1.2 多波段聯合導航技術

多波段衛星導航信號設計對GNSS數據處理具有重大意義，有利于削弱電離層和對流層誤差，弱化基準站距離的限制，固定載波相位模糊度^[48]，提升精密單點定位（Precise Point Positioning, PPP）精度，縮短初始化時間^[49]。目前，對于多波段衛星導航的研究主要集中在L波段，該波段存在四大GNSS系統及日本、印度等國家的區域衛星導航系統的大量下行信號，導致L波段信號擁擠，系統間干擾嚴重（見圖1.2），并且各信號的制式與參數都不盡相同。另外，GNSS的高復雜性，使單一波段多頻衛星導航具有較高的復雜度和設計難度^[35]，尋找新的頻譜資源是一種有效途徑，可以緩解資源短缺與衛星導航系統快速發展之間的矛盾。

圖1.2 GNSS在L波段的頻率分布

2000年，世界無線電通信會議（World Radiocommunication Conference, WRC）將C波段分配給衛星導航下行信號使用^[28,50-51]，然而我國在這一波段信號體制方面的研究還很薄弱。C波段衛星導航信號的應用受到很多條件的限制，但某些特殊行業可以接受衛星和接收機成本的提高^[52]，其可為軍事、航空、金融和電力等國家重要部門和行業提供更加安全的服務性能。歐空局（European Space Agency, ESA）對C波段衛星導航信號性能進行了全面分析，與L波段相比，C波段在電離層衰減較小，但在對流層及因雨滴、云霧、樹葉造成的衰減較大^[26]，因而需要增大衛星導航信號的發射功率。由于當時技術水平的制約，Galileo最終放棄了使用C波段^[30]。近年來，隨著接收機技術及能源技術的進步，再加上L波段服務信號的激增，C波段再次引起了科研人員的注意^[53]。C波段信號的服務帶寬較窄，不具備L波段信號的性能，但C波段可以和L波段進行聯合導航，文獻[47]基于CPM設計了一種L波段和C波段的雙頻組合導航模型，其中C波段信號中心頻率是L波段信號中心頻率的4倍。這有利于快速求解整周模糊度，顯著提高了單點定位的魯棒性和精度。

2012年之前，根據ITU的區域和頻率的劃分，區域二和區域三無線電測定衛星業務（Radio Determination Satellite Service, RDSS）是S波段的主要業務，RNSS是RDSS的一種，因此在該區域S波段也可應用于衛星導航。歐盟為了在下一代Galileo系統中使用該波段發射的衛星導航信號，向ITU提出了使用S波段的申請。2012年，WRC通過了將S波段作為無線電測定衛星業務的決定^[54]。在S波段播發衛星導航信號主要基于以下目的^[53]。

（1）搶占頻譜資源。在現有的L波段資源中，我國BDS的頻譜資源占有率（特別是授權業務）低于GPS、GLONASS和Galileo系統，所以搶占S波段頻譜資源可為改善我國衛星導航現狀提供良好的契機。

（2）增加服務的多樣性。GNSS需要S波段的頻譜資源，其主要目的在于為現有衛星導航服務提供補充。與L波段相比，S波段的帶寬較窄，信號獨立的偽距或授時性能在現有的技術基礎上很難超越L波段信號，但增加新的信號可以提高頻譜的多樣性。例如，利用S波段的信號提供RNSS服務，可實現RDSS/RNSS互操作，以及降低與位于該波段的移動通信系統協同工作的成本，對于推廣BDS系統的RDSS與RNSS應用有積極作用。

（3）提升綜合服務性能。由于帶寬限制，單一的S波段信號難以獲得超越L波段信號的性能^[24,27]。但是，S波段信號的增加，可以提升RNSS服務的綜合性能^[55]，主要體現在：①L/S波段組合觀測的電離層校正精度優于L/L波段；②S波段具有比L波段更小的電離層延時，單頻用戶的電離層殘差更小；③對于天線陣列，接收S波段信號所需尺寸更小；④在地面多徑環境中具有更高的衰落頻率，多徑信道傾向于更多的漫反射，反射信號更弱，多徑性能有所改善；⑤具有更大的多普勒頻移，在相同載噪比下可獲得更好的速度精度；⑥更小的載波波長可在相同載噪比下獲得更高的載波相位精度。

現階段，多頻導航局限于單一L波段多頻導航，隨著S波段和C波段對衛星導航業務的開放，多波段大間隔多頻衛星導航客觀上成為可能，如圖1.3所示。S波段與C波段具有較高的傳播損耗和較小的服務帶寬，使得S波段或C波段信號很難超越L波段信號性能^[24,26-28]，但S波段和C波段與L波段的測量值組合能更好地減小電離層誤差，有助于整周模糊度的求解，可以提高定位精度和授時性能，還可以增加衛星導航服務的多樣性，從而擴展新業務^{[24,27,56-60]}。由此可見，多波段衛星導航定位將成為未來衛星導航系統的一個關鍵技術^[47,61]。

圖1.3 多波段大間隔多頻衛星導航示意

在多波段聯合導航的模式下，設計一種能滿足各波段帶內和帶外兼容性約束要求的通用調制方案，有助于降低多頻終端的復雜度，加快多波段聯合導航的實用化進程。CPM是一類調制的總稱，通過對其參數進行優化設計，可以滿足各波段兼容性約束要求。相對于當前的調制方案（如BPSK、BOC等），CPM不僅頻帶利用率高，而且在碼跟蹤精度、抗多徑、兼容性等方面具有一定的優勢^[21,32]，為各波段通用調制波形的設計提供了一種新思路，拓展了多波段衛星導航信號體制的設計方法，因此研究基于CPM的多波段聯合導航信號體制具有非常重要的理論價值和現實意義。