GNSS 高级篇4 信号体制4.2 信号兼容与互操作实现上一节我们看到GPS、北斗、Galileo 三家的新信号都挤在 1575.42MHz 这个频点上调制方式也都选了 MBOC 家族。这不是巧合——这是一场精心设计的国际协作。在正式开始前请大家思考几个问题1多个系统的信号在同一个频点上广播不会互相干扰吗为什么接收机还能正常工作2兼容性和互操作性听起来差不多它们到底有什么区别为什么这两个词在 GNSS 领域被反复强调3GPS、北斗、Galileo 是怎么做到在 L1 频段和平共处的背后有什么样的国际协调机制4多系统融合定位仅仅是卫星变多了这么简单吗还有哪些技术门槛需要跨越接下来我们深入 GNSS 信号的社交规则——看看不同系统之间是怎么打交道的。4.2.1 兼容性 vs 互操作性两个关键概念在 GNSS 领域有两个经常被提到、也经常被混淆的概念兼容性Compatibility和互操作性Interoperability。a. 兼容性互不伤害兼容性指的是一个系统的信号不会对另一个系统的信号造成不可接受的干扰。换句话说兼容性是互不伤害的原则——你播你的我播我的大家都别把对方的信号淹了。兼容性关注的是频谱重叠程度信号功率大小调制方式的频谱特性干扰对载噪比C/N0的影响兼容性好不代表能一起用——只是说不会互相搞破坏。就像两家人住隔壁兼容性好意味着大家都不吵到对方但不代表两家人能一起做饭、一起看电视。b. 互操作性协同工作互操作性指的是不同系统的信号可以被同一个接收机同时接收和处理联合起来提供更好的服务。换句话说互操作性是协同工作的原则——接收机可以把 GPS、北斗、Galileo 的信号放在一起解算得到比单系统更好的结果。互操作性关注的是频率是否相同或接近调制方式是否兼容时间系统是否对齐坐标系统是否一致电文格式是否可解析互操作性好意味着一台接收机可以通吃多个系统而且多系统联合定位的效果优于任何单系统。就像两家人不仅不互相吵还能一起做饭、一起看电视——资源共享效果更好。c. 两者的关系兼容性是互操作性的前提——如果信号互相干扰到无法工作那就谈不上一起用了。但兼容性好不代表互操作性好——两个信号可以互不干扰但频率不同、调制不同接收机还是要分开处理。互操作性是比兼容性更高的要求互操作性好 → 兼容性一定好兼容性好 → 互操作性不一定好GNSS 国际协调的目标是从兼容性逐步走向互操作性——让全球所有系统的信号都能被一台接收机统一处理。4.2.2 频谱共存为什么挤在一起不会打架多个系统的信号在同一个频点上广播最直观的担忧就是会不会互相干扰答案是会有干扰但在可接受的范围内——这是经过精心计算和设计的。a. 频谱重叠的必然性L 波段的频谱资源是有限的而 GNSS 信号需要的带宽越来越大。全球四个系统如果每个都占独立的频段频谱根本不够用。所以共享频段是必然选择——大家挤在一起是无奈之举也是最优解。目前的频谱分配L1 频段1559~1610MHzGPS、北斗、Galileo、GLONASS、QZSS 全在这L2/L5 频段1164~1300MHzGPS L2/L5、北斗 B2/B3、Galileo E5/E6、GLONASS L2/L3 全在这可以说L 波段已经成了 GNSS 信号的大通铺——大家都在这一个房间里。b. 干扰是怎么算的多个信号共享频段时每个信号都会成为其他信号的干扰源。干扰的大小取决于几个因素频谱重叠程度重叠越多干扰越大信号功率功率越大对别人的干扰越大调制方式频谱越集中干扰越局部化卫星数量卫星越多总干扰功率越大工程上用等效载噪比下降来衡量干扰的影响Δ(C/N0) 被干扰后的载噪比 - 无干扰时的载噪比一般来说多系统共存导致的载噪比下降在 0.5~1.5dB 之间——这个影响是可以接受的。