摘 要

全球卫星导航系统（GNSS）作为空间基础设施的重要组成部分，近年来成为世界主要强国的竞相发展建设目标。随着卫星导航系统的竞争和发展，现有的频带资源有限，使得导航系统相互之间干扰日益严重，且难以在现有L频段放下新的信号，在更高的S频段上建设导航系统成为改善目前导航系统现状的可行办法。在卫星导航系统的设计中，导航信号的设计和优化处于重要地位，导航信号的性能成为直接决定导航系统的关键因素，这意味着要在S频段上建设导航系统，就需要寻找和设计出适合在S频段所分配的频带上播发的信号体制。而作为决定信号体制内在性能中的核心部分，扩频调制方式自然成为了GNSS信号体制设计中的重中之重。

本文首先对于卫星导航系统的结构以定位原理作简单阐述，通过介绍卫星导航信号的一系列体制要素，搭建卫星导航信号的结构框架。随后重点介绍4种GNSS信号扩频调制原理，以此为基础选择BPSK-R（5）、BOCs（5,2）AltBOC（15,10）和MSK-BPSK（5）这四种扩频调制信号，对其在S频段的归一化功率谱密度、码跟踪性能、兼容性和抗多径性能四个方面进行仿真实验，由实验结果作出性能分析，研究它们在S频段上的性能优劣。最后进行总结，对这些扩频信号的适应场景及发展趋势作出预测。

关键词：导航信号体制要素，扩频调制，功率谱密度，性能分析

Abstract

As an important part of space infrastructure, Global Navigation Satellite System (GNSS) has become the target of development in the world's major powers in recent years. With the competition and development of satellite navigation system, the existing frequency band resources are limited, which making the navigation system interfere with each other increasingly serious, and it is difficult to put down new signals in the existing L band. Therefore, A viable way to improve the current state of the navigation system is to built navigation satellite system on S Band. During the process of designing satellite navigation system, the design and optimization of navigation signals are in an important position. The performance of navigation signals becomes a key factor to determine the navigation system directly, which means that it is necessary to find and design a kind of appropriate signal structure which can be broadcasted on the frequency band allocated by the S-band if we want to build navigation systems on S band. So as the core part of determining the intrinsic performance of the signal system, the spread spectrum modulation method has become the top priority naturally in the design of GNSS signal system.

In this paper, firstly, the structure of the satellite navigation system is briefly explained by the principle of positioning. By introducing a series of system elements of satellite navigation signals, the structural framework of satellite navigation signals is constructed. Then we focus on the four kinds of GNSS signal spread spectrum modulation principle, on this basis, we choose BPSK-R (5), BOCs (5, 2) AltBOC (15, 10) and MSK-BPSK (5) as four spread spectrum modulation signals to conduct simulation experiments on the four aspects of normalized power spectral density, code tracking performance, compatibility and multi-path performance in the S-band. The performance analysis will be givin according to the experimental results, and the merits and demerits of performance will be explored in the S-band. Eventually, a summary is made to predict the adaptive scene and development trend of these spread spectrum signals.

Keywords: navigation signal system elements, spread spectrum modulation, power spectral density, performance analysis

