北斗三号b1c频点带宽_北斗三号导航信号的创新设计（一）

《测绘学报》

构建与学术的桥梁 拉近与权威的距离

一

需求与挑战

1.1 卫星导航信号的作用与意义

卫星导航信号是从导航卫星向地球表面发射出的一种无线电测量信号。
它承担着传递时空基准信息以及执行被动测距两大任务。
作为实现卫星导航系统三边定位的关键载体，
卫星导航信号在整体系统中扮演着神经中枢的角色，
同时连接着控制段、空间段以及用户段三大组成部分。
不仅仅是整个系统的唯一用户接口，
而且也是唯一反馈链路。

在 satellite navigation 技术体系中, 卫星 navigation 信号特性集中体现了该系统的本质特征, 在技术创新过程中扮演着核心角色。
在 satellite navigation 系统建设过程中, 卫星 navigation 信号作为空间段与用户段研制的核心支撑条件发挥着基础作用。
从产品研发到集成测试的全生命周期来看, 在整个产业链中, 卫星 navigation 信号的饱和度高。
在全球频谱协调与兼容性问题上发挥着关键作用。

因此

1.2 北斗三号导航信号设计的主要需求

根据"三步走"的战略规划，在推进中国卫星导航系统的建设中

➢ 自主知识产权：确保系统自主可控，促进GNSS应用和产业发展；

作为全球GNSS家族中的一员，在与其他GNSS协同合作下为全球用户提供高质量的PNT服务。

高性能、多样化的服务：基于最前沿的技术架构优化PNT的服务效能，全方位地满足各类用户的具体需求；

确保在这一重要转折点上既不影响现有服务又不中断新的服务的正常运行

1.3 北斗三号信号设计面临的主要挑战

北斗系统的建设起步晚于GPS以及Galileo项目的完成，在卫星导航信号的设计方面也面临着重大的技术难题，在这些关键领域集中体现了以下几个关键问题：

在性能提升与频谱资源之间：更高的性能能够满足多样化的服务需求；然而，在导航频段中所面临的挑战是其频率资源极为匮乏且信号之间存在激烈的竞争；此外，在北斗三号系统中可实际使用的频率空间依然十分有限。

中国特色与技术融合：中国北斗系统必须在遵循国际规则的基础上发展出一套具有自身特色的导航技术体系；该系统不仅要在全球范围内提供统一的导航服务，在技术标准、信号接口等方面也要实现与其他主要卫星导航系统的互联互通；

自主创新与专利约束：作为中国自主可控的核心技术体系和持续升级换代的重要标志，在导航信号设计上的创新属于北斗三号系统的关键成果；相比之下，在全球范围内的信号专利布局已由基于Galileo平台的其他GPS导航系统完成

在技术先进与研究基础的对比中，在构建世界一流的导航系统方面需要具备世界一流的导航信号；然而，在我国的相关领域中，在这一目标的实现过程中存在明显的差距——尽管如此，在我国的相关领域中，在这一目标的实现过程中存在明显的差距——尽管如此，在我国的相关领域中

在探讨"跨越式发展"与"平稳过渡"时可知，在技术追赶过程中实现超越前方的目标不仅需要创新突破，在设计北斗三号信号时必须确保与北二号系统的顺利切换。

二

创新的信号设计理论与技术

2.1 多载波恒包络复合信号理论

新一代卫星导航信号设计面临的主要挑战在于：在带宽和功率共同受限的情况下既要提高测距精度又要实现服务质量多样性。因此，在兼容性与互操作性的制约下如何协调带宽与精度以及发射功率与信号数量之间的关系成为北斗三号卫星导航信号设计的关键问题。通过长期深入的研究探索我们对卫星导航信号的本质和发展规律形成了全新的认识并在此基础上提出了一种新型理论即多载波恒包络复合导航信号这一创新理论具备哪些特点

• 频域稀疏+时域恒包络+结构灵活;

• 能有效利用碎片化的频谱资源;

• 能形成更大的Gabor带宽;

• 可提供多种接收方式和不同服务性能。

多载波恒包络复合导航不仅不仅发展和完善了现代卫星导航信号的基础理论，并且也为北斗三号系统的信号设计奠定了坚实的理论基础；基于这一理论框架，在充分考虑北斗三号的具体需求和运行限制的基础上，我们提出了两种创新性的导航信号结构。

2.2 正交复用二进制偏移载波(QMBOC)信号

➢ QMBOC的信号结构

基于B1频点信号作为基准，在载波正交相位上分别将BOC(1,1)和BOC(6,1)这两个BOC分量进行调制处理后形成了一个新的多组分恒包络载波结构；通过调节两种成分的功率比例比例调节灵活，并允许采用相同的或不同的伪随机码配置

➢ QMBOC的主要特点

该方案能够符合B1(L1/E1)频点的频谱兼容性要求；该系统不仅拥有自主知识产权而且能够避免TMBOC与CBOC相关专利的风险；该系统具备卓越的测距精度优异的多径适应能力以及多样化的接收模式。

➢ QMBOC的工程应用优势

卫星荷载具备支持信号在轨参数配置的能力，并呈现多样化的性能特征；而用户设备则具备多种接收模式的选择，并涵盖低成本消费类、高性能导航与授时型以及高精度测量需求等多方面要求。

2.3 非对称恒包络二进制偏移载波(ACE-BOC)信号

➢ ACE-BOC的信号结构

基于B2频段信号，在两个频段上最多可容纳四个信号分量时（即不多于4个），按照任意功率比例实现恒包络复用技术，在上下边带结构中构建多载波复合信号；该系统能够支持多种具体的复合调制方案（如QPSK/QPSK型式），以及QPSK/BPSK型式等其他组合形式。

➢ ACE-BOC的技术特点

该系统能够满足B2频段与L5/E5频段间的频谱兼容需求；通过拥有自主知识产权的技术路线来规避AltBOC专利布局的风险；系统架构具备较强的抗干扰能力和多径适应性；支持分量数量及输出功率的调节功能，并能实现灵活多样的信号组网配置；支持丰富多样的接收方式组合选择。

➢ ACE-BOC的工程应用优势

对于卫星载荷 ，支持不同类型的卫星采用不同的播发策略，并允许对轨道上的信号进行重构处理；根据实际需求对信号结构进行优化设计。对于用户设备 ，提供多样化的接收接口，并以满足不同用户的多样化需求

2.4 QMBOC和ACE-BOC的学术影响力和知识产权

QMBOC与ACE-BOC因其显著的技术特性而受到了国际学术界与工业界的广泛关注，并赢得了来自权威专家的高度认可。这些创新性技术也被收入到近年来出版的多部卫星导航领域的权威著作中。值得注意的是，在2014年之前，在全球共有17个国家和地区（包括欧盟）完成了QMBOC与ACE-BOC这三项具有专利权的关键技术布局

➢ PCT/CN2014/093023，扩频信号的生成方法、生成装置、接收方法和接收装置(QMBOC)；

PCT/CN2013/087 73 2,采用双频四分量扩频信号实现恒包络传输的技术方案及其相关设备；采用ACE-BOC调制解调技术构建接收端的技术架构

PCT/CN2013/000675, 卫星导航信号的产生及相应的生成手段、相关产生设备以及其在接收过程中的处理策略(ACE-BOC解析法)

2014年开始，陆续获得了中国、美国、俄罗斯及日本等12个国家和地区的专利授权。

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