GNSS 高级篇4 信号体制4.3 信号强化技术解析前面两节讲了信号是什么和怎么共存这一节我们讲信号怎么变强——在真实世界里GNSS 信号面临着干扰、多径、欺骗等各种威胁信号体制和接收机技术是怎么应对的在正式开始前请大家思考几个问题1GNSS 信号到地面只有 -130dBm比背景噪声还弱——一个几瓦的干扰器就能让一大片区域的 GNSS 失灵。系统和接收机是怎么抗干扰的2在城市里卫星信号经过墙面、地面反射后再到接收机这种多径信号会让定位偏几米甚至几十米。有什么办法能消除多径的影响3为什么 GPS 有 P 码、M 码这些军码民用信号能不能加密加密了之后普通接收机还能用吗4听说有人能用欺骗器伪造 GNSS 信号把接收机骗到错误的位置。信号本身能不能防伪怎么防接下来我们深入 GNSS 信号的防御体系——看看这些脆弱的信号是怎么在复杂环境中生存下来的。4.3.1 抗干扰技术在噪声中寻找信号GNSS 信号是出了名的弱——到地面的功率只有 -130dBm 左右比热噪声功率约 -104dBm在 2MHz 带宽内还低 26dB。换句话说信号完全被噪声淹没了接收机靠扩频增益相关处理把信号从噪声里捞出来。这种信号藏在噪声里的特性本身就是一种抗干扰——普通的窄带干扰经过扩频解扩后会被扩散到整个频段功率密度大大降低。但如果干扰足够强或者干扰方式足够聪明还是能让 GNSS 接收机失灵。a. 干扰的类型干扰类型特点典型来源危害程度窄带干扰单一频点或窄频段的连续波电台、对讲机、恶意干扰器高宽带干扰覆盖整个 GNSS 频段的噪声宽带噪声干扰器极高脉冲干扰周期性的脉冲信号雷达、脉冲干扰器中高扫频干扰频率在 GNSS 频段内来回扫扫频干扰器中高欺骗干扰伪造的 GNSS 信号欺骗器极高隐蔽最常见的是窄带干扰和宽带干扰。一个功率 1W 的窄带干扰器在 1 公里外就能让普通 GNSS 接收机完全失锁——因为干扰功率比真实信号强了 100 万倍以上。b. 抗干扰的四层防线GNSS 抗干扰是一个系统工程从天线到基带有四层防线第一层天线级抗干扰调零天线Null Steering Antenna用多天线阵列在干扰方向形成零点把干扰滤掉CRPA受控辐射方向图天线自适应调整天线方向图增强卫星方向、抑制干扰方向圆极化天线对线性极化的干扰有一定抑制约 3dB天线级抗干扰是效果最好的——直接在信号进入接收机之前就把干扰抑制掉。但代价也大多天线阵列体积大、成本高、算法复杂主要用在军用和高端民用领域。第二层射频级抗干扰高性能滤波器SAW/BAW/腔体滤波器把带外干扰挡在外面高线性度 LNA防止强干扰把放大器推到饱和AGC自动增益控制防止强干扰导致 ADC 削波限幅器瞬时强干扰时保护后级电路射频级抗干扰是常规操作——所有接收机都有但只能对付带外干扰和不太强的带内干扰。第三层基带级抗干扰这是最灵活、最有技术含量的一层。常见的基带抗干扰算法频域陷波Frequency Domain Notching把信号做 FFT 变换到频域发现哪个频点有干扰就把那个频点置零再 IFFT 变回时域。对窄带干扰效果极好可以抑制 40~60dB 的窄带干扰。缺点是会损失一部分信号能量因为陷波时把信号也滤掉了一点。时域自适应滤波用自适应滤波器如 LMS、RLS估计并抵消干扰。对窄带和窄带阵列干扰有效。空时自适应处理STAP, Space-Time Adaptive Processing结合多天线空域和时间延迟时域在二维空间里自适应抑制干扰。这是目前最强的抗干扰技术可以同时抑制多个宽带干扰。需要多天线阵列和强大的计算能力主要用在军用领域。脉冲消隐Pulse Blanking检测到脉冲干扰时在脉冲持续时间内把信号置零或衰减。对脉冲干扰有效实现简单。第四层算法级抗干扰多系统融合一个系统被干扰了还有其他系统多频融合一个频点被干扰了还有其他频点惯导组合GNSS/INSGNSS 被干扰时用惯导短期维持定位RAIM/完好性监测检测被干扰的卫星剔除异常观测值算法级抗干扰是最后一道防线——当信号已经被干扰到无法正常跟踪时靠冗余和智能来维持基本服务。