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1、 北斗导航系统接收机的粗同步技术 摘要：北斗导航系统是我国独立自主研制的全球卫星导航定位与通信系统，主要由空间星座、地面控制端和用户终端三大部分组成。它能够全天候、全天时、高精度的为用户提供导航和定位服务。本文首先分析了我国的北斗卫星导航系统的公开服务信号B1I，然后分析了北斗系统接收机的粗同步技术，并对北斗系统与全球导航系统进行了简单比较。关键词：北斗系统；信号结构；粗同步技术；全球导航系统 the Coarse Synchronization Technology of the Beidou Positioning System Abstract：Beidou navigation and
2、 positioning system which is mainly composed of space constellation, ground control and client is a kind of satellite navigation, positioning and communications system independently developed by China. It can provide all weather, all time and high precision navigation and positioning service. This p
3、aper firstly analyzes the free service signal B1I in detail, then analyzes the coarse synchronization technology of the beidou navigation and positioning system.Finally,we compare the beidou navigation and positioning system with the GNSS.Key words： Beidou system；signal structure；the coarse synchron
4、ization technology；GNSS 0 引 言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天时、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。20世纪80年代初，中国开始积极探索适合国情的卫星导航系统。按照“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则，遵循“先区域，后全球”的总体思路，我国北斗卫星导航系统按“三步走”发展规划稳步有序推进：第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，并与2000年形成区域有源服务能力；第二步，2004年启动北斗卫星导航系统建设，2012年形成区域无源服务能力；第三步，2020年北斗卫星导航系统形成全球无源服
5、务能力。2000年，初步建成的由两颗地球同步轨道卫星组成的北斗卫星导航试验系统（“北斗一号”），标志着中国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家，极大地改善了长期缺乏自主有效导航定位手段的被动局面，但由于系统体制的限制，无源导航系统的建设迫在眉睫。1 北斗系统概述 北斗系统基本组成包括：空间段、地面控制段和用户段。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，地面控制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
6、，进而确定用户的自身空间位置。1.1 空间段北斗系统目前在轨工作卫星有5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星。星座组成如图1所示。相应的位置为：GEO卫星的轨道高度为35786km，分别定点于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。IGSO卫星的轨道高度为35786km，轨道倾角为55度，分布在三个轨道面内，升交点赤经分别相差120度，其中三颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118度，其余两颗卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95度。MEO卫星轨道高度为21528km，轨道倾角为55度，回归周期为7天13圈，相位从Walker24/3/1星座中选择，第一轨
