卫星导航信号结构变化的过去，现在和未来

标题：基于卫星导航的过去，现在和未来的信号结构变化
作者：John W. Betz
来源：Inside GNSS
时间：July 16, 2013
翻译：https://blog.csdn.net/jimmyisme

序言

尽管卫星导航信号和系统已经被设计超过40年，但新的信号和系统仍然被发掘。在此期间，概念的设计已被加权，实施、拒绝，并得到改进。一些早期概念 - 由于当时不切实际而推迟 - 已被重新审视和采用。本文由著名的GNSS信号专家介绍了一个框架，以提供过去和现在的信号结构的观点，并提供一些关于satnav信号未来发展的猜想。

过去15年见证了新的和现代化的卫星导航（卫星导航）系统的巨大发展，包括全球导航卫星系统，区域系统和星基增强系统（SBAS）。这些已经通过GPS和GLONASS的原始设计实现，并且反过来刺激了具有与先驱系统不同特性的卫星信号结构的设计。
今天的许多信号特征在40多年前为美国空军项目621B（GPS之前的一个项目）编写的技术报告中得到了识别，评估和推荐。其中一些概念没有在原始GPS信号中实现，可能是因为当时判断技术没有准备好以经济有效的方式实施它们。
最近，我们已经看到了其他的信号传感器信号特性的引入、扩展，增强了当今信号设计人员可用的“工具套件”。
项目621B编写了一份由CR Cahn等人撰写并在本文末尾附加资源部分引用的报告，该报告捕获了关于现在构成当代卫星信号基础的早期思考 - 直接序列扩频（DSSS））从多个卫星发射的信号，允许无源接收机测量到达时间和频率。
这些测量结合卫星星历表和调制到信号上的数据消息中的其他信息，使接收机能够使用被动多点定位，以估计它们的位置，速度和时间。卫星信号执行将卫星中的时钟链接到接收器信道中的时间的基本功能。
本文重点介绍这种形式的卫星导航，省略了其他方法，如侧音、测距和卫星无线电定位服务（RDSS）。它描述了原始GPS和GLONASS信号如何适应12个核心类别的卫星信号特征，然后回顾了项目 621B报告，确定了40多年前最初构思和分析的新信号和现代信号中引入的特征。
在此背景下，本文将更全面地讨论新的和现代化的卫星信号特征，并最终探索未来卫星信号的可能方向。

