衛星導航系統民用信號設計需求分析

王夢麗，金國平，馬志奇

(1.北京環球信息應用開發中心，北京100094;2.北京信息技術研究所，北京100094)

0 引言

在GPS和GLONASS現代化升級建設成果顯著、Galileo系統建設穩步發展的國際背景下，作為世界四大衛星導航系統之一，我國衛星導航系統的建設和發展面臨著國際化的機遇與挑戰。導航信號體制是衛星導航系統體制最重要的組成部分之一，關系到精度、連續性、可用性、實時性、抗干擾以及兼容和互操作性等系統關鍵性能指標的實現，是開展衛星系統、地面系統以及用戶設備研制的基礎。

從衛星導航系統各類民用用戶需求和系統現代化升級建設為出發點，在對國外衛星導航系統民用信號設計進行分析、研究的基礎上，從用戶功能和性能需求、與國際GNSS系統兼容和互操作需求等方面，全面分析我國衛星導航系統民用導航信號設計需求，給出現代化衛星導航系統民用導航信號設計建議。

1 國外衛星導航系統民用信號設計分析

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

1.1 GPS民用信號設計

GPS面向廣大民用用戶最初配置了L1C/A碼一種信號?，F代化GPS II對民用服務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信號的載頻和數據跟蹤門限得到明顯改善，相關性能十分優越;L2C碼率較低(1.023 Mcps)，使接收機功耗更?。?］。由于L2頻段附近在美國和歐洲有大功率對空監視雷達在工作，可能對L2信號造成干擾影響從而其連續性，所以應航空用戶的需求設立了有最強的信號且處于ARNS頻段內的L5信號［2］。另外，L5還能夠與L1和L2配合工作，實現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上，考慮了數字信號處理技術發展的前瞻性設計，采用了譯碼更為復雜但編碼增益更高的LDPC信道編碼方式［3］。可見，對單一信號或多信號的接收機用戶來說，不同頻率的GPS民用信號設計所表現出的不同性能可以滿足不同用戶群需求。

1.2 Galileo民用信號設計

Galileo設計了3個民用信號，其中E5a提供公開服務，E5b和 E1提供生命安全服務［4］。Galileo系統的設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。為了實現與GPS互操作的目標，Galileo系統信號盡量采用和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，自相關和互相關性能均較好，有較強的抗干擾能力。各頻點信號設計滿足相應服務類型功能和性能需求。

1.3 GLONASS民用信號設計

早期GLONASS系統面向廣大民用用戶，配置了L1信號［5］。從2003年起，GLONASS系統開始增發GLONASS-M衛星，并對服務模式和性能進行了擴展和提升。GLONASS-M衛星增發了L2民用信號，L2上未調制電文，但能夠配合L1信號作雙頻電離層延遲改正。作為GLONASS現代化的重要內容，俄羅斯正在研制新一代的GLONASS-K衛星。GLONASS-K衛星將增發L3/L5民用信號，使民用信號達到3個。GLONASS現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系統的兼容與互操作性。

2 現代化衛星導航系統民用信號需求分析

民用信號設計需求分析的基本思路是以現代化衛星導航系統需求為立足點，基于不同用戶群對系統服務功能和性能指標的需求，分析各項指標對信號元素設計的需求和約束。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計需求進行分析。

2.1 測距精度需求

與測距精度相關的信號設計要素主要是信號功率和信號帶寬。

對于一個最優設計的非相干超前減滯后功率型碼跟蹤環，根據文獻［6］中環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相關規則，并考慮兼容性要求。

信號帶寬主要由調制方式和偽碼速率決定的。碼率越高，信號帶寬越寬，自相關函數峰值越尖，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，數據處理所需要的采樣率越高，對器件水平要求也越高，接收機功耗及實現難度越大。

2.2 電離層延遲改正需求

參考目前國內外GNSS系統的定位精度指標，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。

多頻電離層改正中，傳統算法是雙頻改正，即采用2個頻點的數據，改正電離層效應的一階項，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個頻點的數據，改正電離層效應的一階項和二階項;另外還可以采用三頻一階改正算法，即采用3個頻點的數據但只改正到電離層效應的一階項［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、雙頻或三頻觀測數據都可以求解載波相位整周模糊度，但解算時間和應用范圍、解算成功率有較大差異。一般來說，對于10 km以內的短距離應用，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，三頻能實現準實時解算。但是，對于上百千米的中長距離應用，單頻和雙頻解模糊均要依賴長時間的數據累積，無法在短時間內實現模糊度解算，而三頻應用可以在短時間內收集足夠的累積數據，幾分鐘以內成功解算模糊度。另外，根據GPS的數據分析，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航信號設計的需求是:需要配置3個頻點，且3個頻點的距離能夠產生足夠的巷寬。

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、基本導航信息收集時間以及接收機處理能力等。與信號設計相關的主要指標要素是與信息速率有關的基本導航信息收集時間。參考國內外衛星導航系統的性能指標，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。

