第 10 章北斗卫星导航系统导航系统 第10章 北斗卫星导航系统 章 北斗卫星导航北斗卫星导航系统由我国自主建立，以“先区域，后全球”的建设思想分为北斗一代 （Beidou I）和北斗二代（COMPASS 或 Beidou II）两个阶段。Beidou I 卫星导航系统是具 备通信功能的、区域性有源定位双星导航系统，能实现中国和东南
亚地区的导航、通信、 Beidou I 于 2003 年正式投入使用以来， 授时服务。 工作状态稳定可靠， 并逐步向 COMPASS 全球卫星导航系统过渡。10.1 Beidou I 系统构成Beidou I 卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，如图 10.1-1 所示，与全 球卫星导航系统不同的是，Beidou I 只有两颗工作卫星，属于区域卫星导航系统。图 10.1-1 Beidou I 卫星导航系统组成10.1.1 空间段Beidou I 卫星导航系统采用双星定位技术，空间卫星指的是地球同步轨道上距离地面 36000km 的两颗工作卫星，分别位于赤经 80°E 和 140°E，升交点赤经相差 60°，能够覆盖 地球约 70°~140°E、5°~55°N 的区域。Beidou I 系统建成后又发射了两颗备用卫星，分别位253卫星导航原理及应用于赤经 110.5°E 和 86°E。Beidou I 卫星的发射情况见表 10.1-1（表中包括两颗 COMPASS 实 验卫星） 。表 10.1-1 卫星发射时间表 日 期 2000 年 10 月 31 日 2000 年 12 月 21 日 2003 年 05 月 25 日 2007 年 02 月 03 日 2007 年 04 月 14 日 2009 年 04 月 15 日 火 箭 长征三号甲 长征三号甲 长征三号甲 长征三号甲 长征三号甲 长征三号丙 卫 星 北斗-1A 北斗-1B 北斗-1C 北斗-1D 北斗-2A 北斗-2B 轨 道 140°E 80°E 110.5°E 86°E 中地球轨道 地球同步轨道Beidou I 导航卫星选用东方红三号卫星平台，总重约 2300kg，卫星设计使用寿命 8 年。 采用三轴稳定方式，由转发器、天线、电源、测控、姿态和轨道控制等分系统组成。卫星 形状为 2000mm×1720mm×2200mm 的立方体箱形结构，分为服务舱、推进舱和载荷舱。卫 星上的遥测系统能够接收来自地面主控站发出的命令，根据主控站的指令进行工作状态调 整。Beidou I 导航卫星的主要任务是转发主控站和接收机间的信号。卫星与主控站使用 C 波段实现通信， 从主控站发出的信号采用 6.3GHz 线极化波， 进入主控站的信号采用 5.1GHz 线极化波。 卫星与接收机的通信则采用 L 波段和 S 波段， 接收机向卫星发射的信号为 1.6GHz 右旋圆极化波，而卫星向接收机发射的信号为 2.5GHz 左旋圆极化波。10.1.2 地面段Beidou I 地面段由主控站、测轨站、测高站和标校站等组成，是导航系统的控制、计算、 处理和管理中心。测轨站、测高站、标校站均为无人职守的自动数据测量与收集中心，在 主控站的监测与控制下工作[98]。主控站。主控站除监控整个系统工作外，还负责用户的注册和运营、监控卫星工作、 实现与卫星之间的通信、监控地面上其它子系统的工作、对 Beidou I 接收机发送的业务请 求进行应答处理以及将处理结果通过卫星发送给接收机。与其它卫星导航系统采用被动定 位不同的是，Beidou I 接收机的定位解算过程由主控站执行：主控站利用电波在主控站、卫 星、用户间往返的传播时间以及气压高度数据、误差校正数据和卫星星历数据，结合存贮 在主控站的系统覆盖区数字高程地图对用户进行定位。 测轨站。在卫星导航定位中，卫星在轨位置对于定位解算至关重要，卫星轨道坐标的 测量误差将直接引起定位误差。为精确解算接收机的坐标，在 Beidou I 卫星导航系统中建 立了多个坐标已知的测轨站，各测轨站将卫星轨道的测量结果发送至主控站，主控站根据 收到的观测信息精确计算卫星在轨位置。 测高站。 Beidou I 卫星导航系统覆盖区内设立了若干测高站， 在 用气压高度计测量测高 站所在地区的海拔高度，通常一个测站测得的数据粗略地代表了其周围 100~200km 地区的254第 10 章北斗卫星导航系统海拔高度。海拔高度和该地区大地水准面高度之和就是该地区实际地形离基准椭球面的高 度，测高站将测量结果发送给主控站，以便主控站解算接收机坐标时调用。 标校站。由于信号传播、接收机高程等信息受各种误差影响较大，为提高定位精度， 在系统覆盖区域内设立了若干坐标已知的标校站，实施差分测量。接收机距离标校站越近、 覆盖区域中标校站数量越多，则定位误差越小。10.1.3 用户段用户段主要是指 Beidou I 接收机，该接收机同时具备定位、通信和授时功能。