c. 抗干扰的军备竞赛抗干扰和干扰是一场永恒的军备竞赛干扰器功率越来越大方式越来越聪明抗干扰技术也在不断升级从简单的滤波器到复杂的 STAP对于民用接收机目前的主流是消费级靠滤波器 频域陷波对付常见的窄带干扰专业级滤波器 频域陷波 多系统多频冗余高端/军用CRPA 天线 STAP 惯导组合几乎能对抗所有已知干扰值得注意的是抗干扰能力是有代价的——每增加一层抗干扰成本、功耗、体积都会增加。消费级接收机不可能用 CRPA STAP不是技术做不到而是成本和体积不允许。4.3.2 抗多径技术城市峡谷里的幽灵信号多径Multipath是 GNSS 在城市环境中最大的误差源之一。a. 多径是怎么产生的卫星信号从天上下来不是只有一条路径到接收机。直达信号LOS, Line of Sight直接从卫星到接收机这是我们想要的反射信号经过墙面、地面、建筑物反射后到达接收机这是幽灵信号反射信号比直达信号多走了一段路所以到达时间更晚——在相关器的输出里反射信号会在直达信号的相关峰旁边形成一个小峰。这个小峰会把直达信号的相关峰推歪导致码相位测量偏差——反映到定位上就是几米甚至几十米的误差。多径在开阔场地影响很小厘米级但在城市峡谷里可以达到几十米——这就是为什么手机导航在高楼之间有时候会飘。b. 多径的特点多径是局部的跟接收机周围环境有关不同位置多径情况完全不同多径是动态的接收机移动时多径情况不断变化多径跟卫星高度角有关低仰角卫星的信号更容易被反射多径更严重多径不能通过差分消除因为基准站和用户站的多径环境不一样c. 抗多径技术抗多径是 GNSS 信号处理的经典难题目前有几类技术技术一窄相关器Narrow Correlator普通相关器的早迟码间距是 1 个码片0.5~1.0 chip窄相关器把间距缩小到 0.1~0.2 码片相关峰更窄多径的小峰对主峰的影响更小可以把多径误差减小 2~3 倍这是最经典、最常用的抗多径技术几乎所有现代接收机都支持技术二多径消除技术MED/MET/Strobe 等MEDMultipath Elimination Technology用特殊的相关器设计把多径的影响减掉METMultipath Estimation Technology估计多径参数然后从测量值中扣除Strobe 相关器用更复杂的相关器组合进一步抑制多径这些技术可以把多径误差再减小 2~3 倍但实现复杂计算量大主要用在高精度接收机里技术三高码速率信号码速率越高码片越窄相关峰越窄多径越难推歪主峰BPSK(10) 信号的多径误差只有 BPSK(1) 的 1/10 左右这就是为什么 L5/E5a/B2a 这些 10.23Mcps 的信号在城市里表现比 L1 好得多用信号体制本身来抗多径是最根本的解决方案技术四多普勒域处理直达信号和反射信号的多普勒频移可能不同因为反射面在动或者路径长度变化率不同在多普勒域把两者分开对动态多径有一定效果技术五多天线/阵列处理用多天线阵列在空域区分直达信号和反射信号来波方向不同可以有效抑制多径但成本高主要用在特殊场合技术六信号设计层面BOC 信号的相关峰更窄多径分辨率更高AltBOC 超宽带信号Galileo E551MHz 带宽多径误差极小北斗 B2 频段的 ACE-BOC 技术B2a1176.45MHz B2b1207.14MHz总带宽约 51MHz跟 Galileo E5 频段布局完全对应。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。在终端侧接收机可以用宽带射频前端接收 B2 信号基带分别做 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——跟 AltBOC 类似宽带信号的相关峰更窄多径分辨率更高。