12类卫星导航信号的特征

十二种关键类型的特征描述了卫星信号的基本方面，从GPS卫星传输的原始信号到今天构想的最具创新性的概念。这些特性提供了一种结构化的方法，可以将早期的卫星信号与当前实现的卫星信号进行比较，并考虑未来卫星信号设计的演变过程。
接收器设计人员已经开发出越来越复杂和有能力的方法来利用原始GPS信号以获得令人印象深刻的性能水平。然而，由于这种性能接近与原始信号相关的物理限制，很明显新的信号设计对于持续改善卫星导航性能是不可或缺的。
在过去的15年中，随着现代化卫星的发射和全新系统的投入使用，这些设计已经开发出来并逐步进行。这些新设计代表了原始信号中1）特征的混合；2）在原始信号设计过程中已经识别但最初未采用的概念；3）最近的创新。由此产生的信号更复杂，更灵活，功能更强，使接收器能够提供更高水平的性能。
随着过去15年开发的信号和系统的投入使用，我们有机会展望未来，并考虑未来的卫星信号设计可以体现哪些进一步的进展。
但首先，让我们来看看卫星导航信号特征的12个关键类别。
载波频率：它影响卫星信号的许多属性，从传播行为到硬件缺陷和多普勒频移到干扰环境的影响。将原始GPS和GLONASS信号置于L波段的动机 - 例如良好的传播特性，中等大小的天线，低成本的射频组件 - 使这些频率对其他类型的系统具有吸引力 - 例如，雷达，移动电话，其他通信 - 越来越多地使用乐队。由此导致的L波段占用率的增加使得难以为satnav接收机维持“安静的频谱邻域”。
已建立两种不同的频谱频带，即上L波段（1559 MHz至1610 MHz）和下L波段（1164 MHz至1300 MHz），用于全球卫星导航。在新的和现代化的系统中使用两个和三个不同的载波频率可以改善接收机性能。多个系统采用了信号设计，在某些情况下，将公共载波频率上的信号与来自其他系统的信号对齐，在其他情况下，提供不同频率和不同频率的信号。
功率：它可以解决与接收天线和接收器的传播，干扰和设计相关的无数挑战。但是，更高的接收功率需要来自卫星的更高发射功率，增加了卫星的成本和复杂性，以便产生更高的射频（RF）功率或增加的发射天线增益。此外，较高的卫星信号功率可能会对使用相同或相邻频段的非卫星信号系统造成干扰，同时还会对卫星接收机引入更大的多址干扰（MAI）。
极性：在卫星导航系统中的偏振一直是右旋圆极化（RHCP），具有圆极化以控制入射电磁场和接收天线之间的方向不匹配的损失和右手特性，以实现不同系统和信号之间的互操作性。
多址访问：它已经融合到所有新信号和新系统的码分多址（CDMA）。然而，不同的载波和子载波频率也用于减少一种信号类型的不希望的频谱重叠。
扩频调制：它因其在控制信号对其他信号的接收及其频谱占用的干扰的同时影响噪声，干扰和多径性能的能力而引起了相当大的关注，同时保持相同的载波频率以便于实现。
扩频码：因其对射频兼容性的有益影响以及避免高动态范围信号环境中的接收机误跟踪而被认可。
数据消息结构：通过表示时钟校正和星历来影响定位精度，并且还提供支持信息。位置计算所需的数据消息信息的等待时间可以显着地增加接收器提供初始修复所花费的时间长度，而数据速率影响数据解调阈值。
数据消息纠错和检测：使接收器能够纠正一些误码，并且在许多使用循环冗余校验的现代信号中，几乎可以检测所有误码 - 即使是那些无法纠正的误码。该特性也影响数据解调阈值。
数据编码：通过编码数据消息比特对信号的数据调制通常使用双相键控，但是一种高级信号设计使用代码移位键控。
不同的导频和数据部分分别为信号跟踪和数据解调分别调整了不同的设计，避免了尝试用单个信号组件提供两种功能的一些不可避免的妥协和冲突。
覆盖码：也称为二级码或同步码，扩展了扩展码的有效长度，以减少MAI并改善比特和消息级别的同步。
多路复用：描述了不同的组成部分和信号如何组合成调制RF载波的复合信号。功率放大器效率，对组成信号特性的影响，发射机功率向互调分量的转移以及互调分量的频谱内容都是所涉及的考虑因素。
这12个信号特征可用于描述卫星信号，以及定义一个框架，在其中讨论卫星信号特征的趋势。

原始GPS和GLONASS信号的特征

GPS和GLONASS最初在上L波段提供开放的民用信号，军用信号在L波段和L波段较低。所使用的频率完全在国际电信联盟（ITU）当前为无线电导航卫星系统（RNSS）使用分配的射频频带内。选择GLONASS载波频率与GPS频率足够不同，原始GPS信号基本上没有与原始GLONASS信号的频谱重叠。
建立了原始的最小指定信号功率电平，以在热噪声环境中提供足够的性能，包括有效的各向同性辐射功率（EIRP），其导致2分贝的过量大气损耗以及由于发射信号的极化椭圆率引起的损耗。由于最初的GPS和GLONASS信号使用不同的频段，并且每个星座计划的卫星数量适中，因此在大多数情况下多址干扰是微不足道的。
对于多址接入，GLONASS采用频分多址（FDMA），而GPS采用CDMA，可能是基于类似技术因素的不同权衡。
鉴于技术的不成熟以及当时对任何更复杂的技术缺乏动力，GNSS系统设计人员选择了具有矩形芯片（BPSK-R）的双相移键调制调制，其具有相对较低的民用信号码片速率。
选择具有1毫秒持续时间的短扩频码用于民用信号，并且民用和军用信号都设计有刚性结构的数据信息格式。原始GNSS信号具有相对较弱的消息纠错;一些接收器通过比较从两个连续消息解调的时钟和星历数据来进行补偿。
以每秒50比特（bps）传输的数据被双相调制到整个信号上;因此，接收器必须跟踪数据调制信号。即使短扩展码在数据比特持续时间内重复20次，原始GPS信号也不采用覆盖码来平滑谱线并消除比特边界模糊。
鉴于需要在给定载波上传输至多两个信号的数据分量，载波相位复用是一种简单而有效的选择。尽管使用DSSS和数字通信技术具有新颖性，但原始信号在设计完成数十年后仍能继续提供卓越的性能。