北斗卫星导 航系统运营服务商和系统集成商根据用户的需求为用户构建适合的应用系统并配置北斗用户 机，北斗运营服务中心将授权用户一个与手持机号码类似的 ID 识别号，用户按照 ID 号注册登 记后，北斗运营服务中心为用户开通服务，用户机正式投入使用。根据北斗用户机的应用环境 和功能的不同，可分为以下五种类型 ： 普通型。该型用户机只能进行定位和点对点的通信，适合于一般车辆、船舶及便携用户的 定位导航应用，可接收和发送定位及通信信息，与主控站及其它用户终端双向通信。 通信型。适合于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据采集和数据传输用户，可接收 和发送短报文信息，与主控站和其它用户终端进行双向或单向通信。 授时型。适合于授时、校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级的时间同步精度。 指挥型。指挥型用户机供拥有一定用户数量的上级集团管理部门所使用，除具有普通型用 户机所有功能外，还能够播发通信信息和接收主控站发给所属用户的定位通信信息。指挥型用 户机适合于指挥中心指挥调度、 监控管理等应用， 具有鉴别、指挥下属其它北斗用户机的功能， 同时还可与下属北斗用户机及中心站进行通信， 接收下属用户的报文， 并向下属用户发播指令。 多模型。此种用户机既能接收北斗卫星定位和通信信息，又可利用GPS系统或GPS增强系 统进行导航定位，适合于对位置信息要求比较高的用户。[99]10.2 Beidou I 卫星信号Beidou I 卫星导航系统主控站通过卫星向用户转发的信号包含同向（I）和正交（Q）两 个通道，两个通道分别对信息进行卷积编码和扩频，然后采用 QPSK 方式调制到高频载波 上，其中，I 通道采用 Kasimi 码进行扩频，调制定位、通信、授时或其它服务信息；Q 通 道采用 Gold 码进行扩频，调制定位和通信信息。Beidou I 信号编码、扩频、调制过程如图 10.2-1 所示，图中 f c 表示载波频率。255卫星导航原理及应用cos(2π f c t )sin(2π f c t )图 10.2-1 Beidou I 导航系统主控站信号调制方式Beidou I 的导航信息在时间上采用帧结构方式，每秒传送 32 帧，每一帧包含 250bit， 传送时间为 31.25ms[100]，信息格式如表 10.2-1。表 10.2-1 Beidou I 导航信息类 别 出 站 帧 号授时信息 1 ~ 5 帧 6 ~ 7 帧 8 ~ 12 帧 13 帧 卫 星 号 4 bit 14 ~ 34 帧 卫星位置 X 28 bit Y 28 bit Z 28 bit X 16 bit 35 ~ 46 帧 卫星速度 Y 16 Bit Z 16 Bit 时 延 47 ~ 53 帧 54 ~ 117 帧 电磁波传播修正 模型参数 A0…A15 A0 16 bit A1 16 bit … 16 bit A15 16 bit空 帧 118 ~ 128 帧 暂 无重 播 129 ~ 245 帧 重 播 1 ~ 117其 它 246 ~ 1920 帧bit时 刻 20 bit闰 秒 8 bit时 差 4 bit28 bit内 容 待 定表中各参数说明如下： 时刻——第一帧开始时对应的时刻，单位为 min。 闰秒——Beidou I 系统时间与协调世界时之间相差的整秒数，单位为 s。 时差——Beidou I 系统时间与协调世界时之间的时间差，单位为 ns。 卫星号——转发本次出站的授时数据对应的卫星号。 卫星位置——卫星在北京坐标系 P54 中的位置，单位为 m。 卫星速度——卫星在北京坐标系 P54 中的速度，单位为 m/s。 大气延时——从主控站到卫星的对流层/电离层延时，单位为 ns。 电磁波传播修正模型参数——用于对电磁波传播延时进行模型修正，与系统选用的模 型有关。256第 10 章北斗卫星导航系统10.3 Beidou I 工作原理图 10.3-1 Beidou I 信号转发示意图如图 10.3-1 所示，Beidou I 系统工作时首先由主控站向卫星 l 和卫星 2 同时发送询问信 号，经卫星上的转发器向服务区内的用户广播，用户响应其中一颗卫星的询问信号，同时 向第二颗卫星发送响应信号 （用户的申请服务内容包含在内） 经卫星转发器向主控站转发， ， 主控站接收解调用户发送的信号，测量出用户所在点至两卫星的距离和，然后根据用户的 申请服务内容进行相应的数据处理。 在用户端，Beidou I 接收机除具备信号接收通道外，还包括发射通道，用于发送用户请 求信号。当用户接收机需要进行定位、通信或授时服务时，基带信号处理模块完成相应请 求信号的编码、扩频、调制，形成发射信号，并通过卫星向主控站转发，主控站处理完成 后再通过卫星将处理结果发送给接收机[101]，完成用户所需的定位、通信或授时服务。由于在定位时接收机需要向卫星发送信号，根据信号传播的时间计算接收机坐标，所以，Beidou I 卫星导航系统是一种有源定位系统[102]。 