性。

另外，多系统的融合发展是未来北斗系统发展的必然趋势，在与其他卫星导航系统兼容的基础上，北斗系统会逐渐加强与移动通信、互联网、物联网等信息平台的联系，跟踪5G、人工智能等新技术的发展，融入到国家定位、导航与授时(PNT)体系的建设中来。

4 结 束 语

新信号体制下的北斗系统的建成和投入使用会给卫星导航各领域的研究和应用带来新一轮热潮。北斗卫星导航系统采用的新信号体制既会使系统的测距精度、抗多径和抗干扰能力得到提高，也会带来各种问题，需要通过系统内各部分的协调配合来解决，已成为国内外竞相研究的焦点。随着GNSS技术的不断发展和硬件水平的提高，北斗系统的信号体制结构必然会被不断地改进和升级，卫星导航信号的潜在性能将会得到更好的发挥，其在系统建设、应用推广和产业化中的重要地位也将不断提升。