天象一号导航增强信号设计与性能评估

伍蔡伦，树玉泉，王 刚，李胜军

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

北斗卫星导航系统即将建成，但面临GNSS市场竞争日趋激烈和国民经济发展对导航定位服务性能进一步提升的双重需求，有必要进一步加强以北斗为核心的卫星导航系统建设，从而在竞争中占据更有效的地位[1]。低轨卫星由于运行速度快、多普勒变化大及几何构型变化迅速等一系列特点越来越受到卫星导航领域的重视[2]。国内多家单位对低轨导航增强性能进行了仿真分析和研究，甚至发射了试验卫星进行相关关键技术验证，并取得了一定的研究成果[3]。总体而言，低轨导航增强是对北斗卫星导航系统非常好的补充、备份和增强。

从技术角度分析，低轨导航增强系统在天基监测、低轨完好性以及全球精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)服务等方面具有突出优势[4]。天基监测解决了北斗系统无法在全球建站的难题，利用低轨卫星的动态特性显著提高GEO卫星的定轨精度，从而提升北斗系统的基本服务性能。完好性服务则是利用卫星在低轨轨道实现对中高轨卫星信号的多重实时监测，综合处理后提供及时的完好性告警信息，为航空、自动驾驶等生命安全领域提供服务。全球PPP服务则是通过低轨卫星播发北斗及低轨卫星的精密轨道和钟差等增强信息，并利用低轨卫星几何构型变化快等特点实现PPP，有效减少收敛时间，实现无需地面站支持的PPP服务。

为了加快低轨导航增强以及卫星互联网建设进程，中国电子科技集团有限公司启动了“天象一号”A/B双星工程用于导航增强和移动通信等关键技术验证。信号设计作为其中的核心环节，从需求和服务能力出发，并在与北斗信号满足兼容和互操作的约束条件下，创新地设计了基于低轨卫星的导航增强信号体制以及性能评估，经过针对性的分析和计算，所设计信号为未来低轨导航增强系统的顺利实施提供了良好的技术手段。

1 低轨导航增强系统概述

低轨导航增强系统通过星载GNSS接收机完成自主高精度实时定轨和时间同步，利用星上观测数据结合少量地面站实现天基监测和完好性监测，同时低轨卫星播发调制有北斗及低轨卫星精密轨道和钟差信息的下行导航增强信号，地面终端接收北斗信号及低轨信号实现完好性和精度增强，从而实现无需地面站支持的高精度、高可靠定位。

低轨导航增强系统按照体系架构分为空间段、控制端和应用段。空间段主要包括两型卫星：I型卫星包含高精度接收载荷、PPP载荷以及完好性载荷；II型卫星只包含前二者。高精度接收载荷实现北斗信号的接收和处理，在I/II型卫星上均搭载，PPP载荷则提供PPP服务。仿真表明，卫星总数不低于150颗并采用合理星座构型就可以满足PPP服务1 min以内收敛至水平0.1 m以内。为了满足收敛时间要求，I/II型卫星均搭载PPP载荷。完好性监测则只需要部分卫星搭载就可以满足要求，故只在I型卫星配置。控制段包括主控站、注入站以及地面监测网，实现对低轨信号的监测以及增强信息的生成和注入。应用段则主要是高精度高可靠导航用户。天象一号低轨导航增强系统以此为框架开展关键技术演示验证。整个低轨导航增强系统架构如图1所示。

图1 低轨导航增强系统架构Fig.1 Architecture of LEO enhanced navigation system

2 低轨导航增强信号设计

2.1 设计原则

信号体制是整个系统的核心，它的设计决定了系统的基本性能和服务水平。低轨导航增强信号播发精密定位和完好性信息，其良好的兼容性、测距性能及信息帧设计决定了终端的研制成本和用户使用的便捷性[5]。同时，信号体制设计也需要考虑多种实际使用时的约束条件限制[6]。综合分析，低轨导航增强信号体制的设计原则如表1所示。

表1 信号体制设计原则Tab.1 Principle of signal design

在天象一号低轨导航增强系统中将以上述原则为依据开展LePT信号的设计。从消除电离层误差和信息播发实时性出发，LePT信号包含2种：LePT1和LePT2信号。LePT1信号主要播发低轨卫星本身的电文信息，北斗卫星增强信息及慢变完好性信息；LePT2信号主要播发快变完好性信息。同时，LePT信号支持可重构功能，可根据任务规划更改播发内容。