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。数据导频结构导频分量可以做更长的积分提高多径估计精度抗多径没有银弹——没有任何一种技术能完全消除多径。实际中通常是多种技术组合使用窄相关器 高码速率信号 MED 多频观测把多径误差控制在可接受范围内。在城市环境中即使最好的接收机多径误差也可能有 1~3 米——这是物理规律决定的不是算法能完全解决的。要彻底解决城市峡谷的定位问题还得靠惯导组合、视觉定位、5G 定位等其他技术的辅助。4.3.3 加密与授权服务谁能用什么信号GNSS 信号分为公开服务Open Service和授权服务Authorized Service。公开服务谁都能用授权服务只有授权用户才能用——这背后是加密技术。a. 为什么需要授权信号原因一军事安全军码加密后敌方无法使用己方的导航信号敌方也无法伪造己方的军码信号来欺骗己方接收机军码通常功率更高、抗干扰更强、精度更高原因二商业增值部分高精度信号或增强服务需要付费使用通过加密控制访问权限实现商业变现原因三系统安全授权信号可以携带更敏感的系统信息防止恶意用户利用信号对系统进行攻击b. 各系统的授权信号系统授权信号频点调制特点GPSP(Y)码L1/L2BPSK(10)经典军码加密GPSM码L1/L2BOC(10,5)新一代军码抗干扰更强北斗B1A1575.42-授权信号北斗B3A1268.52-授权信号GalileoE6 商业服务1278.75BPSK(5)加密商业服务GalileoPRSE1/E6BOC公共管制服务加密GLONASS高精度码(SF)L1/L2BPSK军码加密c. 加密是怎么做的GNSS 信号的加密主要有几个层面层面一码加密伪随机码本身是加密的——只有知道密钥的接收机才能生成正确的码才能做相关不知道密钥的接收机根本无法捕获和跟踪这个信号这是最基本、最有效的加密方式GPS P(Y)码、M码都是码加密层面二电文加密导航电文用密钥加密后广播即使能跟踪信号比如知道码没有密钥也解不出电文内容常用于商业增值服务层面三抗欺骗加密在信号中加入只有授权用户知道的安全特征接收机可以验证信号是不是真的来自卫星而不是伪造的这部分在下一节防欺骗里详细讲d. 民用信号会不会加密目前所有系统的民用公开信号GPS C/A、L1C、L2C、L5北斗 B1I、B1C、B2a、B2b、B3IGalileo E1、E5GLONASS L1/L2 OF都是不加密的——谁都可以接收使用。这是 GNSS 作为全球公共服务的基本定位。但有一个趋势民用信号虽然不加密但会加入认证功能——让接收机能验证信号的真实性防止欺骗。这不是不让你用而是让你知道用的是不是真的。4.3.4 信号认证与防欺骗怎么证明信号是真的欺骗Spoofing是比干扰更隐蔽、更危险的攻击。干扰是让你收不到信号欺骗是给你假信号让你算出错误的位置而且你还不知道自己被骗了。a. 欺骗攻击的原理欺骗器发射伪造的 GNSS 信号——信号格式跟真的一模一样但码相位和载波相位是伪造的。接收机如果无法区分真假就会跟踪假信号解算出欺骗者想要的位置和时间。欺骗攻击的危害无人机被劫持到错误位置船舶被误导到错误航道金融系统时间被篡改自动驾驶被误导个人位置被跟踪或伪造欺骗攻击比干扰难检测——干扰会让信号变弱或丢失用户能察觉到欺骗会让信号看起来一切正常但结果是错的。b. 信号认证技术为了防欺骗各系统开始在民用信号中加入认证功能。