1.2 多波段联合导航技术

多波段卫星导航信号设计对GNSS数据处理具有重大意义，有利于削弱电离层和对流层误差，弱化基准站距离的限制，固定载波相位模糊度^[48]，提升精密单点定位（Precise Point Positioning, PPP）精度，缩短初始化时间^[49]。目前，对于多波段卫星导航的研究主要集中在L波段，该波段存在四大GNSS系统及日本、印度等国家的区域卫星导航系统的大量下行信号，导致L波段信号拥挤，系统间干扰严重（见图1.2），并且各信号的制式与参数都不尽相同。另外，GNSS的高复杂性，使单一波段多频卫星导航具有较高的复杂度和设计难度^[35]，寻找新的频谱资源是一种有效途径，可以缓解资源短缺与卫星导航系统快速发展之间的矛盾。

图1.2 GNSS在L波段的频率分布

2000年，世界无线电通信会议（World Radiocommunication Conference, WRC）将C波段分配给卫星导航下行信号使用^[28,50-51]，然而我国在这一波段信号体制方面的研究还很薄弱。C波段卫星导航信号的应用受到很多条件的限制，但某些特殊行业可以接受卫星和接收机成本的提高^[52]，其可为军事、航空、金融和电力等国家重要部门和行业提供更加安全的服务性能。欧空局（European Space Agency, ESA）对C波段卫星导航信号性能进行了全面分析，与L波段相比，C波段在电离层衰减较小，但在对流层及因雨滴、云雾、树叶造成的衰减较大^[26]，因而需要增大卫星导航信号的发射功率。由于当时技术水平的制约，Galileo最终放弃了使用C波段^[30]。近年来，随着接收机技术及能源技术的进步，再加上L波段服务信号的激增，C波段再次引起了科研人员的注意^[53]。C波段信号的服务带宽较窄，不具备L波段信号的性能，但C波段可以和L波段进行联合导航，文献[47]基于CPM设计了一种L波段和C波段的双频组合导航模型，其中C波段信号中心频率是L波段信号中心频率的4倍。这有利于快速求解整周模糊度，显著提高了单点定位的鲁棒性和精度。

2012年之前，根据ITU的区域和频率的划分，区域二和区域三无线电测定卫星业务（Radio Determination Satellite Service, RDSS）是S波段的主要业务，RNSS是RDSS的一种，因此在该区域S波段也可应用于卫星导航。欧盟为了在下一代Galileo系统中使用该波段发射的卫星导航信号，向ITU提出了使用S波段的申请。2012年，WRC通过了将S波段作为无线电测定卫星业务的决定^[54]。在S波段播发卫星导航信号主要基于以下目的^[53]。

（1）抢占频谱资源。在现有的L波段资源中，我国BDS的频谱资源占有率（特别是授权业务）低于GPS、GLONASS和Galileo系统，所以抢占S波段频谱资源可为改善我国卫星导航现状提供良好的契机。

（2）增加服务的多样性。GNSS需要S波段的频谱资源，其主要目的在于为现有卫星导航服务提供补充。与L波段相比，S波段的带宽较窄，信号独立的伪距或授时性能在现有的技术基础上很难超越L波段信号，但增加新的信号可以提高频谱的多样性。例如，利用S波段的信号提供RNSS服务，可实现RDSS/RNSS互操作，以及降低与位于该波段的移动通信系统协同工作的成本，对于推广BDS系统的RDSS与RNSS应用有积极作用。

（3）提升综合服务性能。由于带宽限制，单一的S波段信号难以获得超越L波段信号的性能^[24,27]。但是，S波段信号的增加，可以提升RNSS服务的综合性能^[55]，主要体现在：①L/S波段组合观测的电离层校正精度优于L/L波段；②S波段具有比L波段更小的电离层延时，单频用户的电离层残差更小；③对于天线阵列，接收S波段信号所需尺寸更小；④在地面多径环境中具有更高的衰落频率，多径信道倾向于更多的漫反射，反射信号更弱，多径性能有所改善；⑤具有更大的多普勒频移，在相同载噪比下可获得更好的速度精度；⑥更小的载波波长可在相同载噪比下获得更高的载波相位精度。

现阶段，多频导航局限于单一L波段多频导航，随着S波段和C波段对卫星导航业务的开放，多波段大间隔多频卫星导航客观上成为可能，如图1.3所示。S波段与C波段具有较高的传播损耗和较小的服务带宽，使得S波段或C波段信号很难超越L波段信号性能^[24,26-28]，但S波段和C波段与L波段的测量值组合能更好地减小电离层误差，有助于整周模糊度的求解，可以提高定位精度和授时性能，还可以增加卫星导航服务的多样性，从而扩展新业务^{[24,27,56-60]}。由此可见，多波段卫星导航定位将成为未来卫星导航系统的一个关键技术^[47,61]。

图1.3 多波段大间隔多频卫星导航示意

在多波段联合导航的模式下，设计一种能满足各波段带内和带外兼容性约束要求的通用调制方案，有助于降低多频终端的复杂度，加快多波段联合导航的实用化进程。CPM是一类调制的总称，通过对其参数进行优化设计，可以满足各波段兼容性约束要求。相对于当前的调制方案（如BPSK、BOC等），CPM不仅频带利用率高，而且在码跟踪精度、抗多径、兼容性等方面具有一定的优势^[21,32]，为各波段通用调制波形的设计提供了一种新思路，拓展了多波段卫星导航信号体制的设计方法，因此研究基于CPM的多波段联合导航信号体制具有非常重要的理论价值和现实意义。