北斗三号b1c频点带宽_【优先出版】北斗卫星信号结构及其特性分析
DOI:10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0214
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聂光皓、申亮亮和王新龙等合著的一篇题为《北斗卫星信号结构及其特性分析》的文章发表于《航空武器》期刊（网络出版版），其数字对象唯一标识符为.DOI:10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0214
Nie Guanghao along with Shen Liangliang and Wang Xinlong conducted research on the structure and characteristics of BeiDou satellite signals[J/OL]. Aero Weaponry, DOI:10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0214
北斗卫星信号结构及其特性分析
聂光皓1，申亮亮2，王新龙1，蔡远文3，陈鼎4*
1.北京航空航天大学 宇航学院
2.北京控制与电子技术研究所
3. 航天工程大学 研究生院
4. 天地一体化信息技术国家重点实验室
摘 要
卫星导航系统的性能受其信号结构与特性的直接影响，在此背景下本文重点研究了当前国际上较为先进的三号系列 Navigation System（BDS-3）所采用的新一代信号架构。通过对这一新型架构的关键组分进行解析，并结合实际情况分析其在提高定位精度与快速定位能力方面的优势效果。研究表明，在实际应用中采用新型架构能够显著提升定位精度与快速定位能力。
关键词
全球卫星导航系统；北斗三代；信号体制；整体性能；信号结构
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引 言
作为信息时代的重要基础设施之一，全球定位系统（GNSS）在航空航天技术发展、大地测量定位精度提升以及军事战略需求增强等方面发挥了关键作用。西方国家自20世纪80年代开始展开卫星导航系统的自主研发与竞赛，在这一背景下逐渐形成了GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）以及Galileo（欧盟）等多个区域性的 Navigation System. 为了实现国家战略目标和技术自主可控的需求，在全面分析现有国际 Navigation System 优势与不足的基础上，我国启动了" 卫星定位与通信" 领域的试验应用研究项目，并于2017 年正式开启了" 卫星三号" 全球卫星导航系统的建设工作。经过近十年的努力，在遵循" 三步走" 发展战略的前提下完成了从有源定位到无源定位的技术跨越，并实现了由区域组网到全球覆盖的整体布局优化。目前该 Navigation System 已经基本建成并投入使用运行，在国际上首次实现了完整的独立自主 satellite navigation system 的构建目标
在卫星导航系统中, 卫星导航信号发挥着极其重要的作用, 既是实现卫星导航系统空间段与地面段之间信息传递的关键环节, 也是空间段与用户设备之间唯一的通信接口, 直接影响着该系统的测距精度、抗干扰能力和多径效应等核心性能指标, 对提高该系统的性能水平具有决定性的作用[3]. 然而, 随着实验技术的进步以及应用需求的不断深化, 卫星导航信号体系也面临着相应的优化挑战. 尤其是我国目前正在推进的北斗三代全球卫星导航系统建设项目, 在继承美国GPS和欧洲Galileo现有技术基础的同时, 进行了创新性的发展和完善.
