第1章 绪论
1.1 引言
从古至今，人类一直在不懈追求与应用导航技术，先后出现了司南、星盘、六分仪、航海钟及无线电导航。近几十年，随着航天科学技术的飞速发展，人类进入了卫星导航时代，获得了相对理想的定位、导航与授时（Positioning, Navigation and Timing, PNT）信息。定位是指以标准大地坐标系为参照，按照用户规定的实时性要求，提供精确的二维或三维位置和方位的能力；导航是指按照用户实时性要求确定当前位置和目的地位置，并参考地理和环境信息，修正航线、方向、速度，并抵达任何位置的能力；授时是指能在任何地方，按照用户规定的实时性要求，得到并保持准确和精密时间的能力[1]。
全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）是一个能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度及时间信息的空基无线电导航定位系统，包含一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统[2-3]。GNSS不仅是国家安全和经济发展的基础设施[4]，也是衡量综合国力和现代化水平的显著标志之一，由于其在政治、经济、军事等方面具有战略性和基础性作用，因此世界主要大国和经济体都在竞相发展各自的卫星导航系统[5]。目前，已进入实质性运作阶段的GNSS主要包括美国的全球定位系统（Global Positioning System, GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS，俄语“全球导航卫星系统”的缩写）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System, Galileo）及中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）。另外，日本的准天顶卫星系统（Quasi-zenith Satellite System, QZSS）、印度的区域导航卫星系统（Indian Regional Navigation Satellite System, IRNSS）等作为区域卫星导航系统发展很快[6-7]，美国的广域增强系统（Wide Area Augmentation System, WAAS）、欧洲静止卫星导航覆盖服务系统（European Geostationary Navigation Overlay Service, EGNOS）、印度的GPS辅助型静地轨道增强导航系统（GPS Aided Geo Augmented Navigation, GAGAN）等作为增强系统也有相对广泛的应用[8-10]。
众所周知，GNSS由空间段、地面段和用户段组成，这3个部分通过多种无线电链路或光学链路有机地构成一个整体。卫星导航信号是一个由空间段播发的无线电广播信号，卫星导航信号传输链路是GNSS中唯一一个在空间段、地面段和用户段之间建立联系的核心链路[11]，拥有十分重要的地位。信号体制是卫星导航系统技术体制中最重要的组成部分之一，关系到定位、授时和测速等基本功能，以及定位测速授时精度、兼容和互操作性、保密性、抗干扰能力等技术指标的实现。一个设计合理、性能完善的信号体制，在卫星导航系统中有着非常重要的位置[12]。
为提高卫星导航信号的测量性能，GPS、GLONASS、BDS等系统均对信号体制进行了升级，Galileo系统在设计之初就对信号体制进行了全面论证[13]。目前，对卫星导航信号体制的基础理论研究已转向深入，各种性能指标的计算方法也日趋成熟。如何提高信号抗干扰能力和测距精度，并适时提高卫星导航信息下行速率及增强卫星导航系统的可靠性是新一代卫星导航信号设计中备受关注的问题[14-15]。卫星导航信号的设计正朝着多样化发展，而标准是一个行业可持续发展、高效产业化的重要前提和保障，两者的相辅相成必将有力推进卫星导航技术的创新和发展，规范卫星导航应用的产业市场。目前，四大卫星导航系统均发布了多个版本的空间信号接口控制文件（Interface Control Document, ICD），但还没有形成统一的国际标准，各系统依据自身特点对信号格式进行定义[16]。
随着四大GNSS系统、日本QZSS、印度IRNSS及多种星基增强系统（Satellite-Based Augmentation System, SBAS）[17-19]的不断发展，L波段（1164～1610MHz）导航信号在2030年预计将超过400个，并且空间在轨导航卫星将多达160颗，如图1.1所示[20]。这些导航信号的中心频点完全重合或者非常接近，各系统信号间的射频干扰已不可避免，必然引起L波段GNSS信号的兼容性问题[4,21-22]。频谱重用[23]和开发新的频谱资源是解决该问题的主要手段。国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）将S波段（2483.5～2500MHz）和C波段（5010～5030MHz）分配给导航业务[24-26]，由于S波段16.5MHz的带宽较窄，单一S波段信号难以超越L波段信号的性能，但S波段与L波段的信号组合可以提升无线电导航卫星服务（Radio Navigation Satellite Service, RNSS）的综合性能[27]。虽然C波段频谱资源有限，但多个国家已表明要开发和利用C波段的意图[28-32]，S波段和C波段为未来GNSS信号的设计提供了新选择。
图1.1 预计2030年L波段GNSS信号分布
与单一频点的卫星导航相比，多频卫星导航可以缩短模糊度初始化时间，有效提高定位精度及可靠性，已成为高精度卫星定位的发展方向[33]。目前卫星导航局限在L波段上多频，随着S波段和C波段对导航业务的开放，多频还可以采用大间隔的多波段多频。这更有利于消除频变误差，有利于快速求解模糊度，有利于抗干扰，有利于与通信系统的融合和互补[34]。当前，探索一种能够满足各波段兼容性约束要求的通用调制波形是多波段联合导航信号体制设计的紧迫任务，通用调制方案有助于降低多模接收机的设计复杂度，其基带处理部分可以实现多信号共用，易于硬件集成，对多波段联合导航的推广和应用具有积极意义[35]。
连续相位调制（Continuous Phase Modulation, CPM）是一种包络恒定、相位连续、功率效能与频带效能都较高的调制方案[36-39]，特别适用于采用非线性功率放大器且功率和带宽均受限的卫星通信系统[40-42]和卫星导航系统[43-46]。值得注意的是，CPM是一类多参数可配置的调制集合，其参数调整灵活、信号储备丰富，通过对调制参数的合理配置，可满足各波段的兼容性要求，具备多波段多频点的部署能力[21,32,47]，是多波段联合导航信号中具有竞争力的调制方案之一。本书针对L波段、S波段、C波段导航信号的兼容性约束要求，基于CPM设计多波段卫星导航信号体制，主要内容涉及北斗多波段多频测量值组合模型、GNSS中主流的编码和调制技术、多波段中CPM方案设计、基于混沌序列的测距码设计、非相干混沌测距码的捕获与跟踪、卫星导航信号的质量评估等。对上述内容的研究将有助于提高卫星导航定位精度、实时性及鲁棒性，降低终端的硬件复杂度，促进新导航波段资源的开发与利用，拓展多波段卫星导航信号体制的设计方法，为现有GNSS的技术升级和下一代卫星导航信号体制的设计提供新思路和可行性论证，并为其推广应用奠定理论和技术基础。