由于采用主动式定位，在某一时刻，主控站需要响应所有用户的定位请求，因而系统 容量有一定的限制，Beidou I 的平均用户容量约为 30 万个。10.3.1 通信原理在Beidou I导航系统中， 接收机与接收机之间、 接收机与主控站之间均可实现双工通信。 每个接收机采用不同的加密码，所有的通信内容和指令均通过主控站进行转发。主控站可 以和系统中任何接收机利用时分多址方式进行通信，即主控站分不同时段向不同接收机发 送信号，实现和不同接收机的通信。每次通信可传送210个字节，即105个汉字。 当接收机需要和主控站通信时，通信内容存储在询问信号和回答信号的信息段中，由257卫星导航原理及应用主控站对通信内容解调，获得原始信息，经卷积编码、扩频和调制后发送至卫星，并由卫 星向接收用户转发。 如果系统中某一用户接收机收到主控站发来的第 I 帧信号， 该接收机以 此时刻为基准，延迟预定时间 T0 并截取一段足够长的信号，以避免丢失数据造成无法解调， 在对接收信号的询问信号段的信息进行解扩、解调和解码后，即可得到主控站的通信内容。 信号接收完成后可向卫星发射应答信号，实现接收机对主控站的回复。 在上述通信过程中，主控站利用接收机的 ID 识别不同的用户[103]。当 i 接收机需要与 j接收机通信时，将 j 接收机的 ID 和通信内容置入其应答信号的通信信息段中，通过卫星转 发给主控站，主控站将 i 接收机要发送的通信内容转存在询问信号中，j 接收机接收到卫星 转发的询问信号后， 识别自己的地址码并获得 i 接收机发送的通信内容和 i 接收机的 ID 码， 如果 j 接收机需要对 i 接收机进行回复，重复上述过程即可。10.3.2 授时原理授时是指接收机通过接收卫星发送的时间信号获得本地时间与北斗标准时间的钟差， 然后调整接收机本地时钟与北斗标准时间同步的过程。在 Beidou I 卫星导航系统中，接收 机根据卫星发射的信号核准自身时钟，可以得到很高的时钟精度。Beidou I 可为用户提供两 种授时方式：单向授时和双向授时。 1. 单向授时 接收机从卫星发送的信号中提取出时间信息，由接收机自主计算出钟差并修正本地时 间，使本地时间和北斗标准时间同步，这种授时即为单向授时，精度优于 30ns。 卫星广播信息中的第一帧数据发送标准北斗天、时、分时间信号、时间修正数据和卫 星坐标信息，这些信息通过一种特殊的方式调制在广播信号中，每一帧信号的时间基准与 原子钟产生的时标用同一频率原子钟来实现。接收机获得上述数据后，接收机解调出各种 时间码，然后测出本地时钟和主控站时钟的钟差，调整本地时钟使之与主控站时钟一致， 实现单向授时。 2. 双向授时 接收机只接收信号，不进行时间解算，所有信息处理都在主控站进行，接收机只需把 接收的时标信号通过卫星回复给主控站，这种方式称为双向授时，精度优于 10ns。如主控 站在 T0 时刻发送时标信号 ST ，该时标信号到达卫星后，由卫星向接收机转发，接收机对接0收到信号进行简单处理，再经过卫星将信号回复给主控站，也就是说，表示时间 T0 的时标 信号 ST 经过一定的时延，最终在 T1 时刻回到了主控站。主控站将接收时标信号的时间与发0射时间相减，得到信号的双向传播时延 T1 ? T0 ，进而可以得到单向传播时延。主控站将单向 传播时延发送给接收机，接收机根据接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地时间与258第 10 章北斗卫星导航系统[104,105]主控站时间的差值修正本地时间，使之与主控站的时间同步，实现双向授时。10.3.3 定位原理1. 基本原理 由于参与定位的卫星数量有限，Beidou I借助大地高程信息通过两颗卫星实现用户的三 维定位，即主控站根据两颗卫星的位置坐标、卫星至接收机的伪距以及接收机的大地高程 组成观测方程计算接收机的位置坐标。 系统定位原理如图 10.3-2 所示， 分别以两颗卫星为球心， 以卫星至接收机的伪距 ρ1 和 ρ 2 为半径可分别得到两个球面，由于两颗卫星直线距离（约为 42000km）小于卫星至接收机 的距离之和 36000 × 2 = 72000 km，因此两球面必然相交且形成一个穿过赤道的交线圆弧，由 此可确定接收机在该圆弧上，此时还需要利用额外的信息才可以确定接收机位于此交线圆 的具体位置。由于 Beidou I 的主控站配有电子高程地图，由它可以获得一个以地心为球心、 以球心至地球表面高度为半径的非均匀椭球面，卫星的交线圆与该椭球面同样存在交点， 接收机的位置可唯一确定。图 10.3-2 系统定位原理图设 pSATi ( xSATi , ySAT i , zSATi ), i = 1, 2 为卫星坐标， pm ( xm , ym , zm ) 为主控站坐标， pr ( x, y, z ) 为接2 收机坐标， po ' ( xo ' = 0, yo ' = 0, zo ' = ? RN e sin ? ) 为接收机处椭球法线与短轴的交点坐标， RN 为 接收机卯酉圈曲率半径，e 为参考椭球偏心率， ? 为测站点纬度。