621B计划中产生的信号结构

项目621B在20世纪60年代和70年代初期进行，广泛研究了候选信号特征和相关的接收机设计方法，用于GPS。在项目期间，通过分析和计算机模拟确定并评估了许多选项。前面提到的广泛报告记录了这种对satnav信号结构的广泛而全面的评估。
尽管原始GPS信号的设计者采用了621B项目分析和推荐的许多信号特征，但两个特征显然不是：

强大的纠错码，包括块和卷积和块，用于增加数据消息解调的鲁棒性；
使用单独的导频和数据组件，实现更强大的信号跟踪；

据推测，不包括它们的决定是基于20世纪70年代发射器和接收器技术的感知限制。
项目621B报告也做出了其他贡献。其中之一是相对于在双相数据调制的信号分量上使用Costas环路，从在没有数据调制的信号分量上使用相干锁相环得到广泛认可的6分贝载波跟踪阈值改善。该报告还提倡采用载波辅助代码跟踪环路的接收机处理，并认识到短C / A扩频码可能导致互相关问题。
621B计划产生了深远的影响，包括：

塑造原始GPS信号的结构;
识别强差错控制编码和不同的导频和数据组件的好处，使其在现代化GPS信号和其他卫星导航系统的信号中得到采用;
制定关于信号设计和接收机处理的其他发现和建议，这些发现现在被广泛接受并广泛用于整个卫星社区。

40多年前Project 621B先驱的先见之明令人印象深刻;他们对现代卫星信号结构的贡献应该继续得到认可。

当今的信号体制

十年前，世界上的全球导航卫星系统由一个单一的全功能系统（GPS）和一个部分功能系统（GLONASS）组成，总共只有不到40颗运行卫星。每颗卫星传输三个信号，其中只有一个用于民用。
今天，GPS和GLONASS星座总共约有65颗卫星（运行和预留）。他们的空间和控制部分的现代化正在顺利进行。最新的卫星以三个载波频率发送编码民用信号，下一代卫星将分别发送八个或更多军用和民用信号，大多数具有单独的导频和数据分量。
北斗区域系统正在运行，中国正在发射卫星，这将导致全面的全球系统。欧洲已经发射了四颗在轨验证卫星，作为全球伽利略系统的第一步，而日本的准天顶卫星系统（QZSS）正在运行其第一颗卫星作为区域系统的前奏。
这些系统的运行卫星数量是十年前的两倍多，而另一个十年的运行卫星数量可能再次增加一倍。
SBAS系统也显着增加，SBAS卫星的数量在过去十年中翻了一番还多。新的SBAS卫星在两个载波频率上发射信号。
过去十年的大部分信号结构发展都是通过协作努力来实现的，以实现多个卫星导航系统之间的兼容性和互操作性。兼容性 - 确保额外的信号和系统不会不可接受地降低电流信号和系统的使用 - 一直是主要关注点。互操作性 - 使其可以从使用附加信号和系统中受益 - 也正在实现。
在评估卫星导航系统的互操作性程度时考虑的信号特征包括：参考帧，中心频率，频谱，扩频调制，扩频码族，以及数据消息结构和编码。通常，具有共同特征的信号更具互操作性，并且靠近该列表顶部的特征的共性比接近最终的特征更重要。越来越多的大众市场接收机已经在上L波段内使用来自不同载波频率的多个卫星导航系统的信号。
图1显示了接近本十年末的时间范围内的预期信号结构。许多开放信号在1575.42 MHz和1176.42 MHz共享公共载波频率，同时具有共同频谱，有利于多系统的双频互操作性。

