王淑娟 吕锡银 贺超
天津航天中为数据系统科技有限公司 天津市 300000
摘要：全球卫星导航系统(GNSS)空间信号(SIS)质量直接影响了用户使用性能。北斗三号卫星不同于北斗二号卫星，将继续播发北斗二号老信号，同时新增播发B1C,B2a等新信号，多频多信号多分量的信号体制较北斗二号更为复杂，对导航卫星信号质量控制提出了较大挑战。
关键词：北斗卫星；信号结构；特性
引言
北斗卫星是我国自主研制的卫星导航系统，对我国的社会发展与安全保障具有重要意义。发展至今，北斗卫星已经历了一号、二号、三号三代系统的工程建设，并于2020年6月23日完成了北斗三号系统最后一颗组网卫星的发射，即标志着我国第三代导航星座部署计划的全面落实，也彰显出了我国作为空间设施建设强国的综合实力。基于此，我们有必要对北斗卫星的信号结构及其运行特性展开探究讨论。
1北斗三号信号体制
北斗三号MEO卫星公开信号将继续播发B1I,B3I信号保障已有用户单频和双频正常使用，同时增加了现代化新信号B1C和B2a实现性能提升和兼容共用。其中，B1C和B2a实现与GPS L1/L5,Galileo E1/E5a的兼容与互操作。目前，B1I,B3I,B1C,B2a接口控制文件已发布。北斗三号卫星相对北斗二号卫星状态更为复杂，播发的信号带宽更宽、信号分量更多。其中B1频点需要实现中心频率不同的B1I,B1C和授权信号等多分量的共同播发，卫星载荷非理想特性将会对信号质量产生较大的影响，因此对载荷通道设计提出较高要求。
2北斗卫星信号的主要结构
2.1北斗卫星信号的信道结构
与前代导航卫星的信道设计思路不同，第三代北斗卫星在数据信道这一传统模式的基础上，融合了非导航电文的导频机制，进而形成了“数据+导频”的混合型信道结构。究其原因，主要是相关人员在既往设计中发现，若存在导航电文的调制需求，一旦信号解调时发生电文翻转，将很容易导致比特跳变的现象，进而造成信号载波频率的异常偏差，削弱信号捕捉的可靠性与高效性。而在采用导频信道后，这一负面问题可得到有效改善。在此基础上，为了进一步强化导频信道的应用效力，第三代北斗卫星将Costas锁相环更换为纯锁相环，以此实现信号捕捉范围的扩大，强化信道对弱信号的跟踪能力。在第三代北斗卫星的实际运行过程中，其“数据+导频”信道模式的工作机制为：首先，依托纯锁相环高水平的闭环跟踪功能，对导频信道内无线信号的码相位、载波相位进行锁定。其后，基于导频信道与数据信道的信号关系，运算获得数据信道内无线信号的码相位与载波相位，以实现数据信道跟踪能力的同步强化。最后，对数据信道内的无线信号进行相干积分处理，从而获取到相应的电文符号，以实现导航电文的解调完成。在此过程中，不需要对导航电文的翻转与否作出考量。这样一来，可在保障和强化北斗卫星系统信号跟踪精准性的基础上，降低电文解调的运算复杂程度，从而实现硬件机构的简化与通信效率的提升。
2.2北斗卫星信号的频率结构
频率结构是评价信号结构质量的重要指标，其对卫星系统的导航通信能力具有直接影响性。在频率结构的设计中，又以频点数、载波频率两项要素最为关键。
在第三代北斗卫星信号的结构设计中，相关人员采取了三种频点相结合的体系方案，其载波频率分别是1176.45MHz、1268.520MHz以及1575.42MHz。一方面，可有效提高我国北斗卫星系统与其他国家卫星系统的互操作性。但从另一方面来看，信号的重叠也会对我国的信息安全构成一定威胁。
2.3北斗卫星信号的调制机制
通常情况下，发送端处原始信号的频谱分量通常处于较低水平，不适合直接作为发出信号在信道中进行传播。此时，就需要对信号进行变换处理，使其转化为更能更高频率的信号，这一转化过程即为信号的调制。在传统时期，卫星导航信号主要采取BPSK调制方式。第三代北斗卫星在信号调制机制的设计上充分借鉴了美、俄两个国家卫星导航系统的调制设计方案，并在此基础上进行了自主化的创新改良。
2.4北斗卫星信号的扩频码结构
做好扩频码结构的设计，也是北斗卫星信号结构设计的重要环节。在卫星导航系统的实际运行过程中，扩频码承担着强化信号抗干扰能力、保障信号长距离传播质量的任务。同时，通过测量扩频码的相位移动情况，相关人员也能对伪距、伪距率等关键参数进行运算。在这一方面，第三代北斗卫星信号设计也充分分析了前代系统存在的主要问题，并实施出了有效的优化策略，如设置分层化的扩频码结构、引入新的扩频码码型、调整扩频码的码长与码率等。具体来讲，第三代北斗卫星中B1C、B2a、B3I三个信号的扩频码参数分别为：（1）B1C信号：数据信道主码为Weil码，主码码长为10230，主码周期为10，无子码。导频信道主码、子码均为Weil码，码长分别为10230、180，码周期分别为10、1800；（2）B2a信号：数据信道主码为Gold码，子码为固定码，码长分别为10230、5，码周期分别为1、5。导频信道主码为Gold码，子码为Weil码，码长分别为10230、100，码周期分别为1、100；（3）B3I信号：数据信道主码为Gold码，主码码长为10230，主码周期为1，无子码。
3北斗卫星导航系统的特点
（1）空间段采用3种轨道卫星组成混合星座。除与GPS、GLONASS、Galileo具有相同的中圆地球轨道（MEO）外，另具有地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO），GEO、IGSO轨道高度均为35786km，属于高轨卫星，其抗遮挡能力强。在其他卫星导航系统不能定位的情况下，北斗仍能定位；在低纬度地区，北斗定位的优点比其他卫星系统更为明显。（2）提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。（3）创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能，
结束语
总而言之，北斗卫星导航系统在信号结构设计的迭代发展中表现出了明显的趋优性与先进性，但仍存在一定的阻碍问题。在未来，随着我国通信、航天、计算机等技术领域的不断发展，此类问题势必能得到有效解决，推动我国太空设施建设水平的进一步提升。
参考文献
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