北斗系统B1频段导航信号的多路复用策略研究

liyf

《电子技术应用》2012年第38卷第7期
中国第二代北斗卫星导航系统将分为区域系统和
全球系统两个阶段逐步完成[ 1]。北斗B1 频段区域信号
的中心频点在1 561.098 MHz ， 采用QPSK(2) 调制； 出于
与GPS 和Galileo 系统实现互操作的需求， 北斗B1 频段
全球信号的中心频点在1 575.42 MHz ， 包括公开服务信
号和授权服务信号。由于北斗系统建设是逐步完成的，
需要在一段时期内保持区域信号和全球信号的共存。因
此， 研发多路导航信号的复用优化方案成为北斗信号体
制设计的一项紧迫任务。
本文针对北斗B1 频段导航信号的多路复用方式及
其性能开展分析研究。为了确保所提出的复用方案的全
面性与最优性， 根据所需复用的不同信号数量和信号间
不同的相位约束关系， 提出了相应的多路复用优化方
案， 并以信号间的功率分配比为参数对相应的复用策略
及复用效率进行评估， 以期找到在复用性能上最优的方
案， 同时也为未来进一步在卫星载荷实现复杂度上的权
衡提供更全面的参考。
1 北斗系统的平稳过渡问题
由于北斗两个阶段的系统建设是逐步完成的， 为了
保障北斗能够在提供持续、可靠的区域定位服务的同
时， 完成全球系统的卫星组网部署， 全球系统的信号体
制必须兼容区域系统的信号体制， 尽可能降低信号体制
过渡的风险。这就需要在一段时期内保持区域信号和全
球信号的共存来实现北斗系统建设的平稳过渡。
因此， 在北斗B1 导航频段上， 导航卫星需要同时发
射低频端的区域信号和高频端的全球信号。一种信号生
成方案是通过两条独立的发射链路分别产生区域信号和
全球信号， 但是该方法会增加星上功率放大器的个数和
发射载荷的设计难度。所以希望将区域信号和全球信号
恒包络复用在同一载波上,通过一条链路发射其复用信号。
针对多路导航信号的互复用问题, 参考文献[2-4] 分
别给出了POCET 相位优化恒包络、多数表决逻辑和Inter-
Vote 复用方法， 通过增加额外的互调分量实现复用
信号的包络恒定化。但这些方法只能实现同频点导航信
号的多路复用， 并不能解决当信号分量调制在不同频点
的恒包络复用问题。另外， 上述方法只给出了针对确定
的信号功率分配比的结果， 而未分析复用效率与信号功
率分配之间的关系以及复用效率最大化的信号功率配
置方式。
由于北斗系统的区域信号与全球信号中心频率不
北斗系统B1 频段导航信号的多路复用策略研究
朱亮， 陆明泉， 冯振明
(清华大学电子工程系， 北京100084)
摘要： 针对北斗B1 频段导航信号的多路复用策略及其性能进行了分析研究。根据所需复用的
不同信号数量和信号间不同的相位约束关系， 提出了相应的多路复用方案。根据信号间不同的功率
分配比对相应的复用策略及复用效率进行评估，以期找到在复用性能上最优的方案。
关键词： 卫星导航； 北斗； 多路复用； 复用效率
中图分类号： TN967.1 文献标识码： A 文章编号： 0258-7998(2012)07-0091-04
Study of combining scheme for BeiDou B1 navigation signal
Zhu Liang, Lu Mingquan, Feng zhenming
（Department of Electronic Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084 ，China ）
Abstract ： In this paper, the combining schemes and performance for BeiDou B1 signals are studied based on different number
of multiplex signals and phase relation constraints. Further more, in order to obtain the optimum solution, the combining efficiency
is evaluated under different power distribution ratio constraints.
