大膽設想未來衛星導航信號的幾種可能——專訪ION早期成就獎獲得者姚錚副教授
2018年2月1日, 美國導航學會(Institute of Navigation - ION)在2018年國際技術大會(ION ITM』2018) 期間舉行了頒獎儀式。中國科學家楊元喜院士、姚錚副教授分別獲得大獎，開創了中國學者獲此殊榮的先例。
北斗衛星導航系統副總設計師、中國科學院楊元喜院士被授予美國導航學會會士「ION Fellow」稱號，以表彰他在中國北斗衛星導航系統發展過程中的領導作用和技術貢獻，以及在倡導衛星導航國際合作中做出的努力。
早期成就獎(Early Achievement Award) 是美國導航學會針對35歲以下青年學者的國際導航領域最高獎，以表彰在學術生涯早期對國際導航科學和技術做出突出貢獻的青年學者，每年在全球範圍內只評選出一名獲獎人。姚錚副教授獲得ION早期成就獎以表彰他在衛星導航信號設計和多路復用方面取得的開創性貢獻以及對中國北斗衛星導航系統信號設計的重要推動作用。
楊元喜院士因公務未能到會，清華大學陸明泉教授代表楊元喜院士接受了獎項，並宣讀了楊院士的書面獲獎感言。楊院士表示：「感謝在推動北斗發展和GNSS國際合作的道路上與我同行的每一位同事，這個獎項不僅僅是我個人的獎勵，也是整個北斗團隊的榮譽。我和我的團隊將繼續努力，進一步提升北斗的性能，加強GNSS國際交流與合作」。姚教授在獲獎感言中表示，「我很榮幸獲得這個獎項，感謝在工作中合作的導師和同事，以及整個北斗/GNSS領域的專家們。希望這一獎項能夠進一步激勵我本人及其他年輕學者在GNSS的科研道路上勇敢地面對各種挑戰，做出新的更大的貢獻」。
上海北斗導航創新研究院
我們在本期的訪談欄目中非常榮幸地邀請到了姚錚副教授就衛星導航信號未來可能的發展趨勢這個題目與大家一起分享他的研究成果。
姚錚副教授
北研院的朋友們大家好！
未來的衛星導航信號及接收機的設計開發所面臨哪些主要問題？
首先，衛星導航帶內和帶外的射頻干擾在未來會變得更加嚴重。在各種干擾環境中，如何保持導航系統的可靠性和連續工作能力，仍是衛星導航系統建設和應用所面臨的一大難題；其次，隨著位置服務等對定位精度要求的不斷提高和服務覆蓋範圍的不斷擴大，用戶對導航系統在室內、隧道、城市峽谷等各種惡劣接收環境中的可用性要求也會不斷增加，信號和接收機設計必須要聯合在一起考慮，從而對抗衛星嚴重遮擋造成的功率衰減和嚴重的多徑干擾等問題；再次，除了導航系統的本身更新換代促使導航信號的升級，未來將以導航系統為核心，通過各種增強、補充和備份手段形成國家定位導航授時體系，也需要通過衛星導航信號作為紐帶，把多個增強、補充和備份系統有機聯繫起來。良好的信號設計是形成解決方案最重要的一環，也是成本最低、對技術要求最少的途徑。正是這些需求驅動著衛星導航信號技術的不斷進步，也成為我們預測衛星導航信號發展趨勢的主要依據。
對於衛星導航信號的發展趨勢，您有些什麼預測？
在可預見的未來，衛星導航系統的基本體制不會發生顛覆性變革，導航信號仍是衛星導航系統傳輸測距碼、衛星星曆和鐘差的載體，因此衛星導航信號的發展應該是漸變的。先進的擴頻調製方式不僅使多個GNSS系統信號更好地共享頻譜資源，而且使信號在雜訊、多徑和干擾環境中的測距性能也有了明顯提升。導航電文和編碼技術的優化使信號在滿足規定解調能力的條件下將省下來的功率分配給導頻信道，以使捕獲、跟蹤和測距性能得到進一步提升。先進的多路復用技術使衛星得以在一個頻點同時播發多種不同的服務信號，而且每種信號可以針對不同的用戶專門優化。導航信號的發展主要體現在擴頻調製、電文結構與編碼以及星上的多路復用技術等方面，未來的發展也將主要體現在這些方面。
未來的導航系統在帶寬上會有什麼變化？
