卫星导航定位原理学习（三）

GNSS信号体制及其性能分析

GNSS信号体制直接影响卫星导航系统的性能，是卫星导航系统设计的重要内容。卫星导航信号体制主要包括信号频率、信号结构、导航电文3部分。其中信号结构又包括调制波形、频率带宽、扩频码码长、码速率、码结构、信号功率等内容。导航电文设计主要设计数据内容、信道编码、数据结构、播发顺序等内容。

GNSS频率

GNSS频率划分

GNSS需要使用专门为卫星无线电导航业务（RNSS）分配的频段。频段分配，即不同业务使用不同频段，是国际电联控制干扰的最基本手段。

目前，卫星无线电导航业务频率划分和使用主要集中再1164-1300MHz和1559-1610MHz共187MHz的L频段，而5010-5030MHz频段则是L频段的补充。除此之外，149.9-150.05MHz、399.9-400.05MHz、14.3-14.4GHz、43.5-47GHz、66-71GHz、95-100GHz、123-130GHz、191.8-200GHz、238-240GHz和252-265GHz等频段也可以用于卫星无线电导航业务。

频率资源面临的挑战

1.同频同业务兼容性

2.同频不同业务间的兼容性

3.邻域不同业务间的兼容性

GNSS信号结构

GPS信号结构

GPS信号设计采用直接序列扩频体制，使用伪随机噪声（PRN）码对电文信号进行扩频（频率越大，波长越短，带宽越广）。PRN码是二进制（+1、-1）符号，比电文信息具有更高得速率，具有伪随机白噪声特性，与电文信号相乘后实现扩频。扩频信号本身具有抗干扰性，多个扩频信号可以在同一个载波上同时传输，实现码分多址（CDMA）功能和伪距测量功能，这是为什么卫星导航系统采用扩频码的主要原因。

载波：指用于调制信息信号的高频信号。载波本身不携带信息，但通过调制技术（如幅度调制、频率调制或相位调制）将信息嵌入载波中，从而使信息可以通过无线信道传输。

码分多址（CDMA）：一种多址接入技术，它允许多个用户在同一频带内同时传输信息。每个用户使用一个独特的伪随机码进行信号扩频，这样在接收端可以通过相同的码进行解扩，将不同用户的信号分开。CDMA提高了频谱的利用率和系统容量。

距测量功能：卫星导航系统中的一种技术，用于测定接收器与卫星之间的距离。伪距是通过测量信号传播的时间来计算的。接收器通过接收来自卫星的信号并与本地生成的信号进行比较，确定信号的传播延迟，从而计算出与卫星的距离。这一功能是实现准确定位的关键。

对于信号的调制方式BPSK是最简单的实现方式，还有正交相移键控（QPSK）、二进制偏移载波（BOC）等方式。

信号的调制方式是将信息信号嵌入载波信号中的方法，以便通过无线信道进行传输。

BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相位键控）：

• BPSK是最简单的数字调制方式之一，它通过改变载波信号的相位来表示二进制信息（0和1）。具体来说，载波的相位有两个状态，通常分别为0度和180度。
• BPSK具有较高的抗干扰能力，但其数据传输速率较低。

QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，四相位键控）：

• QPSK通过使用四个不同的相位状态（如0度、90度、180度和270度）来表示两个比特的信息。这意味着每个符号可以传输两个比特，从而提高数据传输速率。
• QPSK比BPSK具有更高的频谱效率和更好的数据传输能力，但在解调时对相位同步的要求更高。

BOC（Binary Offset Carrier，二进制偏移载波）：

• BOC是一种复杂的调制方式，主要用于卫星导航系统。它通过在载波上叠加一个偏移的二进制信号，增加了信号的频谱特性，改善了抗干扰能力。
• BOC调制可以在相同的频谱带宽内提高信号的鲁棒性，适应不同的传播环境，尤其适合多路径传播情况。

传统GPS信号通过L1、L2两个频点广播。L1频点上调制两路扩频码，C/A码和P(Y)码，分别是使用BSPK（1）和BSPK（10）调制；L2上仅调制一路扩频码P（Y）码。

C/A码（Coarse/Acquisition Code，粗略/捕获码）：C/A码的主要功能是用于快速捕获和定位，适合普通用户的导航需求。由于其简单性，C/A码容易接收并解码，提供基本的定位精度

P(Y)码（Precision Code，精密码）：P(Y)码主要用于军事用户，提供更高的定位精度和抗干扰能力。P码在发送时通常会被加密（因此被称为P(Y)码），以确保信号的安全性和可靠性

GPS现代化信号包括在L1和L2频点上分别新增现代化军用M码，在L2频点上新增民用L2C信号，以及在L5频点新增一个民用L5信号。第三代GPS在上述现代化信号的基础上，在L1频点上增加了一个民用信号L1C。