最近，作为第三个考虑因素，已将频谱多样性添加到兼容性和互操作性中。将信号置于与其他信号不同的载波或子载波频率降低了有意或无意干扰将影响所有信号的可能性，并增加了接收机采用各种信号以“操作”干扰事件的机会。
尽管除了需要在接收器中使用多个RF前端之外，还必须考虑在天线和接收器中实现更宽RF带宽的挑战，因此多样性趋向于增强兼容性。
一些现代化和新的信号揭示了对比的设计哲学。例如，几个现代化的GPS信号是为特定用户群设计的：L2C信号旨在满足商业用户的需求，而L5信号旨在满足运输生命安全要求。
Galileo的E1开放服务（OS）当前设计的关键方面是需要根据以前的生命安全（SOL）服务的要求提供每秒125位的数据速率 - 现在“重新配置”为完整性监控服务 - 即使数据消息的健壮性因此而降低。
相比之下，GPS L1C信号设计包括广泛优化的特性和灵活的特征的组合，这些特征使得能够使用来自相同信号的不同类型的用途。高精度接收器可受益于时分复用二进制偏移载波（TMBOC）扩展调制，而窄带接收器可将TMBOC作为BOC（1,1）扩展调制处理。
类似地，寻求在挑战条件下从L1C数据消息读取时钟校正和星历数据的接收器可以相干地组合来自数据消息的连续子帧的数据符号，以获得较低的数据解调阈值。而且，不需要来自信号本身的数据消息的接收器只能处理具有75％信号功率的导频分量。

L波段信号总体拥挤

越来越多的挑战是在上L带中寻找额外信号的空间。如图2所示，上部L波段的大部分充满了现有或预期的信号，使得很难在该波段中找到任何“空白空间”。

量化频谱利用的一种方法是将卫星信号的数量相加，每个卫星信号由一个卫星发送的一种信号类型（如果合适，包括多个分量）组成。表1总结了卫星信号的数量，使用每个系统的现有或公布的信号设计，以及基于国际电联备案的卫星数量。

一些不确定性与最终将填充各种星座的卫星数量有关，但这些数字具有代表性。 GPS和GLONASS比新系统提供更多的卫星信号，因为每个系统的卫星都传输已经广播的原始信号，以及将来越来越多地使用的现代化信号。
预计总共422个卫星信号在上L波段工作，在51兆赫兹带宽内平均有8.3个卫星信号/ MHz。 1559 MHz和1594 MHz之间的RF频谱将包含314个信号，或9.0个卫星信号/ MHz，而1594 MHz至1610 MHz相对未充分利用，仅有108个信号或6.8个卫星信号/ MHz。

