卫星导航系统民用信号设计需求分析

王梦丽，金国平，马志奇

(1.北京环球信息应用开发中心，北京100094;2.北京信息技术研究所，北京100094)

0 引言

在GPS和GLONASS现代化升级建设成果显著、Galileo系统建设稳步发展的国际背景下，作为世界四大卫星导航系统之一，我国卫星导航系统的建设和发展面临着国际化的机遇与挑战。导航信号体制是卫星导航系统体制最重要的组成部分之一，关系到精度、连续性、可用性、实时性、抗干扰以及兼容和互操作性等系统关键性能指标的实现，是开展卫星系统、地面系统以及用户设备研制的基础。

从卫星导航系统各类民用用户需求和系统现代化升级建设为出发点，在对国外卫星导航系统民用信号设计进行分析、研究的基础上，从用户功能和性能需求、与国际GNSS系统兼容和互操作需求等方面，全面分析我国卫星导航系统民用导航信号设计需求，给出现代化卫星导航系统民用导航信号设计建议。

1 国外卫星导航系统民用信号设计分析

近年来，世界各GNSS系统面向系统现代化建设需求，纷纷对民用信号体制进行了现代化设计和升级。GPS面向民用的服务信号增加到3个频点，且各民用频点的设计尽可能满足不同民用场合的需求;Galileo面向民用的服务信号设计了3个频点，包括用于公开服务的1个频点和用于生命安全服务的2个频点;作为GLONASS现代化的重要内容，俄罗斯正在研制的新一代GLONASS-K卫星将增发L3/L5民用信号，使民用信号达到3个。

1.1 GPS民用信号设计

GPS面向广大民用用户最初配置了L1C/A码一种信号。现代化GPS II对民用服务性能进行了扩展和提升，增配了L2C和L5信号。GPS III进一步增配L1C信号，以在未来取代L1C/A码。L2C信号的载频和数据跟踪门限得到明显改善，相关性能十分优越;L2C码率较低(1.023 Mcps)，使接收机功耗更小［1］。由于L2频段附近在美国和欧洲有大功率对空监视雷达在工作，可能对L2信号造成干扰影响从而其连续性，所以应航空用户的需求设立了有最强的信号且处于ARNS频段内的L5信号［2］。另外，L5还能够与L1和L2配合工作，实现快速解算载波相位的整周模糊度。L1C信号在与L1C/A信号兼容和互操作的基础上，考虑了数字信号处理技术发展的前瞻性设计，采用了译码更为复杂但编码增益更高的LDPC信道编码方式［3］。可见，对单一信号或多信号的接收机用户来说，不同频率的GPS民用信号设计所表现出的不同性能可以满足不同用户群需求。

1.2 Galileo民用信号设计

Galileo设计了3个民用信号，其中E5a提供公开服务，E5b和 E1提供生命安全服务［4］。Galileo系统的设计目标是一个开放的、能与GPS兼容互操作又完全独立于GPS的全球系统。为了实现与GPS互操作的目标，Galileo系统信号尽量采用和GPS信号相同的中心频率，以使接收机成本最低。Galileo民用信号倾向于采用较长的码长，自相关和互相关性能均较好，有较强的抗干扰能力。各频点信号设计满足相应服务类型功能和性能需求。

1.3 GLONASS民用信号设计

早期GLONASS系统面向广大民用用户，配置了L1信号［5］。从2003年起，GLONASS系统开始增发GLONASS-M卫星，并对服务模式和性能进行了扩展和提升。GLONASS-M卫星增发了L2民用信号，L2上未调制电文，但能够配合L1信号作双频电离层延迟改正。作为GLONASS现代化的重要内容，俄罗斯正在研制新一代的GLONASS-K卫星。GLONASS-K卫星将增发L3/L5民用信号，使民用信号达到3个。GLONASS现代化的另外一个方面是积极开展国际合作，考虑在 FDMA信号中添加CDMA信号，以保证 GLONASS与GPS以及Galileo系统的兼容与互操作性。

