原標題：【導航論壇】北斗三號衛星導航信號及接收策略

編者按

以“5G/GNSS高精度定位與空間數據深度應用”為主題的高峰論壇上，來自清華大學的陸明泉教授為與會代表帶來了題為《北斗三號衛星導航信號及接收策略》的主題報告。

陸教授首先對報告的題目作了一個簡要的注解，強調了衛星導航信號在系統建設、應用推廣和產業化中的重要地位和意義。說起衛星導航，我們經常談到的是衛星導航系統，比如GPS、GLONASS、Galileo，當然還有我們的北斗；也會談到衛星導航的終端產品，比如芯片、模塊、板卡、整機等；還會談到衛星導航的各種應用，比如高精度的定位，智能化的導航，精準的授時等等。但是，除了行業內的專家，很少有人談論衛星導航系統的信號。其實，衛星導航信號雖然看不見、摸不著，但非常重要。概括起來，我們可以這樣說：衛星導航信號是衛星導航系統的核心技術，在我國被列為北斗三號的三大核心技術之一，既是衛星導航系統的重要組成部分，也是衛星導航應用推廣與產業化的關鍵。實際上，無論是系統建設，還是終端產品開發，還是各種各樣的應用，本質上都是圍繞著衛星導航信號來展開的。道理很簡單，因為衛星導航系統是一個信息系統，信號是信息的載體，其核心當然是信號。

接下來，陸教授的講座圍繞三個內容展開：

一、北斗三號衛星導航信號的特點

從上個世紀九十年代初北斗一號立項到現在，我國的北斗衛星導航系統已經走過了二十多年的發展歷程。根據三步走的發展計劃，先后經歷了北斗一號和北斗二號兩個階段，目前正在向北斗三號發展。以用戶的視角我們可以發現，從北斗一號、北斗二號到北斗三號的發展史，實際上就是北斗衛星導航信號的進化史。

北斗一號是我國的第一個衛星導航系統，覆蓋我國及周邊地區，采用RDSS體制，提供有源定位、短報文通信和單雙向的授時服務。北斗一號的導航信號，包括收發兩種信號，即L波段的入站信號和S波段的出站信號。這兩個信號分別采用了非常簡單、成熟的BPSK和QPSK調制。

北斗二號是我國目前已經建成并正在大規模使用的區域衛星導航系統，繼承了北斗一號的RDSS，采用了國際GNSS主流的RNSS體制，也就是所謂的無源定位技術。北斗二號有14顆在軌衛星，由GEO和MEO兩種衛星組成，但它還是一個區域系統，覆蓋亞太地區，在三個頻點即B1、B2和B3播發軍用和民用信號。其中已經公布的民用信號有B1I、B2I，實際上還有一個民用信號B3I，雖然還沒有正式公布，但不少廠家和行業用戶都已經在使用了，各種高精度接收機基本上都在使用包括B3I在內的北斗信號。北斗二號是國際上首個提供三頻公開服務的系統，是北斗系統的一大特色。可以看到，北斗二號系統的導航信號雖然數量多，但在技術上還是采用了非常簡單和成熟的BPSK、QPSK類的調制。與早期的GPS信號基本一樣。

根據三步走的發展戰略，目前正在部署的是北斗三號。上個月初，也就是9月5日，北斗官方網站發布了一條不到200字的新聞，附件是一個80頁的文件，這就是《北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B1C、B2a(測試版)》。雖然這次ICD的發布異常的低調，卻是北斗衛星導航系統發展史上的一個重要里程碑，不但揭開了北斗三號系統的正式部署序幕，也終于揭開了北斗三號導航信號的面紗。根據這個ICD測試版，我們可以了解到北斗三號的一些基本情況，包括星座結構、導航信號、服務功能等，但服務性能還未公布。已經明確的重要信息有：

(1)北斗三號星座的工作衛星共30顆，包括3顆GEO、3顆IGSO和24顆MEO，并將視情部署在軌備份衛星；

(2)B1C和B2a信號在北斗三號MEO衛星和IGSO衛星上播發，提供公開服務；

(3)B1C信號為新增信號，B2a信號將取代B2I信號。B1I信號在北斗三號所有衛星上播發提供公開服務；

(4)GEO衛星將提供SBAS服務。

由此可見，北斗三號將至少由三個信號提供公開服務，即B1C、B1I和B2a。新的導航信號B1C和B2a將與GPS、Galileo實現兼容與互操作，這意味著北斗三號將進一步融入國際GNSS的大家庭，也將帶來衛星導航接收機技術的重大變革，未來的服務性能將大幅提升，用戶設備功耗和成本將明顯降低。特別需要指出的是，繼續播發B1I信號不但可以確保北斗二號到北斗三號的平穩過渡，也將在最大程度上保護接收機廠商和廣大用戶的利益。

