北斗三号卫星导航信号及接收策略(二)     DATE: 2021-12-05 22:45

《接第一部分》
下面重点介绍一下北斗三号新信号的技术特点。

B1C是北斗三号的主用信号,未来所有北斗用户、乃至全球的GNSS用户都需要接收,将成为北斗系统的重要标志(类似于当前GPS的L1 C/A和未来的L1C信号)。B1C是一个技术先进且具有自主知识产权的新一代导航信号,既能满足位置服务等消费类低成本用户的需求,又能满足高精度测量等专业类高性能用户的需求。

B1C信号的载波频率为1575.42MHz,与GPS L1和GalileoE1共享频点,带宽为32.736MHz。采用数据与导频正交的现代化信号结构:数据分量由导航电文和测距码经子载波调制产生,采用正弦BOC(1, 1)调制;导频分量由测距码经子载波调制产生,采用QMBOC(6, 1,4/33)调制。数据分量与导频分量的功率比为1:3,信号功率向导频倾斜,符合测距精度越高越好、解调性能够用即可的设计原则,有利于提升B1C信号的整体性能。

B1C信号的测距码结构与B2a相同,均由主码和子码异或构成。主码速率为1.023Mcps,码长为10230,由长度为10243的Weil码通过截断获得。主码共有126个,即数据码和导频码各63个。B1C导频分量的子码长度为1800,由长度为3607的Weil码通过截断得到,生成方式与主码相同,共63个。

B1C信号的导航电文采用B—CNAV1格式。B-CNAV1导航电文数据调制在B1C数据分量上,每帧电文长度为1800符号位,符号速率为100 sps,播发周期为18秒。

B2a为北斗三号的第二个民用信号,用来替换北斗二号的B2I信号,主要为双频或者三频接收机提供服务,可用于生命安全服务和高精度测量等高性能服务,也可用于对性能要求较高的消费类服务。

B2a信号载波频率1176.45MHz,与GPSL5和Galileo E5a共享频点,带宽为20.46MHz。也采用数据与导频正交的结构(QPSK):数据分量由导航电文数据和测距码调制产生,采用BPSK(10)调制;导频分量仅包括测距码,也采用BPSK(10)调制。导频分量与数据分量的功率比为1:1。

刚才已经说过,B2a信号的测距码结构与B1C相同,也由主码和子码异或构成。主码速率为10.23Mcps,码长为10230,由两个13级线性反馈移位寄存器通过移位及模二和生成的Gold码扩展得到。在同一卫星上,B2a信号两个分量的主码生成多项式不同,但采用相同的初始状态。B2a信号测距码共有126个,其中数据码、导频码各63个。对于不同的卫星,B2a数据分量的子码相同,B2a导频分量的子码不同。B2a数据分量子码码长为5,采用固定的5位码序列作为子码,子码序列为00010。B2a导频分量子码码长为100,由长度为1021的Weil 码通过截断得到,定义方式与B1C主码相同。

B2a信号的导航电文采用B-CNAV2格式。B-CNAV2导航电文数据调制在B2a数据分量上,每帧电文长度为600符号位,符号速率为200sps,播发周期为3秒。B-CNAV2导航电文最多可定义63种信息类型,当前定义了7个有效信息类型。

二、卫星导航信号的接收策略

B1C是一种全新的导航信号,技术先进、结构复杂,信号分量较多,可以发展出多种不同接收方案,以满足不同用户需求。而且,北斗三号将在MEO和IGSO卫星上同时播发B1C和B1I,将发展出独特的接收方法,可充分挖掘北斗三号的潜能。B2a信号是一种数据与导频正交的复合信号,与GPS L5和Galileo E5a相似,其基本的接收方法已趋成熟。因此,未来北斗三号接收技术的主要创新在于B1C信号接收处理的新理论、新方法,以及B1C与GPS L1C、Galileo E1 OS信号高效的互操作接收技术。这也是本报告接下来要介绍的内容。

先来分析B1C信号的结构特点。前面已经谈到B1C信号由BOC(1, 1)数据分量与BOC(6, 1, 4/33)导频分量构成,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,整个B1C信号实际包含了三个实分量:BOC(1, 1)数据、BOC(1, 1)导频和BOC(6, 1)导频。

由此,从方法论的角度出发,我们可以发展出两种基本的接收方法:宽带接收和窄带接收。

北斗卫星导航信号的接收策略

宽带接收:带宽取14MHz左右,同时接收窄带分量BOC(1, 1)和宽带分量BOC(6, 1)。在这种匹配接收模式下,由于B1C的QMBOC与TMBOC、CMBOC具有相同的功率谱密度,三者具有完全相同的捕获、跟踪性能。

窄带接收:带宽取4MHz左右,只接收窄带分量BOC(1, 1)。当接收机只处理BOC(1,1)分量时,QMBOC具有更好的性能:QMBOC的捕获灵敏度比TMBOC提高0.51dB以上;QMBOC性能在接收带宽为4MHz时比TMBOC提高0.6164 dB。

因此,整体来说QMBOC的性能优于GPS和Galileo的TMBOC、CMBOC信号。

由于北斗三号将在MEO和IGSO卫星上同时播发B1C和B1I,而B1I、B1C基于同一星上时钟分别产生,经过一种特殊的复用方案后经功放和天线发射到地面,故从用户的角度可将B1C和B1I视为一个特殊的双边带宽带信号。我们暂且称之为B1频点上的非对称双边带信号B1-ADS。B1-ADS信号的特点有:

(1)很高的等效RMS带宽:B1-ADS等效带宽不仅大于B1I和B1C,甚至大于采用10.23 Mcps宽带B2a信号。因此,B1-ADS信号在理论上具有显著的测距性能优势,以及明显的抗干扰、抗多径优势。

(2)复杂的自相关函数:B1-ADS的自相关函数具有非常尖锐的主峰,说明B1-ADS信号理论上具有显著的测距性能优势,但也具有更复杂的边峰结构,在接收中需要解决复杂的多峰模糊问题。

由于B1-ADS的两个边带B1I、B1C信号的调制方式、码速率、电文和功率都不相同,传统的用于对称信号接收的处理技术不适用。因此,我们需要发展一类特殊的接收方法来接收B1-ADS,即同时接收B1I和B1C,进一步挖掘北斗三号信号测距精度和抗干扰、抗多径的潜能。下图是一种建议的B1-ADS接收方案,也就是B1I和B1C信号的联合接收方案。
北斗信号的联合接收方案

这种方案的基本思路是:借鉴DET独立跟踪副载波解决多峰模糊;上下边带分别进行相关,避免生成副载波波形,并可灵活支持双边带和单边带处理;上下边带采用不同结构的相关器,解决上下边带调制方式不同问题;利用已知发射功率比值进行功率补偿,解决上下边带功率不同问题;利用数据辅助的电文剥离方法,解决B1I仅有数据通道的问题。

这种方法可以较低的硬件复杂度支持B1-ADS信号的准最优接收处理,此外还可以兼容B1I或B1C独立接收处理模式。
《未完待续》