技术一导航消息认证NMA, Navigation Message Authentication在导航电文中加入数字签名或消息认证码MAC接收机验证电文的真实性——如果电文是伪造的签名验证通不过优点实现简单不需要改信号体制缺点只能认证电文不能认证信号本身——欺骗者可以重放真实的电文但用伪造的码相位技术二安全码SP, Security Code/ 加密码在民用码中插入加密的安全码片段安全码的结构只有授权用户知道接收机可以通过验证安全码来确认信号的真实性欺骗者不知道安全码无法伪造完整的信号Galileo OS-NMA 和 GPS Chips Message 都在研究这类技术技术三信号认证SA, Signal Authentication更彻底的方案对整个信号码电文进行认证需要在信号设计阶段就考虑进去目前还在研究阶段尚未大规模部署c. 各系统的防欺骗进展系统防欺骗措施状态GPSChips Message民用信号认证研究/试验中GalileoOS-NMA开放服务导航消息认证已在部分卫星试验北斗正在研究民用信号认证规划中GLONASS暂无明确民用防欺骗计划-Galileo 的 OS-NMA 是目前最成熟的民用防欺骗方案——已经在部分 Galileo 卫星上广播测试信号。OS-NMA 采用公钥密码体制在导航电文中加入数字签名接收机可以验证电文的真实性和完整性。d. 接收机端的防欺骗除了信号层面的认证接收机也可以在算法层面检测欺骗信号质量监测欺骗信号的功率、相关峰形状跟真实信号有差异可以检测多天线方向检测用多天线阵列测信号来波方向欺骗信号通常来自同一个方向惯导交叉验证GNSS 位置跟惯导推算的位置不一致时可能被欺骗时间一致性检验欺骗信号的时间跳变跟真实信号不同多系统交叉验证一个系统被欺骗了其他系统可能还是正常的信号层面认证 接收机端检测双管齐下才能有效防欺骗。4.3.5 信号设计的未来趋势最后我们展望一下 GNSS 信号体制未来的发展方向。趋势一更宽带宽、更高码速率从 BPSK(1) 到 BPSK(10)再到 AltBOC(15,10) 的 51MHz 带宽北斗 B2 频段采用 ACE-BOC 技术B2aB2b 总带宽约 51MHz跟 Galileo E5 对应支持宽带接收和联合处理带宽越宽测距精度越高抗多径越强未来可能出现 100MHz 甚至更宽的信号但受限于频谱资源和接收机成本不会无限宽趋势二数据导频成为标配新信号全部采用数据导频结构导频分量支持长相干积分弱信号性能更好未来可能出现纯导频信号——专门用于高精度测量不播电文趋势三信号认证普及防欺骗从军用扩展到民用NMA、安全码等技术逐步部署未来的民用接收机可能都支持信号认证趋势四增强服务信号化把增强信息精密星历、差分修正、完好性信息直接调制到卫星信号上北斗 PPP-B2b、Galileo HAS、QZSS CLAS 都是这个方向用户不需要额外的通信链路直接从卫星信号获取增强信息这是信号即服务的趋势趋势五多系统深度互操作从频率兼容到电文统一从独立服务到联合服务未来可能出现联合星历——一颗卫星的星历可以被多个系统使用趋势六与其他技术融合GNSS 信号 5G 信号 WiFi 蓝牙 视觉 惯导信号体制设计时考虑跟其他定位技术的协同从GNSS 独立定位走向多源融合定位趋势七软件定义信号信号不再是固定的而是可以根据需求动态调整卫星可以根据应用场景切换不同的调制方式、码速率、功率这需要软件定义无线电SDR技术在卫星上的应用小结一下信号强化技术是 GNSS 从能用到好用再到安全可靠的关键。抗干扰技术让 GNSS 在嘈杂的电磁环境中生存抗多径技术让 GNSS 在城市峡谷中保持精度加密与授权服务区分了民用和军用、公开和付费信号认证让 GNSS 免受欺骗攻击的威胁。这些技术有的在信号设计阶段就埋进去了比如高码速率、BOC 调制、数据导频有的在接收机端实现比如窄相关器、频域陷波、欺骗检测。信号体制和接收机技术是相辅相成的——好的信号设计让接收机更容易实现高性能好的接收机技术把信号的潜力充分发挥出来。至此信号体制这一章就全部完成了。我们从各系统信号的长什么样讲到了多系统信号的怎么共存再讲到了信号的怎么变强。下一章我们将进入 GNSS 的核心算法领域——捕获算法看看接收机是怎么从噪声里搜到卫星信号的。 