現有的導航信號帶寬範圍為幾兆到幾十兆。人們普遍認為，較寬的信號帶寬可以帶來測距性能的提升及干擾和多徑抑制能力的提高，但是衛星導航的頻率資源非常有限，更大帶寬的接收機成本也更大，同時接收到窄帶干擾的可能性也隨之增加，而且大帶寬信號在衛星導航中的優勢迄今並未得到完全體現。因此，至少在衛星導航的L頻段使用更大帶寬擴頻調製的前景並不樂觀。
您認為未來衛星導航信號的基本結構會發生哪些變化？
第一代衛星導航系統採用了與雷達信號類似的脈衝信號體制，早期的第二代衛星導航系統採用了與衛星通信類似的DSSS/BPSK類信號，近期第二代衛星導航系統，包括現代化的GPS及建設中的Galileo和BDS，信號結構又發生了較大變化，其中一個主要特徵是普遍採用了導頻和數據分量正交的信號結構。從未來的發展來看，衛星導航信號很可能出現導頻與數據分量進一步分離的趨勢。也就是說一個完整的衛星導航信號，它的導頻分量和數據分量將由MEO衛星和LEO衛星分別發射，在接收機端同時接收來自不同衛星的導頻和數據分量來完成定位功能。這種信號體制可以專門針對測距功能來優化設計導頻分量信號，還能進一步利用高軌MEO衛星和低軌LEO衛星的特點，實現更高靈敏度的跟蹤、更高精度的測距甚至GNSS的室內定位。這或許是衛星導航技術自誕生以來的一次重大突破。
未來的導航系統將如何進行信號播發？
GNSS的應用非常廣泛，各種實際應用需要GNSS提供多樣化的服務。為滿足這種需求，可以採用兩種方式。一種方式是發射多種有針對性的專用信號。另外一種方式是只發射少量多用途信號，利用接收機的多種接收處理策略，使不同的用戶能夠通過接收機靈活的信號處理方式獲取所需的服務。在目前的信號設計中，幾大全球衛星導航系統在這一點上已經表現出了截然相反的設計思路，並未形成共同的發展趨勢。但是，對於新興導航系統，第二種方式更為理想，對信號設計理念和水平也提出了更高的要求。
未來的衛星導航系統是否會開拓新的頻段？
衛星導航信號的數量正在隨著系統的建設不斷增加，原本帶寬有限的L頻段現在更加擁擠不堪。因此，衛星導航頻段的擴展已勢在必行。從目前來看，如何開發、何時啟用S頻段和C頻段的頻率資源還有很大的不確定性。原因在於，一方面用戶還未提出更高的要求；另一方面，對S頻段和C頻段作為導航頻段的傳輸特性還有待深入研究。現有的技術對於開發低成本的多頻段導航接收機也有一定的難度。正在進行現代化改造的GPS和GLONASS尚未提出拓展新頻段的正式計劃，建設中的Galileo和BDS也沒有比較明確的新頻段開發計劃。
大家都認為通信導航深度融合是未來發展的必然趨勢，您有些什麼看法？
目前已經可以通過移動通信網路播發GNSS增強信息，這一技術促進了位置服務產業的發展。隨著信息化的步伐日益加快，移動互聯網、物聯網以及GNSS增強網將廣泛普及，包括行業類用戶及消費類用戶在內的絕大多數GNSS用戶都將在網路環境下使用GNSS，完全獨立的導航定位設備幾乎消失。因此，未來一定會在信息層面進一步加強GNSS與移動通信等信息網路的融合。更大膽的推測是，GNSS與移動通信甚至可能在信號層面實現融合。通過GNSS與移動通信信號的聯合設計，有可能將GNSS所有的信號功率分配給導頻分量，使接收機能夠使用所有的GNSS信號功率進行捕獲、跟蹤和測距。電文等數據則通過移動通信、網際網路、GNSS增強網或其他多種途徑獲取，從而使聯網的用戶可以獲得更好的GNSS服務。這種趨勢也值得大家認真探討。
總之，電子信息及相關技術正在飛速發展，衛星導航用戶的需求也在不斷增加，未來導航系統的發展將會日新月異，衛星導航信號也一定會不斷隨之發生變革，從而為用戶帶來更高性能、多樣化服務，甚或為衛星導航系統本身帶來革命性的進步。
謝謝姚教授，非常感謝您接受上海北斗導航創新研究院的採訪！
