“北斗卫星导航系统的研究黄艳玉张杏谷,”集美大学航海学院摘要 北斗卫星导航系统是我国自行研发的卫星导航系统也是继美国的!∀#俄罗斯的“”,、∃!%&∋#(”之后第三个趋于成熟的卫星导航系统,、“。本文论述了北斗系统的发展状况第一代”,“”。“、)匕’,斗系统的定位原理第二代北斗的信号频讲及编码为北斗系统的应用提供参考”关挂词 北斗卫星导航系统∗定位∗频讲∗编码“”+引、言”,、,)匕’,主研发的卫星导航系统其具有定位通信功能是继美国斗卫星导航系统是我国自的!∀#俄罗斯的!∃%、、、、&∋(,之后第三个趋于成熟的卫星导航系统它改变了我国长期缺少高,,。,、、、、、、精度实时定位手段的局面打破了美国和俄罗斯在这一领域的垄断地位目前该系统在我国测绘电信水利气象煤炭公路交通铁路交通渔业生产勘探农业森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用第一代北斗卫星系统只有,颗工作卫星和−颗备用卫、。“”星位于地球同步轨道覆盖范围仅限于中国本土及周边地区工作效率和精确度远不及美国,,,的全球定位系统!∀#“”。+颗中第二代北斗卫星导航系统.%/∀∋(计划将组成一个集0颗同步轨道卫星13日高轨卫星的庞大卫星网系不但能覆盖全球而且精确度也将大幅提高,+2年3月−我国发射了北斗导航卫星.%/以#一/4第一次成功地将第一颗第二代北斗导航卫、,,。,“”,“”星送人中高度圆轨道太空标志着我国研制的北斗卫星导航系统进人新的发展建设阶段,“”。−−−“第一代北斗卫星导航系统”系统的定位原理第一代北斗卫星网由1颗位于地球同步轨道卫星组成“”“,,颗卫星分别定点在67+8和−3+,8上空另,−9颗在轨备份卫星定点在−7、、08“。上空,。系统可全天候提供卫星导航定位信息服务范围以我国大陆地区为主的部分区域 ∗∗位置是精确已知的#:玖。:+<+=设用户位置为:、、;∗和、。# 其定位原理是赤道上空,颗地球同步卫星的瓜玖几地面中心处理站的位置也被精确测定、、,。、玖=。首先由地面中心处理站向卫星,#,发送非编址通用。询问无线电信号此询问信号面向全部用户卫星后再转发给用户。,,# 接收并对此信号进行简单的频率变换用户收发机用户的收发机接收此信号后用脉冲二进制序列码信号回答、∗ 的天线是全向波束卫星#和#接收到用户回答信号后进行频率变换再转发给地面中心处理站。中心处理站卫星和用户之间的询问和应答电波传播流程如图−,〕所示。地面中心处理站在两个不同时刻得到由用户回答信号的同一个二进制脉冲序列站中大,一>−一圈−,系统定位电波的传播流程容量高速计算机同时进行识别处理测量出从发出询间讯号至接收到用户应答信号的时间间隔。经判别有效后中心站自动送出一个确认信号给用户表明用户发送的最新信号已正确接。,,收用户停止重复发送停止时间的长短视不同用户的要求确定地面中心处理站计算机根据测定的用户收发机即用户终端应答的时间间隔站内储存的数字地形图和用户提供的数字测高仪数据处理出用户位。、,,用户收发机自动停止一段时间并暂时拒收其他后续询间信号,。