目录

1 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文主要工作 3

2 卫星导航信号体制 4

2.1 卫星导航基本原理 4

2.2导航信号体制要素 4

2.2.1载波频率 5

2.2.2发射功率 6

2.2.3极化方式 6

2.2.4多址接入 6

2.2.5扩频调制与扩频码 6

2.2.6二次编码 8

2.2.7导频信道和数据信道 9

2.2.8多路复用 9

2.2.9电文结构 9

2.2.10信道编码 9

2.3 本章小结 10

3 扩频调制 11

3.1 BPSK-R调制 11

3.2 BOC调制 13

3.3 AltBOC调制 15

3.4 MSK调制 19

3.5 本章小结 21

4性能分析 22

4.1 归一化功率谱密度对比 22

4.2 码跟踪性能表现 24

4.3抗干扰性能 26

4.4 多径包络误差 28

4.5本章小结 29

5 总结与展望 30

6 参考文献 31

附录1 四种扩频调制信号ACF与NPSD生成 33

附录2 性能分析程序 38

附录3 其他一些程序 52

致谢 55

1 绪论

1.1研究背景及意义

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能为各类用户提供连续、实时、精确的位置、速度和时间信息，已经成为全世界最主要的定位、导航和授时服务的信息基础设施，并且已经形成了一个规模巨大的新兴产业，正使全世界政治、科技、军事、文化、经济发生革命性的变化，甚至在很大程度上改变了人类的生产和生活方式。目前GNSS系统主要包括全球范围的美国GPS，俄罗斯GLONASS，欧盟Galileo系统和中国的北斗卫星导航（BDS）系统；区域范围内的印度IRNSS系统和日本的QZSS系统等。

作为时空信息服务的核心资产，GNSS已成为世界主要强国竞相建设和发展的对象。GPS和GLONASS正在实施现代化计划，欧盟也在加紧建设Galileo系统，我国则在北斗卫星导航系统实验系统和区域系统相继建成并投入使用后，随机开始启动北斗全球系统的建设。预计到2020年前后，世界范围内将会形成GPS,GLONASS,Galileo，BDS四大全球卫星导航系统既竞争又合作的新局面。随着竞争的演变，作为早期导航系统青睐有加的L频段变得拥挤不堪，已难以放下新的信号。ITU决定将S频段的2483.5MHz-2500MHz频段分配给卫星无线电测定业务（RDSS），作为其子集的无线电导航卫星服务(RNSS)也可使用此频段为来用作星导航。在现有的L频段资源中，由于我国北斗系统起步较晚，导航频率占有率和独占率远低于其他三种系统，抢占S频段频率资源可以为提高我国导航频谱占有率和国际竞争力提供良好的契机^[1]。

导航信号体制作决定测距能力上限的关键因素，是卫星导航系统体制的核心，这意味着要在S频段建设北斗系统，就需要寻找和设计出适合在S频段上发射的卫星导航信号体制。不论是已经设计出的传统体制信号还是未来系统设计的新体制信号，其特征都可以用一系列关键体制要素来描述，包括载波频率、信号功率、极化方式、多址方式、扩频码片波形、扩频序列、电文结构、信道编码、数据和导频分量配比、二次编码及多路复用^[2]。

在这一系列核心要素中，由于对扩频码片波形的相位进行精确测量是卫星系统的核心工作之一，所以在导航信号设计中，扩频码片波形的设计具有非常重要的地位，我们将对于扩频码片波形的设计和优化称作扩频调制。现有的GNSS系统常用扩频调制方式主要包括基础的BPSK调制，BOC调制，以及在BOC调制基础上衍生的MBOC,CBOC,AltBOC等。将目前通信领域常见MSK调制用于GNSS扩频体制信号设计中也成为一种新思路。

本文选取了Galileo系统新发射的信号中使用的BPSK-5,AltBOC（15,10）调制方式^[3]，并尝试将BPSK-5扩频信号直接进行MSK调制形成MSK-BPSK(5)调制方式，将这采用这三种调制方式的信号与已被IRNSS系统规划在S频段上的BOCs（5,2）信号进行性能分析比较。因为这种方式本较低，又可方便用于信号体制设计的前期验证，对于北斗系统在S频段上的导航信号设计有一定的参考意义。

1.2国内外研究现状

我国北斗一代区域RDSS系统最先使用2483.5-2500MHz频段，采用的载波中心频率为2491.75MHz。北斗一代区域系统包含5颗GEO卫星，轨道分别在58.75E、80E、115.5E，140E、160E。RDSS出站信号由三颗GEO卫星转发，北斗系统信号参数如下表所示^[4]：

表 1.1 北斗系统信号参数

S频段的北斗RNSS信号载波中心频率选为2492.028MHz。北斗导航系统现计划在S频段增发两个全球导航信号，包括：开放信号(OS)，候选方案为MBOC（6,1,1/11）和BOCs（2,2）信号；授权信号（AS），候选方案为：BPSK（8）和BOCs（4,4）。这些增加的信号将在S频段与北斗一代RDSS信号共存，发射带宽为16.5MHz。