接收机至卫星 1 和卫星 2至的距离分别为 ρ1 和 ρ 2 ，接收机至 po ' 的距离为 ρ3 ，卫星 1 和卫星 2 至主控站的距离分别 为 S1 和 S2 。接收机坐标包含三个未知数 (x, y,z ) ，若要解出三个未知数，必须建立三个方程。 通过卫星位置信息可以得到方程组 （10.3-1） 中的前两个方程， 利用主控站的数字化地形图、259卫星导航原理及应用接收机携带的测高仪可得到接收机大地高 示的三个方程即可解算出接收机的坐标：? ρ1 = f ( pSAT1 , pr ) ? ? ρ 2 = f ( pSAT2 , pr ) ? ρ = f ( h, p ) r ? 3[106]，从而得到第三个方程。联立式（10.3-1）所（10.3-1）2. 定位方程求解 主控站在接收到应答信号后进行接收机坐标计算，具体解算时可以不利用校准信息进 行单点定位，也可以利用校准信息实现差分定位。单点定位解算的典型计算方法有多种， 如代入法、相似椭圆法、三点交会法和近似椭球法等，几种方法的解算精度相差不大，而 三点交会法的计算量要小于其它几种方法，下面就以三点交会法为例说明接收机坐标解算 过程。 卫星与主控站和接收机的距离可分别表示为2 2 2 ?ρ = f ( p , p ) = (x SAT1 r SAT2 ? x ) + ( ySAT2 ? y ) + ( zSAT2 ? z ) ? 1 2 2 2 ?ρ = f ( p , p ) = (x SAT2 r SAT2 ? x ) + ( ySAT2 ? y ) + ( zSAT2 ? z ) ? 2 ? 2 2 2 2 1/ 2 ? ρ3 = f ( po ' , pr ) = ( x + y + ( z + RN e sin ? ) ) = RN + h ? 2 2 2 ? S1 = f ( pSAT1 , pm ) = ( xSAT1 ? xm ) + ( ySAT1 ? ym ) + ( zSAT1 ? zm ) ? 2 2 2 ? S2 = f ( pSAT2 , pm ) = ( xSAT2 ? xm ) + ( ySAT2 ? ym ) + ( zSAT2 ? zm ) ?（10.3-2）式中，h 为接收机大地高。 主控站定位的观测量是信号在主控站、卫星、接收机之间往返传播的时间，相应的距 离为 D1 和 D2 ， D1 为主控站与接收机间信号经其中一颗卫星转发所对应的距离， D2 为经两 颗卫星转发所对应的距离，如图 10.3-2 所示，相应的方程为? D1 = 2( S1 + ρ1 ) = 2 ? f ( pSAT1 , pm ) + f ( pSAT1 , px , y , z ) ? ? ? ? ? ? D2 = S1 + ρ1 + S2 + ρ 2 = f ( pSAT1 , pm ) + f ( pSAT1 , px , y , z ) + f ( pSAT1 , pm ) + f ( pSAT1 , px , y , z ) （10.3-3） ? ? D = ρ3 = f ( po ' , px , y , z ) = RN + h ? 3式中，除接收机三个位置参数 (x, y,z ) 外，其它均为已知量，故方程可解。 由于 sin ? 和 RN 均为近似值，解算出一次接收机坐标 ( x, y, z ) 后，可根据下式进行多次迭 代找到最优解。e 2 RN( k ) RN( k ) + h?( k +1) = arctg( z /( x 2 + y 2 )1/ 2 (1 ?RN ( k +1) = a(1 ? e sin ?( k ) )2) ?1 )（10.3-4）?1/ 2式中，a 为椭球长半轴。当式（10.3-4）中的 ?( k +1) 和 ?( k ) 的差值小于设定门限时迭代结束。260第 10 章北斗卫星导航系统为提高 Beidou I 的定位精度， 可利用若干坐标已知的标校站接收卫星信号并对其所在位 置坐标进行解算，将解算坐标与已知的实际坐标进行比较，可得星历、信号传播、地球自 转、相对论效应等引起的误差，将这些误差作为差分修正信息通过主控站发送至标校站以 外的接收机，这些接收机利用在同一时刻获得的测距信息进行差分处理，为获得更高的定 位精度，接收机应选择距离较近的标校站发送的差分修正信息 完好性，标校站之间也能够互相收发差分信息。 除上述利用双星定位的方法外，由于Beidou I备份卫星已经发射，可考虑利用备份卫星 实现三星定位，由于增加了一颗可观测卫星，此时系统性能将会得到一定的改善。 与其它卫星导航系统类似，Beidou I 的定位误差主要来自定时误差、距离测量误差和几 何精度因子，其中的距离测量误差可以利用差分的方法进行抑制。值得一提的是，由于 Beidou I 在解算坐标时需要知道接收机所在位置的高程，它可通过测高仪提供，测高仪在测 量时产生的误差对定位精度也会产生影响，而且在低纬度比在高纬度要大。当测距误差为 10m，高程误差为 10m 时，系统覆盖区域内接收机的单点定位精度在 100m 以内，差分定位 精度在 30m 以内[108] [107]。