伍蔡倫，樹玉泉，王 剛，李勝軍

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即將建成，但面臨GNSS市場競爭日趨激烈和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對導(dǎo)航定位服務(wù)性能進(jìn)一步提升的雙重需求，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)以北斗為核心的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，從而在競爭中占據(jù)更有效的地位[1]。低軌衛(wèi)星由于運(yùn)行速度快、多普勒變化大及幾何構(gòu)型變化迅速等一系列特點(diǎn)越來越受到衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重視[2]。國內(nèi)多家單位對低軌導(dǎo)航增強(qiáng)性能進(jìn)行了仿真分析和研究，甚至發(fā)射了試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，并取得了一定的研究成果[3]?？傮w而言，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)是對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)非常好的補(bǔ)充、備份和增強(qiáng)。

從技術(shù)角度分析，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)在天基監(jiān)測、低軌完好性以及全球精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)服務(wù)等方面具有突出優(yōu)勢[4]。天基監(jiān)測解決了北斗系統(tǒng)無法在全球建站的難題，利用低軌衛(wèi)星的動態(tài)特性顯著提高GEO衛(wèi)星的定軌精度，從而提升北斗系統(tǒng)的基本服務(wù)性能。完好性服務(wù)則是利用衛(wèi)星在低軌軌道實(shí)現(xiàn)對中高軌衛(wèi)星信號的多重實(shí)時監(jiān)測，綜合處理后提供及時的完好性告警信息，為航空、自動駕駛等生命安全領(lǐng)域提供服務(wù)。全球PPP服務(wù)則是通過低軌衛(wèi)星播發(fā)北斗及低軌衛(wèi)星的精密軌道和鐘差等增強(qiáng)信息，并利用低軌衛(wèi)星幾何構(gòu)型變化快等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)PPP，有效減少收斂時間，實(shí)現(xiàn)無需地面站支持的PPP服務(wù)。

為了加快低軌導(dǎo)航增強(qiáng)以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程，中國電子科技集團(tuán)有限公司啟動了“天象一號”A/B雙星工程用于導(dǎo)航增強(qiáng)和移動通信等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。信號設(shè)計(jì)作為其中的核心環(huán)節(jié)，從需求和服務(wù)能力出發(fā)，并在與北斗信號滿足兼容和互操作的約束條件下，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了基于低軌衛(wèi)星的導(dǎo)航增強(qiáng)信號體制以及性能評估，經(jīng)過針對性的分析和計(jì)算，所設(shè)計(jì)信號為未來低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的順利實(shí)施提供了良好的技術(shù)手段。

1 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)概述

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)通過星載GNSS接收機(jī)完成自主高精度實(shí)時定軌和時間同步，利用星上觀測數(shù)據(jù)結(jié)合少量地面站實(shí)現(xiàn)天基監(jiān)測和完好性監(jiān)測，同時低軌衛(wèi)星播發(fā)調(diào)制有北斗及低軌衛(wèi)星精密軌道和鐘差信息的下行導(dǎo)航增強(qiáng)信號，地面終端接收北斗信號及低軌信號實(shí)現(xiàn)完好性和精度增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)無需地面站支持的高精度、高可靠定位。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)按照體系架構(gòu)分為空間段、控制端和應(yīng)用段。空間段主要包括兩型衛(wèi)星：I型衛(wèi)星包含高精度接收載荷、PPP載荷以及完好性載荷；II型衛(wèi)星只包含前二者。高精度接收載荷實(shí)現(xiàn)北斗信號的接收和處理，在I/II型衛(wèi)星上均搭載，PPP載荷則提供PPP服務(wù)。仿真表明，衛(wèi)星總數(shù)不低于150顆并采用合理星座構(gòu)型就可以滿足PPP服務(wù)1 min以內(nèi)收斂至水平0.1 m以內(nèi)。為了滿足收斂時間要求，I/II型衛(wèi)星均搭載PPP載荷。完好性監(jiān)測則只需要部分衛(wèi)星搭載就可以滿足要求，故只在I型衛(wèi)星配置?？刂贫伟ㄖ骺卣尽⒆⑷胝疽约暗孛姹O(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對低軌信號的監(jiān)測以及增強(qiáng)信息的生成和注入。應(yīng)用段則主要是高精度高可靠導(dǎo)航用戶。天象一號低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)以此為框架開展關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證。整個低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of LEO enhanced navigation system

