北斗系统设计及其关键技术

斗系统设计及其关键技术徐杰摘要：卫星导航系统能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全时、 全天候、高精度的定位、导航和授时服务，是拓展人类活动、促进社会发展的重要空间基础设施。随着斗导航系统的逐步完善，北斗导航接收机的研制成了各导航设备研制单位竞相展开的一项工作。本文主要包括北斗系统概况，北斗信号结构，北斗信号捕获，北斗关键技术方面的内容。关键词：信号结构信号捕获关键技术CompasssystemdesignandkeytechnologiesAbstract:Satellitenavigationsystemcanprovideforvastnumberofusersaroundthesurfaceoftheearthandinthespacewiththehighprecisionpositioning,navigationandtimingservicesall-time,all-weather.Itistheimportantspaceinfrastructureforexpansionofhumanactivitiesandpromotionsocialdevelopment.WiththegradualimprovementofCompassnavigationsystem,allcompanieswhoproductnavigationreceiverbegintoresearchtechniquesofthecompassnavigation.Thisarticlemainlyincludesthecompasssystemoverview,compasssignalstructure,compasssignalcapture,compasskeytechnology.Keywords:signalstructuresignalcapturekeytechnology1北斗二号系统概况目前GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）主要有四大系统，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo，中国的Compass（北斗），GNSS正在步入以这四大系统为主、涵盖其他卫星导航系统的多系统并存的时代。我国的北斗系统是一个分阶段演进的卫星导航定位系统，预计2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。第一阶段称为北斗导航试验系统（也称为北斗一号），它以RDSS模式起步，需要双向距离测量，即信号从控制中心发送到卫星，然后到用户设备，此信号再经过卫星发回控制中心，控制中心根据信号的传播时间，求解用户的位置并将位置信息发送给用户。这个过程使得它在连续和自主导航方面不如GPS和GLONASS，更致命的一个缺点是北斗一号用户机的有源用户终端在用于军事用途时很容易暴露自己，但是它也有自己的优势面一集导航和通信于一体，可以对用户实现识别和跟踪监视，这一点在汶川地震时发挥了重要的作用。北斗系统的第二个阶段为北斗导航系统（COMPASS），它涵盖了北斗一代，是个军民两用系统，民用用户可使用频点有两个B1和B2，通过两个频点可以进行电离层校正，同时还提供单频点用户电离层传播延时校正参数。单频电离层校正模式分为网格和模型两种形式，一般的网格型会有使用权限限制。B3频点是军用频点，其导航信息一般会加密，需要授权才能使用。北斗导航系统由空间段卫星系统、地面测量与控制系统和用户系统三大部分组成。其工作原理可简单描述如下：空间段的卫星向地面发射信号，地面监控部分通过接收测量各个卫星信号进而确定卫星的运行轨道，并将卫星的轨道信息上行注入卫星，卫星在下行频点上转播其运行信息，最后用户设备通过接收测量各可见卫星的信号，获得卫星的轨道信息及卫星信号到达接收机的传播时间，进而确定用户的自身空间位置。1.1空间段卫星系统北斗卫星导航系统的空间段由35个卫星构成，其中5个是地球静止轨道（GEO）卫星、3个是地球同步倾斜轨道（IGSO）卫星，还有27个地球中圆轨道（MEO）卫星。地球同步卫星的轨道高度为35785km，分别定点于动静58.75度、80度、110.5度、140度、160度，五颗GEO组成了北斗导航试验系统，同时北斗-1又是北斗-2的一部分。