扁平化网站模板下载,建筑公司商标logo设计,天津网站制作公司,linode上传wordpress原标题#xff1a;【导航论坛】北斗三号卫星导航信号及接收策略编者按以“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#xff0c;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…原标题【导航论坛】北斗三号卫星导航信号及接收策略编者按以“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。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。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。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。三、未来的北斗和GNSS接收机的发展趋势2020年前后GPS的现代化将进入到GPS III阶段伽利略的部署将基本完成我们的北斗三号也将部署完毕。这意味着即使不计入GLONASS的卫星北斗三号和GPS、Galileo三大系统就有90余颗在轨卫星除了将成为主流的L1/E1/B1和L5/E5a/B2a两个频点的6个互操作信号还有其它信号可供用户使用。全球的GNSS资源将空前丰富特别是在我国。届时虽然卫星导航资源十分丰富也就是用户可以接收的信号非常的多但如果照单全收把所有的信号全部接收下来那么接收机的代价实在太大。今天的特邀报告一直在讨论要实现低成本的高精度显然照单全收的简单方式是难于做到低成本下的高精度。幸运的是未来GNSS的主流信号是新一代的互操作信号互操作信号的播发为我们实现低成本下的高精度定位带来了一个合理的途径有选择性地接收多个系统的互操作信号开发新一代的互操作接收机。这也将是未来卫星导航接收机的主要发展方向。互操作接收机的基本概念是充分利用不同导航系统互操作信号的相似性通过共用天线、射频复用捕获与跟踪通道降低接收机的复杂度并达到性能提升、功耗降低、成本降低的目的。可以预料未来的互操作接收机将有三种基本形态一种是单频多系统互操作接收机第二种是双频多系统互操作接收机第三种是多频多系统互操作接收机。单频多系统互操作接收机只接收L1/E1/B1频点的互操作信号主要包括L1C、E1 OS和B1C将有可能成为未来应用最普及的一种低成本、低功耗接收机。目前的很多消费类单频多系统接收机实际上是三频接收机即同时接收了GPS L1 C/A、北斗B1I和GLONASSG1硬件还是比较复杂的。到2020年前后新一代的单频多系统互操作接收机能实现真正的单频接收性能一定会更好而且功耗和成本大大降低。双频多系统互操作接收机目前的双频多系统接收机并不属于互操作接收机的范畴。未来将发展出一种接收B1C和B2a、L1C和L5、E1 OS和E5a的互操作双频接收机既可以成为高可靠、高性能的双频接收机主流产品也将随着技术的发展而很快进入高性能的消费领域。这类接收机是新一代互操作信号的投入使用的必然产物是从无到有的一类新型接收机经过星基增强以后实时定位的精度可以达到分米级将在对应用安全性和可靠性要求比较高的智能驾驶、机器控制、基础设施授时以及高性能导航定位等方面发挥重要作用。此外还可应用于高精度测量领域和性能要求较高的消费领域。双频互操作接收机是未来接收机的发展重点最新发布的产品也佐证了这个观点。上个月国外某公司发布了一款新型的双频SoC芯片据称双频接收情况下能够达到30厘米的精度而且功耗很低。国内也有厂商推出了支持北斗三号新信号的类似产品。第三类是以高精度测量为主的高精度多频互操作接收机这类接收机以接收双频的互操作信号为主再加上第三个频点的信号。这类接收机的出现将使目前高精度测量型接收机厂商的看家本领之一——半无码和无码接收技术逐步淡出市场将引发高精度接收机市场的又一轮技术竞争。由于以接收互操作信号为主避免了无码、半无码技术的弊端新一代多频互操作接收机在降低成本和功耗的同时显著提升高精度定位性能将成为未来高精度测量型接收机的主流。四、结语作为卫星导航系统与接收机之间的唯一接口卫星导航信号不但是卫星系统的重要组成部分也是构建从芯片、板卡、整机到各种应用解决方案整个卫星导航产业链的纽带更是各种定位、导航与授时应用的载体。因此卫星导航信号实际上已经成为卫星导航系统更新换代的最重要标志甚至成为卫星导航系统的重要象征。北斗三号即将播发全新的卫星导航信号技术先进、性能优异与GPS和Galileo具有极好的兼容与互操作性且拥有自主的知识产权代表着国际GNSS的领先水平不但为北斗三号的部署、应用推广和我国卫星导航产业的可持续发展奠定了坚实基础也为北斗三号走向世界、成为国际主流提供了重要保障。随着北斗三号系统的部署、北斗三号新信号的启用我国卫星导航的技术、应用与产业终于迎来了与欧美发达国家站在同一起跑线上的一个极好机遇必将成为我国卫星导航领域赶超世界先进水平的一个重要里程碑。作者简介陆明泉博士清华大学电子工程系教授、博士生导师兼信息系统研究所所长、定位导航与授时(PNT)中心主任、上海北斗导航创新研究院智库特聘专家。多年来一直从事全球导航卫星系统(GNSS)及相关领域的教学和科研工作。近年来致力于GNSS信号设计与接收处理、GNSS系统仿真与性能评估以及定位导航与授时新技术等方面的研究主要的成果包括新一代BDS导航信号设计、BDS/GNSS先进接收机研制及地基区域定位系统(LPS)新体制设计等。已在国内外学术期刊和会议发表论文150多篇出版著作3部主编会议论文集1部获得国内外发明专利授权20多项。主要学术兼职包括二代导航重大专项专家组成员、北斗标准化技术委员会委员多家杂志编委、多个重点实验室学术委员等。责任编辑