2 现代化卫星导航系统民用信号需求分析

民用信号设计需求分析的基本思路是以现代化卫星导航系统需求为立足点，基于不同用户群对系统服务功能和性能指标的需求，分析各项指标对信号元素设计的需求和约束。将不同指标对信号元素的需求进行综合评定，从而确定民用信号设计需求。下面着重从测距精度、电离层延迟改正、整周模糊度解算、定位实时性、抗干扰以及兼容与互操作性等方面对民用信号设计需求进行分析。

2.1 测距精度需求

与测距精度相关的信号设计要素主要是信号功率和信号带宽。

对于一个最优设计的非相干超前减滞后功率型码跟踪环，根据文献［6］中环路噪声引起的码跟踪颤动和载波跟踪颤动对其测距性能的影响公式可以看到，信号功率越高，接收载噪比越高，越有利于提高伪码和载波相位伪距测量精度。但信号功率大小还需要遵守国际电联相关规则，并考虑兼容性要求。

信号带宽主要由调制方式和伪码速率决定的。码率越高，信号带宽越宽，自相关函数峰值越尖，信号到达时间的估计就越精确。因此，从测距精度角度来说，码率越高测距精度越高。但信号带宽越宽，数据处理所需要的采样率越高，对器件水平要求也越高，接收机功耗及实现难度越大。

2.2 电离层延迟改正需求

参考目前国内外GNSS系统的定位精度指标，以水平10 m、高程10 m(PDOP＜6)的定位精度为例计算，要求伪距误差小于2.33 m。鉴于模型法电离层延迟改正误差较大(按75%的改正精度计算，电离层延迟超过10 m时，净电离层改正误差就达到2.5 m)，该精度要求通过双频电离层延迟改正实现。

多频电离层改正中，传统算法是双频改正，即采用2个频点的数据，改正电离层效应的一阶项，且频率间隔越大改正精度越高;或者三频二阶改正算法，即采用3个频点的数据，改正电离层效应的一阶项和二阶项;另外还可以采用三频一阶改正算法，即采用3个频点的数据但只改正到电离层效应的一阶项［7，8］。3种算法中，伪距误差对三频一阶改正算法的影响最小，但改正效果与双频改正算法接近。三频二阶改正虽然改正了电离层延迟的二阶项，但受伪距误差的影响较大。相比于双频电离层延迟改正，三频电离层延迟改正对改正精度贡献不大［7，8］。

因此电离层延迟改正对导航信号的需求是:配置2个频点值相差较大的频点，以满足电离层延迟改正精度需求。

2.3 整周模糊度解算需求

海洋测绘、航空航天测量和陆地测量等作业对测量精度要求非常高，需要借助载波相位进行精密定位才能满足其使用要求，其关键是首先要完成载波相位整周模糊度的快速、准确解算。

理论上，使用单频、双频或三频观测数据都可以求解载波相位整周模糊度，但解算时间和应用范围、解算成功率有较大差异。一般来说，对于10 km以内的短距离应用，单频解模糊度时间一般在15 min左右，双频解模糊度时间一般在3 min左右，三频能实现准实时解算。但是，对于上百千米的中长距离应用，单频和双频解模糊均要依赖长时间的数据累积，无法在短时间内实现模糊度解算，而三频应用可以在短时间内收集足够的累积数据，几分钟以内成功解算模糊度。另外，根据GPS的数据分析，三频超宽巷组合的模糊度单历元估计成功率几乎达到 100%［9，11］。

因此整周模糊度解算对导航信号设计的需求是:需要配置3个频点，且3个频点的距离能够产生足够的巷宽。

2.4 定位实时性需求

定位实时性(即首次定位时间)主要取决于信号捕获时间、基本导航信息收集时间以及接收机处理能力等。与信号设计相关的主要指标要素是与信息速率有关的基本导航信息收集时间。参考国内外卫星导航系统的性能指标，以冷启动和温启动1 min、热启动2 s的首次定位时间指标要求为例分析。