MEO卫星的轨道高度为21500km,轨道倾角为55度，均匀分布在3个轨道面上三个平面上，IGSO卫星轨道高度为36000km,均匀分布在3个倾斜同步轨道面上，轨道倾角为55度，3颗IGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点为东经118度，相差120度。北斗卫星导航系统在L、S频段播发导航信号，在L频段B1、B2和B3频点提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为厘米级，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。同时北斗导航系统优于其他导航系统之处是可以进行短报文通信，一次可传多达120个汉字的信息。1.2地面控制段地面站包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，主控站主要任务是收集各个监测站的观测数据，用以计算卫星轨道和时钟参数，生成导航电文和差分完好性信息，并把这些结果送到地面天线上行至卫星。另外主控站还负责卫星控制和系统操作。注入站在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷的控制管理。每个监测站都会配备精密的原子时间标准和可以连续测定到所有可见卫星伪距的接收机，通过接收卫星导航信号，将经过电离层和气象数据修正后的卫星信息发送给主控站，实现对卫星的跟踪、监测，为卫星轨道的确定和时间同步提供观测资料。1.3用户系统导航卫星只负责播发卫星的位置信息，具体实现定位需要用户设备自行完成。北斗接收机主要由接收机硬件、数据处理软件、微处理机和终端设备组成，其中接收机硬件一般又包括主机、天线和电源。用户设备的主要任务是跟踪可见的北斗卫星，对接收到的卫星信号经过数据后获得定位所需要的测量值和导航信息，最后完成对用户的定位运算和导航任务。2•卫星信号的结构形式及仿真卫星导航中采用BPSK信号调制方案，其内容为在相邻的时间间隔上载波的

相位是否翻转取决于数据波形是0还是1,如图2.3,二进制相移键控一定的延时，经过-20dB信噪比的白噪声通道后，输出模拟的北斗信号。&=15/图2.4用snnulink&=15/图2.4用snnulink对北斗信号仿f(BPSK)信号可视为RF载波和数据波形的乘积，当数据波形发生变化时,RF载波的相位就会随之发生反转，反过来我们通过检测载波相位的变化就可以读出相应的数据波形来。信息50 100 15Cbpsk调1 : n――n―n~~r-n^-M I50 100 150200250 300載波1 °屮H口 丨 丨门 HHyI\i|uuuIwuIIIy\unuIy1 ：0 50 100 150 200 250 300图23BPSK调制用simulink对北斗信号进行仿真，如图24图中左端由上到下依次为载波，伪随机码，信息码，扩频调制后经过443•信号的捕获lii-1D码和iiiI11由信息码、伪随机卫星过程中动，信E-X而且卫星以度绕地球旋致卫星和接收机间存在相对了一个不定» 甫 10F^nnM-1B9度,这样接收至的卫星信号中就还登详『多普勒频移同时接^收机的本地晶振的精度一般不会太高。导致对接士 土~收机信号的搜索偏离理论值,Frvquncyr收机接收到的卫星信号不仅在码相位所以接上存在模糊度，而且在载波频率上也存在一定的模糊度。由于接收机的跟图2.5纯浄的扩频信号踪环路能够牵引的范围有限，为了让接收机能够成功的跟踪、锁定某颗可IjLnliijhl,1Jii,LLii11,接收机首先要对接收ilj.llI.JI1IIUI■I见卫星的信号刑勒频移，以弭I||I IIIIII»'III'IIlli11 > >1- jlI1.丄|皿血1皿』hhlil山血M血MA1CiaT[arTjjjT频率进行如图3.1即星冊在对一个卫星信IJi号进行频率和机一般会根据的搜索。在对一个卫星信时间的搜索之前，接收已经掌握的情况先预估一下哪颗卫星可见的概率较大，并按图Z6经过噪声1■'照概率从大至小排列出一価获的次序，这样可以在一定程度上缩短捕获汚蹴届号功率帝幣＜时间。如果接收机没有关于星座任何信息，一般会按卫星号1到30进行二-31/2段索力向 ►114口“小3<1500>阁3.1I!'ur.7£■的-31/2段索力向 ►114口“小3<1500>阁3.1I!'ur.7£■的.Mi.py-jj*!IB-I<-500Zt.IlCKKU-5t-2541)>2<IIVXI]<5(X1Ng接收机在每个搜索方格进行一次信号搜索的时间称为驻留时间设为stayT，维搜索。