置的地理纬度经度和海拔高度或大地直角坐标:+、、+=<+并从存储器中取出该用户前次、,。的位置数据与最近的位置数据比较计算出用户1个坐标轴上的速度,,由中心站解调出用户#应答信号中的电子信息再由中心站播发给用户管理机构、,、、,,。收发机对卫星。发播的信号自动、接收识别后在液晶显示器上以字母数字地图和文字等形式给出用户需要的定位导航信息和电文同时用户收发机自动发出信号已成功接收的应答信号从地面中心处理站发出“”询问信号到用户获得定位和导航信息数据流程时间约为+,?。。系统定位算法由上述的系统定位原理在图−中对于任一用户每应答一次地面中心处理站发出的询问 信号地面中心处理站可测得以下两个距离,,−,≅≅,可得出由式4、,二,9+Α,ΑΑ=9,4Α9 二+9∗94咖+9∗, 9∗二≅ 4,Β≅4,一1俪∗。几二≅一,Β一式中离, ≅4是地面中心站信号经卫星0转发给用户用户再经卫星#−、、3转发回给地面中心站的距、、≅ 是用户信号经卫星#和#转发回地面中心站的距离−∗由于地球同步卫星0:玖,−、# 凡玖、、= 和地面中心站:+=+的位置精确已+<‘知故可得到>,,+9−和、的值如以下两式所示+9−, 二,:【一+:’Α玖一+<Α,−一左+〕=‘0一一、二凡〔、一+:’Α玖一+<,’Α= 一+Χ“=。,?9,9∗9 求得和几的值而和与用户的位置又有以下关系由以上两式可分别代人式139,,一’一’−一’二忍;’〕ΕΑ矶<:ΕΑ,Δ:2几二,瓜【和9 一弋’Α玖,一Ε<’Α凡一;ΕΧ‘‘,Β,694由式26可以看出、,94方程是一个分别以卫星,、0−和# 为球心以。和,,几为半径的球面方程两式联立可得到一个圆的曲线方程而且该圆的圆心在两星的连线上圆面垂直于连线。显然地球参考椭球面与该圆相交在赤道南北有两个交点。,,这两个交点一个是用户,位置一个是用户镜像位置位置。,,我国在地球的北半球处理时只需作简单的判断就可确定用户的。当然以上的计算而得出的用户位置并没有考虑地球表面凹凸不平的实际地形而描述因此对双星二维定位的北斗卫星,、地球表面形状不能用一个简单的数字表达式来表示,,“”导航系统还需借助地面中心处理站储存的数字化地形图和用户提供的高程数据才能用三维球面定位法解算出用户的精确位置纬度等,。。同时还需将求解出来的直角坐标转化为用户地理经度“”第二代北斗卫星导航系统“”第一代北斗卫星导航系统采用有源工作方式即用户要向卫星发射信号经卫星转发送回地面控制中心系统处理后再经卫星返回用户如此反复多次才能完成定位这就带来,“”,,,,了诸多缺点如延时多无法在飞机上使用等且精度只能达到,+,、导航系统将采用无源工作方式“”,第二代北斗卫星即用户不需要发射信号用户接收机只接收信号就能完成,,一+1Φ。“”定位且定位精度可以大大提高,,。与世界现有的三大全球卫星导航系统相比第二代北斗卫星导航系统的技术原理与其相同但工作原理并不完全相同星座结构不同据有关资料第二代北斗卫星导航系统计+颗非静止轨道卫星组成空中卫星网提供两种服务方式即开放划由0颗静止轨道卫星和1+Φ授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−。