长河君 · 2026/8/31 14:59:59 · 阅读 1.2k GNSS 高级篇 04 信号体制：4.3 信号强化技术解析
GNSS 高级篇4 信号体制4.3 信号强化技术解析前面两节讲了信号是什么和怎么共存这一节我们讲信号怎么变强——在真实世界里GNSS 信号面临着干扰、多径、欺骗等各种威胁信号体制和接收机技术是怎么应对的在正式开始前请大家思考几个问题1GNSS 信号到地面只有 -130dBm比背景噪声还弱——一个几瓦的干扰器就能让一大片区域的 GNSS 失灵。系统和接收机是怎么抗干扰的2在城市里卫星信号经过墙面、地面反射后再到接收机这种多径信号会让定位偏几米甚至几十米。有什么办法能消除多径的影响3为什么 GPS 有 P 码、M 码这些军码民用信号能不能加密加密了之后普通接收机还能用吗4听说有人能用欺骗器伪造 GNSS 信号把接收机骗到错误的位置。信号本身能不能防伪怎么防接下来我们深入 GNSS 信号的防御体系——看看这些脆弱的信号是怎么在复杂环境中生存下来的。4.3.1 抗干扰技术在噪声中寻找信号GNSS 信号是出了名的弱——到地面的功率只有 -130dBm 左右比热噪声功率约 -104dBm在 2MHz 带宽内还低 26dB。换句话说信号完全被噪声淹没了接收机靠扩频增益相关处理把信号从噪声里捞出来。这种信号藏在噪声里的特性本身就是一种抗干扰——普通的窄带干扰经过扩频解扩后会被扩散到整个频段功率密度大大降低。但如果干扰足够强或者干扰方式足够聪明还是能让 GNSS 接收机失灵。a. 干扰的类型干扰类型特点典型来源危害程度窄带干扰单一频点或窄频段的连续波电台、对讲机、恶意干扰器高宽带干扰覆盖整个 GNSS 频段的噪声宽带噪声干扰器极高脉冲干扰周期性的脉冲信号雷达、脉冲干扰器中高扫频干扰频率在 GNSS 频段内来回扫扫频干扰器中高欺骗干扰伪造的 GNSS 信号欺骗器极高隐蔽最常见的是窄带干扰和宽带干扰。一个功率 1W 的窄带干扰器在 1 公里外就能让普通 GNSS 接收机完全失锁——因为干扰功率比真实信号强了 100 万倍以上。b. 抗干扰的四层防线GNSS 抗干扰是一个系统工程从天线到基带有四层防线第一层天线级抗干扰调零天线Null Steering Antenna用多天线阵列在干扰方向形成零点把干扰滤掉CRPA受控辐射方向图天线自适应调整天线方向图增强卫星方向、抑制干扰方向圆极化天线对线性极化的干扰有一定抑制约 3dB天线级抗干扰是效果最好的——直接在信号进入接收机之前就把干扰抑制掉。但代价也大多天线阵列体积大、成本高、算法复杂主要用在军用和高端民用领域。第二层射频级抗干扰高性能滤波器SAW/BAW/腔体滤波器把带外干扰挡在外面高线性度 LNA防止强干扰把放大器推到饱和AGC自动增益控制防止强干扰导致 ADC 削波限幅器瞬时强干扰时保护后级电路射频级抗干扰是常规操作——所有接收机都有但只能对付带外干扰和不太强的带内干扰。第三层基带级抗干扰这是最灵活、最有技术含量的一层。常见的基带抗干扰算法频域陷波Frequency Domain Notching把信号做 FFT 变换到频域发现哪个频点有干扰就把那个频点置零再 IFFT 变回时域。对窄带干扰效果极好可以抑制 40~60dB 的窄带干扰。缺点是会损失一部分信号能量因为陷波时把信号也滤掉了一点。时域自适应滤波用自适应滤波器如 LMS、RLS估计并抵消干扰。对窄带和窄带阵列干扰有效。空时自适应处理STAP, Space-Time Adaptive Processing结合多天线空域和时间延迟时域在二维空间里自适应抑制干扰。这是目前最强的抗干扰技术可以同时抑制多个宽带干扰。需要多天线阵列和强大的计算能力主要用在军用领域。脉冲消隐Pulse Blanking检测到脉冲干扰时在脉冲持续时间内把信号置零或衰减。对脉冲干扰有效实现简单。