2.2 频率选择

LePT信号的频率选择主要从频率可选择性、与GNSS信号的兼容性以及对其他系统的干扰等角度综合考虑。

① 与现有GNSS信号兼容，LePT信号可选择L频段，但对北斗系统使用应不造成干扰；

② 采用双频实现电离层校正，从电离层消除效果考虑，建议频率相隔在200 MHz以上；

③ 具体频率值应考虑信号发射和星载接收载荷的收发隔离问题。星载接收载荷选择频点主要包括1 575.42，1 227.6及1 176.45MHz等频点；

④ 所选频点应为1.023 MHz的整数倍。

综合以上分析，天象一号低轨导航增强系统中选择1 525.21 MHz为LePT1信号试验试用频点，1 298.187 MHz为LePT2信号试验试用频点。

2.3 信号设计

低轨导航增强信号承载了精度增强以及完好性增强功能，主要设计内容包括伪码设计、调制方式、信息速率、符号速率及发射功率等。信号设计将充分考虑与已有GNSS信号的兼容互操作性，使地面用户接收机易于设计和使用[7-8]。

① 调制方式：为了满足兼容性和测距要求，信号调制方式采用扩频+BPSK调制。

② 伪码码型及信号带宽：从GNSS信号兼容和互相关性考虑，LePT1和LePT2信号的伪码采用1.023 MHz伪随机码，周期为1 ms，码长1 023码片。

③ 符号速率：低轨卫星需要播发北斗及自身精密轨道和钟差信息，播发信息量大。受限于扩频码周期为1 ms的限制，采用1 Kb/s的符号速率。

④ 发射功率：为了不对GNSS造成干扰，落地电平应不高于-133 dBm。天象一号卫星轨道高度为500 km，地球半径按6 378 km计算，当接收机仰角为0°时，远地点距离为4383.29 km。由自由空间损耗公式可得：

Ls=32.45 dB+20lgF+20lgD，

式中，F分别为1 298.187 MHz和1 525.21 MHz；远地点距离D为4 383.29 km。计算得出LePT1信号空间损耗为168.95 dB， LePT2信号空间损耗为167.55 dB。0°仰角天线增益按-1 dB计算，可以得出LePT1信号发射功率不低于36.95 dBm，LePT2信号发射功率不低于35.55 dBm。

⑤ 信道编码：信道编码采用北斗三号信号中类似的信道编码方式，即LDPC(972，486)编码[9-10]。

低轨导航增强信号设计框架如表2所示。

表2 低轨导航增强信号设计框架Tab.2 Design framework of LePT signals

2.4 信息帧设计

低轨导航增强信号主要播发精度增强和完好性增强2类信息。精度增强信息包括北斗卫星以及低轨卫星自身的精密轨道和钟差信息。完好性信息则包括快变完好性信息和慢变完好性信息。由于数据类型和作用各不相同，每类数据的更新周期也不同。在天象一号低轨导航增强系统中选择高压缩比、高更新率的信息帧设计和发播策略。为了提高电文可靠性，采用具备纠错能力和校验功能的电文设计方案，以保证在低轨卫星交接或信号短期中断等特殊条件下仍具备稳定可靠的信息获取能力。此外，增强信息帧具备重构能力，支持未来更多信息内容的扩展[11]。

信息帧设计的基础元素为基本帧，符号速率为1 Kb/s，每帧长为1 000 bit，周期为1 s。帧头与秒起始位对齐，便于进行距离测量。基本帧结构定义如图2所示。

图2 基本帧结构定义Fig.2 Basic frame structure definition

每个电文数据帧由486 bit构成。其中，最高6 bit表示信息类型(MesTypeID)，最低24 bit为循环冗余校验位(CRC)，其余456 bit为数据域，其具体内容由不同信息类型决定。电文数据帧经过LDPC信道编码后为972个符号，与长度为16个符号的同步头、8个符号的本星PRN号、4个符号的预留标识位共同构成1 000个符号，即一个基本帧。

每个基本帧第一个符号(即同步头第一个符号)的前沿与卫星时间的整秒沿对齐，每帧播发时间为1 s。其中，同步头为固定16位独特字，值为0xEB90，播发时高位先发，即1110101110010000。卫星编号为本星PRN号。预留标识位用于指示PPP服务状态：预留标识位高位为1时表示本星PPP服务不可用；预留标识位高位为0时表示本星PPP服务可用；其他符号位含义预留。预留标识位状态极少发生变化，用户可通过多帧信息叠加得到电文，从而降低解调时的误码率。

