《測繪學報》

構(gòu)建與學術(shù)的橋梁 拉近與權(quán)威的距離

一

需求與挑戰(zhàn)

1.1 衛(wèi)星導航信號的作用與意義

衛(wèi)星導航信號是由導航衛(wèi)星向地球表面播發(fā)的無線電測量信號，承擔著傳遞時空基準信息和實施被動測距兩大任務(wù)，是衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)三邊定位的核心載體。衛(wèi)星導航信號是整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，同時連接著控制段、空間段和用戶段三大組成部分，不但是整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)唯一的用戶接口，而且是衛(wèi)星導航系統(tǒng)唯一的反饋鏈路。因此，衛(wèi)星導航信號既是衛(wèi)星導航系統(tǒng)形成能力的重要環(huán)節(jié)，又是發(fā)揮其效能的關(guān)鍵因素，在很大程度上決定了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的先天性能和PNT服務(wù)能力，發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。

在衛(wèi)星導航技術(shù)研究中，衛(wèi)星導航信號集中反映了衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)體制的本質(zhì)，是衛(wèi)星導航技術(shù)創(chuàng)新的源頭。在衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)中，衛(wèi)星導航信號是空間段和用戶段研制的重要輸入條件，是系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。在衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，衛(wèi)星導航信號貫穿了產(chǎn)品的研究、設(shè)計、制造、集成、測試等整個產(chǎn)業(yè)鏈，對衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響深遠。在國際合作與交流中，衛(wèi)星導航信號是國際頻率協(xié)調(diào)、兼容與互操作談判的核心內(nèi)容。

因此，衛(wèi)星導航信號已經(jīng)成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)升級換代的標志、自主可控的象征。

1.2 北斗三號導航信號設(shè)計的主要需求

根據(jù)三步走的發(fā)展戰(zhàn)略，北斗三號的發(fā)展目標是：建立獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，推動我國衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用的發(fā)展，促進衛(wèi)星導航的國際合作與交流。為了實現(xiàn)這個發(fā)展目標，北斗三號導航信號設(shè)計必須滿足如下基本要求：

? 自主知識產(chǎn)權(quán)：確保系統(tǒng)自主可控，促進GNSS應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展；

? 兼容與互操作：融入國際GNSS大家庭，與其他GNSS共同為全球用戶提供高性能的PNT服務(wù)；

? 高性能、多樣化的服務(wù)：采用最先進的技術(shù)，提升PNT的服務(wù)性能，滿足不同用戶的各種需求；

? 平穩(wěn)過渡：實現(xiàn)從北斗二號到北斗三號的平穩(wěn)過渡，保護廣大廠商和用戶的利益。

1.3 北斗三號信號設(shè)計面臨的主要挑戰(zhàn)

北斗三號的起步晚于GPS現(xiàn)代化和Galileo的建設(shè)，衛(wèi)星導航信號設(shè)計面臨著巨大的挑戰(zhàn)，集中體現(xiàn)在以下幾個尖銳的矛盾：

? 性能提升vs.頻譜資源：更好的性能、多樣化的服務(wù)需要足夠的頻率資源，但導航頻段資源匱乏、信號擁擠，北斗三號可用的頻率資源極為有限。

? 中國特色vs.兼容與互操作：中國的北斗需要有自己的特色，但為了走向世界、服務(wù)全球，北斗三號導航信號必須滿足與GPS等其它GNSS的兼容與互操作要求；

? 自主創(chuàng)新vs.專利約束：導航信號的創(chuàng)新設(shè)計是北斗三號自主可控、升級換代的標志性成果，但以Galileo為代表的其它GNSS已經(jīng)完成了全球性的信號專利布局；

? 技術(shù)先進vs.研究基礎(chǔ)：世界一流的導航系統(tǒng)必須有世界一流的導航信號，但我國相關(guān)的基礎(chǔ)理論薄弱，技術(shù)儲備嚴重不足；

? 跨越式發(fā)展vs.平穩(wěn)過渡：趕超先進需要技術(shù)突破，但北斗三號的信號設(shè)計還要考慮從北二號到北斗三號的平穩(wěn)過渡。

二

創(chuàng)新的信號設(shè)計理論與技術(shù)

