第3章 衛星導航信號中的調制技術

3.1 引言

在構成衛星導航信號體制的要素中，調制波形決定了衛星導航信號的功率譜包絡，而功率譜包絡表征了衛星導航信號功率譜的全局特征，對信號的碼跟蹤精度、抗多徑、抗干擾及不同信號間的兼容性都有決定性的影響。因此，有效的信號波形設計不僅可以提高導航定位性能，也是緩解現階段頻譜資源緊張，以及減小與同頻段相鄰信號干擾的解決方案之一，其已成為現代化GNSS信號體制設計中最關鍵的環節^[1]。

信號波形設計貫穿了GPS信號體制的現代化和Galileo信號體制設計過程的始終，其重要性不言而喻。GPS原始信號采用的波形都是矩形，直到在m碼的設計過程中Betz提出了BOC調制方式^[2,3]，信號波形設計才出現了“質”的飛躍。由于BOC調制在碼跟蹤精度、抗干擾、抗多徑及兼容性方面所展現出的優勢，其迅速引起了國內外相關學者的關注，他們設計了一系列基于BOC的調制方案，如交替BOC（AltBOC）調制^[4]、二進制編碼符號（BCS）調制^[5]、復合BCS（CBCS）調制^[6]、混合BOC（MBOC）調制^[7,8]等。在這些信號波形中，BOC調制、AltBOC調制、MBOC調制被GPS和Galileo所采用^[9]。新的衛星導航信號波形設計在提高測距精度、改善兼容性等方面展現出了巨大的優勢^[10]。

從信號播發角度看，GNSS可以認為是一個無線電廣播系統，尤其在應用了碼分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）技術后，其完全蛻變為一個同頻廣播系統，主要原因如下：①星座內各導航衛星在同樣的標稱頻點廣播相同的導航電文；②這些衛星用各自分配的偽隨機碼來調制導航電文，并最終形成不同的測距發射信號，以便在接收機內區分各衛星及實現并行測距；③承載在衛星導航信號上的數據都以較低的數據率進行簡單的二進制調制。在衛星導航系統中，鏈路的種類、特性、參數設計等具有一定的差異性，因此各衛星導航系統所采用的調制方式也有所不同，但都應具有調制譜效率高、抗衰落和抗干擾能力強、對相鄰信道干擾小、調制/解調電路容易實現等特性^[11]。

隨著衛星導航系統的飛速發展，2030年L波段的衛星導航信號預計將超過400個^[12]，越來越多的GNSS信號將共享L波段有限的頻譜資源，信號間的頻譜混疊將不可避免。這嚴重威脅了衛星導航信號的兼容性和譜安全性，也對L波段新信號波形設計提出了更高的要求。目前衛星導航信號普遍采用BPSK調制、BOC調制、MBOC調制等，它們的功率譜旁瓣幅度較大，并且衰減速度緩慢，不能滿足過度擁擠的L1/E1/B1（1559～1610MHz）頻段上的兼容性要求^[1]。不管是BPSK調制還是BOC調制，在其信號調制過程中都使用了不連續的相位調制方案，即存在0°或180°的相位跳變。這樣雖然有利于信號的接收和相關解調，但卻展寬了衛星導航信號的頻譜，大大增加了其被干擾的可能性^[10]。

為了在擁擠的L波段設計兼容性更好的信號波形，胡修林等引入了MSK調制，建立了MSK-BOC調制的通用數學模型，分析結果表明：當發射帶寬與BPSK調制信號功率譜密度的主瓣寬度接近時，MSK調制的導航性能優于BPSK調制，論證了在L波段采用MSK調制的可能性^[13]。文獻[14]針對C波段提出了一個改進的MSK-BCS方案，研究結果表明該方案具有較好的自相關特性、較大的Gabor帶寬、較小的克拉美羅下界及較強的抗多徑能力。國外學者Avila-Rodriguez等提出在C波段使用GMSK調制，它具有較好的頻譜抑制能力，但由于高斯濾波器的引入，接收機處理的復雜度將大大增加^[15]。朱亮等提出了基于橢圓球面波函數（PSWF）的C波段信號波形設計方案，仿真結果表明：基于PSWF的調制信號具有良好的帶外抑制特性，可滿足C波段嚴格的信號兼容性約束要求，并具有優于傳統BPSK調制的跟蹤測距精度和抗多徑性能^[16]。

通過上述分析，我們不難勾畫出衛星導航信號調制方式的演進路線，從BPSK調制和QPSK調制開始，到BOC調制及其改進類型，再到MSK調制，再到MSK調制的改進類型（含GMSK調制），正在向更高性能的CPM進發，總體趨勢是從相位不連續的調制方式向相位連續的調制方式轉變。這條路線與現代數字通信調制方式的演進路線如出一轍，實質上都是以有限的帶寬傳輸更多的數據為目的，只不過在衛星導航系統中所承載的導航數據經過擴頻處理后是具備測距功能的信號，但本質并未改變。本章沿著衛星導航信號調制方式的演進路線，介紹了具有代表性的調制方案，闡述它們的數學表達式、自相關函數、功率譜密度等主要內容，分析其性能的優缺點，為未來GNSS調制波形的設計提供參考依據。