第1章 緒論

1.1 引言

從古至今，人類一直在不懈追求與應用導航技術，先后出現了司南、星盤、六分儀、航海鐘及無線電導航。近幾十年，隨著航天科學技術的飛速發展，人類進入了衛星導航時代，獲得了相對理想的定位、導航與授時（Positioning, Navigation and Timing, PNT）信息。定位是指以標準大地坐標系為參照，按照用戶規定的實時性要求，提供精確的二維或三維位置和方位的能力；導航是指按照用戶實時性要求確定當前位置和目的地位置，并參考地理和環境信息，修正航線、方向、速度，并抵達任何位置的能力；授時是指能在任何地方，按照用戶規定的實時性要求，得到并保持準確和精密時間的能力^[1]。

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）是一個能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標、速度及時間信息的空基無線電導航定位系統，包含一個或多個衛星星座及其支持特定工作所需的增強系統^[2-3]。GNSS不僅是國家安全和經濟發展的基礎設施^[4]，也是衡量綜合國力和現代化水平的顯著標志之一，由于其在政治、經濟、軍事等方面具有戰略性和基礎性作用，因此世界主要大國和經濟體都在競相發展各自的衛星導航系統^[5]。目前，已進入實質性運作階段的GNSS主要包括美國的全球定位系統（Global Positioning System, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS，俄語“全球導航衛星系統”的縮寫）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo Navigation Satellite System, Galileo）及中國的北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）。另外，日本的準天頂衛星系統（Quasi-zenith Satellite System, QZSS）、印度的區域導航衛星系統（Indian Regional Navigation Satellite System, IRNSS）等作為區域衛星導航系統發展很快^[6-7]，美國的廣域增強系統（Wide Area Augmentation System, WAAS）、歐洲靜止衛星導航覆蓋服務系統（European Geostationary Navigation Overlay Service, EGNOS）、印度的GPS輔助型靜地軌道增強導航系統（GPS Aided Geo Augmented Navigation, GAGAN）等作為增強系統也有相對廣泛的應用^[8-10]。

眾所周知，GNSS由空間段、地面段和用戶段組成，這3個部分通過多種無線電鏈路或光學鏈路有機地構成一個整體。衛星導航信號是一個由空間段播發的無線電廣播信號，衛星導航信號傳輸鏈路是GNSS中唯一一個在空間段、地面段和用戶段之間建立聯系的核心鏈路^[11]，擁有十分重要的地位。信號體制是衛星導航系統技術體制中最重要的組成部分之一，關系到定位、授時和測速等基本功能，以及定位測速授時精度、兼容和互操作性、保密性、抗干擾能力等技術指標的實現。一個設計合理、性能完善的信號體制，在衛星導航系統中有著非常重要的位置^[12]。

為提高衛星導航信號的測量性能，GPS、GLONASS、BDS等系統均對信號體制進行了升級，Galileo系統在設計之初就對信號體制進行了全面論證^[13]。目前，對衛星導航信號體制的基礎理論研究已轉向深入，各種性能指標的計算方法也日趨成熟。如何提高信號抗干擾能力和測距精度，并適時提高衛星導航信息下行速率及增強衛星導航系統的可靠性是新一代衛星導航信號設計中備受關注的問題^[14-15]。衛星導航信號的設計正朝著多樣化發展，而標準是一個行業可持續發展、高效產業化的重要前提和保障，兩者的相輔相成必將有力推進衛星導航技術的創新和發展，規范衛星導航應用的產業市場。目前，四大衛星導航系統均發布了多個版本的空間信號接口控制文件（Interface Control Document, ICD），但還沒有形成統一的國際標準，各系統依據自身特點對信號格式進行定義^[16]。

隨著四大GNSS系統、日本QZSS、印度IRNSS及多種星基增強系統（Satellite-Based Augmentation System, SBAS）^[17-19]的不斷發展，L波段（1164～1610MHz）導航信號在2030年預計將超過400個，并且空間在軌導航衛星將多達160顆，如圖1.1所示^[20]。這些導航信號的中心頻點完全重合或者非常接近，各系統信號間的射頻干擾已不可避免，必然引起L波段GNSS信號的兼容性問題^[4,21-22]。頻譜重用^[23]和開發新的頻譜資源是解決該問題的主要手段。國際電信聯盟（International Telecommunication Union, ITU）將S波段（2483.5～2500MHz）和C波段（5010～5030MHz）分配給導航業務^[24-26]，由于S波段16.5MHz的帶寬較窄，單一S波段信號難以超越L波段信號的性能，但S波段與L波段的信號組合可以提升無線電導航衛星服務（Radio Navigation Satellite Service, RNSS）的綜合性能^[27]。雖然C波段頻譜資源有限，但多個國家已表明要開發和利用C波段的意圖^[28-32]，S波段和C波段為未來GNSS信號的設計提供了新選擇。

圖1.1 預計2030年L波段GNSS信號分布

與單一頻點的衛星導航相比，多頻衛星導航可以縮短模糊度初始化時間，有效提高定位精度及可靠性，已成為高精度衛星定位的發展方向^[33]。目前衛星導航局限在L波段上多頻，隨著S波段和C波段對導航業務的開放，多頻還可以采用大間隔的多波段多頻。這更有利于消除頻變誤差，有利于快速求解模糊度，有利于抗干擾，有利于與通信系統的融合和互補^[34]。當前，探索一種能夠滿足各波段兼容性約束要求的通用調制波形是多波段聯合導航信號體制設計的緊迫任務，通用調制方案有助于降低多模接收機的設計復雜度，其基帶處理部分可以實現多信號共用，易于硬件集成，對多波段聯合導航的推廣和應用具有積極意義^[35]。

連續相位調制（Continuous Phase Modulation, CPM）是一種包絡恒定、相位連續、功率效能與頻帶效能都較高的調制方案^[36-39]，特別適用于采用非線性功率放大器且功率和帶寬均受限的衛星通信系統^[40-42]和衛星導航系統^[43-46]。值得注意的是，CPM是一類多參數可配置的調制集合，其參數調整靈活、信號儲備豐富，通過對調制參數的合理配置，可滿足各波段的兼容性要求，具備多波段多頻點的部署能力^[21,32,47]，是多波段聯合導航信號中具有競爭力的調制方案之一。本書針對L波段、S波段、C波段導航信號的兼容性約束要求，基于CPM設計多波段衛星導航信號體制，主要內容涉及北斗多波段多頻測量值組合模型、GNSS中主流的編碼和調制技術、多波段中CPM方案設計、基于混沌序列的測距碼設計、非相干混沌測距碼的捕獲與跟蹤、衛星導航信號的質量評估等。對上述內容的研究將有助于提高衛星導航定位精度、實時性及魯棒性，降低終端的硬件復雜度，促進新導航波段資源的開發與利用，拓展多波段衛星導航信號體制的設計方法，為現有GNSS的技術升級和下一代衛星導航信號體制的設計提供新思路和可行性論證，并為其推廣應用奠定理論和技術基礎。