为保证各标校站自身的。10.4 COMPASS 卫星导航系统与采用被动定位方式实现的全球性卫星导航系统相比，采用主动定位方式的 Beidou I 由于卫星数量有限，在信号覆盖范围、定位精度、隐蔽性、系统容量等方面存在很多不足， 已不能满足我国日益增长的导航需求，其它卫星导航系统的发展也对 Beidou I 提出了更高 的挑战。为了克服 Beidou I 卫星导航系统的缺点，保留其可以进行报文通信的优点，我国 于 2004 年开始筹建性能更高、覆盖面更广、技术更先进的 COMPASS 全球卫星导航系统， 2007 年 4 月和 2009 年 4 月先后成功发射两颗 COMPASS 卫星进入预定轨道， 标志着系统卫 星组网工作正式启动，作为北斗第二代卫星导航系统，COMPASS 既能够兼容 Beidou I，又 与其在工作原理和性能上存在明显的区别： （1）COMPASS 卫星导航系统的接收机可免发上行信号，不再依赖主控站而是由接收 机本身解算位置坐标，系统的用户容量不受限制，定位隐蔽性提高； （2）采用多颗卫星进行定位，而不是双星定位，不需要高程信息辅助； （3）保留了 Beidou I 的通信功能，能够实现报文或指令通信； （4）定位精度、授时精度更高。 COMPASS 卫星导航系统建成后将提供两种服务，一种是针对非授权用户的开放服务， 另一种是针对授权用户的授权服务[109]。开放服务在全球范围内定位精度可达 10m，授时精度可达 20ns，测速精度为 0.2m/s。授权服务可以提供更高精度的定位、授时、测速服务。 局部区域内差分定位精度可以达到 1m，并且可以利用 COMPASS 卫星进行报文通信。261卫星导航原理及应用10.4.1 系统构成1. 空间段图 10.4-1 COMPASS 卫星轨道示意图COMPASS 卫星导航系统空间段计划由 5 颗地球静止轨道卫星（GEO）和 30 颗非静止 轨道卫星组成， 其中 5 颗地球静止轨道卫星高度为 36000 公里， 在赤道上空分布于 58.75?E， 80?E、110.5?E、140?E 和 160?E；30 颗非静止轨道卫星由 27 颗中地球轨道（MEO）卫星和 3 颗倾斜同步轨道 27 （IGSO） 卫星组成； 颗 MEO 卫星分布在倾角为 55? 的 3 个轨道平面上， 轨道高度为 21500 公里。图 10.4-1 所示为 COMPASS 卫星轨道示意图 外形上均有所不同。[110]。图 10.4-2 所示为COMPASS 倾斜同步轨道卫星和中地球轨道卫星，两者由于工作性质不同，在结构、配置、（a）倾斜同步轨道卫星 图 10.4-2 COMPASS 卫星（b）中地球轨道卫星未来几年里，我国将陆续发射 COMPASS 系列导航卫星，继续完善 COMPASS 星座配 置，并进行系统组网和导航实验，在近期内建成一个能够覆盖至北半球约 120°E 的 COMPASS 区域卫星导航系统， 满足我国境内和周边地区的导航需求。 根据 COMPASS 的计 划，在 2012 年以前，预计发射 12 颗卫星，其中包括 5 颗地球静止轨道卫星和 7 颗中地球 轨道卫星。 2. 地面段 COMPASS 的地面段包括 1 个主控站、2 个注入站和 30 个监测站[111]。监测站实时跟踪监 测卫星工作状况和监测站附近的空间、地理环境的变化，并将这些信息传送给主控站。主控站 接收监测站发送的数据，编算导航电文、星历数据，将其与时间基准一同传送至注入站，协调262第 10 章北斗卫星导航系统管理注入站和监测站的工作，并根据监测数据控制卫星运行状态，保证 COMPASS 星座正常运 转。注入站将卫星星历、导航电文、钟差和其它控制指令注入卫星。10.4.2 卫星信号COMPASS 卫星导航系统与 GPS、 伽利略系统在载波频率、 信号结构和定位原理等方面 有很多相似之处[112]。根据国际电信联盟的登记，COMPASS 卫星将发射四种频率的信号，这些信号均采用 QPSK 调制，参见表 10.4-1。随着系统的逐步完善，还将发射其它频率的信 号，参见表 10.4-2。出于安全保密以及与其它卫星导航系统兼容，避免在相同频段内与其它 卫星导航系统的信号产生干扰的原因，COMPASS 信号将采用复用二元偏置载波（MBOC） 、 交替二元偏置载波（AltBOC）等调制方式。