第四层算法级抗干扰多系统融合一个系统被干扰了还有其他系统多频融合一个频点被干扰了还有其他频点惯导组合GNSS/INSGNSS 被干扰时用惯导短期维持定位RAIM/完好性监测检测被干扰的卫星剔除异常观测值算法级抗干扰是最后一道防线——当信号已经被干扰到无法正常跟踪时靠冗余和智能来维持基本服务。c. 抗干扰的军备竞赛抗干扰和干扰是一场永恒的军备竞赛干扰器功率越来越大方式越来越聪明抗干扰技术也在不断升级从简单的滤波器到复杂的 STAP对于民用接收机目前的主流是消费级靠滤波器 频域陷波对付常见的窄带干扰专业级滤波器 频域陷波 多系统多频冗余高端/军用CRPA 天线 STAP 惯导组合几乎能对抗所有已知干扰值得注意的是抗干扰能力是有代价的——每增加一层抗干扰成本、功耗、体积都会增加。消费级接收机不可能用 CRPA STAP不是技术做不到而是成本和体积不允许。4.3.2 抗多径技术城市峡谷里的幽灵信号多径Multipath是 GNSS 在城市环境中最大的误差源之一。a. 多径是怎么产生的卫星信号从天上下来不是只有一条路径到接收机。直达信号LOS, Line of Sight直接从卫星到接收机这是我们想要的反射信号经过墙面、地面、建筑物反射后到达接收机这是幽灵信号反射信号比直达信号多走了一段路所以到达时间更晚——在相关器的输出里反射信号会在直达信号的相关峰旁边形成一个小峰。这个小峰会把直达信号的相关峰推歪导致码相位测量偏差——反映到定位上就是几米甚至几十米的误差。多径在开阔场地影响很小厘米级但在城市峡谷里可以达到几十米——这就是为什么手机导航在高楼之间有时候会飘。b. 多径的特点多径是局部的跟接收机周围环境有关不同位置多径情况完全不同多径是动态的接收机移动时多径情况不断变化多径跟卫星高度角有关低仰角卫星的信号更容易被反射多径更严重多径不能通过差分消除因为基准站和用户站的多径环境不一样c. 抗多径技术抗多径是 GNSS 信号处理的经典难题目前有几类技术技术一窄相关器Narrow Correlator普通相关器的早迟码间距是 1 个码片0.5~1.0 chip窄相关器把间距缩小到 0.1~0.2 码片相关峰更窄多径的小峰对主峰的影响更小可以把多径误差减小 2~3 倍这是最经典、最常用的抗多径技术几乎所有现代接收机都支持技术二多径消除技术MED/MET/Strobe 等MEDMultipath Elimination Technology用特殊的相关器设计把多径的影响减掉METMultipath Estimation Technology估计多径参数然后从测量值中扣除Strobe 相关器用更复杂的相关器组合进一步抑制多径这些技术可以把多径误差再减小 2~3 倍但实现复杂计算量大主要用在高精度接收机里技术三高码速率信号码速率越高码片越窄相关峰越窄多径越难推歪主峰BPSK(10) 信号的多径误差只有 BPSK(1) 的 1/10 左右这就是为什么 L5/E5a/B2a 这些 10.23Mcps 的信号在城市里表现比 L1 好得多用信号体制本身来抗多径是最根本的解决方案技术四多普勒域处理直达信号和反射信号的多普勒频移可能不同因为反射面在动或者路径长度变化率不同在多普勒域把两者分开对动态多径有一定效果技术五多天线/阵列处理用多天线阵列在空域区分直达信号和反射信号来波方向不同可以有效抑制多径但成本高主要用在特殊场合技术六信号设计层面BOC 信号的相关峰更窄多径分辨率更高AltBOC 超宽带信号Galileo E551MHz 带宽多径误差极小北斗 B2 频段的 ACE-BOC 技术B2a1176.45MHz B2b1207.14MHz总带宽约 51MHz跟 Galileo E5 频段布局完全对应。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。在终端侧接收机可以用宽带射频前端接收 B2 信号基带分别做 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——跟 AltBOC 类似宽带信号的相关峰更窄多径分辨率更高。