下面重點介紹一下北斗三號新信號的技術特點。

B1C是北斗三號的主用信號，未來所有北斗用戶、乃至全球的GNSS用戶都需要接收，將成為北斗系統的重要標志(類似于當前GPS的L1 C/A和未來的L1C信號)。B1C是一個技術先進且具有自主知識產權的新一代導航信號，既能滿足位置服務等消費類低成本用戶的需求，又能滿足高精度測量等專業類高性能用戶的需求。

B1C信號的載波頻率為1575.42MHz，與GPS L1和GalileoE1共享頻點，帶寬為32.736MHz。采用數據與導頻正交的現代化信號結構：數據分量由導航電文和測距碼經子載波調制產生，采用正弦BOC(1, 1)調制；導頻分量由測距碼經子載波調制產生，采用QMBOC(6, 1,4/33)調制。數據分量與導頻分量的功率比為1:3，信號功率向導頻傾斜，符合測距精度越高越好、解調性能夠用即可的設計原則，有利于提升B1C信號的整體性能。

B1C信號的測距碼結構與B2a相同，均由主碼和子碼異或構成。主碼速率為1.023Mcps，碼長為10230，由長度為10243的Weil碼通過截斷獲得。主碼共有126個，即數據碼和導頻碼各63個。B1C導頻分量的子碼長度為1800，由長度為3607的Weil碼通過截斷得到，生成方式與主碼相同，共63個。

B1C信號的導航電文采用B—CNAV1格式。B-CNAV1導航電文數據調制在B1C數據分量上，每幀電文長度為1800符號位，符號速率為100 sps，播發周期為18秒。

B2a為北斗三號的第二個民用信號，用來替換北斗二號的B2I信號，主要為雙頻或者三頻接收機提供服務，可用于生命安全服務和高精度測量等高性能服務，也可用于對性能要求較高的消費類服務。

B2a信號載波頻率1176.45MHz，與GPSL5和Galileo E5a共享頻點，帶寬為20.46MHz。也采用數據與導頻正交的結構(QPSK)：數據分量由導航電文數據和測距碼調制產生，采用BPSK(10)調制；導頻分量僅包括測距碼，也采用BPSK(10)調制。導頻分量與數據分量的功率比為1:1。

剛才已經說過，B2a信號的測距碼結構與B1C相同，也由主碼和子碼異或構成。主碼速率為10.23Mcps，碼長為10230，由兩個13級線性反饋移位寄存器通過移位及模二和生成的Gold碼擴展得到。在同一衛星上，B2a信號兩個分量的主碼生成多項式不同，但采用相同的初始狀態。B2a信號測距碼共有126個，其中數據碼、導頻碼各63個。對于不同的衛星，B2a數據分量的子碼相同，B2a導頻分量的子碼不同。B2a數據分量子碼碼長為5，采用固定的5位碼序列作為子碼，子碼序列為00010。B2a導頻分量子碼碼長為100，由長度為1021的Weil 碼通過截斷得到，定義方式與B1C主碼相同。

B2a信號的導航電文采用B-CNAV2格式。B-CNAV2導航電文數據調制在B2a數據分量上，每幀電文長度為600符號位，符號速率為200sps，播發周期為3秒。B-CNAV2導航電文最多可定義63種信息類型，當前定義了7個有效信息類型。

二、衛星導航信號的接收策略

B1C是一種全新的導航信號，技術先進、結構復雜，信號分量較多，可以發展出多種不同接收方案，以滿足不同用戶需求。而且，北斗三號將在MEO和IGSO衛星上同時播發B1C和B1I，將發展出獨特的接收方法，可充分挖掘北斗三號的潛能。B2a信號是一種數據與導頻正交的復合信號，與GPS L5和Galileo E5a相似，其基本的接收方法已趨成熟。因此，未來北斗三號接收技術的主要創新在于B1C信號接收處理的新理論、新方法，以及B1C與GPS L1C、Galileo E1 OS信號高效的互操作接收技術。這也是本報告接下來要介紹的內容。