7、道面升交点赤经为0度。四颗MEO卫星位于第一轨道面7、8相位、第二轨道面3、4相位。1.2 地面控制段地面控制段负责系统导航任务的运行控制，主要由主控站、时间同步/注入站、监测站等组成。主控站是北斗系统的运行控制中心，主要任务包括：a) 收集各时间同步/注入站、监测站的导航信号监测数据，进行数据处理，生成导航电文等；b) 负责任务规划与调度和系统运行管理与控制；c) 负责星地时间观测比对，向卫星注入导航电文参数；d) 卫星有效载荷监测和异常情况分析等。时间同步/注入站主要负责完成星地时间同步测量，向卫星注入导航电文参数。监测站对卫星导航信号进行连续观测，为主控站提供实时观测数据。1.3 用户段
8、多种类型的北斗用户终端，包括与其他导航系统兼容的终端。2 信号结构北斗卫星导航系统的公开服务信号为B1I信号，信号的复用方式为CDMA码分多址方式，其标称载波频率为1561.098MHz。B1I信号由I、Q两个支路的“测距码+导航电文”正交调制在载波上构成，其表达式如下：（1）式（1）中：上角标j：表示卫星编号；下角标I：表示I支路；下角标Q：表示Q支路；A：表示信号振幅；C：表示测距码；D：表示测距码上调制的数据码；f0：表示载波频率；：表示载波初相；2.1 测距码B1I信号测距码（以下简称CB1I）码，码速率为2.046Mcps，码长为2046。CB1I码由两个线性序列G1和G2模二和产生
9、平衡Gold码后截短1码片生成。G1和G2分别由两个11级线性移位寄存器生成，其生成多项式为：G1(X)=1+X+X7+X8+X9+X10+X11G2(X)=1+X+X1+X2+X3+X4+X5+X8+X9+X11G1的初始相位为01010101010，G2的初始相位01010101010。CB1I码发生器如图1所示：图1 CB1I码发生器示意图Fig.1 CB1I code generator通过对产生G2序列的移位寄存器不同抽头的模二和可以实现G2序列，相位的不同偏移，与G1序列模二和后可生成不同卫星的CB1I码。2.2 导航电文根据速率和结构不同，导航电文分为D1导航电文和D2导航电文。
10、D1导航电文速率为50 bps，并调制有速率为1 kbps的二次编码，内容包含基本导航信息（本卫星基本导航信息、全部卫星历书信息、与其它系统时间同步信息）；D2导航电文速率为500 bps，内容包含基本导航信息和增强服务信息（北斗系统的差分及完好性信息和格网点电离层信息）。MEO/IGSO卫星的B1I信号播发D1导航电文，GEO卫星的B1I信号播发D2导航电文。3 北斗接收机基带信号的粗同步技术3.1扩频通信理论基础扩频通信，即扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），是一种信息传输方式，用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽，频带的扩展由独立于信息的扩
11、频码来实现，与传输的信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调，实现解扩，恢复所传的信息数据。扩频通信的理论基础是香农定理，其所具有的高抗干扰和抗噪声特性，通过信息论和抗干扰理论可以清晰的呈现出来。香农定理指出，在高斯白噪声干扰下的一个通信系统的容量为： （2）根据此定理，扩频通信系统虽然占有较大的信道带宽，但它可以用较低的信噪比来传输信息，可以降低接收的信噪比门限值。当限定平均功率时，具有白噪声统计特性的信号是高斯信道中能够实现可靠有效通信的最优信号。这是基于香农定理的又一结论。白噪声的自相关函数为： （3）从上式我们可以得出，白噪声的及(r)具有5(r)函数的特点。而伪噪声序列的自
12、相关函数为：（4）由此可知，伪噪声序列的自相关函数具有和白噪声相类似的统计特性。由香农定理可知，在高斯噪声的干扰下，伪噪声序列逼近于信道通信的最优信号形式。正是基于这一原理，对于扩频系统在高斯信道中采用高速率的扩频码来调制基带载波信号频谱具有最优性能。所以扩频通信系统，优于常规通信体制。扩频通信技术一般分为三种 ：直接序列扩频(DSSS)、跳频扩频(FH)、线性调频。卫星导航定位系统中常采用直接序列扩频通信体制，原因在于直接序列扩频通信中伪码相位可以反映出时间信息。如下图所示为直接序列扩频系统模型：图2直接序列扩频通信系统模型Fig.2 The communication system mod
13、el of Direct Sequence Spread Spectrum.3.2 粗同步技术信号从卫星传播到导航接收机，在途中经历了许多变化，最主要的变化是信号变弱了许多，通常卫星向地面发射几百瓦的信号，但是接收机接收到的信号低达10-16瓦，如此微弱的信号已经完全被淹没在噪声之中了，那么如何把如此微弱的信号从噪声中提取出来成为现在北斗导航系统接收机的关键技术研究热点。BD用户机用于接收和处理各种数据，它与导航卫星之间的通信采用了直接序列扩频技术。用户机终端包括射频单元和数字基带信号处理单元两个模块。一般来说，卫星的同步过程主要包含两个阶段：（1）伪码初始相位的粗捕获阶段；（2）伪码和载波多