表 10.4-1 COMPASS 卫星目前发射的信号 通道 调制方式 载波频率（MHz） 码片速率（Mcps） 带宽（MHz） 服务类型 开放 B1（I） B1（Q） B2（I） B2（Q） QPSK .046 2.046 4.092 授权 开放 QPSK .046 24 授权 10.23 B3 QPSK .23 24 授权 开放 B1-2 （I） B1-2 （Q） QPSK .046 4.092 授权 2.046表 10.4-2 COMPASS 新增信号 频带 B1CD B1CP B1 B2a D B2a P B2b D B2b P B3 B3a D B3a P .5575 BOC(15,2.5) 授权 10.23 QPSK(10) 授权 .23 AltBOC(15,10) 开放 .046 BOC(14,2) 授权 1.023 MBOC(6,1,1/11) 开放 载波频率（MHz） 码片速率（Mcps） 调制方式 服务类型263卫星导航原理及应用鉴于本书写作时官方尚未发布与 COMPASS 有关的接口控制文档，以下内容是从美国 斯坦福大学的研究报告和网络资源获得的相关信息[113,114]， 需要说明的是， 这些与 COMPASS信号有关的信息并未经过官方证实，仅供感兴趣的读者参阅。 在 COMPASS 卫星发射成功后，斯坦福大学的研究人员利用 1.8m 的碟形天线，以 46.8MHz 的采样率对卫星信号进行接收， B2、 经研究分析后给出了 COMPASS 三个频段 B1、 B3 的信号波形，如图 10.4-3 所示，COMPASS 在不同频段发射信号的波形、带宽有一定差 异，各频段的起始和截止频率如下：B1：3.15MHz，B2：9.14MHz， B3：0.52MHz，B1-2：1.79MHz。图 10.4-3 接收的 COMPASS 卫星发射信号COMPASS 卫星发射的导航电文经扩频，载波调制后向其覆盖区域广播，接收机接收到 信号后，对信号进行解调与解扩，可实现接收机位置坐标的解算。 根据斯坦福和法国空间中心的研究报告[112]，目前只接收到 COMPASS 导航卫星发送的三种频率信号（B1、B2、B3） ，尚未接收到 B1-2 频率的信号，这些信号采用 QPSK 调制方 式，分为同相 I 和正交 Q 两个通道，其中，I 通道由余弦载波调制，Q 通道由正弦载波调制， 接收信号可以表示为sb (t ) = D (t ? τ d )C (t ? τ d ) exp( j 2π f D t + θ ) + nb (t )（10.4-1）其中， D(t ) 为导航电文，C (t ) 为扩频码序列，τ d 为时延， f D 为包含多普勒频移的载波频率，θ 为初始相位， nb (t ) 为噪声。斯坦福大学的科研人员在不知道 COMPASS 的 PRN 码生成多项式的情况下，利用接收 信号自身的一部分进行自相关来提取信号的特征，由于接收到的卫星信号淹没在噪声中， 而导航信号采用了扩频调制体制，因而具有一定的相关特性，从而可提取信号的特征参数， 如码元周期、多普勒频移等。首先将截取接收信号的一部分定义为? sb (t ), ? sb (t ) = ? ? 0, 0 & t ≤ t0 t &t 0（10.4-2）其中， t0 表示截取部分信号持续的时间， t0 的长度要适中，太长则有可能包含信号的下一个 周期；太短则可能导致没有相关峰出现。信号的自相关可以表示为264第 10 章北斗卫星导航系统Rss =+∞?∞ +∞? ∫ s (t + τ )s (τ )dτb * b?* = ∫ sb (τ ) sb (τ ? t )dτ?∞ t + t0（10.4-3）=∫t* sb (τ ) sb (τ ? t )dτ假设噪声 nb (t ) 是均值为 0 的高斯白噪声，将（10.4-1）代入（10.4-3）可得Rss =t + t0∫ [ D(τ ? τtd)C (τ ? τ d ) exp( j 2π f D t + θ )] ?[D (τ ? τ d ? t )C (τ ? τ d ? t ) exp( j 2π f D (τ ? t ) + θ )]dτ = exp( j 2π f D t )t + t0（10.4-4）∫tD(τ ? τ d )C (τ ? τ d ) D(τ ? τ d ? t )C (τ ? τ d ? t )dτPRN 码速率、码元长度的设计都与信号的抗干扰性能、捕获与跟踪的难易程度有着密 切关系。通过对接收信号进行自相关，科研人员研究了 B1、B2、B3 频段信号的 PRN 码生 成多项式[112]。载频 B1 和 B2 上调制的 PRN 码都是码长 2046bits 的 Gold 码，由 11 级移位寄存器产生，B1 的 I 通道 Gold 码生成多项式如表 10.4-3 所示，是由两个 11 级移位寄存器 模 2 和生成。B1 的 I 通道 Gold 码发生器原理图如图 10.4-4 所示。表 10.4-3 B1 的 I 通道码生成多项式及初始状态 多项式 1 初始状态 1 多项式 2 初始状态 2x11 + x10 + x 9 + x8 + x 7 + x + 1[0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0]x11 + x 9 + x8 + x 5 + x 4 + x 3 + x 2 + x + 1[0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1]根据相关研究[21]，B3 调制的扩频码与 B1 调制的扩频码不同，B3 的扩频码是一种组合码，分为前后两段，前段包含扩频码序列的前 8190bits，后段包含扩频码序列的第 8191bit 到 10230bit。