一般情况下对某颗可见星的这二维搜索为扫描式搜索，比较耗时，因此捕获是影响首次定位的主要因素之一，所以快速捕获也就成了工程实现导航接收机所面临的一个现实问题。在进行二维搜索时，一般时间维以1/2的码片为步长，频率维近似规定为2/(3T)，其中的T表示每个方格的积分时间，这里以北斗卫星的2.046MHz的D1码为例，其周期为1ms，所以其积分时间最小为1ms，也就是说频率维的步长最大为667Hz,—般情况下，取500Hz。对一个信号进行二维搜索的不定区间的大小基本上决定了对该信号搜索的时间的长短。由图3.1可以看出频率不定区间与码相位不定区间所包围的面积构成了对一个接收信号的二维搜索范围，其中信号频率与码相位的不定值分别为unf与unt，搜索频带与码带步长又分别为stepf与stept那么该搜索范围包含的搜索单元的数目cellN为于是驻留时间乘以搜索单元总数就等于搜索一遍整个不定区间所需要的时间allT，即如果接收机在逐个单元的信号搜索过程中确信已经检测到了信号，那么接收机可以停止搜索剩余那些没有搜索过的单元而声明对该信号捕获成功。假设信号存在并且它随机的分布在二维搜索范围内，那么接收机在声明信号捕获之前所搜索过的单元数目的平均值等于搜索单元数目的一半，即平均捕获时间acqT的估算公式为：平均捕获时间被广泛用来衡量信号捕获的快慢程度，而它在实践中通常指的是接收机从开始搜索到捕获到首个卫星信号所需要的平均时间。接收机对卫星信号的频率和码相位掌握的越准确，相应的二维搜索范围也就越小，那么搜索的单元数目就会越少，信号捕获完成的也就会越快。除了信号搜索范围的大小之外，影响信号捕获速度的一些关键因素还包括信号的强弱，搜索算法的效率以及捕获信号的门限值等。为了减小平均捕获时间，我们除了采用更为优越的搜索算法之外还可以在以下几个方面采取措施：1）缩小信号的搜索范围：信号搜索范围的大小主要跟接收机内部所保存的卫星的星历及历书的新旧程度及振荡频率偏差有关。通过接收机保存或者通过外界向接收机提供捕获信号时所需的关于卫星和接收机的各种最新的数据信息，接收机可以比较准确的估计出各颗卫星的可见情况和可见卫星的参数值，从而有效的缩小三维搜索范围。2） 提高接收信号的信噪比：信号的捕获门限一般是通过对大量的噪声功率进行统计的方法得到，由此可知强信号会轻而易举的超过捕获门限而被检测到，也就是说接收机通常能更快、更准确的捕获到强信号。由此可以得出结论只亜电台口要疋冃匕减低信号功率损耗和提高信噪比的措施一般都会有利于信号的快速捕获。3） 采用并行相关器：前面对于平均捕获时间是以每次只能搜索一个捕获单元的串行方法计算的，通常为了缩短捕获时间接收机会在同一时刻捕获多个频点或多个码相位，以此来提高捕获速度。4北斗的关键技术对北斗接收机的研制技术做了一定的研究，主要的工作有以下几个方面：1）对北斗接收机的基带信号的处理,包括信号的捕获和跟踪。这一部分是接收机性能能否达标的一个关键。本文随后推广到各专业仃业进仃规模示介绍了几种捕获的方法，分析了各自范，并逐步普及到大众消费类市场。的优缺由于北斗点，分别对其做了仿真，并在实际的导航系统的应用推广刚刚起步，对北项目中选用了其中性能最优的算法。斗接收机的研究工作还有很多要做，对于跟主要包踪部分在理解了信号跟踪实际上是一括以下几个方面：个闭环控制的基础上，对载波环和码1）对于捕获模块对弱信号的研究还环分别不够深入，这就限制了北斗导航接收做了研究。在跟踪部分要根据具体的机的应用背景选取跟踪环的阶数、带宽。应用领域，所以这一难关必须尽快攻2）导航接收机的解算部分主要承担克，同时接收机的首捕时间是接收机了定位结果的计算输出，在这一部分的一个主要重要指标，所以缩短捕获时间也是一用最小二乘法在众多的估测值中选出个知道的深入研究的方面。在实际的一个最优点来作为定位输出结果。工程应3）对接收机输出的定位结果中存在用中跟踪模块中环路滤波器的各个参的误差进行分析，针对各种不同的误数的设置也是至关重要的，它直接影差源响到环选取模型进行修正，文章对各种误差路能否正常工作，以及稳定跟踪后的源修正前后的结果进行了仿真对比分环路误差的控制范围，所以对于环路析，对的参数修正模型对定位误差的改善进行了评如何设置能达到跟好的跟踪效果也需估。要进一步研究。北斗导航系统在未来的至少三