2 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

信號體制是整個系統(tǒng)的核心，它的設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)的基本性能和服務(wù)水平。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號播發(fā)精密定位和完好性信息，其良好的兼容性、測距性能及信息幀設(shè)計(jì)決定了終端的研制成本和用戶使用的便捷性[5]。同時，信號體制設(shè)計(jì)也需要考慮多種實(shí)際使用時的約束條件限制[6]。綜合分析，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號體制的設(shè)計(jì)原則如表1所示。

表1 信號體制設(shè)計(jì)原則Tab.1 Principle of signal design

在天象一號低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)中將以上述原則為依據(jù)開展LePT信號的設(shè)計(jì)。從消除電離層誤差和信息播發(fā)實(shí)時性出發(fā)，LePT信號包含2種：LePT1和LePT2信號。LePT1信號主要播發(fā)低軌衛(wèi)星本身的電文信息，北斗衛(wèi)星增強(qiáng)信息及慢變完好性信息；LePT2信號主要播發(fā)快變完好性信息。同時，LePT信號支持可重構(gòu)功能，可根據(jù)任務(wù)規(guī)劃更改播發(fā)內(nèi)容。

2.2 頻率選擇

LePT信號的頻率選擇主要從頻率可選擇性、與GNSS信號的兼容性以及對其他系統(tǒng)的干擾等角度綜合考慮。

① 與現(xiàn)有GNSS信號兼容，LePT信號可選擇L頻段，但對北斗系統(tǒng)使用應(yīng)不造成干擾；

② 采用雙頻實(shí)現(xiàn)電離層校正，從電離層消除效果考慮，建議頻率相隔在200 MHz以上；

③ 具體頻率值應(yīng)考慮信號發(fā)射和星載接收載荷的收發(fā)隔離問題。星載接收載荷選擇頻點(diǎn)主要包括1 575.42，1 227.6及1 176.45MHz等頻點(diǎn)；

④ 所選頻點(diǎn)應(yīng)為1.023 MHz的整數(shù)倍。

綜合以上分析，天象一號低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)中選擇1 525.21 MHz為LePT1信號試驗(yàn)試用頻點(diǎn)，1 298.187 MHz為LePT2信號試驗(yàn)試用頻點(diǎn)。

2.3 信號設(shè)計(jì)

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號承載了精度增強(qiáng)以及完好性增強(qiáng)功能，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括偽碼設(shè)計(jì)、調(diào)制方式、信息速率、符號速率及發(fā)射功率等。信號設(shè)計(jì)將充分考慮與已有GNSS信號的兼容互操作性，使地面用戶接收機(jī)易于設(shè)計(jì)和使用[7-8]。

① 調(diào)制方式：為了滿足兼容性和測距要求，信號調(diào)制方式采用擴(kuò)頻+BPSK調(diào)制。

② 偽碼碼型及信號帶寬：從GNSS信號兼容和互相關(guān)性考慮，LePT1和LePT2信號的偽碼采用1.023 MHz偽隨機(jī)碼，周期為1 ms，碼長1 023碼片。

③ 符號速率：低軌衛(wèi)星需要播發(fā)北斗及自身精密軌道和鐘差信息，播發(fā)信息量大。受限于擴(kuò)頻碼周期為1 ms的限制，采用1 Kb/s的符號速率。

④ 發(fā)射功率：為了不對GNSS造成干擾，落地電平應(yīng)不高于-133 dBm。天象一號衛(wèi)星軌道高度為500 km，地球半徑按6 378 km計(jì)算，當(dāng)接收機(jī)仰角為0°時，遠(yuǎn)地點(diǎn)距離為4383.29 km。由自由空間損耗公式可得：

Ls=32.45 dB+20lgF+20lgD，

式中，F(xiàn)分別為1 298.187 MHz和1 525.21 MHz；遠(yuǎn)地點(diǎn)距離D為4 383.29 km。計(jì)算得出LePT1信號空間損耗為168.95 dB， LePT2信號空間損耗為167.55 dB。0°仰角天線增益按-1 dB計(jì)算，可以得出LePT1信號發(fā)射功率不低于36.95 dBm，LePT2信號發(fā)射功率不低于35.55 dBm。