Key words ： satellite navigation; BeiDou; combining scheme; combining efficiency
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一致， 提出采用一路复子载波（ 即两路正交的实子载波）
实现区域信号以1 575.42 MHz 为中心频点的单边带调
制， 可表示为：
SC(t)=sgn[sin(2πfsct)]+jsgn[cos(2πfsct)] (1)
其中，fsc
为14.322 MHz 。在这种实现方式下， 区域信号
B1I 和B1Q 实际上分别由两路正交的信号分量构成， 可
表示为SB1I-I、SB1I-Q
和SB1Q-I、SB1Q-Q。
本文根据所需复用的不同信号数量和信号间不同
的相位约束关系， 在现有成熟复用技术下， 提出相应的
多路复用优化方案。通过评估复用效率与信号功率分配
之间的关系， 确定在复用性能上最优的方案， 有效解决
北斗系统建设面临的平稳过渡问题。
2 多路导航信号复用方法
2.1 POCET 复用方法
POCET 方法是一种直接根据输入的二进制信号调
制载波相位的恒包络复用技术[2]。对于N 路待复用的二
进制导航信号， 所需满足的期望功率和各信号间相位约
束关系可表示为：
Pdn= corrn(θ) 2 = A
2N
2N- 1
k =0 Σ [1-2bn(k)]exp(jθk)
2
(2)
Im{e- j△准nl corrn(θ)corrl(θ)*}=0
Re{e- j△准nl corrn(θ)corrl(θ)*}> Σ 0
(3)
其中，A 是调制信号的包络幅度；bn (k) 取值0 或1 ；θ 是
包含所有可能的复信号相位的向量。corrn(θ)是复信号与
第n 个本地复现的信号的复相关值；corrl (θ) 是复信号与
第l 个本地复现的信号的复相关值。
POCET 方法的实质是通过优选出每种状态对应的
调相角度θk (0≤k≤2N-1) ， 使幅度信号A 最小化的约束
优化问题。可通过基于罚函数的优化方法，将信号幅度A
与非线性约束的罚值组合进行数值优化,如下式所示：
F(θ)=A2+μa
m
n =1 Σ ( corrn(θ) -corrdn)2 +
μb
N
n =1 Σ N
l = n + 1 ΣIm e- j△准nl Σ corrn(θ)corrl(θ)* ≤
2
(4)
其中， 惩罚因子μa
和μb
为正数。随着惩罚因子变大， 结
果逼近最优。由于N 路信号的总功率即为接收机实际测
量的有效信号功率，该方法复用效率可表示为：
ηPOCET=
N
n =1 Σ|corrn|2
A2 (5)
其中，
N
n =1 Σ |corrn|2 为N 个信号的期望功率之和；A2 为星上
总的发射功率。
2.2 Inter-Vote 复用方法
Inter-Vote 是一种通过联合使用多数表决逻辑和Interplex
调制的恒包络复用技术[3-5]。对于5 路二进制信号
(S1、S2、S3、S4、S5) 的复用， 按照功率分配单调递增的关系
排序为(g1、g2、g3、g4、g5)， 将3 路信号(S1、S2、S3) 采用多数
表决的复用效率可表示为：
ηMV= g1+g2+g3
姨姨g2 +姨g3 姨2 (6)
再将通过多数表决逻辑产生的复信号作为I 路输入
信号， 并与其余2 路信号采用Interplex 调制产生恒包络
复用信号，5 路二进制信号分配如下所示：
c1=S4
c2={Maj(S1,S2,S3),S2,S3}
c3=S5
姨
姨姨姨
姨
姨姨姨
姨
(7)
由于采用多数表决复用造成了功率损失， 使得作为
Interplex 输入的c2
信号的功率效率由1 变为ηMV， 则Inter-
Vote 总的复用效率可表示为：
ηIntervote
I = P1(1+P1+P2ηMV)
(1+P1)(P1+P2)
= g4(g1+g2+g3+g4+g5)
(g4+g5)[姨姨g2 +姨g3 姨2
+g4]
(8)
类似的， 当产生的复信号作为Interplex 的Q 路输入
信号时，Inter-Vote 总的复用效率可表示为：
ηIntervote
Q = 姨姨g2 +姨g3 姨2
(g1+g2+g3+g4+g5)
[姨姨g2 +姨g3 姨2
+g5][姨姨g2 +姨g3 姨2
+g4]
(9)
3 北斗系统B1 频段信号的复用策略
针对北斗系统B1 频段导航信号的复用问题, 根据所
需复用的不同信号数量提出三种复用策略：
（1 ） 当仅区域信号B1I 与全球信号共用信号生成与
发射链路时， 需要实现5 路二进制信号的恒包络复用。
包括区域信号B1I 的同相子载波分量SB1I -I