01
北斗三代信号结构分析
目前北斗三代系统向公众提供的导航信号包括B1I、B1C、B2a、B2I和B3I五个频道。值得注意的是，此次发射的B1C频道标志着北斗三代系统的全新能力提升；而原先由B2I主导的公开服务将逐渐被更稳定的B2a频道所替代，并成为系统的核心输出；与此同时，作为保留配置的两个频道——B1I与 B3I——将继续服务于各自的频段需求，并通过多路复用技术将载波、扩频码以及导航信息等数据整合到一个复合包絡中进行传输
图1 北斗三代导航信号生成示意图
如图1所示，展示了第三代北斗系统导航信号生成过程的形象图
图2 传统导航信号生成示意图
Fig.2 Traditional navigation signal generation diagram
通过比较图1与图2的情况可以看出，在信道架构、频率配置、调制方案以及扩频码系统等方面均有所优化。
1.1 信道结构
北斗三代系统的通信通道设计中融入了'数据传输通道与辅助定位通道'相结合的新方案。该系统基于传统单数据传输通道设计的基础之上新增了一种无需发送导航信息的辅助定位通道。其传输过程中无需携带导航信息因此能够有效避免因接收端定位码快速翻转而导致解调过程中的比特跳变问题[4]。对于这些辅助定位信号在追踪过程中可选用比传统Costas环更为鲁棒且适应性强的新一代追踪算法
北斗三代信号的设计方案采用了"数据信道+导频信道"模式。该方案基于导频信道信号在跟踪环节的优势，在导航领域提供了一种新的解密方式。具体而言，在此方案中首先使用纯锁相环锁定导频信道信号的载波相位与码相位，并完成对该类信号的定位跟踪；随后通过分析导频与数据信道之间的相位关系确定数据信息参数；最后对采集到的数据信息进行相关积分处理以提取电文符号信息，并完成导航电文解密过程而无需检测电文翻转情况。相较于基于单一数据信道的传统设计方法，在保证同样定位精度的前提下既提升了运算效率又减少了所需硬件配置数量
1.2 频率结构
高频参数的选择对卫星导航系统的性能优化具有重要意义。早期多数卫星导航系统采用单一或双频发射机制，在该模式下可实现较佳的工作状态及较高的定位精度要求。相比之下, 我国新一代北斗三代系统采用了三频设计方案, 三个工作系统的载波中心频率分别为1575.42 MHz、1176.45 MHz以及1268.520 MHz, 其中, BIC系统的各个工作状态与其兼容伙伴GPS L1C及Galileo E1 OS系统的对应工作状态一致, 而其B2a及B3I信道的工作频率范围与其兼容伙伴系统的部分信道存在重叠覆盖区域, 这一特点有助于提高各组间的信息共享效率
带宽的选择是信号频率结构设计中一个关键因素。信号带宽反映了其频谱宽度特性，并与其自相关函数主峰宽度之间具有密切关系；这一特征直接影响着码跟踪精度以及抗多径性能表现[5]。北斗卫星导航系统B1C信号带宽设定为32.736 MHz，在B2a信号上设置为10.23 MHz相较于传统信号显著提升；一般来说，在其他条件不变的情况下，增大带宽能够提高码跟踪精度和抗多径性能指标；然而这种策略并非万能良药，在实际应用中会带来一系列设计挑战：如接收机前端低噪声放大器和滤波器设计难度增加、后端数字处理速度要求提升等；最终会导致终端设备综合成本上升；因此在实际应用中需要综合考量接收机设备成本与测距精度之间的权衡问题
1.3 调制方式
信息编码是一种实现高频载波随基带信号幅度发生相应变化的技术手段。
在卫星定位系统中占据重要地位的传统GNSS（全球 positioning system）导航信号主要采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)作为其基本的调制方案。
在早期卫星导航系统中，这种调制方式发挥了关键作用。
鉴于当前导航频段资源极为拥挤以及提高测距精度的需求，
针对传统信号的这一特性，
人们进行了相应的优化改进，
从而使得各路信号能够在同一频段内实现频谱分离。
在参考GPS和Galileo系统的基础上进行创新性优化后，
北斗三代系统的信号体制对原有技术实现了突破性发展，
特别是B1C、B2a和B3I等典型信道所采用的新型信息编码技术如表1所示。
