原标题：北斗三号导航信号的创新设计(二)
三
先进的北斗三号互操作信号
3.1 卫星北斗三号信号概览
根据中国卫星导航系统管理办公室发布的《北斗卫星导航系统发展报告(3.0版)》(2017年12月)，北斗三号将提供RNSS、RDSS、SBAS、SAR和PPP等5种服务。
新启用的3个新导航信号B1C和B2a/B2b将搭载在所有GEO/IGSO/MEO卫星上，并将独立或者部分承载上述所有类型的所有5种公开服务。以ICD的形式已经公布的北斗三号新信号B1C和B2a是北斗三号的两个主要公开服务信号(B2b待公布)；B1C和B2a信号与GPS和Galileo的主要信号公开服务信号共享两个互操作频点(B1/L1/E1和B2a/L5/E5a),并与GPS的L1C和Galileo的E1OS具有很好的兼容和互操作性。
两个新信号各有不同设计重点和特点，其基本定位及主要的应用模式为：
➢B1C是北斗三号的主用信号，B1频点具有最小的电离层 误差，是单频用户的首选信号。B1C信号针对高灵敏度接收机和抗多径性能进行重点优化，以确保恶劣环境下的可靠接收。B1C可供单频或双频、多频接收机使用；
➢B2a是北斗三号的第二个公开服务信号，主要供双频、多频接收机使用;
➢B2单独使用的电离层误差大，但与B1构成B1+B2的双频组合，接收效果最好；B2a针对高精度和抗干扰进行优化，确保与B1的联合使用可在测绘、航空及精准农业等领域时具有最优的整体性能。
3.2 北斗三号B1C信号
(1) B1C信号的定位和设计约束
B1C是北斗三号最主要的公开服务信号，面向全球用户提供公开服务，所有单频或者双频、多频用户接收机都需要接B1C。B1C需要满足以下主要约束条件：
➢ 兼容与互操作：与GPS L1C和Galileo E1 OS实现兼容与互操作；
➢ 技术先进性：与已有的B1I信号共存，确保从北斗二号到北斗三号的平稳过度，同一频点还存在B1A信号，设计难度大；力求采用先进的信号理论与技术成果，以提升其服务性能；
➢ 多样化的服务：同一个信号应支持不同的接收方案，兼顾低成本消费类和高性能测量类接收机的需求；
➢ 自主知识产权：北斗自主可控、自主创新的标志。
(2) B1C的信号结构
该信号结构的主要特点为：载波频率为1575.42MHz (B1/L1/E1),信号带宽为32.736MHZ;采用BOC和QMBOC的分裂谱设计，尽可能增大Gabor带宽，以改善测距精度；数据分量BOC(1,1)与导频分量BOC(6,1，4/33)正交功率比为1:3，力求改善低信噪比条件下的跟踪性能，提高抗遮挡能力，并具有较强的抗多径和抗干扰能力。
(3) B1C的测距码
B1C信号的测距码采用分层码(Tiered Code)结构，由主码和子码异或构成(与B2a相同)。分层码结构的主要优势包括：增加有效扩频序列周期长度，改善互相关特性；减少功率谱密度的线谱宽度，提高信号抗窄带干扰能力；帮助数据信道实现数据符号快速同步。每颗MEO和IGSO卫星对应唯一的PRN号，同一颗卫星播发的B1C和B2a信号采用相同的PRN号。
(4) B1C的导航电文
B1C采用B-CNAV1电文格式。B-CNAV1导航电文数据调制在B1C的数据分量上，新的电文结构具有更好的播发灵活性和电文内容的可扩展性；采用固定帧结构，每帧的电文长度为1800符号位，符号速率为100sps,播发周期为18秒。
3.3 北斗三号B2a信号
(1) B2a信号的定位与设计约束
B2a是北斗三号的第二个公开服务信号，可用于生命安全和高精度测量等高性能服务，也可用于对性能要求较高的消费类服务，主要用于双频或三频接收设备。
B2a的主要设计约束包括：
➢ 兼容与互操作：与GPS L5和Galileo E5a信号兼容与互操作；
➢ 技术先进性：工作在航空无线电导航(ARN)频段，需要有很强的抗脉冲干扰能力；应具有高精度测距和较强的抗多径能力；
➢ 多样化的服务：应考虑与B2b的协同设计，提供更好的性能和更多样化的接收方式；
➢ 自主知识产权：北斗自主可控、自主创新的标志。
(2) B2a的信号结构
B2a信号的载波频率为1176.45MHZ (B2a/L5/E5a频点)，信号带宽为20.46MHZ；B2a信号为采用ACE-BOC调制的B2(B2a/b)信号的一个边带，可以视为采用数据与导频正交的QPSK(10)结构；导频与数据分量的功率比为1：1；B2a信号可以单独接收，也可以作为ACE-BOC信号与B2b信号联合接收，可提供更好的测距和抗干扰、抗多径性能，能充分体现北斗三号的特色和性能优势。
(3) B2a信号的测距码
B2a信号的测距码结构与B1C相同，也采用分层码(Tiered Code)结构,由主码和子码相异或构成。B2a信号的主码，其速率为10.23Mcps、码长10230的Gold码，子码分为数据分量子码和导频分量子码两种。
➢ 数据分量子码：码长为5，采用固定的5位码序列，即00010.