B3 扩频码的前、后两段由 26 级移位寄存器生成，前段和后段的扩频码序列均 由两个 13 级的移位寄存器模 2 和生成，如图 10.4-5 所示。实际上，B3 扩频码的前、后两 段使用的是相同的 13 级移位寄存器，只是初始状态的最后一位有所不同，表 10.4-4 和表 10.4-5 分别给出了 B3 扩频码前段信号和后段信号的生成多项式和初始状态，利用生成多项 式和初始状态分别得到 B3 扩频码前段和后段。265卫星导航原理及应用图 10.4-4 COMPASS B1 的 I 通道码生成器结构图 10.4-5 COMPASS B3 的 I 通道前段码发生器结构 表 10.4-4 B3 的 I 通道前段信号生成多项式及初始状态 多项式 1 初始状态 1 多项式 2 初始状态 2x13 + x12 + x10 + x 9 + x 7 + x 6 + x 5 + x + 1[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0]x13 + x 4 + x3 + x + 1[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]表 10.4-5 B3 的 I 通道后段信号生成多项式及初始状态 多项式 1 初始状态 1 多项式 2 初始状态 2x13 + x12 + x10 + x 9 + x 7 + x 6 + x 5 + x + 1[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]x13 + x 4 + x3 + x + 1[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]266第 10 章北斗卫星导航系统10.5 卫星导航系统的兼容性与互操作性随着 GNSS 的全面发展，欧洲的 Galileo 和中国的 COMPASS 都将会像美国的 GPS、俄 罗斯的 GLONASS 一样，成为全球性的导航定位系统。目前而言，GPS 发展最好、应用最 GLONASS 采用频分多址 为广泛， 随着其现代化进程的深入， 性能也会进一步提高； （FDMA） 接入方式，在应用市场的开发上尚需努力；Galileo 是基于民用的全球卫星导航定位系统， 它向用户提供开放服务、商业服务、生命安全服务、公共特许服务以及搜索救援等多种服 务；中国的 COMPASS 系统预计 2012 年开始提供服务。各卫星导航系统在卫星配置、卫星 轨道、系统架构方面有很多相似之处，又各具特点，如表 10.5-1 所示 进入多系统并存、多技术融合的新发展阶段。表 10.5-1 GNSS 系统参数 卫星数量 轨道面数 卫星工 作年限 信号接 入方式 载波频率 轨道高度 轨道倾角 坐标系统 时间系统 调制方式 GPS 24 6 10 年 CDMA 1575.42MHz 1227.60MHz 1176.45MHz 20200km 55 WGS-84 GPST QPSK+BOC GLONASS 24 3 原始 GLONASS 卫星：3 年 GLONASS-M 卫星：7 年 GLONASS-K 卫星：10 年 FDMA 07.0625MHz 49.9375MHz 19100km 64.8 PZ-90 GLONASST BPSK+BOC Galileo 30 3 &12 年 CDMA 1176.45MHz MHz 1278.75MHz 1575.42MHz 23200km 56 GTRF GST BPSK COMPASS 35 6 － CDMA 1589.74MHz 1561.1MHz 1207.14MHz 1268.52MHz 20200km 55 中国 2000 BDT QPSK+BOC[115]。卫星导航系统正根据前面的介绍，美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、中国的北斗、欧洲的 Galileo 卫 星导航系统全部投入使用时，全球用于导航的卫星数目将超过 100 颗，对用户来说，多系 统、多频信号的兼容性接收机的研制已经成为了一种不可逆转的趋势。相对于单一的导航 系统，GNSS 组合定位有着显著的优势：相对于单频而言，多个载波频率的组合使用，有利 于减弱电离层效应的影响和载波相位整周模糊度的实时快速解算；可视卫星数量的增加， 必然能够在全球获得更好的卫星位置几何关系，这对提高系统的定位精度，改善系统的完 好性、连续性和可用性有着十分重要的意义。 要实现多系统的组合定位，必然要求各系统之间具有一定的兼容性（Compatibility）和 互操作性 （Interoperability）美国 2004 年 12 月发布的 PNT 。 （Positioning Navigation and Timing） 政策对 GPS 的兼容性和互操作性作出了定义： 兼容性是指单独或联合使用美国空基定位、导航以及授时系统和其它相应系统提供的267卫星导航原理及应用服务时互相不干扰，兼容性需要在国际电信联盟提供的架构之下考虑对接收信号信噪比产 生影响的技术细节。互操作性是指联合使用美国民用空基定位、导航和授时系统以及国外 相应系统提供的服务，从而在用户层面提供较好的性能服务，理想的互操作性意味着应用 不同系统的信号进行导航定位时，不产生额外的消耗。 不同的系统在体系结构、载波频率、调制方式、坐标系统、时间系统等方面都存在差 异，这些都增加了系统兼容和互操作的复杂度。总的来说，GNSS 各系统之间的兼容性和互 操作性主要体现在时空基准和空间信号两方面[116]。在 GNSS 体系中，不同的系统采用各自的坐标系和时间基准，因此时空基准的兼容性 和互操作性就是要建立一个统一的框架，在空间上指明用户和卫星的位置，在时间上指明 GNSS 空间信号的兼容与互操作主要是通过共用中心频 用户和卫星的时钟偏差的时间标度。 率以及频谱重叠来实现，对于中心频率相同的导航信号，接收机可以采用相同的射频前端、 不同的捕获跟踪模块、相同的导航解算模块来实现多系统融合。虽然通过共用中心频率和 频谱重叠的方式可以实现系统间的协同工作，但仍然需要采用不同的信号调制方式或参数， 以便在频谱上将这两个信号分离，从而保证信号之间的相互干扰降至最低。Lower L-Band Upper L-BandARNS RNSSGalileo E5RNSS*RNSS*Galileo E6 Galileo E2ARNS RNSSGalileo E1 GPS L1 GLONASS L1GPS L5 COMPASS B2GPS L2GLONASS L2 COMPASS B3 COMPASS B1aCOMPASS B1b图 10.5-1 GNSS 频段分配具体来讲，各系统之间的兼容性和互操作性主要体现在如下几方面： （1）载波频率 为了保证多系统接收机结构简单，首先要解决好载波频率的兼容性。图 10.5-1 所示为 GNSS 系统现有和计划采用的主要频率占用情况，GPS 载波采用了 3 个频段，Galileo 和 COMPASS 都采用了 4 个频段，而 GLONASS 系统采用频分多址的方式，分配给每颗卫星 的频率都不一样，因此导航卫星所采用的载波频率较多。由图可见，COMPASS 和 Galileo 系统所占用的几个频段多数重叠，兼容性较好，Galileo 的 E5 与 GPS 的 L5、COMPASS 的268第 10 章北斗卫星导航系统B2 频段重叠，Galileo 的 E6 与 GLONASS 的 L2、COMPASS 的 B3 频段重叠，Galileo 的 E2-L1-E1 与 COMPASS 的 B1 和 B1-2、GLONASS 的 L1、GPS 的 L1 频段重叠。各卫星导 航系统的频段重叠保证了信号的兼容性，同时也简化了导航接收机的设计。当然，各卫星 导航系统载波频段重叠也必然会带来信号干扰的问题，由于各系统采用了不同的信号调制 方式，这种干扰并不会太强。 （2）坐标系 GPS 采用 WGS-84 坐标系， GLONASS 采 各卫星导航系统分别采用了不同的坐标系统。 Galileo 采用了全球参考框架 GTRF 坐标系， COMPASS 采用了中国 2000 用 PZ-90 坐标系， 而 国家大地坐标系。四个不同的坐标系之间存在一定差异，因此为了实现各系统的兼容，在 进行数据融合时必须进行坐标系的统一。理论上，通过参数转换模型即可确定任意两个坐 标系间的转换参数，从而实现坐标系的统一。 （3）时间基准 同坐标系一样，时间基准也是全球卫星导航系统的一个重要基准，时间精度直接影响 到导航定位的精度。GPS 采用的是 GPST 时间系统，没有跳秒改正；GLONASS 时间系统采 用的是前苏联的莫斯科协调世界时 UTC（SU），含有跳秒改正；Galileo 采用的是国际原子 时 GST；而 COMPASS 采用的是 BDT 时间系统。虽然四者分别采用了不同的时间系统，但 它们都与协调世界时存在转换关系，可以转换为统一、兼容的时间基准。 （4）星座配置 星座配置的兼容性主要体现在单个卫星导航系统实现星座最优配置的前提下，争取实 现与其它系统星座的互补性。星座配置的兼容性要求各系统星座构型、轨道参数与星座性 能之间的关系，在某种判定准则下选择使各系统性能达到最优的星座配置方案。该项研究 首先需要研究目前系统星座配置下的性能指标；其次需要研究在将来不同发展阶段下系统 星座配置所具备的性能指标；在此基础上重点研究在其它系统补充下某一系统如何进行星 座配置，从而实现基于星座的兼容与互操作所带来的性能提升。 研究 GNSS 体系的兼容性和互操作性是保证各系统间的互不干扰，协同工作的前提。 多系统定位在提高导航定位性能的同时，也加强了政府之间的联系，对促进卫星导航的全 球化有着重要意义[117]。269卫星导航原理及应用270
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