B1C信号的导频信道和数据信道分别使用了进制偏移载波(Binary Offset Carrier, BOC)和复合二进制偏移载波(Multiplexed Binary Offset Carrier, MBOC)进行调制。其中，在原有Binary Phase Shift Keying(BPSK)调制的基础上再用一个二进制子载波对其BPSK信号进行二次扩频。而MBOC则通过将多个二进制偏移载波在频域上复合得到一种新的子载波调制方式。由于MBOC仅限于频域信号处理其时域实现方案并不唯一因此通常会通过改变生成函数的方式来解决多套导航系统间的兼容性问题。其中GPS及Galileo系统所采用的分别是TMBOC与COFMCMOD等方式而北斗系统则采用了一种名为Quaternary M-ary BOChased Modulation(QMBOCFMC)的新式调制方法[6-9]。如图4所示QM_BOC技术通过对(1_1)(6_1)两种基本BMOC信号分别施加于两个相互正交的相位上实现了两分量间互相关分量的有效抑制从而提高了系统的性能水平作为我国自主知识产权的重要创新成果它不仅提升了北斗卫星导航系统的运行质量更为后续的发展奠定了坚实的技术基础
图3 BPSK和BOC调制对比图
Fig.3 BPSK and BOC modulation comparison chart
图4 QMBOC时域信号示意图
Fig.4 QMBOC time domain signal diagram
图5及图6展示了BPSK、BOC与MBOC调制的自相关函数及其功率谱密度对比曲线。从图5可见，在自相关函数方面，相较于BPSK与BOC调制,MBOC调制表现出更强的主峰尖锐度特征,从而实现了更高的码跟踪精度以及卓越的多径适应能力。观察图6可知,在功率谱密度特性上,对于BOC调制而言,其主瓣信号被成功分裂成对称分布的两部分,这一特性有助于降低信号间的干扰,从而实现了频谱的有效分离；相比之下,MBOC系统的高频率成分更加突出,这不仅进一步提高了系统的码跟踪性能,还能显著增强其抗多径干扰的能力。
图5 三种调制方式的自相关函数对比图
Fig.5 对比分析三种调制方法的自相关函数特征
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CDMA卫星导航系统信号体系中的一个重要构成部分（Code Division Multiple Access, CDMA）。从一个方面来看，在远距离传输过程中通过提高扩频码的抗干扰性能可有效地减少接收端可能出现的误差；从另一个方面而言，在利用扩频码进行相位移操作时可精确测定卫星至接收机之间的传播时间参数，并据此计算出关键的信息指标如伪距与伪距变化率等数值数据[10-12]。在扩频码的设计过程中其对整个信号体系表现的影响主要表现在其自相关特性的方面上
针对传统扩频编码方案存在的不足之处，在北斗信号系统中进行了优化与改进工作。主要体现在采用分层结构设计了新型扩频编码方案，并开发了新的主控代码配置以提升系统性能；同时对原有编码体系的关键参数进行了优化设计，包括扩展编码长度以及芯片传输速率等重要指标的变化；具体相关技术参数已在附图中的表格二中进行详细标注；下一步将深入剖析这些优化措施的影响及其在整个系统中的实际应用效果
主要改进措施是采用层次编码结构下的信号扩频技术。通过异或运算将较长长度的主编码与较短长度的次编码进行组合生成扩频信号。如图7所示展示了层次编码结构下的扩频信号波形特征。从图形中可以看出次级编码片宽与主级编码周期保持一致，并且次级编码片起始时间与主级编码第一个片宽起始时间实现了完美同步。
图7 分层码结构示意图
Fig.7 Layered code structure diagram
分层结构的设计具有以下几大优势：一方面，在不减少信号捕获能力的前提下优化了相关编码参数；另一方面，则使信号功率谱趋向于连续谱形态，在抗窄带干扰能力方面表现更为突出；此外，在实现子码与导航电文同步的过程中，默认简化了位同步环节的操作流程
第二项改进主要体现在扩频编码结构的变化上。传统的扩频编码方法主要基于Gold序列生成器，在这种架构下形成的 Gold 序列因移位寄存器的数量限制而无法生成无限延伸的有效代码流。由于 Gold 序列仅能提供有限长度的相关性能表现，在实际应用中若对其进行截断或扩展处理，则会显著影响其自相关性能表现。相比之下，在 B 系统中使用的 Weil 序列设计能够克服这一局限性：B1C系统的扩频编码选择 Weil 序列作为基础，并通过截断方式获得所需的相关性能参数；而 B2a信号则采用了同样基于 Weil 序列的设计方案，并对其进行了优化处理以提高抗干扰能力。与之相比 Weil 码的优势在于其奇偶性特征更为理想：只要满足质数要求即可无需严格限定其长度这样就使得选择合适的编码长度更加灵活；同时相较于 Gold 码系统它在抗干扰能力方面也有着显著提升效果
