《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

卫星导航信号是由导航卫星向地球表面播发的无线电测量信号，承担着传递时空基准信息和实施被动测距两大任务，是卫星导航系统实现三边定位的核心载体。卫星导航信号是整个卫星导航系统的神经中枢，同时连接着控制段、空间段和用户段三大组成部分，不但是整个卫星导航系统唯一的用户接口，而且是卫星导航系统唯一的反馈链路。因此，卫星导航信号既是卫星导航系统形成能力的重要环节，又是发挥其效能的关键因素，在很大程度上决定了卫星导航系统的先天性能和PNT服务能力，发挥着不可或缺的关键作用。

在卫星导航技术研究中，卫星导航信号集中反映了卫星导航系统技术体制的本质，是卫星导航技术创新的源头。在卫星导航系统建设中，卫星导航信号是空间段和用户段研制的重要输入条件，是系统建设的基础。在卫星导航产业发展中，卫星导航信号贯穿了产品的研究、设计、制造、集成、测试等整个产业链，对卫星导航产业的发展影响深远。在国际合作与交流中，卫星导航信号是国际频率协调、兼容与互操作谈判的核心内容。

因此，卫星导航信号已经成为卫星导航系统升级换代的标志、自主可控的象征。

1.2 北斗三号导航信号设计的主要需求

根据三步走的发展战略，北斗三号的发展目标是：建立独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球导航卫星系统，推动我国卫星导航产业及应用的发展，促进卫星导航的国际合作与交流。为了实现这个发展目标，北斗三号导航信号设计必须满足如下基本要求：

➢ 自主知识产权：确保系统自主可控，促进GNSS应用和产业发展；

➢ 兼容与互操作：融入国际GNSS大家庭，与其他GNSS共同为全球用户提供高性能的PNT服务；

➢ 高性能、多样化的服务：采用最先进的技术，提升PNT的服务性能，满足不同用户的各种需求；

➢ 平稳过渡：实现从北斗二号到北斗三号的平稳过渡，保护广大厂商和用户的利益。

1.3 北斗三号信号设计面临的主要挑战

北斗三号的起步晚于GPS现代化和Galileo的建设，卫星导航信号设计面临着巨大的挑战，集中体现在以下几个尖锐的矛盾：

➢ 性能提升vs.频谱资源：更好的性能、多样化的服务需要足够的频率资源，但导航频段资源匮乏、信号拥挤，北斗三号可用的频率资源极为有限。

➢ 中国特色vs.兼容与互操作：中国的北斗需要有自己的特色，但为了走向世界、服务全球，北斗三号导航信号必须满足与GPS等其它GNSS的兼容与互操作要求；

➢ 自主创新vs.专利约束：导航信号的创新设计是北斗三号自主可控、升级换代的标志性成果，但以Galileo为代表的其它GNSS已经完成了全球性的信号专利布局；

➢ 技术先进vs.研究基础：世界一流的导航系统必须有世界一流的导航信号，但我国相关的基础理论薄弱，技术储备严重不足；

➢ 跨越式发展vs.平稳过渡：赶超先进需要技术突破，但北斗三号的信号设计还要考虑从北二号到北斗三号的平稳过渡。

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基本问题是:在带宽和功率同时受限的条件下提升信号的测距精度并实现服务的多样性。因此，如何解决在兼容与互操作的约束下带宽与精度、发射功率与信号数量之间的矛盾就成为了北斗三号卫星导航信号设计的关键。经过多年的深入研究，我们对卫星导航信号的本质和发展规律有了一个全新的认识，提出了一种创新的卫星导航信号理论:多载波恒包络复合导航信号。多载波恒包络复合导航信号具有以下的特点：

• 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但发展和完善了现代卫星导航信号的理论，并且为北斗三号的信号设计提供了坚实的理论基础。在这个理论框架下，结合北斗三号的具体需求和约束，我们提出了两种创新的导航信号结构。

2.2 正交复用二进制偏移载波(QMBOC)信号

➢ QMBOC的信号结构

以B1频点信号为背景，将BOC(1,1)与BOC (6,1)两个信号分量分别调制在载波的两个正交相位上，形成了一种新的多分量恒包络信号结构；两个分量功率比可调，可以使用相同或者不同的PRN码。

➢ QMBOC的主要特点

可满足B1(L1/E1)频点的频谱兼容性要求；具有自主知识产权，可规避TMBOC和CBOC的专利风险；具有更高的测距精度、更好的抗多径性能以及多种接收方式。

➢ QMBOC的工程应用优势

对于卫星荷载，可以支持信号的在轨参数配置，提供不同的服务性能。对于用户设备，可以支持多种接收模式，兼顾低成本消费类、高性能导航与授时型和高精度测量类型等需要，满足不同用户的需求。

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

以B2频点信号为背景，将2个频点上、不多于4个的信号分量以任意功率比进行恒包络复用，形成上下边带结构的多载波复合信号；能实现多种具体形式，包括：QPSK/QPSK，QPSK/BPSK，QPSK等等。

➢ ACE-BOC的技术特点

可满足B2频点与L5/E5频点的频谱兼容性要求；具有自主知识产权，可规避AltBOC的专利风险；具有很强的抗干扰、抗多径能力；分量的数量和功率均可调，信号结构十分灵活；接收方式多种多样。

➢ 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，并支持在轨信号重构，可以根据实际需要优化信号结构；对于用户设备，支持多种接收方式，满足多样化的用户需求。

2.4 QMBOC和ACE-BOC的学术影响力和知识产权

QMBOC和ACE-BOC受到了国际学术界和工业界的广泛关注，并得到权威专家的高度评价，被誉为“未来可能改变整个星基导航信号体制的技术”。此外，QMBOC和ACE-BOC还被写入近年来出版的多部卫星导航权威著作。在2014年前，QMBOC和ACE-BOC的三个发明专利(PCT/CN2014/093023、PCT/CN2013/087732和CT/CN2013/000675)已经完成了在全球17个国家和地区(含欧盟)的知识产权布局。

➢ 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/CN2013/087732，双频四分量扩频信号的恒包络生成方法和装置、接收方法和装置(ACE-BOC查表法)；

➢ PCT/CN2013/000675，卫星导航信号及其生成方法、生成装置、接收方法和接收装置(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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