第3章 卫星导航信号中的调制技术

3.1 引言

在构成卫星导航信号体制的要素中，调制波形决定了卫星导航信号的功率谱包络，而功率谱包络表征了卫星导航信号功率谱的全局特征，对信号的码跟踪精度、抗多径、抗干扰及不同信号间的兼容性都有决定性的影响。因此，有效的信号波形设计不仅可以提高导航定位性能，也是缓解现阶段频谱资源紧张，以及减小与同频段相邻信号干扰的解决方案之一，其已成为现代化GNSS信号体制设计中最关键的环节^[1]。

信号波形设计贯穿了GPS信号体制的现代化和Galileo信号体制设计过程的始终，其重要性不言而喻。GPS原始信号采用的波形都是矩形，直到在m码的设计过程中Betz提出了BOC调制方式^[2,3]，信号波形设计才出现了“质”的飞跃。由于BOC调制在码跟踪精度、抗干扰、抗多径及兼容性方面所展现出的优势，其迅速引起了国内外相关学者的关注，他们设计了一系列基于BOC的调制方案，如交替BOC（AltBOC）调制^[4]、二进制编码符号（BCS）调制^[5]、复合BCS（CBCS）调制^[6]、混合BOC（MBOC）调制^[7,8]等。在这些信号波形中，BOC调制、AltBOC调制、MBOC调制被GPS和Galileo所采用^[9]。新的卫星导航信号波形设计在提高测距精度、改善兼容性等方面展现出了巨大的优势^[10]。

从信号播发角度看，GNSS可以认为是一个无线电广播系统，尤其在应用了码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）技术后，其完全蜕变为一个同频广播系统，主要原因如下：①星座内各导航卫星在同样的标称频点广播相同的导航电文；②这些卫星用各自分配的伪随机码来调制导航电文，并最终形成不同的测距发射信号，以便在接收机内区分各卫星及实现并行测距；③承载在卫星导航信号上的数据都以较低的数据率进行简单的二进制调制。在卫星导航系统中，链路的种类、特性、参数设计等具有一定的差异性，因此各卫星导航系统所采用的调制方式也有所不同，但都应具有调制谱效率高、抗衰落和抗干扰能力强、对相邻信道干扰小、调制/解调电路容易实现等特性^[11]。

随着卫星导航系统的飞速发展，2030年L波段的卫星导航信号预计将超过400个^[12]，越来越多的GNSS信号将共享L波段有限的频谱资源，信号间的频谱混叠将不可避免。这严重威胁了卫星导航信号的兼容性和谱安全性，也对L波段新信号波形设计提出了更高的要求。目前卫星导航信号普遍采用BPSK调制、BOC调制、MBOC调制等，它们的功率谱旁瓣幅度较大，并且衰减速度缓慢，不能满足过度拥挤的L1/E1/B1（1559～1610MHz）频段上的兼容性要求^[1]。不管是BPSK调制还是BOC调制，在其信号调制过程中都使用了不连续的相位调制方案，即存在0°或180°的相位跳变。这样虽然有利于信号的接收和相关解调，但却展宽了卫星导航信号的频谱，大大增加了其被干扰的可能性^[10]。

为了在拥挤的L波段设计兼容性更好的信号波形，胡修林等引入了MSK调制，建立了MSK-BOC调制的通用数学模型，分析结果表明：当发射带宽与BPSK调制信号功率谱密度的主瓣宽度接近时，MSK调制的导航性能优于BPSK调制，论证了在L波段采用MSK调制的可能性^[13]。文献[14]针对C波段提出了一个改进的MSK-BCS方案，研究结果表明该方案具有较好的自相关特性、较大的Gabor带宽、较小的克拉美罗下界及较强的抗多径能力。国外学者Avila-Rodriguez等提出在C波段使用GMSK调制，它具有较好的频谱抑制能力，但由于高斯滤波器的引入，接收机处理的复杂度将大大增加^[15]。朱亮等提出了基于椭圆球面波函数（PSWF）的C波段信号波形设计方案，仿真结果表明：基于PSWF的调制信号具有良好的带外抑制特性，可满足C波段严格的信号兼容性约束要求，并具有优于传统BPSK调制的跟踪测距精度和抗多径性能^[16]。

通过上述分析，我们不难勾画出卫星导航信号调制方式的演进路线，从BPSK调制和QPSK调制开始，到BOC调制及其改进类型，再到MSK调制，再到MSK调制的改进类型（含GMSK调制），正在向更高性能的CPM进发，总体趋势是从相位不连续的调制方式向相位连续的调制方式转变。这条路线与现代数字通信调制方式的演进路线如出一辙，实质上都是以有限的带宽传输更多的数据为目的，只不过在卫星导航系统中所承载的导航数据经过扩频处理后是具备测距功能的信号，但本质并未改变。本章沿着卫星导航信号调制方式的演进路线，介绍了具有代表性的调制方案，阐述它们的数学表达式、自相关函数、功率谱密度等主要内容，分析其性能的优缺点，为未来GNSS调制波形的设计提供参考依据。