第三项改进主要涉及对码长和码速率进行了优化。在最新发射中,针对北斗系统的导航星载波 chips 进行了技术更新,主码长度从原本每颗星导航星载波 chips 的长度由 1023 位提升至 10230 位,这一提升有助于提高扩频编码序列的相关特性,虽然带来了一定的计算复杂度,但也显著提高了捕获困难度。值得注意的是,北斗新体制信号采用的新 code rates 分别为 1.023 Mcps 和 10.23 Mcps,这些 new code rates 均为原 code rate 的整数倍,能够通过单一频率源实现生成,从而有助于降低星载端与终端端硬件设备的技术复杂度。此外,这一改进也为后续实现北斗系统与 GPS、Galileo 系统间的兼容性 lay a solid foundation
02
信号结构对导航系统性能影响分析
导航信号体制在卫星导航系统中的性能发挥关键作用。当北斗三代卫星导航系统逐步完成建设时，随之而来的新信号体制会对其性能产生更显著的影响。一方面这些新特性可能会给传统的定位算法带来更多可能性与启发性思维的激发空间同时也会遇到一些挑战与需要应对的问题本文将深入探讨北斗三代信号体制结构如何影响其性能
2.1 多频信号的影响
早期的 GNSS 导播大多采用了二频模式。然而如今各国 satellite navigation systems 的研发与更新使得采用三频及以上频率技术逐渐成为主流。值得注意的是北斗系统首次实现了在中圆轨道（MEO）和倾角轨道（IGSO）上发射并提供 B1、B2 及 B3 三个频率的导航信号 卫星播发三频信号示意图如图 8 所示
图8 三频信号示意图
Fig.8 Tri-frequency signal diagram
北斗系统播发的三频信号的主要体现在其在多频组合理论中的利用。通过线性组合的方式形成了一个更为有利的多频组合虚拟信号。例如，在同一颗卫星的情况下，其频率表达式如下：
在载波相位定位领域中，其整周模糊度解算与周跳检测及修复对提升载波相位定位精度及动态范围具有重要意义。当接收机捕获多频观测数据时，通过线性组合能够消除信号中的电离层误差、卫星钟差等因素，在不考虑多径影响的情况下，则能得到较为准确的周跳估计值。
差分定位旨在通过多组观测数据间的差分运算来消除多种影响因素如对流层偏差、电离层漂移以及卫星时钟误差等。当采用多频组合信号时不仅能够捕获更长的波长还能显著降低电离层干扰以及噪声水平从而有效提升定位精度。
借助北斗系统的精确轨道信息实现三维空间中的高精度定位和快速收敛。
2.2 对测距精度的影响
在卫星导航系统中, 信号测距功能的主要实现方式包括扩频码测距和载波相位测距.就这两种不同的测量手段而言, 码跟踪精度与载波相位跟踪精度直接影响了该系统的测量精度水平, 从而直接反映了该导航系统的定位精度.具体而言, 扩频码跟踪精度受信号的平均平方根带宽、信噪比以及相关技术参数等多方面的因素影响.其中一种关键指标被称为Gabor bandwidth（格伯尔带宽）, 其表达式为：
从技术层面来看，在测距精度方面主要体现在以下几个方面：首先是采用了MBOC调制方案与传统的北斗B1I信号相比，在高频区域具有更高的功率谱密度水平
2.3 对抗干扰性能的影响
在传播过程中, 导航信号容易受到背景噪声干涉以及电磁干涉的影响. 随着GNSS技术的普及推广, 在这一领域内对导引码抗干线路面研究的关注度也日益提高. 根据其性质的不同, 信标受到两种主要类型的影响: 一种是抑制型干涉. 在抑制型干涉中通常采用的是窄带型干预手段, 在这种干预手段中具有独特优势的是其中心频点位于导引码功率谱峰值位置. 而另一种则是匹配型干预手段, 在这种干预手段中具备显著优势的是它们能够模仿导引码相同的或相似的功率谱密度特性. 因此可以从信标在抗窄带型干预能力和抗匹配型干预能力两个维度上具体分析其总的抗 dry ability [27-29]. 参考文献[27-29].
