研究背景和意义

        我国于 2020 年建设完成了第三代北斗卫星导航系统，其在调制方式、电 文速率、短报文功能等都较其他导航系统有较大创新。各大导航系统间抢占轨道和 频率资源以及应用市场，出现了频率资源紧张、导航信号间相互干扰等问题。近十 年来，低轨卫星以指数级速度飞速发展，相较于传统的位于中高轨的导航卫星，低 轨卫星在信号强度、时延、通信速率、制造成本等方面有着优势，但导航卫星也有 覆盖范围广、载荷稳定性强等得天独厚的优点，基于 LEO的通信导航一体化技术 中就包括了将低轨卫星和中高轨卫星的优势结合起来，从而使其服务于天地一体 化的高精度时空信息业务。

        为解决频谱资源拥挤的问题，学界提出采用恒包络复用的方式在同一频点播 发多路信号以最大化频谱利用效率。可将通信信号看作一路信号分量与其他导航 信号进行恒包络复用。目前的大多数恒包络复用方法对于复用信号分量路数、功率 和相位关系均有着限制，并且只能实现二值双极性信号的恒包络复用，有必要进一 步探索更灵活，可用性更强的恒包络复用方法

国内外发展现状

程鹏提出了基于正交时频空间调制（Orthogonal Time Frequency Space）的通信测 距一体化信号体制，能够实现高速场景下的高精度定位授时，田滔研究了利用低轨卫星移动通信信号进行定位以及下行链路同步技术的研究。

5G 标准中定义了数种参考信号，其中包括专 门用于定位的 PRS 信号，其商用定位精度达到亚米级。已有大量文献对 PRS 的参 数配置原则进行了研究，包括对不同梳状结构、子载波间隔等性能的仿真对比， 以及对定位精度克拉美罗下界的分析。北邮邓中亮提出的 TC-OFDM信号[8]通过在 通信信号中嵌入功率低于噪声的扩频定位信号，可以在通信的同时实现扩频信号 的连续捕获和跟踪，以完成定位的功能。王如霞提出了一套定位信号性能评估方 法，并在此基础上针对 TC-OFDM通导融合信号体制中的定位信号，从捕获跟踪精度、抗干扰、兼容性等方面进行评估。在文献[10]中，Fernandez 等人采用了 4G 技 术作为卫星导航与通信信号结合的技术方案，并基于 IEEE802.16 协议体制设计了导航通信一体化方案，成功实现了星间厘米级的定位精度。另外，Diglys 等人在文献中提出了一种利用地面移动通信的蜂窝基站辅助传输GNSS 信号的方法。而 Gentner 等人则基于 3GPP-LTE 的系统框架，研究了利用估计 OFDM 信号的到 达时间差(TDOA)、导频同步和信噪比估计实现基站定位的方法，成功实现了在GPS 定位信号在室内和城市遮蔽地区不可用时移动通信信号对定位的补充。国内方面， 杨晓云等人在文献中研究了低轨卫星和基站协同定位的方案，以扩大定位范围， 提升定位精度。范翔宁等人则研究了卫星/基站混合定位方法。最后，赵亚东总结了卫星导航与 5G 移动通信的融合架构研究进展，并提出了一种卫 星导航与 5G 移动通信体制融合的通导一体化系统架构。

除此之外，许多常见的通信信号，如 WiFi、蓝牙，以及近些年兴起的超宽带 UWB信号，均可以进行定位。冯奇等人[16]提出了基于向量正交频分复用信号，将 一个码间干扰信道分成多个向量维数可以灵活设计的子信道，实现了卫星系统的 通信导航一体化设计；刘江等人将通信信号与导航信号在频域上相融合[17]，将扩 频序列在频域上进行调制，并与 OFDM通信信号相结合，提高了通信导航信号的 兼容能力；李建佳等人在文献[18]中分析了 IEEE 802.15.4 协议超宽带 UWB 通导 一体化信号设计，验证了降低脉冲重复频率在牺牲一定通信速率的代价下获得测 距精度的提升与通信误码率的降低，吴迪[19]研究了基于 UWB 室内定位和通信一 体化技术。WiFi和蓝牙信号通常是基于接收信号强度(Received Signal Strength,RSS) 方法进行定位，根据多个接入点到接收机之间的距离与空间几何关系约束对接收 机的位置进行估算。而超宽带信号利用 ns 时间内的非正弦波窄脉冲传输数据，其 定位精度相较WiFi 和蓝牙高，但其所占用的频谱范围非常宽。综上所述，现有的 利用通信信号进行定位授时方法主要是在通信信号的基础上的进行信息层与算法 层的通导一体化设计，但由于通信信号在设计之初并没有考虑定位技术的需要，因 此会在测距、测角等重要定位参数测量上存在瓶颈。并且由于通信与定位信号在无 线空间中同时工作，信号间的同频互干扰问题不可忽视。因此在信号设计的过程中 需同时考虑通信与定位功能，并将信号间的高效兼容设计视为通导一体化技术发 展的关键基础问题。