,,“”,。,“”。、,,时精度为0+。,(测速精度+,Γ,而(。授权服务向授权用户提供更安全的定位测速授时和通,,、,,、、7等44Ι信服务信息根据我国在国际电联申请的频率其工作频率在∃波段可以与!∀#!Η#和!兼容且与!∀∃%&∋(最大的不同在于它不仅能使用户知道自己的所在位置而且还可以告诉别人自己的位置在什么地方特别适用于需要导航与移动数据通信场合如交通运,,输调度指挥搜索营救地理信息实时查询等1“”、、、。第二代北斗卫星导航系统的信号,+根据我国最新1年向国际电联ϑΚΛ申请的第二代北斗卫星导航系统设计方案“”.7ΦΜΗ((一/!,其规划的频率为,#∃、,波段通信链路。、3个∃波段导航链路∃。卫星轨道为0?,“倾−1?角的1个圆轨道高度,1ΝΦ服务范围为全球(,/发射的第二代北斗卫星导航系统Ο7ΦΜΗ“”一−的工作频段是在,频段利用的信号结,构类似于其他的兴趣,。ΗΙ。同一频段播发这激起了研究!&(#人士的∀和!4Π4#斯坦福大学的研究人员通过使用斯坦福大学的全球卫星导航系统的监视站#!/#!&(#,特别是在与∃!利用一个−(Φ。、可操纵的波段的抛物面蝶形天线测量数据并用矢量信号分析仪来采集数.%/,据进行分析他们通过观察∋∀(/−一信号频谱图码序列解调导出编码发生器从而一>1、,,一得到“北斗”卫星导航系统的编码序列,并分析出现有“北斗”卫星导航系统信号编码是为伪4Θ码。1−频谱图,根据我国在国际电联申请的频率,“北斗”导航卫星使用的频率有3个分别是 −0>+/Ρ 0?−/Ρ;8=,−,?>/Ρ;8?和−,+2/Ρ;8#、。。84,4表−示出了其调制方式频率调制方式式−06>238,Σ∀#Τ,−0?,,玖Σ玲Τ,−,?60,8。ΣΒΥ∀#Τ−+−,+2−38#、Υ玲Τ,,Υ∀#Τ−+、斯坦福大学的研究人员获得.7Φ∀(Η(一/ 的8=8#、和8?信号的频谱图,如图,、1、3所示。测量的详细过程可参阅文献〔3〕。图,为8=信号频谱,主波瓣和,/Ρ;的码元宽度的第一个旁波瓣清晰可见。图=7Ο呷(Η7/一−8=伯号的非均值频谱圈图1显示了北斗87ς信号的频谱。Υ巧Τ,的主波瓣清晰可见,同样也可以得到Υ#∀Τ−+的主波瓣。,。图3显示8?信号的频谱有着Σ∀#Τ−+信号主波瓣的主要特征还看到一个未确认的处于−,02/Ρ;附近的−/Ρ;宽的信号。一>3一图1.7ΦΜΗ((/ϑ8。信号的非均值频讲圈一圈3.5ΜΗ(7/ϑ8。伯号的非均值频讲圈一一>0一1,“北斗”卫星导航系统信号的编码信道笃镖絮黯黑辈茸琵繁瞥默罐笠默黯酱圈圈00北斗凡信号ϑ信道∀≅&编码的第一个0+牌通过软件接收器获取和跟踪∀≅&序列,并分析证明该编码是线性的,且可由一个有,位线性位移反馈寄存器来产生∃(跟Δ“1。,级线性位移反馈寄存器的多项式便可以被进一步分解成−级线性位移反馈寄存器的多项式。