热启动状态下，接收机可以快速恢复卫星信号且接收机中存有有效的基本导航信息，不需要重新接收和解调基本导航信息。冷启动和温启动条件下，信号捕获时间主要是在时域对整个周期内的码片和频域对多普勒频移范围的搜索时间。按照目前的接收机硬件水平估计，信号的捕获时间约1 s;接收机导航数据处理的时间在几十ms量级。基本导航信息的收集时间主要取决于信息速率和信息播发周期。初步评估，基本导航信息数据量约为665 bit，加上周内秒、同步头等辅助信息，预计数据量为900 bit。如果信息速率分别为50 bps和25 bps，基本导航信息的播发时间分别约为18 s和36 s。考虑播发其他类导航电文信息的占用时间，基本导航信息的收集时间约分别为25 s和50 s。

因此，50 bps和25 bps的基本导航信息播发速率均能满足冷启动和温启动条件下定位实时性需求。

2.5 抗电磁干扰需求

影响系统抗干扰能力的因素有多种，下面主要从导频信号、频谱结构、码长和信息速率等几个方面的设计进行分析。

①导频信号:现代化GPS、Galileo系统均设计了导频信号。导频通道的载波不需要处理由数据调制引起的载波相位翻转。载波跟踪可由载波环完成，比数据通道载波跟踪用Costas环的门限优越6 dB，使地面接收机能够快速捕获卫星导航信号。地面接收机只要捕获并跟踪导频信号，即建立了载波跟踪环路。因此增加导频信号，有助于弱信号条件下信号的捕获和跟踪。

②频谱结构:一方面，为了确保采取功率增强等手段来提高军用信号的抗干扰能力时，能够不影响民用信号的正常使用，另一方面，为了避免战时敌方对军用信号实施干扰时会同时干扰民用信号，要求军民信号频谱分离，以确保导航战环境下民用信号的正常、连续使用。正如GPS将M码与C/A码和P码的频谱分开，就是要解决增加M码功率对C/A和P(Y)码的干扰问题，提高与C/A码和P(Y)码的兼容性。

③码长:测距码越长，自相关和互相关性能就越好，同一卫星信号或不同卫星信号之间的相互干扰就越小。因此，选择较长的测距码，可以提高抗干扰能力，但同时会增加信号捕获时间和实现复杂度，需要综合考虑。

④信息速率:对于脉冲干扰，如果脉冲干扰的脉冲周期小于导航数据比特持续时间，就可以忽略对系统的影响，即低信息速率有利于抗脉冲干扰;对于窄带干扰，速率越低，解扩带宽就越小，扩频增益也越高，落在解扩带宽内的干扰功率就越低，即低信息速率有助于提高抗窄带干扰能力。因此，信息速率越低抗干扰性能越高，同时有利于信号的捕获、跟踪和解调，但低信息速率会限制信息的更新周期，需要综合考虑。

2.6 兼容性需求

兼容性(Compatibility)是指使用单一系统或多系统组合为用户提供定位、导航和定时服务时，各系统间互不干扰。目前国际上普遍将兼容性定义为:多个GNSS系统对单个GNSS系统干扰引起的性能下降在可接受的范围内。在ITU-R M.1831建议书中采用等效载噪比作为系统间干扰评估参量。全球系统民用信号的兼容性主要考察落在相应带宽内的GPS、Galileo和GLONASS所有导航信号、全球系统其他导航信号(如授权信号)以及其他系统信号与民用导航信号的分离特性，分析各导航信号的干扰所导致的载噪比损失。由于干扰的存在使得载噪比下降，可以用等效载噪比的下降来评估干扰对接收机的影响。

信号兼容性需求标准是:所有干扰所引起的载噪比损失不能使到达地面的信号载噪比低于载噪比门限，同时保证其他卫星导航系统的载噪比。

2.7 互操作需求

互操作性(Interoperability)是指使用多系统组合进行定位、导航和定时，将比单一系统提供更好的服务性能且所获得精度、完好性、可用性、连续性的好处大于接收机增加的代价。GNSS的兼容性使得多系统互操作成为新的发展趋势，全球卫星导航系统也必然要与其他GNSS系统实现互操作。

纵观导航频率分配和其他卫星导航系统的信号规划，Galileo的 E5a(1 176.45MHz)和 E1(1 575.42 MHz)将分别与GPS在L5和L1频段上实现互操作。GLONASS也已在现代化计划中提出要在L5和L1频段上添加CDMA信号，与GPS实现互操作。日本QZSS发布的频率计划中，也将在L1、L2和L5上实现与GPS的完全兼容与互操作。可见，L1和L5已成为国际上卫星导航系统的主要互操作频段。