⑤ 信道編碼：信道編碼采用北斗三號信號中類似的信道編碼方式，即LDPC(972，486)編碼[9-10]。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號設(shè)計(jì)框架如表2所示。

表2 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號設(shè)計(jì)框架Tab.2 Design framework of LePT signals

2.4 信息幀設(shè)計(jì)

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號主要播發(fā)精度增強(qiáng)和完好性增強(qiáng)2類信息。精度增強(qiáng)信息包括北斗衛(wèi)星以及低軌衛(wèi)星自身的精密軌道和鐘差信息。完好性信息則包括快變完好性信息和慢變完好性信息。由于數(shù)據(jù)類型和作用各不相同，每類數(shù)據(jù)的更新周期也不同。在天象一號低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)中選擇高壓縮比、高更新率的信息幀設(shè)計(jì)和發(fā)播策略。為了提高電文可靠性，采用具備糾錯能力和校驗(yàn)功能的電文設(shè)計(jì)方案，以保證在低軌衛(wèi)星交接或信號短期中斷等特殊條件下仍具備穩(wěn)定可靠的信息獲取能力。此外，增強(qiáng)信息幀具備重構(gòu)能力，支持未來更多信息內(nèi)容的擴(kuò)展[11]。

信息幀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)元素為基本幀，符號速率為1 Kb/s，每幀長為1 000 bit，周期為1 s。幀頭與秒起始位對齊，便于進(jìn)行距離測量?；編Y(jié)構(gòu)定義如圖2所示。

圖2 基本幀結(jié)構(gòu)定義Fig.2 Basic frame structure definition

每個電文數(shù)據(jù)幀由486 bit構(gòu)成。其中，最高6 bit表示信息類型(MesTypeID)，最低24 bit為循環(huán)冗余校驗(yàn)位(CRC)，其余456 bit為數(shù)據(jù)域，其具體內(nèi)容由不同信息類型決定。電文數(shù)據(jù)幀經(jīng)過LDPC信道編碼后為972個符號，與長度為16個符號的同步頭、8個符號的本星PRN號、4個符號的預(yù)留標(biāo)識位共同構(gòu)成1 000個符號，即一個基本幀。

每個基本幀第一個符號(即同步頭第一個符號)的前沿與衛(wèi)星時間的整秒沿對齊，每幀播發(fā)時間為1 s。其中，同步頭為固定16位獨(dú)特字，值為0xEB90，播發(fā)時高位先發(fā)，即1110101110010000。衛(wèi)星編號為本星PRN號。預(yù)留標(biāo)識位用于指示PPP服務(wù)狀態(tài)：預(yù)留標(biāo)識位高位為1時表示本星PPP服務(wù)不可用；預(yù)留標(biāo)識位高位為0時表示本星PPP服務(wù)可用；其他符號位含義預(yù)留。預(yù)留標(biāo)識位狀態(tài)極少發(fā)生變化，用戶可通過多幀信息疊加得到電文，從而降低解調(diào)時的誤碼率。

電文信息類型用于區(qū)分有效數(shù)據(jù)域播發(fā)的信息內(nèi)容，信息類型定義和播發(fā)策略如表3所示。信息類型預(yù)留了6位，可以表示64種電文信息類型。在天象一號中所使用的低軌衛(wèi)星精密軌道與鐘差、GNSS衛(wèi)星精密軌道與鐘差以及完好性信息等信息類型進(jìn)行了設(shè)計(jì)和編排，分別設(shè)計(jì)了“綜合信息幀”和“完好性信息幀”2種基本幀，分別在LePT1和LePT2信號進(jìn)行播發(fā)。信息幀類型可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展重構(gòu)。

表3 信息類型定義和播發(fā)策略Tab.3 Information type definition and broadcasting strategy

3 信號仿真分析

3.1 兼容性分析

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號與北斗信號兼容使用，兼容性分析是低軌導(dǎo)航信號性能評估的重要內(nèi)容。頻譜分離系數(shù)(Spectral Separation Coefficient，SSC)作為衡量兼容性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，主要測量低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號與北斗信號的相互干擾關(guān)系[12]。該指標(biāo)與二者的信號功率密度有關(guān)，反映了北斗信號對低軌導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤以及解調(diào)性能的影響，目前已經(jīng)成為兼容性評估最常用的指標(biāo)之一，其計(jì)算公式如下：