这说明了北斗8 ϑ信道∀≅&码发生器是一个Γ级的!47Θ码。其多项式和起始状态如表,所示,∀≅&编码发生器的示意图如图?所示。衰,北斗凡ϑ信道的编码发生器的多项式和起始状态望些壑“ς‘Ω,‘(Φ,−−级、:‘,Α:‘+Α>ΨΑ扩ΗΞΑ:2Α:Α:Α4【+−+−+−+−+−+〕:‘,Α扩Α:5Α9Α9Α:,Α9Α:ΑΧΔ+++++++−−−−〕圈 北斗!∀#信道的编码发生韶的示意圈结束语纂粼煮髯絮篡纂箕簇鹭鼎黔馨篙篡% 一∃一一有通信功能〔」能够进行通信组网应用从而发挥出更大的作用系统的应用研究是非常必要的。’,,。因此加强北斗卫星导航,“”参考文献, ,1Δ−〕谢丰奕中国建设北斗卫星导航系统卫星电视与宽带多媒体,+2− 2Δ,」周永余许江宁高敬东舰船导航系统北京国防工业出版社,+?311Χ蒋建科10颗北斗定位九州方圆人民日报,+?Β4−Β+>「,,一3,,,,,“”,4Η∋ΓΔ3」ΓΗ,,.ΞΙΓ,ΖΗ[ΠΘΖ,Ι7∃Ι9Γ;7,Ι∀98Γ罗,!9ΗΟΙ:ΠΓ罗ΠΓ!Η7,#ΞΙ9Γ肠ΦΗΗΓ,“!&##7[Ι9.ΞΠ∴Γ(ϑΠΘΙ!&##,Ε( Ε4])Β∋即Ω,+21?3,0」#ΞΙ9Η助〔ΦΓ7ΙΓΙ(7∋4Γ.ΞΗΗΓΘΖΕΓΠ∋Ν(”Ι9Η(Ι,Ω4Η,“Φ吧Ι(!&##∋4ςΕΦϑΘ#ΜΙΙΩ9Η40−邵ΗΩΕ9Ι(⊥ΩΞΙ&Ι_!&##0−4邵Η7,ϑΓ(ΠΘΙ!&##Κ⎯Η4ΩΙ9,+?43 3?一?,?〕!Η「!:,Ν4ΓΘ)#ΜΠΗ,,Μ8ΓαΙΗΓΘ∋≅9Η∀Ω,“.7ΘΙΙ!ΓΙ,ΩΗ9Π7Γ#ΙΞΙΦΙ,ΓΘΗΚΙΨ∴∀97ΜΙ9]ΩΗ(,∋Γ,]4ΗΙ((7Π⊥Υ97Ι9Ι7ΘΙΗ(Ω!Η4Π4∃ϑΗΓΘ8?0−,(4Η”ϑ%&!&##,+?Ωβ797⎯Ω9ΞΛ#∋#∀ΩΙςΓ4,+?ΚΞΙ9Ι(ΙΗ9ΟΞ7ΓΞΩΠΙ“ΥΙΠΘ7Ε・”(ΗΩΙ4ΠΩ4ΙΠ:ΓΙΓ5ΓΗΠαΗΩΠ7Γ([](ΩΙΦ,ΡΛ∋&!<ΗΓΛ],=Ρ∋&!,Λα1?−+,−.ΞΠΓΗ&∋ς(Ω9ΗΟΩ “Η[ΩΠΠαΗ7ΓϑΓ(ΩΩΕΩΙ,9ΠΩΦΙΠΛΠ()Π]Γ[Ι:ΠΦΗΥΙΠΘ7Ε”(ΗΩ4ΙΦΠΩΙΠ9ΓΓΩΠ7ΓαΗ[ΠΗα(Ι(ΗΩΙ(](ΩΙΦΓ−0.ΞΠΓΙ(ΙΠΓΘΙΜΙΓΘΙΓΩ((ΗΩΙ4ΠΩΙΓΗ[ΠαΗΩΠ7Γ,(](ΩΙΦ,_ΠΞ“ΙΞ−0Η4(7ΞΩΜΗ(Ι(ΞΠ9ΩΘΕΩΗΗ4ΠΩΙ7Γ7Γ[ΠαΗΩΠΗΙ747_ΠΓαΩ]ΩΙΦ⊥(ΞΙΓΩΙ7ΓΙΛ0∀#!,≅Ε((ΗΠ!∃%∴&∋##ΞΚ”ΙαΗΙΗ(Φ_ΗΝΙΙ9Ο9ΗΞΞΩΘΙ[Ι47∀Φ“7ΓΓΙΘΠΩΠΠ7ΓΠα∀9ΠΓΙΠ∀4ΞΓΘ∀7(ΠΩΗ⊥Ω7(ΙΥΙΠΘ7ΕΙ7盯(ΩΙΦ,Ι4Η([ΩΞΙ(ΙΙ7Γ7ΓΘ罗ΓΙ9ΩΠΗΓΙΙ7ΥΙΠΘ7Ε””](ΩΙΦ’’0ΙΜ9ΠΓΙΠΜ4Γ0−,Η4(ΜΙΙΕ9ΩΦΓΘΗΤΙ]ΘΠΓα9_ΠΞ 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