0.5dB 的载噪比下降对定位精度的影响微乎其微1.5dB 的下降在弱信号环境下可能会有感知但总体仍在可接受范围。c. BOC 调制的频谱分离作用BOC 调制之所以被新信号广泛采用一个重要原因就是它能改善频谱共存。回忆一下 BOC 的频谱特点能量分成左右两个边带中心频率处能量低。而老的 BPSK 信号比如 GPS L1 C/A能量集中在中心频率。这样一来BPSK 信号的能量在中间BOC 信号的能量在两侧两者的频谱重叠程度降低互相干扰减小这就是为什么 GPS L1C、Galileo E1、北斗 B1C 都用 BOC/MBOC 调制——不是为了标新立异而是为了跟同频段的老信号C/A 码和平共处。如果新信号也用 BPSK(1)那它跟 C/A 码的频谱几乎完全重叠干扰会大到不可接受。用了 BOC/MBOC频谱错开了干扰就小多了。d. 频谱模板与功率控制为了保证兼容性每个系统的信号都必须遵守频谱模板Spectrum Mask——规定了信号在不同频率偏移处的最大功率密度。频谱模板就像一个框信号的频谱不能超出这个框否则就会对其他系统造成过大干扰。各系统在设计信号时都要做严格的兼容性分析计算本系统信号对其他系统的干扰确保干扰在可接受范围内通常要求载噪比下降 1dB通过国际电信联盟ITU的协调和备案功率控制也是重要手段卫星发射功率不能太大否则地面接收到的功率太高干扰别人各系统的地面接收功率大致在 -130dBm 左右彼此相当不会出现某一家信号特别强、把别家都淹了的情况4.2.3 互操作的四大基石兼容性解决了不互相伤害的问题互操作性则要解决能一起工作的问题。互操作性有四大基石缺一不可。基石一频率兼容最基本的互操作要求是不同系统的信号频率相同或足够接近。如果频率差太多接收机的射频前端就没法同时接收——要么做两套射频要么快速切换。目前已经形成的互操作频段L1 互操作频点1575.42MHzGPS L1C、Galileo E1、北斗 B1C、QZSS L1CL5/E5a/B2a 互操作频点1176.45MHzGPS L5、Galileo E5a、北斗 B2a、QZSS L5E5b/B2b 互操作频点1207.14MHzGalileo E5b、北斗 B2b在这些频点上多家系统的信号中心频率完全相同——接收机一个射频通道就能同时接收所有系统的信号。频率相同是互操作的第一步但不是全部。基石二调制方式兼容频率相同了如果调制方式差异太大接收机还是要分别处理。理想的互操作是不同系统的信号调制方式也兼容——接收机可以用统一的架构处理。L1 频段的互操作实践GPS L1CMBOC(6,1,1/11)Galileo E1CBOC(6,1,1/11)北斗 B1C数据 BOC(1,1) 导频 QMBOC(6,1,4/33)这三种调制方式频谱特性完全一致——都是 BOC(1,1) 和 BOC(6,1) 按 10/11 : 1/11 的功率比叠加。区别只在于时域实现方式不同MBOC时域直接叠加CBOC在同一相位上复合QMBOCBOC(6,1) 放在正交相位对于接收机来说这三种信号的处理方式几乎一样——相关器、跟踪环都可以通用。这就是频谱级互操作——不管你时域怎么实现只要频谱一样接收机就能统一处理。L5/E5a/B2a 频段更简单GPS L5BPSK(10)Galileo E5aBPSK(10)北斗 B2aBPSK(10)QZSS L5BPSK(10)四家完全一样——都是 BPSK(10)码速率都是 10.23Mcps。这是最彻底的互操作接收机完全不需要区分是哪家的信号处理流程一模一样。