先來分析B1C信號的結構特點。前面已經談到B1C信號由BOC(1, 1)數據分量與BOC(6, 1, 4/33)導頻分量構成，其中的BOC(6, 1, 4/33)分量包含了正交的BOC(1, 1)和BOC(6, 1)成分。因此，整個B1C信號實際包含了三個實分量：BOC(1, 1)數據、BOC(1, 1)導頻和BOC(6, 1)導頻。

由此，從方法論的角度出發，我們可以發展出兩種基本的接收方法：寬帶接收和窄帶接收。

寬帶接收：帶寬取14MHz左右，同時接收窄帶分量BOC(1, 1)和寬帶分量BOC(6, 1)。在這種匹配接收模式下，由于B1C的QMBOC與TMBOC、CMBOC具有相同的功率譜密度，三者具有完全相同的捕獲、跟蹤性能。

窄帶接收：帶寬取4MHz左右，只接收窄帶分量BOC(1, 1)。當接收機只處理BOC(1,1)分量時，QMBOC具有更好的性能：QMBOC的捕獲靈敏度比TMBOC提高0.51dB以上；QMBOC性能在接收帶寬為4MHz時比TMBOC提高0.6164 dB。

因此，整體來說QMBOC的性能優于GPS和Galileo的TMBOC、CMBOC信號。

由于北斗三號將在MEO和IGSO衛星上同時播發B1C和B1I，而B1I、B1C基于同一星上時鐘分別產生，經過一種特殊的復用方案后經功放和天線發射到地面，故從用戶的角度可將B1C和B1I視為一個特殊的雙邊帶寬帶信號。我們暫且稱之為B1頻點上的非對稱雙邊帶信號B1-ADS。B1-ADS信號的特點有：

(1)很高的等效RMS帶寬：B1-ADS等效帶寬不僅大于B1I和B1C，甚至大于采用10.23 Mcps寬帶B2a信號。因此，B1-ADS信號在理論上具有顯著的測距性能優勢，以及明顯的抗干擾、抗多徑優勢。

(2)復雜的自相關函數：B1-ADS的自相關函數具有非常尖銳的主峰，說明B1-ADS信號理論上具有顯著的測距性能優勢，但也具有更復雜的邊峰結構，在接收中需要解決復雜的多峰模糊問題。

由于B1-ADS的兩個邊帶B1I、B1C信號的調制方式、碼速率、電文和功率都不相同，傳統的用于對稱信號接收的處理技術不適用。因此，我們需要發展一類特殊的接收方法來接收B1-ADS，即同時接收B1I和B1C，進一步挖掘北斗三號信號測距精度和抗干擾、抗多徑的潛能。下圖是一種建議的B1-ADS接收方案，也就是B1I和B1C信號的聯合接收方案。

這種方案的基本思路是：借鑒DET獨立跟蹤副載波解決多峰模糊；上下邊帶分別進行相關，避免生成副載波波形，并可靈活支持雙邊帶和單邊帶處理；上下邊帶采用不同結構的相關器，解決上下邊帶調制方式不同問題；利用已知發射功率比值進行功率補償，解決上下邊帶功率不同問題；利用數據輔助的電文剝離方法，解決B1I僅有數據通道的問題。

這種方法可以較低的硬件復雜度支持B1-ADS信號的準最優接收處理，此外還可以兼容B1I或B1C獨立接收處理模式。

三、未來的北斗和GNSS接收機的發展趨勢

2020年前后，GPS的現代化將進入到GPS III階段，伽利略的部署將基本完成，我們的北斗三號也將部署完畢。這意味著即使不計入GLONASS的衛星，北斗三號和GPS、Galileo三大系統就有90余顆在軌衛星，除了將成為主流的L1/E1/B1和L5/E5a/B2a兩個頻點的6個互操作信號，還有其它信號可供用戶使用。全球的GNSS資源將空前豐富，特別是在我國。

屆時，雖然衛星導航資源十分豐富，也就是用戶可以接收的信號非常的多，但如果照單全收，把所有的信號全部接收下來，那么接收機的代價實在太大。今天的特邀報告一直在討論要實現低成本的高精度，顯然照單全收的簡單方式是難于做到低成本下的高精度。幸運的是，未來GNSS的主流信號是新一代的互操作信號，互操作信號的播發為我們實現低成本下的高精度定位帶來了一個合理的途徑：有選擇性地接收多個系統的互操作信號，開發新一代的互操作接收機。這也將是未來衛星導航接收機的主要發展方向。

