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卫星导航信号结构的过去现在与未来

序言：

虽然卫星导航信号及系统从设计出至今已有四十多年的历史，但新的信号及系统仍在不断发展中。在那段时间里，设计理念经过了反复推敲，或被拒绝或被采用以及改良。有些在当时有因为被认为是不切实际的理念而推迟的理念现在被重新审视和采纳。本文作于GNSS信号领域专家之手，通过搭建框架来提出对过去和现在卫星导航信号结构的观点，并提供一些对于卫星导航信号未来发展的推测。

过去的十五年见证了卫星导航系统的创新及现代化的巨大发展，包括全球导航卫星系统，区域性系统和星基增强型系统（SBAS）。这些系统在GPS与GLONASS的原始设计理念基础上实现，并反过来促进了具有与先驱系统的不同特性的新的卫星导航信号的结构设计。

在四十多年前，早于GPS系统的美国空军计划621B项目中编写的一篇技术报告对许多现今的信号特性做出来了识别，评估和引进。其中的一些理念在原始的GPS信号中并未被实行，可能是因为当时的技术被判断不足以经济有效的推行它们。

最近，我们已经看到了其他的卫星导航信号特性被引进，扩大和增强了当今信号设计者可用的：“工具套件”。

621B项目的C.R.Cahn等人编写了一份报告（在临近本文结尾的附加资源部分可见索引），此文捕获了构成现代卫星导航信号基础的早期思想----从多个卫星上发送的直接序列扩频信号允许无源接收机测量其到达的时间和频率。

这些测量数据结合卫星星历和其他调制在信号上的数据信息，使得接收者可通过被动多点定位来估计他们的位置，速度和时间信息。卫星信号执行将卫星中的时钟链接到接收器信道中的时间的必要功能。

本文重点介绍这种形式的卫星导航，而忽略一些其他的定位方式如：侧音、无线电卫星定位业务（RDSS）。它描述了原始GPS和GLONASS信号是如何适应12个核心类别的卫星信号特征，接着回顾了621B项目的报告，确定那些在40多年前就被构想和分析，而在崭新的现代化信号中才被引入的特征。由此对新的和现代化的卫星导航信号要素做出更全面的探讨，并最终探索未来导航信号的可能发展方向。

12种卫星导航信号的特征：

12种关键类型的特征描述了卫星导航信号的必要方面，从GPS卫星发送的原始信号到现今正不断提出的最为创新的概念。这些特性提供了一结构式的方法来对早期的卫星信号与今天正在实行的卫星信号进行比较，并思考未来卫星导航信号的设计将如何发展。

接收机设计者不断通过出更加复杂的和可用的方式来利用原始的GPS信号获得良好的性能水平。然而，这种方法的物理极限受制于原始的信号结构，由此我们可以清晰的看出，新的卫星导航信号的设计才是继续提高卫星导航性能的关键。

在过去的15年里，随着现代化卫星的发射和全新的系统投入使用，这些设计构想被逐步的部署和发展。这些新的设计构想代表了以下三点的混合：1.原始信号特性2.在原始信号设计种就被提出但未被采纳的理念。3.最近的革新。由此而来的信号变得更加复杂，更加灵活，功能性更强，使接收器能够得到更高的性能表现。

随着过去15年不断发展的信号与系统的投入和使用，我们有机会展望未来，考虑哪些特征将在未来的卫星导航信号设计中进一步体现。但首先，让我们来看看12种卫星导航信号关键特征:

载波频率，它影响着卫星导航信号的许多属性，包括传播行为、硬件缺陷、多普勒频移和干扰环境的影响。将GPS信号和GLONASS信号放在L频段的动机是可以得到好的传播特性，适当的天线大小，低成本的射频组件。这使得L频段对于其他类型的系统例如雷达、移动电话和其他通讯系统更具很有吸引力，于是它们越来越多的使用此频段。由此导致的L波段占用率的增加使得难以为satnav接收机维持“安静的频谱邻域”。
已建立两种不同的频谱频带，即上L波段（1559 MHz至1610 MHz）和下L波段（1164 MHz至1300 MHz），用于全球卫星导航。在新的和现代化的系统中使用两个和三个不同的载波频率可以改善接收机性能。多个系统采用了信号设计，在某些情况下，将公共载波频率上的信号与来自其他系统的信号对齐，在其他情况下，提供不同频率和不同频率的信号。
功率：它可以解决与接收天线和接收器的传播，干扰和设计相关的无数挑战。但是，更高的接收功率需要来自卫星的更高发射功率，增加了卫星的成本和复杂性，以便产生更高的射频（RF）功率或增加的发射天线增益。此外，较高的卫星信号功率可能会对使用相同或相邻频段的非卫星信号系统造成干扰，同时还会对卫星接收机引入更大的多址干扰（MAI）。
极性：在卫星导航系统中的偏振一直是右旋圆极化（RHCP），具有圆极化以控制入射电磁场和接收天线之间的方向不匹配的损失和右手特性，以实现不同系统和信号之间的互操作性。
多址访问：它已经融合到所有新信号和新系统的码分多址（CDMA）。然而，不同的载波和子载波频率也用于减少一种信号类型的不希望的频谱重叠。
扩频调制：它因其在控制信号对其他信号的接收及其频谱占用的干扰的同时影响噪声，干扰和多径性能的能力而引起了相当大的关注，同时保持相同的载波频率以便于实现。
扩频码：因其对射频兼容性的有益影响以及避免高动态范围信号环境中的接收机误跟踪而被认可。
数据消息结构：通过表示时钟校正和星历来影响定位精度，并且还提供支持信息。位置计算所需的数据消息信息的等待时间可以显着地增加接收器提供初始修复所花费的时间长度，而数据速率影响数据解调阈值。
数据消息纠错和检测：使接收器能够纠正一些误码，并且在许多使用循环冗余校验的现代信号中，几乎可以检测所有误码 - 即使是那些无法纠正的误码。该特性也影响数据解调阈值。
数据编码：通过编码数据消息比特对信号的数据调制通常使用双相键控，但是一种高级信号设计使用代码移位键控。
不同的导频和数据部分分别为信号跟踪和数据解调分别调整了不同的设计，避免了尝试用单个信号组件提供两种功能的一些不可避免的妥协和冲突。
覆盖码：也称为二级码或同步码，扩展了扩展码的有效长度，以减少MAI并改善比特和消息级别的同步。
多路复用：描述了不同的组成部分和信号如何组合成调制RF载波的复合信号。 功率放大器效率，对组成信号特性的影响，发射机功率向互调分量的转移以及互调分量的频谱内容都是所涉及的考虑因素。
这12个信号特征可用于描述卫星信号，以及定义一个框架，在其中讨论卫星信号特征的趋势。

用率的增加使得难以为卫星信号接收机维持“安静的频谱领域”。

已经建立的两种不同的频谱频带，即上L波段（1559MHz至1610MHz）和下波段（1164MHz至1300MHz），用于全球卫星导航。在新的和现代化的系统中使用两个及三个不同的载波频率可以改善接收机性能

原始GPS和GLONASS信号的特征

GPS和GLONASS最初在上L波段提供开放的民用信号，军用信号在L波段和L波段较低。所使用的频率完全在国际电信联盟（ITU）当前为无线电导航卫星系统（RNSS）使用分配的射频频带内。选择GLONASS载波频率与GPS频率足够不同，原始GPS信号基本上没有与原始GLONASS信号的频谱重叠。
建立了原始的最小指定信号功率电平，以在热噪声环境中提供足够的性能，包括有效的各向同性辐射功率（EIRP），其导致2分贝的过量大气损耗以及由于发射信号的极化椭圆率引起的损耗。由于最初的GPS和GLONASS信号使用不同的频段，并且每个星座计划的卫星数量适中，因此在大多数情况下多址干扰是微不足道的。
对于多址接入，GLONASS采用频分多址（FDMA），而GPS采用CDMA，可能是基于类似技术因素的不同权衡。
鉴于技术的不成熟以及当时对任何更复杂的技术缺乏动力，GNSS系统设计人员选择了具有矩形芯片（BPSK-R）的双相移键调制调制，其具有相对较低的民用信号码片速率。
选择具有1毫秒持续时间的短扩频码用于民用信号，并且民用和军用信号都设计有刚性结构的数据信息格式。原始GNSS信号具有相对较弱的消息纠错;一些接收器通过比较从两个连续消息解调的时钟和星历数据来进行补偿。
以每秒50比特（bps）传输的数据被双相调制到整个信号上;因此，接收器必须跟踪数据调制信号。即使短扩展码在数据比特持续时间内重复20次，原始GPS信号也不采用覆盖码来平滑谱线并消除比特边界模糊。
鉴于需要在给定载波上传输至多两个信号的数据分量，载波相位复用是一种简单而有效的选择。尽管使用DSSS和数字通信技术具有新颖性，但原始信号在设计完成数十年后仍能继续提供卓越的性能。

