北斗三号卫星导航信号及接收策略

 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，又能满足高测量等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。的GNSS资源将空前丰富，特别是在我国。