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。数据导频结构导频分量可以做更长的积分提高多径估计精度抗多径没有银弹——没有任何一种技术能完全消除多径。实际中通常是多种技术组合使用窄相关器 高码速率信号 MED 多频观测把多径误差控制在可接受范围内。在城市环境中即使最好的接收机多径误差也可能有 1~3 米——这是物理规律决定的不是算法能完全解决的。要彻底解决城市峡谷的定位问题还得靠惯导组合、视觉定位、5G 定位等其他技术的辅助。4.3.3 加密与授权服务谁能用什么信号GNSS 信号分为公开服务Open Service和授权服务Authorized Service。公开服务谁都能用授权服务只有授权用户才能用——这背后是加密技术。a. 为什么需要授权信号原因一军事安全军码加密后敌方无法使用己方的导航信号敌方也无法伪造己方的军码信号来欺骗己方接收机军码通常功率更高、抗干扰更强、精度更高原因二商业增值部分高精度信号或增强服务需要付费使用通过加密控制访问权限实现商业变现原因三系统安全授权信号可以携带更敏感的系统信息防止恶意用户利用信号对系统进行攻击b. 各系统的授权信号系统授权信号频点调制特点GPSP(Y)码L1/L2BPSK(10)经典军码加密GPSM码L1/L2BOC(10,5)新一代军码抗干扰更强北斗B1A1575.42-授权信号北斗B3A1268.52-授权信号GalileoE6 商业服务1278.75BPSK(5)加密商业服务GalileoPRSE1/E6BOC公共管制服务加密GLONASS高精度码(SF)L1/L2BPSK军码加密c. 加密是怎么做的GNSS 信号的加密主要有几个层面层面一码加密伪随机码本身是加密的——只有知道密钥的接收机才能生成正确的码才能做相关不知道密钥的接收机根本无法捕获和跟踪这个信号这是最基本、最有效的加密方式GPS P(Y)码、M码都是码加密层面二电文加密导航电文用密钥加密后广播即使能跟踪信号比如知道码没有密钥也解不出电文内容常用于商业增值服务层面三抗欺骗加密在信号中加入只有授权用户知道的安全特征接收机可以验证信号是不是真的来自卫星而不是伪造的这部分在下一节防欺骗里详细讲d. 民用信号会不会加密目前所有系统的民用公开信号GPS C/A、L1C、L2C、L5北斗 B1I、B1C、B2a、B2b、B3IGalileo E1、E5GLONASS L1/L2 OF都是不加密的——谁都可以接收使用。这是 GNSS 作为全球公共服务的基本定位。但有一个趋势民用信号虽然不加密但会加入认证功能——让接收机能验证信号的真实性防止欺骗。这不是不让你用而是让你知道用的是不是真的。4.3.4 信号认证与防欺骗怎么证明信号是真的欺骗Spoofing是比干扰更隐蔽、更危险的攻击。干扰是让你收不到信号欺骗是给你假信号让你算出错误的位置而且你还不知道自己被骗了。a. 欺骗攻击的原理欺骗器发射伪造的 GNSS 信号——信号格式跟真的一模一样但码相位和载波相位是伪造的。接收机如果无法区分真假就会跟踪假信号解算出欺骗者想要的位置和时间。欺骗攻击的危害无人机被劫持到错误位置船舶被误导到错误航道金融系统时间被篡改自动驾驶被误导个人位置被跟踪或伪造欺骗攻击比干扰难检测——干扰会让信号变弱或丢失用户能察觉到欺骗会让信号看起来一切正常但结果是错的。b. 信号认证技术为了防欺骗各系统开始在民用信号中加入认证功能。