电文信息类型用于区分有效数据域播发的信息内容，信息类型定义和播发策略如表3所示。信息类型预留了6位，可以表示64种电文信息类型。在天象一号中所使用的低轨卫星精密轨道与钟差、GNSS卫星精密轨道与钟差以及完好性信息等信息类型进行了设计和编排，分别设计了“综合信息帧”和“完好性信息帧”2种基本帧，分别在LePT1和LePT2信号进行播发。信息帧类型可根据实际应用进行扩展重构。

表3 信息类型定义和播发策略Tab.3 Information type definition and broadcasting strategy

3 信号仿真分析

3.1 兼容性分析

低轨导航增强信号与北斗信号兼容使用，兼容性分析是低轨导航信号性能评估的重要内容。频谱分离系数(Spectral Separation Coefficient，SSC)作为衡量兼容性的一项重要指标，主要测量低轨导航增强信号与北斗信号的相互干扰关系[12]。该指标与二者的信号功率密度有关，反映了北斗信号对低轨导航信号的捕获、跟踪以及解调性能的影响，目前已经成为兼容性评估最常用的指标之一，其计算公式如下：

式中，βr为接收机前端带宽(Hz)；Gs(f)为低轨信号功率谱密度(W/Hz)；Gl(f)为北斗信号的功率谱密度(W/Hz)。可以看出，它客观地反映了低轨导航信号与北斗信号的频谱重叠程度。如果频谱分离系数越小，则低轨信号与北斗信号的相互干扰程度就越小。假定发射带宽为无线带宽，接收带宽为20 MHz，低轨信号与GNSS信号的频谱分离系数计算如表4所示。

表4 LePT信号与GNSS信号谱分离系数计算Tab.4 SSC calculation of LePT and GNSS signals

由表4可以看出，由于LePT信号与GNSS信号并不完全重叠，其谱分离系数均在-100 dB以下，不对原有GNSS信号产生干扰，因此满足兼容性要求。

除了兼容性以外，与北斗信号之间的互操作也是信号设计的重点。互操作主要是指地面终端用户接收低轨导航增强信号比单独接收北斗信号或低轨信号带来更好的性能提升，且不会给接收机生产厂家和用户带来额外的负担和成本[13]。本文所提出的LePT信号体制从空间基准、时间基准及信号调制等参数与北斗信号均保持一致，减少了接收机开发难度，因此二者之间具备互操作能力。

3.2 跟踪精度分析

码跟踪误差是评估导航信号测距性能的重要指标。常规接收机中采用码跟踪环路实现对伪码的跟踪和同步并获得伪距观测量。它的误差大小决定了设计信号的质量，一般采用超前减滞后的伪码跟踪环实现[14]。相干伪码跟踪环的码跟踪误差表达式为：

式中，βr为接收机前端滤波器带宽；BL为环路带宽；T为相干积分周期，C/N0为载噪比；Gs为接收信号功率；Gs(f)为接收信号归一化功率谱密度；Gw(f)为噪声干扰信号的归一化功率谱密度；δ为相关器间距。设定环路带宽为1 Hz，相干积分时间为1 ms，前端带宽为2.046 MHz，相关器间距为1 码片，系统噪声为高斯白噪声，经计算，LePT信号与L1、B1I、B1C信号的码跟踪比较误差分别如图3所示[15]。由图3可以看出，LePT信号在载噪比为40 dB-Hz时码跟踪误差为0.7 m，跟踪误差稍高于B1I和B1C信号，但小于GPS L1信号。载噪比为60 dB-Hz时LePT信号跟踪误差为0.08 m，和B1C和B1I信号接近。在同样载噪比条件下，LePT信号的码跟踪误差要优于GPS L1信号，稍低于北斗B1I信号和B1C信号。

图3 LePT信号码跟踪误差Fig.3 Code tracking error of LePT signal

4 结束语

针对低轨导航增强的服务需求和可用资源设计了LePT1和LePT2双频低轨导航增强信号，并满足与GNSS信号的兼容与互操作要求，简化了低轨导航增强终端设计流程，降低了研发成本。在信息帧设计方面，通过播发北斗与低轨卫星的精密轨道、钟差以及完好性信息，为未来满足全球PPP、全球SBAS等高精度高可靠定位服务提供了实现途径。同时，信息帧设计支持多种信息类型的扩展，未来可进一步支持安全认证、辅助增强等多种业务能力。所设计的LePT信号在天象一号卫星平台上进行了在轨验证，各项性能指标均符合预期并满足设计要求，为后续低轨导航增强系统的规模化应用打下了良好基础。