信号的子载波频率、扩频码速率以及信号调制方式等参数均会对信号抗扰动能力造成一定影响。常用品质因数Q来表征该信号对噪声抵抗能力的程度，在此指标下数值越大则表明该信号对抗噪声的能力越强。当接收端存在窄带干擾时（假设其位于中心工作频率附近），其对应的抗窄带干擾性能可用以下公式进行评估：
Q_n = \frac{E_b}{N_0} - \alpha \cdot \omega_c^2
然而，在本研究中发现，在特定条件下，信号具有抗匹配干扰的能力，并且其性能主要取决于扩频码速率、子载波频率以及调制信号类型的组合。
采用MBOC调制的北斗B1C信号其抗干扰能力较BPSK和BOC相比得到了显著提升
2.4 对抗多径性能的影响
多路径现象指的是接收机不仅能接收到卫星信号的直射波信号之外，在某些情况下还能捕获到该直射波信号的一份或多份反射波信号的现象。导致多径误差的主要原因是空间和时间上均不呈现相关性的多种反射波的存在。这种现象直接影响着GNSS系统尤其是差分GNSS系统的定位精度。目前常用的评估指标主要包括MEE（多径误差包络）、反射波包络面积以及平均反射波偏差等参量。其中，多径误差包络表达式为：
MEE = \sqrt{\sum_{i=1}^{n} (R_i)^2}
基于载波频率的选择分析表明，在高频率载波配置下（如...），北斗系统的信号传播距离被精确控制在约19厘米范围内。这一配置方案不仅能够有效抑制尺寸超过几厘米范围内的金属物体所产生的多径效应（multipath effects），而且这种效果受限于多种国际条约与技术规范的规定。值得注意的是，在性能上北斗系统与GPS系统并无显著差别；采用10.23Mcps码速率的新号码体制是传统新号码速率水平的十倍提升；引入分层编码结构并显著提升码长将极大地改善系统扩频码自互相关特性；采用MBOC调制相比BPSK调制展现出更为陡峭的自相关函数峰值特征（图谱），这种改进特性将带来更好的抗多径性能表现
2.5 对兼容性和互操作性的影响
系统的互操作性体现在综合利用多种卫星导航系统及配套服务，在提升用户端导航定位能力方面展现出显著优势。北斗卫星导航系统在B1频点上与GPS L1C以及Galileo E1 OS频点保持一致，并且其B2、B3频段也与国际主流系统的某些频率有所交集。这种频率上的交集不仅增强了系统的兼容性，在开放服务模式下为各类导航系统提供了更为卓越的支持。然而，在授权服务场景中由于只能依赖本国内导系统资源，在存在频率交集的情况下可能导致不同导航平台间的干扰现象出现，并可能对国家安全构成潜在威胁。因此，在研究各导引系统的兼容性问题时需要特别留意这一影响因素。
不同系统的兼容性指的是在相同工作频段内多组导航信号同时运行时其他导航信号对有用信号性能所造成的干扰必须控制在可接受范围内不会影响系统的正常运作
2.6 对接收性能的影响
北斗三代卫星导航系统应用新型信号体制，在单星端到端测距精度、抗干扰能力以及抗多径能力方面均有显著提升。然而，在信号接收层面，这一改革带来了新的挑战：即如何在保证原有技术指标的同时实现更高效率的数据解码操作；因此，在现有技术基础上：亟需优化地面段与用户段的接收方法以进一步提升系统的整体性能[38-39]