E5b/B2b 互操作频点Galileo E5b1207.14MHzBPSK(10)北斗 B2b1207.14MHzQPSK(10)I/Q 两路各有数据E5b 和 B2b 频率完全相同但调制方式略有差异——Galileo E5b 是 BPSK(10)数据导频在同一相位北斗 B2b 是 QPSK(10)I 路和 Q 路各有数据分量。但两者频谱特性基本一致射频前端可以统一接收基带分别解调即可。E5/B2 宽带互操作与 ACE-BOC重要Galileo E5 频段E5aE5b和北斗 B2 频段B2aB2b的频谱布局完全对应——中心频率都是约 1191.795MHz总带宽都是约 51.15MHz。这意味着接收机的射频前端可以用同一个宽带通道同时接收 Galileo E5 和北斗 B2 信号。但两者在调制方式上有本质区别Galileo E5采用 AltBOC(15,10) 调制——E5a 和 E5b 作为一个整体的宽带信号基带可以做 51MHz 超宽带相关获得极高的测距精度和抗多径能力。北斗 B2B2a 是 BPSK(10)B2b 是 QPSK(10)两个频点是独立信号。卫星端采用清华大学提出的ACE-BOC非对称恒包络二进制偏移载波技术把 B2a 数据、B2a 导频、B2b I 路、B2b Q 路共 4 个分量合成为一个恒包络信号发射提升星上功放效率。需要特别说明的是ACE-BOC 不仅是卫星端的发射复用技术在终端侧也支持宽带接收和联合处理。由于 B2aB2b 的频谱布局跟 E5aE5b 完全对应接收机射频前端可以像接收 E5 AltBOC 那样宽带接收 B2 信号基带可以分别做 BPSK(10)/QPSK(10) 相关也可以做联合处理获得宽带带来的测距增益和抗多径增益。当然ACE-BOC 的基带联合处理算法跟标准 AltBOC(15,10) 不同需要专门的算法支持。简单说射频前端 E5 和 B2 可以宽带一起收基带处理上E5 做 AltBOC 相关B2 做 BPSK/QPSK 分别相关或 ACE-BOC 联合处理。两者在射频层面完全互操作在基带层面分别处理。基石三时间系统对齐频率和调制都兼容了但如果各系统的时间基准不一样接收机还是没法把信号放在一起解算。回顾基础篇讲过的时间对齐GPS 时GPST起点 1980-01-06北斗时BDT起点 2006-01-01Galileo 时GST起点 1999-08-22GLONASS 时GLONASST跟 UTC 同步有闰秒各系统的时间系统不同但它们之间的偏差是已知的、可预测的。互操作要求各系统广播自己的时间与其他系统时间的偏差参数比如 GPS 与北斗的时间偏差接收机据此修正。GPS 和 Galileo 的时间偏差很小纳秒级因为两者都跟国际原子时TAI对齐。北斗跟 GPS 的偏差也在纳秒级。GLONASS 因为有闰秒跟其他系统的偏差较大目前差 18 秒左右但这个偏差是已知的接收机可以修正。时间对齐是多系统融合定位的必要条件——时间不对齐伪距就没法放在一起解算。基石四坐标系统一最后一个基石是坐标系统一。各系统的坐标参考框架略有差异GPSWGS-84北斗CGCS2000GalileoGTRFGLONASSPZ-90但这些框架都跟 ITRF国际陆基参考框架对齐差异在厘米级。对于大多数应用米级到分米级这个差异可以忽略。对于高精度应用厘米级到毫米级需要做框架转换——但转换参数是已知的、公开的。坐标系统一确保了不同系统解算出的位置在同一个参考框架下可以直接比较和融合。四大基石总结频率兼容 → 射频能同时接收调制兼容 → 基带给统一处理时间对齐 → 伪距能联合解算坐标系统一 → 位置在同一框架四个条件都满足多系统互操作才算真正实现。4.2.4 L1 频段的互操作一场国际协作的典范L1 频段1575.42MHz的互操作是 GNSS 国际协作最成功的案例。让我们看看 GPS、Galileo、北斗三家是怎么走到一起的。