未来的信号

虽然如前所述，“很难做出预测，特别是关于未来的预测”，但可以对未来的卫星信号做出一些猜想。
卫星导航系统，信号和接收器可能会继续受到压力，以便在最近的信号和接收器设计试图解决的领域进一步改进。由于带内和带外干扰不太可能减少，因此在各种干扰环境中的可靠性和连续性操作将持续且变得越来越重要。
用户还将在其他具有挑战性的环境中寻求更好的性能，包括更深的室内区域和城市峡谷，其天空视野越来越有限。某些应用不仅需要存在多径，而且需要较小的定位误差，尤其是在存在组合阴影和多径的情况下。
仅信号设计无法解决这些问题，但它们可以为解决方案做出贡献。虽然更宽的带宽信号倾向于更好地容忍带内干扰，但是中心频率接近受保护频带中心的较窄带宽使接收机设计具有更尖锐和更深的前端滤波器截止，使得用户设备对带外干扰不太敏感。
较高的信号功率和较低的中心频率可以帮助信号穿透建筑物，而增加数量的卫星对于天空观看有限的接收器的性能至关重要。
正如M. Sahmoudi和M. G. Amin的文章（参见附加资源）所述，Cramér-Rao多路径码跟踪的下限表明，具有较大RMS带宽的信号使接收机处理能够更好地减轻多径。更高的RMS带宽还可以在RF噪声和干扰条件下提高伪距精度（有关详细信息，请参阅J. W. Betz和K. R. Kolodziejski的文章。）
关于未来信号，系统和接收器的其他总体问题仍然存在：
卫星导航系统将采用不同的信号，每个信号专门针对不同类型的用户（例如，航空，大众市场，高精度），或者他们将采用多用途信号，结合广泛优化的特性和灵活的功能，使不同类型的使用相同的信号？
卫星导航系统将完全接受通信/导航集成并发送没有数据消息的信号，以便接收器可以使用所有信号功率进行相干跟踪，同时获得通常在来自互联网的数据消息中找到的信息，其他无线通信链路，增强信号，或其他卫星信号？
接收器硬件的进步是否会使先前通过公共载波频率实现互操作性的努力变得迟钝，而是在同一通用频带内有效地组合来自不同载波频率的不同信号的测量结果？
表2总结了从原始信号到今天的信号设计的演变，也确定了下一代信号的可能变化。

开销权衡

考虑的一个选择是使用更高频带以避免L波段中的频谱拥塞。国际电联最近的行动为RNSS开辟了2483.5 MHz至2500 MHz的频段; BeiDou将此频段用于其RDSS，而印度区域导航卫星系统（IRNSS）已经表明该频段的卫星信号计划。还考虑了C波段（5010 MHz至5030 MHz）。
然而，这两个频段都很窄，限制了可能放在频段内的卫星信号的数量，同时保持兼容性并且还限制了可用的接收机性能。此外，这些较高频率放大了相位噪声和其他信号缺陷，以及接收器运动的影响，例如多普勒频移和多普勒频率。雨水，树叶和建筑材料的传播损失在C波段明显大于L波段。
为了提供与当今L波段信号相当的性能余量，这些较高频率的相关附加损耗 - 加上增加的自由空间传播损耗 - 需要增加发射功率和接收天线阵列与许多元素的组合，伴随着多个RF前端，模数转换和信号处理电路，以形成和指向光束。
最后，使用C波段或S波段的独立接收机仍然需要来自同一卫星的不同频率（可能是L波段）的第二信号，以便消除否则可能接近或超过一米的电离层误差。
为L波段或更低S波段的卫星导航打开新频谱将是有利的，但目前强调为移动无线使用分配任何可用频谱，以及甚至保护使用当前分配的RNSS频段的挑战，使得这种新的频谱分配用于卫星导航目的不大。
虽然利用现代化信号已经实现了最小接收信号功率的适度增加，但是共享频谱的需要将限制进一步增加。
使用左旋圆极化发射附加信号会降低MAI，但由于发射和接收天线的椭圆率以及由于反射引起的极化反转，极化隔离将是不完美的。使用LHCP信号和RHCP信号也需要稍微复杂的天线。
在过去的15年中，扩频调制已经看到了巨大的创新和进步，在噪声和干扰中实现了更好的频谱共享和改进的多径缓解和代码跟踪。我们尚未看到是否会发现与实际限制相符的进一步改进。
有人认为，将使用非常宽的带宽扩展调制，但是卫星和接收器的实际实施因素与有限的频谱相结合，使得这种前景非常不可能，至少在目前正在讨论的频段中。
传播代码也已成熟。尽管当前扩频码的性能明显低于相关旁瓣电平上的Welch界限，但是没有明显的方法可以缩小这一差距。
数据消息结构不断发展。最近对增加信号保证的需求的讨论已经提出了数字签名或数据消息中的其他认证特征的提议。在试图实施这些措施之前，需要评估一些考虑因素，包括其他信号性能措施的可能退化，此类方法在更广泛的信息保障环境中的适用性（包括可能增加的拒绝服务攻击的脆弱性），以及在没有数据消息功能的情况下获得信号保证的潜力。
在当今许多新的和现代的信号中使用的数据消息纠错的重大改进仍然存在机会。尽管更有能力的差错控制编码方法（例如turbo码和低密度奇偶校验（LDPC）码）越来越实用，但是对这些信号中的许多信号使用半速率约束长度7卷积编码。
使用更强大的纠错码可以将数据解调阈值降低几个分贝，为增强信号设计提供了多种机会，例如增加用于导频组件的功率比例，如使用LDPC码的GPS L1C设计。
原始的GLONASS民用信号使用曲折序列作为基本覆盖码来减少数据比特内的重复扩频码的周期性。当底层扩展码太短时，现在广泛使用更有能力的覆盖码。对于进一步增强的覆盖码的需求和机会都不明显。
多路复用最近一直是一个非常活跃和重要的话题，并且可能会有进一步的进展。使用诸如相位优化的恒定包络传输（POCET）之类的技术的优化M元相位调制方法利用可以传输大量不同相位值的信号生成硬件。 POCET和其他方法选择优化的相位值，通过在互调产物中消耗较低的分数功率来获得更高的效率，同时仍然产生恒定包络复合信号。
同样重要的是最近推广对称AltBOC的工作，允许在两个不同子载波的同相和正交相位上传输具有不同扩频调制，功率电平和其他特性的根本不同的信号设计。（例如，参见L. Zhu等人和Z. Yao和M. Lu的附加资源中列出的文章。）
这些进步保持了单个RF发射器链和恒定包络复合信号的优点，同时在不同频率下放置不同的信号。这些发展的第一个应用可能是北斗卫星，它们以1561.098 MHz传输当时传统的第2阶段民用B1信号，同时还传输更先进和更具互操作性的第3阶段民用B1C信号，频率为1575.42 MHz。
剩下的信号设计问题涉及GPS和GLONASS上的原始信号。随着新的和现代化的信号变得可操作，并且接收器被用于利用由此产生的丰富信号环境以及更先进的接收器技术，原始信号将保持原样，修改还是逐步淘汰？这个问题仍未解决。