和正交子载
波分量SB1I -Q； 全球公开服务信号B1C 的数据信道SB1C_d
和导频信道SB1C_p； 全球授权服务信号SB1A（ 假设授权信
号的数据信道SB1A_d
与导频信道SB1A_p
采用与GPS M 码
相同的TDDM 调制[6]合成为一路复信号） 。
（2 ） 出于抗多址干扰需求的考虑， 当授权信号B1A
不采用TDDM 调制时， 需要实现6 路二进制信号的恒包
络复用。包括区域信号B1I 的同相分量SB1I-I
和正交分量
SB1I -Q; 全球B1C 信号的数据信道SB1C_d
和导频信道SB1C_p;
全球授权信号B1A 的数据信道SB1A_d
和导频信道SB1A_p。
（3） 当区域信号B1I 和B1Q 同时与全球信号共用信
号生成与发射链路时， 需要实现7 路二进制信号的恒包
络复用。包括区域信号B1I 的同相分量SB1I-I
和正交分量
SB1I-Q;区域信号B1Q 的同相分量SB1Q-I
和正交分量SB1Q-Q；
全球B1C 信号的数据信道SB1C_d
和导频信道SB1C_p; 采用
TDDM 调制的全球授权信号SB1A。
由于北斗系统B1 频段全球信号分量间的相位关系
还未最终确定。在分析中假设全球B1C 信号的数据信道
SB1C_d
与导频信道SB1C_p
的相位关系存在同相或正交两种
可能。针对上述三种复用策略，在不同的相位约束条件
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信号分量配置
S1 S2 S3
方案2 SB1C_d SB1C_p SB1I -I
方案4 SB1C_d SB1A SB1I -I
方案5 SB1C_p SB1A SB1I -I
表1 5 路信号复用时参与多数
表决复用的3 信号配置
复用策略
信号分量配置
S1 S2 S3
方案7 SB1C_d SB1C_p SB1I -I
方案8 SB1C_d SB1C_p SB1I -Q
方案10 SB1C_d SB1A_d SB1I -I
方案11 SB1C_p SB1A_p SB1I -Q
表2 6 路信号复用时参与多数表决
复用的3 信号配置
复用策略
信号分量配置
S1 S2 S3
方案12 SB1C_d SB1C_p SB1I -I
方案13 SB1Q_I SB1C_p SB1I -I
方案14 SB1C_d SB1Q_I SB1I -I
表3 7 路信号复用时参与多数表决
复用的I 路3 信号配置
复用策略
下， 提出相应的多路复用方案实现北斗B1 信号的恒包
络复用。
3.1 5 路信号的复用方案
当SB1C_d
与SB1C_p
相位同相并与SB1A 正交时， 提出两
种恒包络复用方案。方案1 是采用POCET 方法将5 路
信号合成一路复信号； 方案2 是采用Inter-Vote 方法将
5 路信号合成一路复信号。其中， 参与多数表决逻辑复
用的3 路信号配置见表1。
当SB1C_d
与SB1C_p
相位正交时， 进一步提出三种恒包
络复用方案。方案3 是采用POCET 方法将5 路信号合
成一路复信号； 方案4 和方案5 是采用Inter-Vote 方法
将5 路信号合成一路复信号。其中，参与多数表决逻辑
复用的3 路信号配置见表1。
3.2 6 路信号的复用方案
当SB1C_d 与SB1C_p 相位同相并与SB1A_d、
SB1A_p 正交时， 提出三种恒包络复用方案。方案6 是采
用多数表决逻辑将I 路SB1C_d、SB1C_p、SB1I-I 和Q 路
SB1A_d、SB1A_p、SB1I-Q 分别复用， 再将产生的两路复
信号采用QPSK 调制合成一路复信号； 方案7 和方案8
是采用多数表决将6 路信号中的3 路复用， 再将产生的
复信号与其余3 路采用POCET 方法合成一路复信号。
其中， 参与多数表决逻辑复用的3 路信号配置见表2。
当SB1C_d 与SB1C_p 相位正交时， 进一步提出三种
恒包络复用方案。方案9 是采用多数表决逻辑将I 路
SB1C_d、SB1A_d、SB1I -I 和Q 路SB1C_p、SB1A_p、SB1I -
Q 分别复用， 再将产生的两路复信号采用QPSK 调制合
成一路复信号； 方案10 和方案11 是采用多数表决将6
路信号中的3 路复用， 再将产生的复信号与其余3 路采
用POCET 方法合成一路复信号。其中， 参与多数表决复
用的3 路信号配置见表2。
3.3 7 路信号的复用方案
当SB1C_d
与SB1C_p
相位同相并与SB1A 正交时， 根据参
与多数表决复用的I 路信号分量的不同组合， 提出三种
基于Inter-Vote 方法的恒包络复用方案。将I 路SB1C_d、
SB1C_p、SB1I -I