➢导频分量子码：码长为100，由长度为1021的Weil码通过截断得到，一共有63个子码。
每颗MEO和IGSO卫星对应唯一的PRN号，同一颗卫星播发的B1C和B2a信号采用相同的PRN号。
(4) B2a信号的导航电文
B2a信号采用B-CNAV2电文格式，调制在B2a数据分量上，具有更好的播发灵活性和电文内容可扩展性。B-CNAV2的基本帧结构为：
➢ 导航电文数据每帧电文长度为600符号位，符号速率为200sps,播发周期为3秒。
➢ B-CNAV2导航电文最多可定义63种信息类型
3.4 北斗三号新信号的接收策略
(1) 北斗三号新信号接收方式概述
➢ B1C信号的接收
●B1C是一种全新的导航信号，结构较复杂，分量较多，可以发展出多种不同接收方案，包括基本的宽带接收与窄带接收，以满足不同用户的需求：
●北斗三号将在MEO和IGSO卫星上同时播发B1C和B1I，可以视为一个非对称上下边带结构的超宽带信号，将发展出独特的超宽带信号接收方法，可实现超强的测距精度和抗干扰、抗多径性能，可望成为北斗三号系统的一大特色，并充分展示北斗三号的性能优势。
●B1C信号与L1C和El OS的互操作接收，可在基本不增加成本的前提下进一步提升接收机的性能。
➢ B2a信号的接收
●B2a信号与GPS L5和Galileo E5a相似，其基本的接收方法已日趋成熟；
●为了充分获取B2频点宽带多载波符合信号(B2a/b)的性能优势，接收机可以把整个B2信号以ACE-BOC的接收方式接收，能获得比单独接收B2a更好的性能；
●B2a与L5、E5a互操作接收也能带来性能的进一步提升，具有更好的性价比。
(2) B1C信号的主要接收方法
➢ 基本的宽带接收和窄带接收
●宽带接收：带宽大于14MHZ，同时处理窄带分量BOC(1,1)和宽带分量BOC(6,1)。性能与GPS和Galileo相当。
●窄带接收：带宽大于4MHZ，只处理窄带分量BOC(1,1)，性能优于GPS和Galileo。
●测量精度和抗多径性能均随接收机带宽的增加而提升；同时处理BOC(1,1)和BOC(6,1)分量可以进一步提升测量精度和抗多径性能，接收机复杂度也会相应提升。
➢ 独特的B1I/B1C联合接收
●接收方式：由于B1I、B1C基于同一星钟分别产生并复用，以同一射频链路播发，故可视为一个特殊的双边带超宽带信号，可以作为一个信号整体接收，为北斗独有的特色。
●接收性能特点：联合接收的自相关函数具有非常尖锐的主峰、最大的Gabor带宽；理论上具有极高的测距精度(B1I 的5倍)，明显提升抗干扰、抗多径能力，具有超越GPS L1和Galileo E1的性能优势。
(3) B2a信号的接收策略
B2信号具有多频、多分量、宽带的特性，为接收机提供了多种复杂度和性能之间的权衡方案。B2a信号主要的接收方式包括：B2a单频接收、B2a单频匹配接收、B2全匹配接收。随着带宽与处理复杂度的提升，B2a信号的相关峰越来越尖锐，测量精度和抗多径性能明显提升。
B2全匹配接收方式的复杂度较高，但可以获得更高的测距精度、更强的抗干扰和抗多径能力，能够超越GPS L5信号的性能。
四
北斗三号互操作信号的现状
4.1北斗三号信号的部署情况
截止到2019年4月，北斗卫星导航系统已经发射了20颗北斗三号导航卫星，其中包括18颗MEO卫星、1颗GEO卫星和1颗IGSO卫星。2018年12月完成了基本系统建设，组成基本系统的18颗MEO卫星全部部署了新一代北斗信号B1C和B2a,并已经向全球提供公开服务。
4.2 北斗三号新信号的信号质量
五
总结与展望
卫星导航信号是卫星导航系统的重要组成部分，是现代卫星导航三边定位技术*的核心载体，在卫星导航系统中具有特殊的地位与作用。北斗三号导航信号是北斗三号系统最具代表性的核心技术之一，构思巧妙、技术先进、性能优异，与GPS、Galileo兼容与互操作能力强，并具有自主知识产权，代表着世界先进水平，为我国北斗三号的系统建设、应用推广和产业化以及国际合作与交流奠定了坚实基础，将成为“中国的北斗，世界的北斗”的主要标志。截至到2018年12月，北斗三号系统已经完成了基本系统的建设，部署在18颗组网卫星上的B1C和B2a信号已经向全世界提供高性能的公开服务。
从在轨测试与实际使用的结果来看，北斗三号基本系统的定位性能已经达到设计目标，但新信号的能力尚未得到充分发挥，迫切需要广大专家、学者以及接收机研发人员进一步理解新信号的设计思想，深入分析新信号的技术特点，研究开发新信号的处理算法，进一步挖掘新信号的潜力，充分发挥其在测距、抗多径和抗干扰方面的优势。特别是北斗三号B1I/B1C的联合接收方案、B2a/B2b的全匹配接收方案，为北斗三号在服务性能上全面超越GPS和Galileo奠定了坚实的基础。
北斗三号基本系统的建成，Galileo和GPS的现代化进展以及GLONASS的发展，GNSS兼容与互操作的目标已经初步实现，多系统互操作接收机将成为未来的主流，迫切需要进一步完善多系统互操作接收机的体系结构、先进算法和高效实现技术，进一步降低体积、功耗和成本，大幅度提升PNT服务性能，使全球用户共享兼容与互操作的成果。
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