信号恒包络复用发展现状

早在二十世纪六十年代，就有学者考虑将多路信号通过使用副载波BOC调制， 搬移到同一个载波频率上，同时能够保持搬移后合成信号的恒包络特性。由于频率资源有限，目前各大 GNSS 导航系统都会考虑在一个频点上通过信号复用模块将 多路信号复用到同一条卫星链路上进行发射，以此实现一次发射提供多种不同类 型服务的目的。最早出现的美国 GPS 系统在一个频点上采用 QPSK调制同时播发 军用信号和民用信号，实现了最简单的恒包络复用。随着导航信号的调制方法和种 类逐渐增多，简单的 QPSK 调制已经不能满足目前的需求。先后陆续涌现出了包 括 Interplex[20]，相干自适应子载波调制(CASM)[21][22]，多数表决[23]，AltBOC[24]等 方法。其中，Interplex 和 CASM方法可以看作是正交乘积子载波调制(QPSM)方法 的特例，可以得到较高的复用效率，得到了大量的研究和实践，Galileo 系统就采 用了修正的 Interplex 方法实现了其 E1 频点上的 OS 信号恒包络复用；同时在 E5 频点上采用了 AltBOC 调制以实现位于上下两个边带的 QPSK 信号的等功率恒包 络发射。国内高校中，清华大学和华中科技大学对恒包络复用技术的研究较为深入。 姚铮教授提出了非对称恒包络二进制偏移载波(ACE-BOC)调制[25]和正交复合二进 制偏移载波调制(QMBOC)[26]，ACE-BOC 实现了两个非等功率 QPSK 信号分量的 恒包络复用，而 QMBOC 方法已经被北斗 B1C 信号中的导频分量所采用[27][47]。 Dafesh 提出了一种适用性强的恒包络复用技术[28]，称为相位最优的恒包络发射 (POCET)方法，并通过 FPGA在硬件上验证了该方法的可用性，表明了该方法具有 后向兼容的能力[29]。该方法可以基于任意给定各复用信号间的功率与相位关系， 通过最优化方法求解得到恒包络信号，缺点也非常明显，当复用路数较多时，优化 搜索范围巨大，运算量过大，因此也有许多文献对 POCET 方法采用的最优化方法 进行了讨论和优化[31][32]，同时当复用信号间非独立时，交调分量有可能造成信号 的失真，张锴提出了一种考虑相关信号影响的改进的 POCET 方法，可以消除部分 波形畸变[33]。总的来说，目前的恒包络复用方法各自有着其具体的应用场景，并不 存在一种占绝对优势的恒包络复用方法，具体用何种恒包络方法需要结合实际应 用的信号场景中的关键要素进行分析。

BOC信号捕获跟踪方法发展现状

BOC 调制技术最初是在 2001 年 Betz 在其发表的论文[34]中提出的，将其作为 GPS 新增信号的一种备选方案。BOC 调制技术可以在不改变原频段上原有信号特 性的同时，使得增加的军用信号M码的频谱分裂在频带边缘，从而减小了信号间 的干扰，同时保证了军用信号的安全性。随着越来越多导航系统的发展，频带资 源日渐紧张，作为一种测距性能优异解决方案，BOC 调制技术成为了导航信号设 计的研究热点。 随着 BOC 类信号广泛应用于各大GNSS 系统中，BOC 信号自相关函数的多峰特性也给扩频信号的捕获和跟踪带来了困难。具体来说，相关函数的多峰特性在 捕获阶段容易使得捕获门限较低系统的捕获概率增大，这会加重跟踪阶段的工作 量。在码跟踪阶段，相关函数的多峰特性使得基于传统的早迟门延迟锁相环的鉴相 曲线会出现较多模糊点，造成码跟踪环误锁在错误的位置上，导致较大的伪码相位 跟踪偏差。当前也有较多方法研究了 BOC 信号的捕获跟踪方法以解决上述问题， 比较早期提出的方法包括峰跳法( Bump Jump，BJ)[36]、BPSK-like[37][40]方法等。峰跳 法通过比较相关器输出的幅值来判断是否锁定到了主峰，但即使信号为低阶的 BOC(1,1)，峰跳法也容易受到噪声和多径环境的影响；如其名称，BPSK-like，通 过将接收的 BOC 信号的两个主瓣进行旁瓣滤波后当作 BPSK信号，按照 BPSK信 号的方法进行跟踪，这虽然能够解决跟踪模糊度的问题，但牺牲了 BOC 信号固有 的优秀跟踪性能，更适用于对精度要求低的捕获阶段。 此外，还可以通过设计特别的本地参考信号来代替本地的 BOC 信号码片来得 到新的相关函数，生成无模糊度的鉴别函数。由于正弦 BOC 和余弦 BOC 信号的 不同特性，两种信号的处理方法有所差异。基于这一思想，针对正弦 BOC 信号， 先后产生了基于伪相关函数的无模糊延迟锁定环(Pseudo-Correlation-FunctionBased unambiguous tracking delay lock loop，PUDLL)[41]，自相关边峰消除技术 (ASPeCT)[35]，泛化边峰抑制去模糊[39]方法等。PUDLL方法适用于任意阶数正弦相 位 BOC 信号的无模糊跟踪环路，通过将若干个本地波形与输入 BOC 信号的互相 关函数进行非线性组合，使得合成的伪相关函数完全没有边峰，从而实现无模糊跟 踪，通用性强。而 ASPeCT 方法和加权鉴别器方法只能用于正弦 BOC(n,n)信号。 对于余弦 BOC 信号而言，其跟踪还存在着一些额外的问题。 可以看出，目前对 BOC 信号的无模糊跟踪是一个热点问题。但目前对于复合 COBC 信号的跟踪方法研究较少，针对 CBOC 方法，是否可以采用和 BOC 信号相 同的跟踪设计方法，所设计特殊的参考波形是否和 CBOC 信号的加权参数有关， 得到的无模糊的组合相关函数和鉴别函数和 BOC 信号有何异同，这些都是值得深 入研究的。