熱啟動狀態下，接收機可以快速恢復衛星信號且接收機中存有有效的基本導航信息，不需要重新接收和解調基本導航信息。冷啟動和溫啟動條件下，信號捕獲時間主要是在時域對整個周期內的碼片和頻域對多普勒頻移范圍的搜索時間。按照目前的接收機硬件水平估計，信號的捕獲時間約1 s;接收機導航數據處理的時間在幾十ms量級?；緦Ш叫畔⒌氖占瘯r間主要取決于信息速率和信息播發周期。初步評估，基本導航信息數據量約為665 bit，加上周內秒、同步頭等輔助信息，預計數據量為900 bit。如果信息速率分別為50 bps和25 bps，基本導航信息的播發時間分別約為18 s和36 s?？紤]播發其他類導航電文信息的占用時間，基本導航信息的收集時間約分別為25 s和50 s。

因此，50 bps和25 bps的基本導航信息播發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

影響系統抗干擾能力的因素有多種，下面主要從導頻信號、頻譜結構、碼長和信息速率等幾個方面的設計進行分析。

①導頻信號:現代化GPS、Galileo系統均設計了導頻信號。導頻通道的載波不需要處理由數據調制引起的載波相位翻轉。載波跟蹤可由載波環完成，比數據通道載波跟蹤用Costas環的門限優越6 dB，使地面接收機能夠快速捕獲衛星導航信號。地面接收機只要捕獲并跟蹤導頻信號，即建立了載波跟蹤環路。因此增加導頻信號，有助于弱信號條件下信號的捕獲和跟蹤。

②頻譜結構: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，以確保導航戰環境下民用信號的正常、連續使用。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，自相關和互相關性能就越好，同一衛星信號或不同衛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復雜度，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航數據比特持續時間，就可以忽略對系統的影響，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，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)是指使用單一系統或多系統組合為用戶提供定位、導航和定時服務時，各系統間互不干擾。目前國際上普遍將兼容性定義為:多個GNSS系統對單個GNSS系統干擾引起的性能下降在可接受的范圍內。在ITU-R M.1831建議書中采用等效載噪比作為系統間干擾評估參量。全球系統民用信號的兼容性主要考察落在相應帶寬內的GPS、Galileo和GLONASS所有導航信號、全球系統其他導航信號(如授權信號)以及其他系統信號與民用導航信號的分離特性，分析各導航信號的干擾所導致的載噪比損失。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，同時保證其他衛星導航系統的載噪比。

2.7 互操作需求

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

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

根據互操作要求，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的，一方面解決了衛星導航頻率資源的緊缺問題，另一方面可以減少接收機內為不同中心頻率提供基準頻率而產生的負擔，簡化多系統聯合GNSS接收機設計和制造，降低功耗、成本和重量。

結合國外GNSS系統互操作情況，為適應衛星導航系統發展大趨勢、提高市場競爭力，我國衛星導航系統要與國際衛星導航系統接軌，也應該在L1和L5頻段上設計民用導航信號，實現與GPS、Galileo和GLONASS三大導航系統的互操作，且中心頻點、調制方式和信號結構要與其他GNSS系統趨于一致。

2.8 國際市場競爭需求

GPS面向民用的服務信號有3個頻點(包括用于生命安全服務的2個頻點)，且各個民用頻點的設計能夠滿足不同民用場合的需求;Galileo面向民用的服務信號有3個頻點(包括用于公開服務的1個頻點和用于生命安全服務的2個頻點);作為GLONASS現代化的重要內容，俄羅斯正在研制新一代的 GLONASS-K衛星，GLONASS-K衛星將增發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，我國衛星導航系統民用信號的設計應不少于3個頻點，在考慮數字處理技術發展的同時能夠滿足不同民用場合的需求。

3 結論和應用

導航信號是空間衛星星座、地面系統以及終端設備之間協調工作的紐帶和基礎，這里采用定量與定性相結合的方法，探討了民用信號設計需求、設計原則及分析思路。綜合以上各方面的分析結論，給出現代化衛星導航系統民用導航信號設計主要需求建議如下:

①民用信號至少設計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;在國際規定的不易受干擾的航空無線電導航頻段(ARNS)設計2個民用信號L1和L5，以滿足生命安全服務和與國際GNSS系統互操作需求。

②各個頻點信號獨立設計、互為備份:在確保服務功能和性能的前提下，盡可能考慮各頻點信號的多樣化設計，使用戶能夠權衡服務性能、實現成本、設備結構等需求來選擇合適的信號，以滿足各種民用場合的應用。如為車輛、手機等大宗用戶市場設立的公開服務，要求信號設計盡量低碼率、低數據速率等，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、海運等載體設立的生命安全服務，對服務的完好性、連續性和可用性要求較高，要求碼序列較長，能產生較強的抗干擾能力等。

③增加導頻信號，盡可能與軍用信號頻譜分離:導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，以確保導航戰環境下民用信號的正常、連續使用。

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

除以上總結的幾點外，在現代化衛星導航系統信號體制設計中，還應考慮頻率資源約束條件、星上和接收機可實現性等對頻點、信號功率、調制方式、頻譜結構等的設計約束。

4 結束語

上述立足于現代化衛星導航系統的頂層設計，在對國外GPS、Galileo以及GLONASS等系統民用信號設計進行充分分析的基礎上，從全球衛星導航系統用戶需求和現代化升級建設等方面，分析了衛星導航系統民用信號設計需求。研究結論為衛星導航系統信號體制的現代化設計提供分析思路和設計依據。

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