主要是多峰性问题。北斗B1C信号的数据和导频信道分别采用了BOC(1,1)和QMBOC(6,1,4/33)进行调制。其中QMBOC(6,1,4/33)，可被视为由两部分组成：即分别对应于BOC(1,1)和BOC(6,1)的复合调制方式。由于这类BOC 调制信号的自相关函数具有多个副峰值的特点，在信号跟踪过程中容易出现误锁现象而导致定位模糊的问题
主要是由于子码引起的符号翻转问题。该系统采用了分层结构设计的扩频编码方案，在每个扩频编码单元中设置了一个包含多个独立编码段的空间分布机制。在接收导频通道时会出现信号符号翻转现象这一特点较为明显但不会对数据传输造成影响然而在数据传输通道上同样存在这一现象
在当前技术条件下三是计算复杂度问题。采用十倍于传统信号的扩频主码序列进行北斗信号编码，在捕获及跟踪过程中所需的运算强度显著提升也就必然导致硬件资源的巨大消耗现有接收机所配备的FPGA资源已无法应对这一运算需求
03
北斗卫星导航系统发展展望
北斗三代卫星导航系统已经初步建成并投入实际应用，
而其未来发展与广泛应用必定将在通信技术、计算机技术和航空航天技术等方面取得新的突破[40-41]。
展望未来，北斗卫星导航系统的应用和发展趋势将主要体现在以下几个方面：
(1) 信号波形的设计涉及多个关键性能指标之间的平衡问题。随着技术的发展趋势是日益灵活化与复杂化。面对当前频谱资源受限的问题, 可能会采用多层次或多维度的技术手段来解决这一挑战。通过优化调制技术, 在确保高精度的同时减少各信号间的干扰
在设计扩频码时需权衡其相关特性和捕获能力之间的平衡关系。而对于具备优异自相关特性的扩频码结构，则需依赖于改进的捕获算法以提升接收效率。
接收机技术的发展演进是为了契合北斗信号体制的优势，并推动市场化应用的关键举措。对于新信号体制存在的问题是：BOC调制导致出现多峰性现象；分层码结构引发的符号翻转现象。这些都需要从接收机层面优化现有算法，并通过改进来显著提升信号跟踪精度。同时要展现新信号体制独有的优势。
频率结构设计必须同时兼顾频谱占用现状与系统兼容互操作性的平衡。随着无线电技术的进步预期会逐步转向使用S频段和C频段作为授权信号的载波频域从而有效防止频谱拥挤并解决兼容性相关的问题最终能显著提升系统安全性和稳定性
此外，多系统协同融合必将成为推动北斗系统发展的主要方向。基于此前提，在确保与其他卫星导航系统的兼容性基础上，北斗系统将深化与移动通信网络、互联网平台以及物联网设备之间的合作关系，并持续关注5G技术和人工智能领域的最新动态。这些技术发展将被深度融入国家定位导航与授时（PNT）体系建设过程中。
04
结 束 语
基于新型信号体制的北斗系统建成并投入使用将为卫星导航相关领域注入新的活力与研究热点。采用新型信号体制的北斗卫星导航系统不仅能够显著提升测距精度，并且增强抗多径传播及抗干扰能力；然而这也带来了诸多挑战需要通过系统内部各组件之间的协调与合作得以解决。随着GNSS技术和硬件水平的进步，在不断优化中形成的新型北斗系统的信号架构必将在未来持续改进升级；其在卫星导航领域的发展潜力将进一步释放，并在其所处的整体框架中占据越来越重要的位置
聂光皓(1995-)，男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向是导航、制导与控制。
*王新龙(1969-)，男，陕西渭南人，教授，研究方向是导航、制导与控制。E-mail: xlwon@163.com
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