北斗卫星导航系统的信号特性与传播特性分析

朱晨昊 杨依凡武美成褚兴华杜晨

北方自动控制技术研究所

摘要：

随着技术的发展和全球化的推进，卫星导航技术已经成为现代社会中不可或缺的一部分。在众多的卫星导航系统中，北斗卫星导航系统因其独特的设计和广泛的应用受到了广泛关注。作为一个独立而完整的导航系统，理解其信号和传播特性是评估其性能、优化其应用和推动其进一步发展的关键。该文旨在深入探讨这些特性，并提供一个全面的视角来看待北斗系统的能力和挑战。

关键词：北斗卫星；导航系统；信号特性；传播特性

引言：

卫星导航技术是当代最具革命性的技术之一，已深入到各个领域的日常生活和工作中。从最初的军事应用到如今的广泛民用，它的影响力早已超出了科技界的预期。在全球多个卫星导航系统中，北斗卫星导航系统是近年来崭露头角的一颗明星。它不仅代表了中国在空间科技领域的巨大进步，而且为全球用户提供了一个新的、高效的导航选择。然而，任何技术的优势和局限性都是基于其内在特性的。为了更好地理解北斗卫星导航系统的性能、应用和未来的潜在，我们需要深入研究其信号和传播特性。

一、北斗卫星导航系统的信号特性

（一）抗干扰性

北斗卫星导航系统在信号设计上高度重视抗干扰性。随着全球电磁环境的日益复杂化，干扰与电子战的威胁也随之增加。为应对这一挑战，北斗系统采用了多种先进的信号设计和处理技术。通过使用多种载波频率，系统能够在一个频率受到干扰时，自动切换到另一个频率，确保持续的导航与定位服务。其次，利用复杂的伪随机噪声(PRN)序列来编码导航信号，这样可以增加非法接收器锁定和解调的难度，从而提高信号的安全性和鲁棒性。同时接收器端还采用了先进的数字信号处理技术，如自适应滤波器和波束形成技术，以减少和抵消外部干扰。在实际操作中，这些技术相互协同，为用户提供了高质量、可靠的导航信号，确保在各种复杂环境下都能够实现准确的定位和导航[1]。

（二）多路径特性

北斗卫星导航系统的信号在传输过程中，同样受到多路径效应的影响。多路径效应是指由于信号在传播途中会经过反射、折射和散射等现象，从而导致信号从不同的路径到达接收器。这可能会引起接收到的信号强度的变化、相位偏移和定位误差。特别是在城市峡谷、森林或其他复杂地形中，多路径效应可能会对导航精度产生显著影响。为了缓解这一效应，北斗系统在信号设计和处理上进行了一系列优化。首先，信号的编码结构被设计为对多路径效应具有一定的鲁棒性，能够在一定程度上减少多路径引起的误差。其次，在接收器端，采用了高动态、高灵敏度的设计以及先进的信号处理算法，如相关峰值检测和波束形成技术，来进一步减少多路径效应的影响。然而，完全消除多路径效应是非常困难的，因此为了更准确地评估其对导航精度的影响，北斗系统还推出了相关的测试和评估工具。这些工具可以帮助用户更好地理解和管理多路径效应，确保在各种环境下都能够获得可靠的导航和定位结果[2]。

二、北斗卫星导航系统的信号传播特性

（一）受到大气层影响

北斗卫星导航系统的信号在从卫星传输到地面时，必然会经过大气层，尤其是电离层和对流层，这两个大气层对信号都产生显著的影响。电离层中充斥着大量的自由电子，这些电子会改变导航信号的传播速度，进而导致信号的延迟和相位改变。这种效应的大小与时间、太阳活动和地理位置都有关，但通常可以通过使用双频接收器进行校正。与此同时，对流层的影响则更为复杂。由于对流层的温度、湿度和大气压的变化，信号传播速度也会发生变化，这种效应比较难以精确预测，但现在有一些经验模型可以用来估计和校正这种影响。

（二）受到地球几何影响

北斗卫星导航系统的信号传播在受到地球几何结构的影响时展现出特定的特性。由于地球是一个椭球体，不同地理位置的用户可能会与不同的卫星集合产生交互。此外，北斗系统的独特星座配置，包括地球同步卫星、倾斜同步轨道卫星和中地轨道卫星，为用户提供了从多个角度和高度的信号。这种混合卫星配置导致信号传播路径和几何分布与其他导航系统存在差异。地球的凸起、凹陷和地形也可能影响信号的传播，特别是在山区和深谷中。接收器的地球几何稀疏度，即卫星与接收器之间的相对位置，直接影响到定位精度。当多个卫星与接收器近乎在同一方向时，定位解决方案可能会变得不那么准确。幸运的是，北斗的独特星座设计旨在提供优越的空间分布和地球几何覆盖，从而最大化信号传播的效果并提供准确的导航服务。

（三）存在干扰与屏蔽情况

北斗卫星导航系统的信号在传输过程中可能会遭受到各种干扰和屏蔽的影响。在高密度的城市环境中，高楼大厦和其他大型结构物常常导致信号被阻挡或反射，这种现象称为“城市峡谷”效应。此外，森林和山区也可能造成信号衰减或屏蔽。除了自然和人造障碍物对信号造成的屏蔽外，电磁干扰也是一个重要的问题。这可能来自于其他的电子设备、通讯系统或甚至恶意的干扰源。这些干扰源可以导致信号失真、数据丢失或完全的信号中断。为了应对这些问题，北斗系统在信号设计上采用了多种技术，如使用多个频点、复杂的伪随机噪声序列以及先进的接收器处理技术，以提高系统的鲁棒性和抗干扰能力

[3]。

（四）卫星星座配置

北斗卫星导航系统的信号传播特性在很大程度上受其卫星星座配置的影响。北斗系统采用了独特的混合卫星星座配置，结合了地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和中地球轨道(MEO)的卫星。这种混合配置确保了全球和特别是亚太地区的高覆盖率和高可用性。地球静止轨道的卫星提供了稳定的信号覆盖，尤其是对中国及其周边地区，而倾斜地球同步轨道和中地球轨道的卫星则进一步扩大了覆盖范围，提高了定位精度和可靠性。这种星座配置意味着，在任何时候，用户至少可以从四颗卫星接收到信号，从而确保了高精度的定位和时间传输服务。

总结：综上所述，北斗卫星导航系统的信号特性和传播特性均显示出其强大的性能和独特的优势。这些特性不仅使北斗在技术上与其他导航系统相媲美，还确保了其在各种应用场景中的可靠性和准确性。然而，任何技术都会面临其固有的挑战和局限性，对北斗系统来说，持续的研究、创新和技术优化是确保其长期成功的关键。为此，持续的研究和开发，以及与其他系统的合作与互补，将是确保北斗系统持续领先的关键因素。

参考文献：

[1]黄鑫,张继文,于永堂等.基于北斗卫星导航系统的地下车库深基坑沉降监测与分析[J].测绘通报,2023(09):18-24.

[2]刘永.基于北斗卫星导航系统的高速公路应用研究与示范应用研究[J].信息系统工程,2023(08):144-147.

[3]陈谷仓.北斗卫星导航系统建设与发展[J].卫星应用,2023(06):8-11.