14、普勒频移的跟踪阶段。伪码捕获是粗捕获过程，由于卫星和接收机之间的相对运动以及时钟漂移等因素的影响，在接收信号中造成较大的多普勒频移，这就需要转入跟踪阶段，以实现本地伪码相位和载波多普勒频移的精确同步。3.2.1 北斗用户机捕获技术原理卫星信号伪码的捕获是跟踪的前提,是整个扩频系统达到同步的关键技术。当北斗用户机接收到扩频信号以后，将本地伪码相位与之比较，保证接收到的码相位和本地伪码相位一致，并不断的调整二者之间的相位差，实现信号的初始同步。扩频序列的捕获是利用扩频序列的相关性实现的。所有捕获方法的共同点是将接收到的信号与本地信号做相关运算，如果捕获到扩频信号就可以转入下一步的跟踪过程，否则，重
15、新开始捕获。因为码相位是一种时间信息，所以对某个卫星信号的捕获搜索其实是一个由频率和时间锁组成的二维空间内进行的信号搜索。捕获就是搜索信号中包含的可见卫星，找到它的伪码的初始相位和载波多普勒频率。由此可知，这是一个对可见卫星、多普勒频移和码相位的三维搜索过程。在捕获之前首先要对捕获的参数进行分析和设定：搜索的频率范围、搜索门限的确定、搜索步长的确定。3.2.2 频域并行捕获算法原理频域并行捕获方法通过三次傅里叶变换就可以确定伪码相位和多普勒频移，从而提高捕获速率。设输入的中频信号为： （5） 其中，是信号功率，是伪码；为传输过程中带来的时间延迟；是导航电文；是中频载波频率；是初始载波相位，是高
16、斯白噪声。本地载波发生器产生两路信号，即：（6）（7）本地伪码发生器的输出可以看做是一个本地信号，则I路和Q路的积分器输出为（其中为某个时刻）： （8） （9）由信号系统知识我们知道，时域的卷积对应频域的乘积，若要计算时域中的卷积就可以先计算两个函数的傅里叶变换，然后再对其频域内的乘积取IFFT得到时域的卷积。很自然的，我们可以把这种方法运用到卫星信号的捕获相关运算上。将上面两式分别做FFT，得： （10） （11）其中，和分别是和的傅里叶变换，和分别是 和的复共轭。捕获的原理如图所示：图3基于FFT算法的信号捕获原理Fig.3 The signal capture principle bas
17、ed on FFT algorithm4 北斗导航系统与全球导航系统比较分析4.1 覆盖范围北斗卫星导航系统是覆盖我国本土的区域性导航系统。覆盖范围东经70140，北纬555。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到411颗卫星。4.2 定位原理北斗卫星导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。4.3 定位精度北斗卫星导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前已由16m提高到6m，C/A码目前已经由25100m提高到
18、12m，授时精度目前约为20ns。4.3 用户容量北斗卫星导航系统由于是主动双向测距的询问应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳有限个用户。而GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。4.4 实时性北斗导航定位系统用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料后在发回给用户。而GPS由于是用户自己解算，实时性比较高。因此，若要利用
19、北斗卫星导航系统进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较合适。5 结论本文首先对我国的北斗导航系统的发展状况进行了介绍，然后对北斗导航系统的系统架构进行了描述。详细分析了我国的北斗卫星导航系统的公开服务信号B1I信号，分析了北斗导航系统接收机的粗同步技术，最后对北斗导航系统和全球导航系统进行了比较分析。目前，我国北斗系统还在逐步建设完善中，相信随着我国卫星导航技术的发展成熟，北斗系统会逐步为全球用户提供高性能、高可靠的定位、导航与授时服务。参考文献1 唐金元, 于潞, 王思臣. 北斗卫星导航定位系统应用现状分析 JJ. 全球定位系统, 2008, 32(2): 26-30.2 金璐. 北斗基带信号的同步技术的研究D. 郑州大学, 2013.3 徐菁. “北斗” 卫星导航系统空间信号接口控制文件解读J. 国际太空, 2013 (4): 26-32.4 刘天旻. 北斗卫星导航系统 B1 频段信号分析研究D. 上海交通大学, 2013.