结论

卫星系统信号结构的发展是当今卫星导航系统成功的重要因素，也是进一步改进的前景。原始信号设计提供了强大的功能，充分利用了当今的接收器开发人员。
新设计和现代化设计得益于设计理念的组合：

经过验证的原始信号特征，例如L波段的操作；
在设计原始GPS信号期间开发但当时未实现的设计概念，例如强大的前向差错控制编码和单独的导频和数据组件；
新的发展，如先进的扩频调制和信号多路复用技术。

信号设计的这些进步受到接收机处理技术和技术改进的推动和支持。
四个GNSS系统正在运行或正在部署，还有几个区域卫星导航系统和众多SBAS。原始GNSS系统的现代化信号设计以及新GNSS系统的新信号设计为接收机设计人员提供了巨大的机会，可以从用户设备中获取更高的性能，并使接收器能够在日益紧张的条件下运行。这些新的和现代化的信号结构也反映了在实现信号和系统之间的兼容性和互操作性方面的国际成功。
未来机会和不确定性都在等待着我们。 satnav信号的发展是否会进一步彻底改变定位，导航和定时（PNT），或者将satnav视为成熟商品，未来的创新将重点放在PNT的应用，增强和补充技术上？
存在挑战，并且存在应用，增强和引入信号结构以应对这些挑战的机会。

致谢

这项工作得到了空军根据合同FA8702-13-C-0001的支持。本材料的内容反映了作者的观点。无论是全球定位系统理事会还是美国空军，均不对本文所述观点的内容或准确性做出任何保证或保证，或承诺，明示或暗示。感谢Christopher Hegarty博士让作者了解了Project 621B报告。

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