IRNSS系统是印度的区域卫星导航系统,由印度空间研究组织加紧研制中。印度在2012年的ICD文件中声明，IRNSS系统将采用2492.028MHz作为载波中心频率，并选用BPSK（1）和BOCs（5,2）这两种调制方式来提供标准定位服务(SPS)和授权服务（AS）。

Galileo系统的设计者在2004年前就已经对使用S频段的可能性进行过研究探讨，但限于当时的技术因素，在第一阶段放弃了使用S本地。随着科技的进步，技术条件也愈加成熟，对S频段的卫星导航信号研究又被重新拾起。目前已经在研究在S频段上增发信号的可能性。它假设了4个参考信号以供研究，分别为：BPSK（1）、BPSK（4）、BPSK（8）和BOCc（1，1）^[5]。

在2483.5-2500MHz频段范围内除了上述GNSS系统，还有其他一些的服务系统，如固定业务和移动业务。固定业务一般功率较大，占据从2450MHz带2690MHz的频段，由两个高指向性天线的长距离链路组成；移动业务的2483.5-2500MHz被一些国家用作广播辅助服务（SAB）和计划制定辅助业务（SAP），占据；同时2483.5-2500MHz频带也被用于全球互通微波访问（WiMax）使用。

1.3本文主要工作

本文主要工作如下。

1. 绪论部分介绍了论文的研究背景，说明了现有的卫星导航系统发展的一些现状和趋势，给出了论文的主要研究内容和意义。
2. 首先阐述了卫星导航系统的基本结构和基本定位原理，然后对于构成信号体制的一系列要素进行了介绍，为重点描述第三章的扩频方式打下基础。
3. 重点介绍了BPSK,BOC,AltBOC和MSK-BPSK这四种调制方式，从时域信号、自相关函数和功率谱密度仿真等角度对他们的特点进行了分析。
4. 将BPSK-5、BOCs(5,2)、AltBOC（15,10）和MSK-BPSK-5，在S频段上进行归一化功率谱密度，码跟踪性能，抗干扰性能，抗多径性能四个方面进行性能分析，进行仿真实验。
5. 对于四种调制方式在S频段上的性能和可行性进行总结。并与未来的导航信号设计和发展做出预测。

2 卫星导航信号体制

• 1. 卫星导航基本原理

GNSS系统由空间段、地面段和用户段三部分组成^[6]。目前运行的四大导航系统本质上将都是一个基于到达时间（Time of Arrival，TOA）测距原理的无线电定位系统[。基于此原理的定位需要用户接收机自己测量从若干个已知位置的发射源发出的信号到达接收机所需要的时间，然后将其折算为发射源和接收机之间的距离，进而利用求多个球面的交点的方法来计算出自己位置。

假设在历元t，用户所在的空间位置在一直角坐标系中为，用户接收机通过接收三颗以上卫星的信号，测量其到达时间再乘以光速，计算出用户与卫星之间距离。同时，接收机还从卫星信号中解译出卫星的运行轨道参数，以此准确计算出卫星的空间位置，于是可列出如式（2.1）所示方程^[7]：

(2.1)

用户接收机的位置被限制在以多颗卫星的位置为圆心，为半径的圆球的交点上，通过求解方程可以得出用户的位置。因为接收机时钟通常与卫星时钟不同步，依据到达时间测算出的距离不够准确，所以接收机需要接收四颗卫星以上的信号，才能测量出和接收机钟差四个未知数，不是真正意义上卫星与用户之间的距离，这个测量值也被称为伪距。

从导航系统的定位原理可以看出，卫星导航信号在整个定位过程中发挥了两个重要作用：

1. 测量卫星与用户之间的距离。
2. 传递星历、卫星运行位置等数据信息。

信号的实际测距性能是由信号内在测距能力和接收机处理技术共同决定的，也就是说，信号的结构和发射质量决定了测距能力的先天上限，而接收机处理水平决定了信号的潜力能发挥出多少。

过去的几十年里，为了获得更高的性能，接收机设计者们对接收机技术的不断研究和升级基本上将其所有的性能潜力挖掘至尽。所以为了进一步改善导航定位的性能，人们意识到重新设计新的导航信号至关重要。

2.2导航信号体制要素

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