a. 历史背景早期GPS 独占 L1 频段用的是 BPSK(1) 的 C/A 码。后来 Galileo 计划在 L1 频段部署新信号一开始选的是 BOC(1,1)。但 BOC(1,1) 跟 GPS 的 C/A 码兼容性不够好——干扰较大。美国和欧盟经过长期谈判最终达成协议双方在 L1 频段采用 MBOC 调制实现互操作。这个协议被称为2004 年美欧协议——它确立了 MBOC 作为 L1 互操作信号的标准。北斗后来加入时也选择了兼容 MBOC 的方案BOC(1,1) QMBOC跟国际标准保持一致。b. 三家的具体实现系统信号数据分量调制导频分量调制频谱特性GPSL1CTMBOC(6,1,1/11)TMBOC(6,1,1/11)MBOC 功率谱GalileoE1CBOC(6,1,1/11)CBOC(6,1,1/11)MBOC 功率谱北斗B1CBOC(1,1)QMBOC(6,1,4/33)MBOC 功率谱虽然时域实现不同但三家的信号功率谱密度是一致的——都符合 MBOC(6,1,1/11) 的频谱模板。这意味着射频前端可以统一设计带宽、采样率相同基带相关器可以通用跟踪算法可以复用接收机不需要为每家单独做一套处理链路c. 接收机怎么处理对于支持 L1 互操作的接收机处理流程是这样的射频前端接收 1575.42MHz 附近的宽带信号包含 GPS、Galileo、北斗三家基带对每颗卫星不管哪家用对应的 PRN 码做捕获和跟踪因为调制方式兼容相关器和跟踪环的架构是通用的解调出各系统的电文获取星历和时间参数修正各系统的时间偏差和坐标框架差异把所有卫星的伪距放在一起做联合 PVT 解算对接收机来说多系统互操作最大的好处是硬件成本几乎不增加但可用卫星数翻倍甚至三倍。单 GPS 在城市峡谷里可能只有 4~5 颗可见星勉强能定位四系统联合可见星数可以达到 20~30 颗定位又快又准又稳。4.2.5 多系统融合的好处与挑战a. 好处不仅仅是卫星变多了多系统融合最直观的好处是可见卫星数增加。但好处远不止于此好处一定位精度提升卫星多了几何精度因子GDOP更好多频观测值更多电离层修正更精确不同系统的误差源不完全相关融合后误差可以部分抵消好处二可用性提升单系统在遮挡环境下可能卫星数不足 4 颗无法定位多系统联合几乎不可能出现卫星数不足的情况在城市峡谷、树荫、室内边缘等环境下优势尤其明显好处三完好性提升多系统可以交叉验证——如果某颗卫星异常其他系统的卫星可以帮着发现RAIM接收机自主完好性监测在多系统下效果更好对于航空、自动驾驶等安全关键应用完好性至关重要好处四抗干扰能力提升干扰通常是窄带的可能只影响某一个频点或某一个系统多系统多频点一个被干扰了还有其他的不同系统的信号特征不同抗干扰策略可以更灵活好处五首次定位时间TTFF缩短卫星多捕获时搜到星的概率大可以用一个系统的时间来辅助另一个系统的捕获温启动/热启动时多系统可以更快收敛b. 挑战不是简单的 112多系统融合虽然好处多但也不是没有挑战挑战一时间偏差修正各系统时间基准不同需要精确的时间偏差参数时间偏差本身也在变化需要实时估计或从电文中获取如果时间偏差修正不准会直接引入定位误差挑战二坐标框架转换高精度应用下厘米级的框架差异不能忽略需要精确的框架转换参数不同系统的星历参考框架可能随时间漂移挑战三信号质量差异不同系统的信号功率、调制方式、码速率不完全相同伪距测量精度有差异比如 GLONASS FDMA 信号精度略低于 GPS CDMA融合时需要给不同系统的观测值分配合适的权重挑战四系统间偏差ISB不同系统的硬件延迟、信号路径延迟有差异这些差异统称为系统间偏差Inter-System Bias, ISBISB 需要在解算中估计或建模否则会影响定位精度ISB 跟接收机硬件有关不同接收机的 ISB 不一样挑战五电文格式不统一各系统的导航电文格式不同接收机需要分别解析星历参数的定义、单位、参考时间可能有细微差异解析错误会导致定位错误这些挑战大部分可以通过算法来解决——但需要接收机厂商做大量的工作。