根据互操作要求，GNSS频率配置和空间信号的互操作主要是通过共用中心频率和频谱重叠来实现的，一方面解决了卫星导航频率资源的紧缺问题，另一方面可以减少接收机内为不同中心频率提供基准频率而产生的负担，简化多系统联合GNSS接收机设计和制造，降低功耗、成本和重量。

结合国外GNSS系统互操作情况，为适应卫星导航系统发展大趋势、提高市场竞争力，我国卫星导航系统要与国际卫星导航系统接轨，也应该在L1和L5频段上设计民用导航信号，实现与GPS、Galileo和GLONASS三大导航系统的互操作，且中心频点、调制方式和信号结构要与其他GNSS系统趋于一致。

2.8 国际市场竞争需求

GPS面向民用的服务信号有3个频点(包括用于生命安全服务的2个频点)，且各个民用频点的设计能够满足不同民用场合的需求;Galileo面向民用的服务信号有3个频点(包括用于公开服务的1个频点和用于生命安全服务的2个频点);作为GLONASS现代化的重要内容，俄罗斯正在研制新一代的 GLONASS-K卫星，GLONASS-K卫星将增发L3/L5民用信号，使民用信号达到3个。

从国际民用市场竞争需求的角度分析，我国卫星导航系统民用信号的设计应不少于3个频点，在考虑数字处理技术发展的同时能够满足不同民用场合的需求。

3 结论和应用

导航信号是空间卫星星座、地面系统以及终端设备之间协调工作的纽带和基础，这里采用定量与定性相结合的方法，探讨了民用信号设计需求、设计原则及分析思路。综合以上各方面的分析结论，给出现代化卫星导航系统民用导航信号设计主要需求建议如下:

①民用信号至少设计3个频点:其中2个频点值相差较大以满足双频电离层延迟改正精度需求，3个频点值能够产生足够的宽巷以满足载波相位整周模糊度快速解算需求;在国际规定的不易受干扰的航空无线电导航频段(ARNS)设计2个民用信号L1和L5，以满足生命安全服务和与国际GNSS系统互操作需求。

②各个频点信号独立设计、互为备份:在确保服务功能和性能的前提下，尽可能考虑各频点信号的多样化设计，使用户能够权衡服务性能、实现成本、设备结构等需求来选择合适的信号，以满足各种民用场合的应用。如为车辆、手机等大宗用户市场设立的公开服务，要求信号设计尽量低码率、低数据速率等，以满足接收机体积小、耗电省、价格低的需求;为民用航空以及陆地、铁路、海运等载体设立的生命安全服务，对服务的完好性、连续性和可用性要求较高，要求码序列较长，能产生较强的抗干扰能力等。

③增加导频信号，尽可能与军用信号频谱分离:导频信号有助于弱信号条件下信号的捕获和跟踪;民用信号尽可能与军用信号频谱分离，以确保导航战环境下民用信号的正常、连续使用。

④对系统多个性能指标有影响且相互矛盾的信号元素，采取以下设计原则综合考虑:关键指标优先考虑、对系统指标影响大的信号元素优先考虑、合理平衡信号性能与系统和用户端的实现代价。如码长的设计要综合考虑抗干扰能力和捕获时间、实现复杂度等需求，信息速率的设计要综合考虑抗干扰性能和信息的更新速率等需求。

除以上总结的几点外，在现代化卫星导航系统信号体制设计中，还应考虑频率资源约束条件、星上和接收机可实现性等对频点、信号功率、调制方式、频谱结构等的设计约束。

4 结束语

上述立足于现代化卫星导航系统的顶层设计，在对国外GPS、Galileo以及GLONASS等系统民用信号设计进行充分分析的基础上，从全球卫星导航系统用户需求和现代化升级建设等方面，分析了卫星导航系统民用信号设计需求。研究结论为卫星导航系统信号体制的现代化设计提供分析思路和设计依据。

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