北斗三号卫星导航信号及接收策略(一)     DATE: 2021-12-01 21:56


以“5G/GNSS高精度定位与空间数据深度应用”为主题的高峰论坛上,来自清华大学的陆明泉教授为与会代表带来了题为《北斗三号卫星导航信号及接收策略》的主题报告。

陆教授首先对报告的题目作了一个简要的注解,强调了卫星导航信号在系统建设、应用推广和产业化中的重要地位和意义。说起卫星导航,我们经常谈到的是卫星导航系统,比如GPS、GLONASS、Galileo,当然还有我们的北斗;也会谈到卫星导航的终端产品,比如芯片、模块、板卡、整机等;还会谈到卫星导航的各种应用,比如高精度的定位,智能化的导航,精准的授时等等。但是,除了行业内的专家,很少有人谈论卫星导航系统的信号。其实,卫星导航信号虽然看不见、摸不着,但非常重要。概括起来,我们可以这样说:卫星导航信号是卫星导航系统的核心技术,在我国被列为北斗三号的三大核心技术之一,既是卫星导航系统的重要组成部分,也是卫星导航应用推广与产业化的关键。实际上,无论是系统建设,还是终端产品开发,还是各种各样的应用,本质上都是围绕着卫星导航信号来展开的。道理很简单,因为卫星导航系统是一个信息系统,信号是信息的载体,其核心当然是信号。

接下来,陆教授的讲座围绕三个内容展开:

一、北斗三号卫星导航信号的特点

从上个世纪九十年代初北斗一号立项到现在,我国的北斗卫星导航系统已经走过了二十多年的发展历程。根据三步走的发展计划,先后经历了北斗一号和北斗二号两个阶段,目前正在向北斗三号发展。以用户的视角我们可以发现,从北斗一号、北斗二号到北斗三号的发展史,实际上就是北斗卫星导航信号的进化史。


北斗一号是我国的第一个卫星导航系统,覆盖我国及周边地区,采用RDSS体制,提供有源定位、短报文通信和单双向的授时服务。北斗一号的导航信号,包括收发两种信号,即L波段的入站信号和S波段的出站信号。这两个信号分别采用了非常简单、成熟的BPSK和QPSK调制。

北斗二号是我国目前已经建成并正在大规模使用的区域卫星导航系统,继承了北斗一号的RDSS,采用了国际GNSS主流的RNSS体制,也就是所谓的无源定位技术。北斗二号有14颗在轨卫星,由GEO和MEO两种卫星组成,但它还是一个区域系统,覆盖亚太地区,在三个频点即B1、B2和B3播发军用和民用信号。其中已经公布的民用信号有B1I、B2I,实际上还有一个民用信号B3I,虽然还没有正式公布,但不少厂家和行业用户都已经在使用了,各种高精度接收机基本上都在使用包括B3I在内的北斗信号。北斗二号是国际上首个提供三频公开服务的系统,是北斗系统的一大特色。可以看到,北斗二号系统的导航信号虽然数量多,但在技术上还是采用了非常简单和成熟的BPSK、QPSK类的调制。与早期的GPS信号基本一样。

根据三步走的发展战略,目前正在部署的是北斗三号。上个月初,也就是9月5日,北斗官方网站发布了一条不到200字的新闻,附件是一个80页的文件,这就是《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1C、B2a(测试版)》。虽然这次ICD的发布异常的低调,却是北斗卫星导航系统发展史上的一个重要里程碑,不但揭开了北斗三号系统的正式部署序幕,也终于揭开了北斗三号导航信号的面纱。根据这个ICD测试版,我们可以了解到北斗三号的一些基本情况,包括星座结构、导航信号、服务功能等,但服务性能还未公布。已经明确的重要信息有:

(1)北斗三号星座的工作卫星共30颗,包括3颗GEO、3颗IGSO和24颗MEO,并将视情部署在轨备份卫星;

(2)B1C和B2a信号在北斗三号MEO卫星和IGSO卫星上播发,提供公开服务;

(3)B1C信号为新增信号,B2a信号将取代B2I信号。B1I信号在北斗三号所有卫星上播发提供公开服务;

(4)GEO卫星将提供SBAS服务。

由此可见,北斗三号将至少由三个信号提供公开服务,即B1C、B1I和B2a。新的导航信号B1C和B2a将与GPS、Galileo实现兼容与互操作,这意味着北斗三号将进一步融入国际GNSS的大家庭,也将带来卫星导航接收机技术的重大变革,未来的服务性能将大幅提升,用户设备功耗和成本将明显降低。特别需要指出的是,继续播发B1I信号不但可以确保北斗二号到北斗三号的平稳过渡,也将在最大程度上保护接收机厂商和广大用户的利益。
北斗三号演变过程

《未完待续》