这也是为什么支持多系统说起来简单做起来难——不是把四个系统的码都存进去就行还要处理各种偏差和差异。4.2.6 国际协调机制谁来管这些事这么多系统挤在一起总得有人来协调。目前主要有两个国际机制。a. ITU国际电信联盟ITU 负责全球无线电频谱的分配和管理。GNSS 使用的频段L1、L2、L5 等是 ITU 统一分配的——所有系统都必须在 ITU 划定的频段内运营。ITU 的协调包括频率分配哪个频段给谁用功率通量密度限制卫星发射到地面的功率不能超过规定干扰分析新系统部署前要做兼容性分析通知备案每个系统的频率和功率都要在 ITU 备案ITU 是硬约束——不遵守 ITU 规则信号就不能合法广播。b. ICG国际 GNSS 委员会ICG 是联合国下属的 GNSS 国际协调机构成立于 2005 年。ICG 的成员包括所有 GNSS 提供商美国、俄罗斯、中国、欧盟、日本、印度等和区域增强系统提供商。ICG 的工作重点是兼容性与互操作性推动各系统信号的兼容互操作时间系统对齐协调各系统的时间基准坐标系统一推动各系统参考框架对齐服务性能交流各系统的服务性能和升级计划应用推广推动 GNSS 在各领域的应用ICG 是软协调——没有强制约束力但通过对话和协商推动各系统达成共识。L1 频段的 MBOC 互操作协议就是在 ICG 框架下推动达成的。c. 双边/多边协议除了 ITU 和 ICG各系统之间还会签双边或多边协议。比如美欧 2004 年协议GPS 和 Galileo 在 L1 频段互操作中美合作协议GPS 和北斗的兼容互操作中欧合作协议Galileo 和北斗的合作这些协议是互操作落地的具体保障。4.2.7 互操作的未来从能一起用到用得更好目前的互操作还停留在频率兼容、调制兼容、时间对齐的基础层面。未来的互操作会向更深层次发展方向一电文层互操作目前各系统电文格式不同接收机要分别解析未来可能推动电文格式统一或标准化降低接收机复杂度统一的星历参数定义、统一的误差模型参数方向二增强服务互操作各系统都在发展自己的增强服务北斗 PPP-B2b、Galileo HAS、QZSS CLAS这些增强服务的格式和内容目前不统一未来可能实现增强服务的互操作——一个增强信号多个系统都能用方向三联合完好性服务目前各系统的完好性信息独立广播未来可能实现跨系统的联合完好性监测——一个系统发现卫星异常其他系统也能获知方向四搜救服务互操作各系统都在发展搜救服务MEOSAR统一的搜救信号格式和处理流程互操作的终极目标是用户完全不需要关心用的是哪个系统的信号——接收机自动选择最优的信号组合提供最好的定位服务。就像现在的手机通信——你不需要关心连的是哪个基站、用的是什么制式手机自动选最好的。GNSS 也在朝这个方向发展。小结一下信号兼容与互操作是多系统时代 GNSS 的核心议题。从兼容性互不伤害到互操作性协同工作从频率共用到调制统一从时间对齐到坐标系统一每一步都需要国际协作和技术创新。L1 频段的 MBOC 互操作是这场国际协作的典范——GPS、Galileo、北斗三家用不同的时域实现达成了相同的频谱特性让接收机可以统一处理。多系统融合不仅仅是卫星变多了——它带来了精度、可用性、完好性、抗干扰能力的全方位提升。但融合也带来了时间偏差、系统间偏差、电文差异等新挑战需要接收机厂商用算法来解决。下一节我们将探讨信号体制的另一个维度信号强化技术——抗干扰、抗多径、防欺骗、加密授权……这些让 GNSS 信号更强、更安全的技术。