GLONASS信号结构

GLONASS在L1、L2两个频段军提供FDMA体制的公开信号和军用信号。GLONASS现代化信号增加了CDMA信号

FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）是一种多址接入技术，它通过将可用频谱划分为多个独立的频率信道，使多个用户能够同时共享同一频带。

FDMA的主要特点：

1. 简单性：FDMA实现相对简单，适用于频率资源的有效管理。
2. 连续传输：每个用户在其分配的频率上可以进行持续的信号传输，适合语音和实时数据传输。
3. 带宽利用率：每个信道的带宽是固定的，可能导致频谱利用效率不高，特别是在用户需求波动较大的情况下。

Galileo系统信号结构

Galileo系统采用码分多址信号体制，共提供10个导航信号。

北斗信号结构

北斗区域卫星导航系统采用码分多址信号体制，提供5个导航信号，其中B1I和B2I伪公开信号，B1Q、B2Q、B3为授权信号

北斗全球卫星导航系统共提供11个导航信号.

QZSS信号和IRNSS信号结构不做说明。

GNSS导航电文

电文内容

传统GNSS导航电文的内容主要包括基本导航信息、历书和UTC参数等，其中基本导航信息包括时间信息（周计数和周内秒）、星钟参数、星历参数、电离层参数、卫星健康信息以及测距精度信息等

现代化GNSS导航电文，主要又几个方面的改进：

（1）提高星历参数精度。

（2）改进了历书参数，提供中等精度历书和简约历书。

（3）增加了地球定向参数（EOP），包括X轴和Y轴方向在参考时刻的极移值和极移率以及其他参数的转化

（4）增加了差分校正参数

（5）增加了GPS-GNSS时差参数

（6）改进了用户测距精度（URA）指示参数

（7）增加了文本信息类型

编码方案

传统GNSS采用汉明码和BCH等线性分组码。

汉明码

• 定义：汉明码是一种简单的线性分组码，能够检测并纠正单个比特错误。
• 结构：通过添加冗余位（校验位）来生成编码。对于每个校验位，它负责校验特定位置的比特，从而形成一组关系。根据这些关系，可以在接收端检测到错误并进行纠正。
• 用途：汉明码适用于数据传输中的小规模错误纠正，常用于内存存储和通信系统中。

BCH码

• 定义：BCH码是一类更复杂的线性分组码，能够检测和纠正多个比特错误。它是由Bose、Chaudhuri和Hocquenghem于1960年代提出的。
• 结构：BCH码基于有限域理论，通过多项式运算生成编码。它的灵活性允许根据需要设计不同的码字长度和纠错能力。
• 用途：BCH码广泛应用于高可靠性要求的通信系统，例如卫星通信、光盘存储和数字数据传输等。

近年来，一些传统通信领域的信道编码也被引入到GNSS导航电文设计中来，如 循环冗余校验（CRC）编码、卷积编码、低密度奇偶校验（LDPC）编码和块交织编码等。

结构编排

早期GNSS均采用基于子帧（页面、串）、帧和超帧或于此类似的帧结构。

在通信系统中，子帧（Subframe）、帧（Frame）、超帧（Superframe）是用于组织和管理数据传输的结构。它们帮助系统有效地传输信息并确保时间同步。以下是对这三者的简要解释：

子帧

• 定义：子帧是帧的一个小部分，通常用于将较大的数据块划分为更小的单位，以便更好地管理和处理数据。
• 特点：子帧的长度和结构可以根据具体的通信协议进行定义。在一些系统中，子帧可以用于承载特定类型的数据或控制信息。

帧

• 定义：帧是数据传输的基本单位，包含了数据负载和控制信息（如头部和尾部），以便在通信链路中有效传输。
• 特点：帧的结构通常包括同步字、地址、数据部分和校验信息等。帧的长度可以变化，具体取决于所承载的数据量和协议。

超帧

• 定义：超帧是由多个帧组成的更大结构，通常用于提供更高层次的同步和管理。
• 特点：超帧的使用可以增强信号的稳定性和效率。例如，在某些移动通信系统中，超帧用于管理多个帧的时序，使得信号的传输更加协调和高效。

部分现代化的GNSS导航电文摒弃传统的帧结构采用基于信息类型的数据块结构。

北斗全球系统公开服务信号设计

信号频段的选择

信号频点设计应该符合ITU频率划分，确保采用双频差分改正，实现民用高精度快速载波相位差分。

（1）ITU频率划分

目前，1559-1610MHz频段是GPS、GLONASS、Galileo系统的首选民用频段，这个频段市场大，北斗系统有必要在该频段播发公开服务导航信号。

（2）双频差分改正

采用双频电离层修正，要求两个工作频点具备一定的频率差，从而提高电离层的修正精度。两个频率间频率差越大，误差放大倍数越小。

（3）民用高精度快速载波相位差分需求

采用多频信号能够大大缩短整周模糊度解算时间，提高载波解算的可靠性。