技术一导航消息认证NMA, Navigation Message Authentication在导航电文中加入数字签名或消息认证码MAC接收机验证电文的真实性——如果电文是伪造的签名验证通不过优点实现简单不需要改信号体制缺点只能认证电文不能认证信号本身——欺骗者可以重放真实的电文但用伪造的码相位技术二安全码SP, Security Code/ 加密码在民用码中插入加密的安全码片段安全码的结构只有授权用户知道接收机可以通过验证安全码来确认信号的真实性欺骗者不知道安全码无法伪造完整的信号Galileo OS-NMA 和 GPS Chips Message 都在研究这类技术技术三信号认证SA, Signal Authentication更彻底的方案对整个信号码电文进行认证需要在信号设计阶段就考虑进去目前还在研究阶段尚未大规模部署c. 各系统的防欺骗进展系统防欺骗措施状态GPSChips Message民用信号认证研究/试验中GalileoOS-NMA开放服务导航消息认证已在部分卫星试验北斗正在研究民用信号认证规划中GLONASS暂无明确民用防欺骗计划-Galileo 的 OS-NMA 是目前最成熟的民用防欺骗方案——已经在部分 Galileo 卫星上广播测试信号。OS-NMA 采用公钥密码体制在导航电文中加入数字签名接收机可以验证电文的真实性和完整性。d. 接收机端的防欺骗除了信号层面的认证接收机也可以在算法层面检测欺骗信号质量监测欺骗信号的功率、相关峰形状跟真实信号有差异可以检测多天线方向检测用多天线阵列测信号来波方向欺骗信号通常来自同一个方向惯导交叉验证GNSS 位置跟惯导推算的位置不一致时可能被欺骗时间一致性检验欺骗信号的时间跳变跟真实信号不同多系统交叉验证一个系统被欺骗了其他系统可能还是正常的信号层面认证 接收机端检测双管齐下才能有效防欺骗。4.3.5 信号设计的未来趋势最后我们展望一下 GNSS 信号体制未来的发展方向。趋势一更宽带宽、更高码速率从 BPSK(1) 到 BPSK(10)再到 AltBOC(15,10) 的 51MHz 带宽北斗 B2 频段采用 ACE-BOC 技术B2aB2b 总带宽约 51MHz跟 Galileo E5 对应支持宽带接收和联合处理带宽越宽测距精度越高抗多径越强未来可能出现 100MHz 甚至更宽的信号但受限于频谱资源和接收机成本不会无限宽趋势二数据导频成为标配新信号全部采用数据导频结构导频分量支持长相干积分弱信号性能更好未来可能出现纯导频信号——专门用于高精度测量不播电文趋势三信号认证普及防欺骗从军用扩展到民用NMA、安全码等技术逐步部署未来的民用接收机可能都支持信号认证趋势四增强服务信号化把增强信息精密星历、差分修正、完好性信息直接调制到卫星信号上北斗 PPP-B2b、Galileo HAS、QZSS CLAS 都是这个方向用户不需要额外的通信链路直接从卫星信号获取增强信息这是信号即服务的趋势趋势五多系统深度互操作从频率兼容到电文统一从独立服务到联合服务未来可能出现联合星历——一颗卫星的星历可以被多个系统使用趋势六与其他技术融合GNSS 信号 5G 信号 WiFi 蓝牙 视觉 惯导信号体制设计时考虑跟其他定位技术的协同从GNSS 独立定位走向多源融合定位趋势七软件定义信号信号不再是固定的而是可以根据需求动态调整卫星可以根据应用场景切换不同的调制方式、码速率、功率这需要软件定义无线电SDR技术在卫星上的应用小结一下信号强化技术是 GNSS 从能用到好用再到安全可靠的关键。抗干扰技术让 GNSS 在嘈杂的电磁环境中生存抗多径技术让 GNSS 在城市峡谷中保持精度加密与授权服务区分了民用和军用、公开和付费信号认证让 GNSS 免受欺骗攻击的威胁。这些技术有的在信号设计阶段就埋进去了比如高码速率、BOC 调制、数据导频有的在接收机端实现比如窄相关器、频域陷波、欺骗检测。信号体制和接收机技术是相辅相成的——好的信号设计让接收机更容易实现高性能好的接收机技术把信号的潜力充分发挥出来。至此信号体制这一章就全部完成了。我们从各系统信号的长什么样讲到了多系统信号的怎么共存再讲到了信号的怎么变强。下一章我们将进入 GNSS 的核心算法领域——捕获算法看看接收机是怎么从噪声里搜到卫星信号的。