式中，βr為接收機(jī)前端帶寬(Hz)；Gs(f)為低軌信號功率譜密度(W/Hz)；Gl(f)為北斗信號的功率譜密度(W/Hz)?？梢钥闯?，它客觀地反映了低軌導(dǎo)航信號與北斗信號的頻譜重疊程度。如果頻譜分離系數(shù)越小，則低軌信號與北斗信號的相互干擾程度就越小。假定發(fā)射帶寬為無線帶寬，接收帶寬為20 MHz，低軌信號與GNSS信號的頻譜分離系數(shù)計(jì)算如表4所示。

表4 LePT信號與GNSS信號譜分離系數(shù)計(jì)算Tab.4 SSC calculation of LePT and GNSS signals

由表4可以看出，由于LePT信號與GNSS信號并不完全重疊，其譜分離系數(shù)均在-100 dB以下，不對原有GNSS信號產(chǎn)生干擾，因此滿足兼容性要求。

除了兼容性以外，與北斗信號之間的互操作也是信號設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?；ゲ僮髦饕侵傅孛娼K端用戶接收低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號比單獨(dú)接收北斗信號或低軌信號帶來更好的性能提升，且不會給接收機(jī)生產(chǎn)廠家和用戶帶來額外的負(fù)擔(dān)和成本[13]。本文所提出的LePT信號體制從空間基準(zhǔn)、時間基準(zhǔn)及信號調(diào)制等參數(shù)與北斗信號均保持一致，減少了接收機(jī)開發(fā)難度，因此二者之間具備互操作能力。

3.2 跟蹤精度分析

碼跟蹤誤差是評估導(dǎo)航信號測距性能的重要指標(biāo)。常規(guī)接收機(jī)中采用碼跟蹤環(huán)路實(shí)現(xiàn)對偽碼的跟蹤和同步并獲得偽距觀測量。它的誤差大小決定了設(shè)計(jì)信號的質(zhì)量，一般采用超前減滯后的偽碼跟蹤環(huán)實(shí)現(xiàn)[14]。相干偽碼跟蹤環(huán)的碼跟蹤誤差表達(dá)式為：

式中，βr為接收機(jī)前端濾波器帶寬；BL為環(huán)路帶寬；T為相干積分周期，C/N0為載噪比；Gs為接收信號功率；Gs(f)為接收信號歸一化功率譜密度；Gw(f)為噪聲干擾信號的歸一化功率譜密度；δ為相關(guān)器間距。設(shè)定環(huán)路帶寬為1 Hz，相干積分時間為1 ms，前端帶寬為2.046 MHz，相關(guān)器間距為1 碼片，系統(tǒng)噪聲為高斯白噪聲，經(jīng)計(jì)算，LePT信號與L1、B1I、B1C信號的碼跟蹤比較誤差分別如圖3所示[15]。由圖3可以看出，LePT信號在載噪比為40 dB-Hz時碼跟蹤誤差為0.7 m，跟蹤誤差稍高于B1I和B1C信號，但小于GPS L1信號。載噪比為60 dB-Hz時LePT信號跟蹤誤差為0.08 m，和B1C和B1I信號接近。在同樣載噪比條件下，LePT信號的碼跟蹤誤差要優(yōu)于GPS L1信號，稍低于北斗B1I信號和B1C信號。

圖3 LePT信號碼跟蹤誤差Fig.3 Code tracking error of LePT signal

4 結(jié)束語

針對低軌導(dǎo)航增強(qiáng)的服務(wù)需求和可用資源設(shè)計(jì)了LePT1和LePT2雙頻低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號，并滿足與GNSS信號的兼容與互操作要求，簡化了低軌導(dǎo)航增強(qiáng)終端設(shè)計(jì)流程，降低了研發(fā)成本。在信息幀設(shè)計(jì)方面，通過播發(fā)北斗與低軌衛(wèi)星的精密軌道、鐘差以及完好性信息，為未來滿足全球PPP、全球SBAS等高精度高可靠定位服務(wù)提供了實(shí)現(xiàn)途徑。同時，信息幀設(shè)計(jì)支持多種信息類型的擴(kuò)展，未來可進(jìn)一步支持安全認(rèn)證、輔助增強(qiáng)等多種業(yè)務(wù)能力。所設(shè)計(jì)的LePT信號在天象一號衛(wèi)星平臺上進(jìn)行了在軌驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合預(yù)期并滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。