互操作接收機的基本概念是：充分利用不同導航系統互操作信號的相似性，通過共用天線、射頻，復用捕獲與跟蹤通道，降低接收機的復雜度，并達到性能提升、功耗降低、成本降低的目的。可以預料，未來的互操作接收機將有三種基本形態：一種是單頻多系統互操作接收機，第二種是雙頻多系統互操作接收機，第三種是多頻多系統互操作接收機。

單頻多系統互操作接收機：只接收L1/E1/B1頻點的互操作信號，主要包括L1C、E1 OS和B1C，將有可能成為未來應用最普及的一種低成本、低功耗接收機。目前的很多消費類單頻多系統接收機實際上是三頻接收機，即同時接收了GPS L1 C/A、北斗B1I和GLONASSG1，硬件還是比較復雜的。到2020年前后，新一代的單頻多系統互操作接收機能實現真正的單頻接收，性能一定會更好，而且功耗和成本大大降低。

雙頻多系統互操作接收機：目前的雙頻多系統接收機并不屬于互操作接收機的范疇。未來將發展出一種接收B1C和B2a、L1C和L5、E1 OS和E5a的互操作雙頻接收機，既可以成為高可靠、高性能的雙頻接收機主流產品，也將隨著技術的發展而很快進入高性能的消費領域。這類接收機是新一代互操作信號的投入使用的必然產物，是從無到有的一類新型接收機，經過星基增強以后，實時定位的精度可以達到分米級，將在對應用安全性和可靠性要求比較高的智能駕駛、機器控制、基礎設施授時以及高性能導航定位等方面發揮重要作用。此外，還可應用于高精度測量領域和性能要求較高的消費領域。雙頻互操作接收機是未來接收機的發展重點，最新發布的產品也佐證了這個觀點。上個月國外某公司發布了一款新型的雙頻SoC芯片，據稱雙頻接收情況下能夠達到30厘米的精度，而且功耗很低。國內也有廠商推出了支持北斗三號新信號的類似產品。

第三類是以高精度測量為主的高精度多頻互操作接收機：這類接收機以接收雙頻的互操作信號為主，再加上第三個頻點的信號。這類接收機的出現，將使目前高精度測量型接收機廠商的看家本領之一——半無碼和無碼接收技術逐步淡出市場，將引發高精度接收機市場的又一輪技術競爭。由于以接收互操作信號為主，避免了無碼、半無碼技術的弊端，新一代多頻互操作接收機在降低成本和功耗的同時顯著提升高精度定位性能，將成為未來高精度測量型接收機的主流。

四、結語

作為衛星導航系統與接收機之間的唯一接口，衛星導航信號不但是衛星系統的重要組成部分，也是構建從芯片、板卡、整機到各種應用解決方案整個衛星導航產業鏈的紐帶，更是各種定位、導航與授時應用的載體。因此，衛星導航信號實際上已經成為衛星導航系統更新換代的最重要標志，甚至成為衛星導航系統的重要象征。

北斗三號即將播發全新的衛星導航信號，技術先進、性能優異，與GPS和Galileo具有極好的兼容與互操作性，且擁有自主的知識產權，代表著國際GNSS的領先水平，不但為北斗三號的部署、應用推廣和我國衛星導航產業的可持續發展奠定了堅實基礎，也為北斗三號走向世界、成為國際主流提供了重要保障。

隨著北斗三號系統的部署、北斗三號新信號的啟用，我國衛星導航的技術、應用與產業終于迎來了與歐美發達國家站在同一起跑線上的一個極好機遇，必將成為我國衛星導航領域趕超世界先進水平的一個重要里程碑。

作者簡介

陸明泉，博士，清華大學電子工程系教授、博士生導師，兼信息系統研究所所長、定位導航與授時(PNT)中心主任、上海北斗導航創新研究院智庫特聘專家。多年來一直從事全球導航衛星系統(GNSS)及相關領域的教學和科研工作。近年來致力于GNSS信號設計與接收處理、GNSS系統仿真與性能評估，以及定位導航與授時新技術等方面的研究，主要的成果包括新一代BDS導航信號設計、BDS/GNSS先進接收機研制及地基區域定位系統(LPS)新體制設計等。已在國內外學術期刊和會議發表論文150多篇，出版著作3部，主編會議論文集1部，獲得國內外發明專利授權20多項。主要學術兼職包括二代導航重大專項專家組成員、北斗標準化技術委員會委員，多家雜志編委、多個重點實驗室學術委員等。

責任編輯：

總結

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