和SB1Q_I
中的3 路采用多数表决复用生成I 路
的复信号， 并将SB1A、SB1I-Q
和SB1Q-Q
采用多数表决复用
生成Q 路的复信号， 再将两路复信号与其余1 路信号
采用Interplex 调制合成一路复信号。其中， 参与I 路多
数表决复用的3 路信号配置见表3。
4 仿真分析
由于北斗系统B1 频段区域信号与全球信号的接收
功率比还未最终确定。在分析中假设区域信号B1I 与全
球信号B1C 的功率比为γ， 在不同复用策略下， 各信号
间的功率分配比可表示为：
（1）5 路信号分量SB1C_d、SB1C_p、SB1A、SB1I -I、SB1I -Q
的功
率比为18
:28
: 1
2 :γ4
:γ4
；
（2）6 路信号分量SB1C_d、SB1C_p、SB1A_d、SB1A_p、SB1I -I、SB1I -Q
的功率比为18
:38
: 1
4 :14
:γ4
:γ4
；
（3）7 路信号分量SB1C_d、SB1C_p、SB1A、SB1I -I、SB1I -Q、SB1Q -I、
SB1Q-Q
的功率比为18
:38
: 1
2 :γ4
:γ4
:γ4
:γ4
。
图1 绘出了γ 在-5 dB~5 dB 范围内选取典型值时，5
路信号复用的各方案所对应的复用效率。由图1 可知，当
B1I 比B1C 的功率低3 dB 时， 方案1 至方案4 的最小复
用损耗分别为-1.26 dB、-1.14 dB、-1.04 dB 和-1.25 dB。
由此可见， 当B1I 信号功率小于B1C 时， 在SB1C_d
与SB1C_p
相位同相的约束条件下， 方案2 的复用性能优于方案
1； 在SB1C_d
与SB1C_p
相位正交的约束条件下， 方案3 的复
用性能最优。当B1I 信号比B1C 信号功率强2 dB 时， 方
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案5 的最小复用损耗为-1.15 dB。可见， 当需要B1I 信号
比B1C 信号功率强时， 方案5 具有较大的参考价值。
图2 绘出了γ 在-5 dB~5 dB 范围内选取典型值时，
6 路信号复用的各方案所对应的复用效率。
由图2 可知,当B1I 信号的接收功率等于B1C 时，方案
6 和方案9 的最小复用损耗均为-1.74 dB, 与其他方案相
比复用损耗过大， 性能并不理想； 当B1I 比B1C 的功率低
4 dB 时, 方案7 和方案10 的最小复用损耗分别为-1.39 dB
和-1.32 dB; 而当B1I 比B1C 的功率低1 dB 时, 方案8 和
方案11 的最小复用损耗分别为-1.26 dB 和-1.42 dB。由此
可见， 出于抗多址干扰需求的考虑， 虽然授权信号B1A
不采用TDDM 调制会增加所需复用的信号数量, 但当
B1I 信号功率与B1C 相近时， 在SB1C_d
与SB1C_p
相位同相
约束条件下， 方案8 的复用性能优于5 路信号复用的方
案1 和方案2 。
图3 绘出了γ 在-5 dB~5 dB 范围内选取典型值时，
7 路信号复用的各方案所对应的复用效率。
由图3 可知， 当区域信号B1I 和B1Q 同时与全球信
号共用信号生成与发射链路时， 方案12 和方案14 在
B1I 信号的接收功率比B1C 低3 dB 时的最小复用损耗
分别为-1.83 dB 和-1.60 dB。可见， 由于所需复用的信号
数量达到7 路， 导致最优的复用效率比只保留区域信号
B1I 的情况有较大的下降。而当B1I 信号的接收功率比
B1C 高2 dB 时， 方案13 是最优选择， 此时最小复用损耗
为-1.45 dB。
针对北斗系统建设面临的平稳过渡问题， 本文探讨
了北斗B1 频段导航信号的多路复用策略。在所需复用的
不同信号数量和信号间不同的相位约束条件下，提出了相
应的多路复用解决方案。通过分析复用效率与信号功率分
配之间的关系，确定了在复用性能上最优的适用方案。本
文的研究结果为确定我国自主的导航信号体制设计和优
化提供了理论支撑和可行的参考方案，对未来北斗系统建
设中灵活的导航载荷设计有着重要的参考意义。
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( 收稿日期：2012-02-15)
作者简介：
朱亮， 男，1982 年生， 博士生， 主要研究方向： 卫星导航
系统信号设计和有效载荷关键技术研究。
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2014-10-1 07:50 上传

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