621B计划中产生的信号结构

项目621B在20世纪60年代和70年代初期进行，广泛研究了候选信号特征和相关的接收机设计方法，用于GPS。在项目期间，通过分析和计算机模拟确定并评估了许多选项。前面提到的广泛报告记录了这种对satnav信号结构的广泛而全面的评估。
尽管原始GPS信号的设计者采用了621B项目分析和推荐的许多信号特征，但两个特征显然不是：

强大的纠错码，包括块和卷积和块，用于增加数据消息解调的鲁棒性；

使用单独的导频和数据组件，实现更强大的信号跟踪；

据推测，不包括它们的决定是基于20世纪70年代发射器和接收器技术的感知限制。
项目621B报告也做出了其他贡献。其中之一是相对于在双相数据调制的信号分量上使用Costas环路，从在没有数据调制的信号分量上使用相干锁相环得到广泛认可的6分贝载波跟踪阈值改善。该报告还提倡采用载波辅助代码跟踪环路的接收机处理，并认识到短C / A扩频码可能导致互相关问题。
621B计划产生了深远的影响，包括：

塑造原始GPS信号的结构;

识别强差错控制编码和不同的导频和数据组件的好处，使其在现代化GPS信号和其他卫星导航系统的信号中得到采用;

制定关于信号设计和接收机处理的其他发现和建议，这些发现现在被广泛接受并广泛用于整个卫星社区。

40多年前Project 621B先驱的先见之明令人印象深刻;他们对现代卫星信号结构的贡献应该继续得到认可。

当今的信号体制

十年前，世界上的全球导航卫星系统由一个单一的全功能系统（GPS）和一个部分功能系统（GLONASS）组成，总共只有不到40颗运行卫星。每颗卫星传输三个信号，其中只有一个用于民用。
今天，GPS和GLONASS星座总共约有65颗卫星（运行和预留）。他们的空间和控制部分的现代化正在顺利进行。最新的卫星以三个载波频率发送编码民用信号，下一代卫星将分别发送八个或更多军用和民用信号，大多数具有单独的导频和数据分量。
北斗区域系统正在运行，中国正在发射卫星，这将导致全面的全球系统。欧洲已经发射了四颗在轨验证卫星，作为全球伽利略系统的第一步，而日本的准天顶卫星系统（QZSS）正在运行其第一颗卫星作为区域系统的前奏。
这些系统的运行卫星数量是十年前的两倍多，而另一个十年的运行卫星数量可能再次增加一倍。
SBAS系统也显着增加，SBAS卫星的数量在过去十年中翻了一番还多。新的SBAS卫星在两个载波频率上发射信号。
过去十年的大部分信号结构发展都是通过协作努力来实现的，以实现多个卫星导航系统之间的兼容性和互操作性。兼容性 - 确保额外的信号和系统不会不可接受地降低电流信号和系统的使用 - 一直是主要关注点。互操作性 - 使其可以从使用附加信号和系统中受益 - 也正在实现。
在评估卫星导航系统的互操作性程度时考虑的信号特征包括：参考帧，中心频率，频谱，扩频调制，扩频码族，以及数据消息结构和编码。通常，具有共同特征的信号更具互操作性，并且靠近该列表顶部的特征的共性比接近最终的特征更重要。越来越多的大众市场接收机已经在上L波段内使用来自不同载波频率的多个卫星导航系统的信号。
图1显示了接近本十年末的时间范围内的预期信号结构。许多开放信号在1575.42 MHz和1176.42 MHz共享公共载波频率，同时具有共同频谱，有利于多系统的双频互操作性。

最近，作为第三个考虑因素，已将频谱多样性添加到兼容性和互操作性中。将信号置于与其他信号不同的载波或子载波频率降低了有意或无意干扰将影响所有信号的可能性，并增加了接收机采用各种信号以“操作”干扰事件的机会。
尽管除了需要在接收器中使用多个RF前端之外，还必须考虑在天线和接收器中实现更宽RF带宽的挑战，因此多样性趋向于增强兼容性。
一些现代化和新的信号揭示了对比的设计哲学。例如，几个现代化的GPS信号是为特定用户群设计的：L2C信号旨在满足商业用户的需求，而L5信号旨在满足运输生命安全要求。
Galileo的E1开放服务

资料编号：[5021]