2.1 多載波恒包絡(luò)復合信號理論

新一代衛(wèi)星導航信號設(shè)計面臨的基本問題是:在帶寬和功率同時受限的條件下提升信號的測距精度并實現(xiàn)服務(wù)的多樣性。因此，如何解決在兼容與互操作的約束下帶寬與精度、發(fā)射功率與信號數(shù)量之間的矛盾就成為了北斗三號衛(wèi)星導航信號設(shè)計的關(guān)鍵。經(jīng)過多年的深入研究，我們對衛(wèi)星導航信號的本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律有了一個全新的認識，提出了一種創(chuàng)新的衛(wèi)星導航信號理論:多載波恒包絡(luò)復合導航信號。多載波恒包絡(luò)復合導航信號具有以下的特點：

? 頻域稀疏+時域恒包絡(luò)+結(jié)構(gòu)靈活;

? 能有效利用碎片化的頻譜資源;

? 能形成更大的Gabor帶寬;

? 可提供多種接收方式和不同服務(wù)性能。

多載波恒包絡(luò)復合導航不但發(fā)展和完善了現(xiàn)代衛(wèi)星導航信號的理論，并且為北斗三號的信號設(shè)計提供了堅實的理論基礎(chǔ)。在這個理論框架下，結(jié)合北斗三號的具體需求和約束，我們提出了兩種創(chuàng)新的導航信號結(jié)構(gòu)。

2.2 正交復用二進制偏移載波(QMBOC)信號

? QMBOC的信號結(jié)構(gòu)

以B1頻點信號為背景，將BOC(1,1)與BOC (6,1)兩個信號分量分別調(diào)制在載波的兩個正交相位上，形成了一種新的多分量恒包絡(luò)信號結(jié)構(gòu)；兩個分量功率比可調(diào)，可以使用相同或者不同的PRN碼。

? QMBOC的主要特點

可滿足B1(L1/E1)頻點的頻譜兼容性要求；具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可規(guī)避TMBOC和CBOC的專利風險；具有更高的測距精度、更好的抗多徑性能以及多種接收方式。

? QMBOC的工程應(yīng)用優(yōu)勢

對于衛(wèi)星荷載，可以支持信號的在軌參數(shù)配置，提供不同的服務(wù)性能。對于用戶設(shè)備，可以支持多種接收模式，兼顧低成本消費類、高性能導航與授時型和高精度測量類型等需要，滿足不同用戶的需求。

2.3 非對稱恒包絡(luò)二進制偏移載波(ACE-BOC)信號

? ACE-BOC的信號結(jié)構(gòu)

以B2頻點信號為背景，將2個頻點上、不多于4個的信號分量以任意功率比進行恒包絡(luò)復用，形成上下邊帶結(jié)構(gòu)的多載波復合信號；能實現(xiàn)多種具體形式，包括：QPSK/QPSK，QPSK/BPSK，QPSK等等。

? ACE-BOC的技術(shù)特點

可滿足B2頻點與L5/E5頻點的頻譜兼容性要求；具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可規(guī)避AltBOC的專利風險；具有很強的抗干擾、抗多徑能力；分量的數(shù)量和功率均可調(diào)，信號結(jié)構(gòu)十分靈活；接收方式多種多樣。

? ACE-BOC的工程應(yīng)用優(yōu)勢

對于衛(wèi)星載荷，支持不同類型的衛(wèi)星采用不同的播發(fā)策略，并支持在軌信號重構(gòu)，可以根據(jù)實際需要優(yōu)化信號結(jié)構(gòu)；對于用戶設(shè)備，支持多種接收方式，滿足多樣化的用戶需求。

2.4 QMBOC和ACE-BOC的學術(shù)影響力和知識產(chǎn)權(quán)

QMBOC和ACE-BOC受到了國際學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并得到權(quán)威專家的高度評價，被譽為“未來可能改變整個星基導航信號體制的技術(shù)”。此外，QMBOC和ACE-BOC還被寫入近年來出版的多部衛(wèi)星導航權(quán)威著作。在2014年前，QMBOC和ACE-BOC的三個發(fā)明專利(PCT/CN2014/093023、PCT/CN2013/087732和CT/CN2013/000675)已經(jīng)完成了在全球17個國家和地區(qū)(含歐盟)的知識產(chǎn)權(quán)布局。

? PCT/CN2014/093023，擴頻信號的生成方法、生成裝置、接收方法和接收裝置(QMBOC)；

? PCT/CN2013/087732，雙頻四分量擴頻信號的恒包絡(luò)生成方法和裝置、接收方法和裝置(ACE-BOC查表法)；

? PCT/CN2013/000675，衛(wèi)星導航信號及其生成方法、生成裝置、接收方法和接收裝置(ACE-BOC解析法)。

2014年開始，陸續(xù)獲得了中國、美國、俄羅斯及日本等12個國家和地區(qū)的專利授權(quán)。

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總結(jié)

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