（通信与信息系统专业论文）双星定位系统扩频信号捕获跟踪及相关技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 了 第1 页 摘要 f ( 本论文分析了双星定位导航系统的总体结构和工作原理，对双星定位导 航系统的相关电路进行了研究，并利用通信仿真平台s y s t e m v i e w 建立了双 星定位导航系统的导航定位信号源以及导航信号的解调解扩电路仿真模型， 重点仿真和研究了扩频信号的捕获跟踪一 本文将滑动相关法和超前滞后码跟踪法应用于扩频定位信号的捕获与 跟踪，仿真研究了捕获跟踪电路的设计参数与系统性能的关系，重点分析了 高噪声、高动态情况下，电路参数对载波恢复环的捕获带宽、跟踪带宽、相 位抖动的影响，以及电路参数对扩频码捕获环路的捕获带宽、随机误差和判 决门限的影响 仿真结果表明，滑动相关法和超前一滞后码跟踪法在扩频定位 信号的捕获跟踪电路中有很好的捕获跟踪性能。通过研究，还得到了低信噪 比、高动态情况下的扩频码捕获电路的判决门限值等优化的电路参数，为实 际硬件设计提供了依据和优化原则。为了实现更高动态情况下的定位，在仿 真基础上；，本文提出了高动态扩频信号扩展捕获方法，即分段扫描法和频率 重置法。这两种方法通过改变接收机数控振荡器的频段，缩小接收机数控振 荡器与卫星信号的初始频差，从而大大增加了接收机的捕获带宽。( 仿真研究 表明，这两种方法均能完成高动态定位，具有现实可行性。 此外，为了提供所需仿真定位信号，斗本文设计并实现了仿真信号源；根 据系统需求，还设计了变采样率电路仿真等模块，并通过s y s t e m v i e w 嵌入 编程实现了这些模块。 关键字：双星定位：仿真，s y s t e m v i e w ，捕获。跟踪 西南交通大学硕士研究生学位论文 牛 第1 i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i s a n a l y z e s t h e p r i n c i p l e a n da r c h i t e c t u r eo f t w i n s a t e l l i t e p o s i t i o n i n gs y s t e m a n d i n v e s t i g a t e s t h er e l a t e d c i r c u i t s t w i n s a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e m st e s ts i g n a ls o u r c e ， d e m o d u l a t ec i r c u i t d e s p r e a dc i r c u i ta r em o d e l e da n dr e a l i z e dw i t h s i m u l a t i o nt o o l ，s y s t e m v i e w t h ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n go fs p r e a d i n g s i g n a l a r es i m u l a t e da n di n v e s t i g a t e di n g r e a td e t a i l s t s 1 i d i n gc o r r e l a t i o nm e t h o da n da d v a n c e d e l a yt r a c k i n gm e t h o da r e a p p i i e di nt h ea c q u i s i t i o n a n dt r a c k i n go fs p r e a ds p e c t r u ms i g n a l t h e r e l a t i o nb e t w e e nc i r c u i tp a r a m e t e ra n ds y s t e mp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e d a n d i n v e s t i g a t e d t h e f o c u so f i n v e s t i g a t i o n i so nt h ee f f e c to f c i r c u i tp a r a m e t e r st ot h ep e r f o r m a n c eo fc a r r i e rr e c o v e r yc i r c u i ta n d p ns e q u e n c et r a c k i n gc i r c u i tu n d e rl a r g en o i s ea n dh i g hd y n a m i cr a n g e e n v i r o n m e n t ，s u c ha sa c q u i s i t i o nb a n d w i d t h ，t r a c k i n gb a n d w i d t h ，p h a s e j i t t e r ，e t c t h es i m u l a t i o n nr e s u l t s h o w st h a t s l i d i n gc o r r e l a t i o n m e t h o da n da d v a n c e d e l a yt r a c k i n gm e t h o dh a v ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c e c i r c u i t p a r a m e t e r s s u c ha sd e c i s i o nt h r e s h o l do fs p r e a ds e q u e n c e a c q u i s i t i o nc i r c u i tu n d e rl o ws n ra n dh i g hd o p p l e rs h i f te n v i r o n m e n t a r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d ef o u n d a t i o na n do p t i m i z i n gp r i n c i p a lf o r t h eh a r d w a r ed e s i g n i no r d e rt or e a l i z et h ep o s i t i o nf u n c r i o nu n d e r h i g hd o p p l e rs h i f t ，t h i st h e s i sp r o p o s e se x t e n d e da c q u i s i t i o nm e t h o d u n d e rh i g hd o p p l e rs h i f tc o n d i t i o n ，i e s c a nm e t h o da n df r e q u e n c y r e s e t i n gm e t h o d t h e s et w om e t h o d sa l l c a nr e d u c ei n i t i a lf r e q u e n c y d i f f e r e n c eb e t w e e ns a t e l l i t es i g n a la n dr e c e i v e rd c ob ya d j u s t i n g r e c e i v e rd c o sf r e q u e n c yr a n g e 。t h e r e f o r ee x t e n d i n g t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l l 页 a c q u i s i t i o nb a n d w i d t ho fr e c e i v e rs i g n i f i c a n t l y s i m u l a t e dr e s u i t s h o w st h a tt h e s et w om e t h o d sd o a c c o m p l i s hp o s i t i o n i n gu n d e rh i g h d y n a m i ce n v i r o n m e n t i no r d e rt op r o v i d e s i m u l a t i n gp o s i t i o n i n gs i g n a l ，as i m u l a t i n g s i g n a ls o u r c ei sd e s i g n e da n da n a l y z e d i na d d i t i o n ，v a r i a b l e r a t e s i m u l a t i n g t o k e n sa n do t h e r s a r ea l s o d e s i g n e db y p r o g r a m i n g i n s y s t e m v i e wf o rt h ed e m a n do fs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：t w i n s a t e l l i t ep o s i t i o n i n g ，s y s t e m v i e w ，s i m u l a t i o n a c q u i s i t i o n ，t r a c k i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文 9 第1 页 第一章绪论 导航定位是保障人类交通及军事活动的必要手段，在现代社会中发挥着越 来越大的作用，如大地测量、地震预报、车辆的运输调度、森林防火、地质勘 探和国土的开发、航海航空的安全航行和交通管制、空间飞行器的定位和测控， 以及授时、移动通信、搜索救援等，经过人类的不懈努力，导航定位技术从最 早的天文导航已经发展到全球卫星导航“1 ”。 1 1 无线定位概念与基本原理 无线电导航系统是建立一系列的导航无线电信号发射台，用户接收这些无 线电导航信号，根据信号的频率、相位等参数的变化，通过特定的方法来计算 出自己的位置，从而安全准确地从一地向另一地运动。由于无线电定位设备利 用无线电波测量目标的坐标，它的工作与气候条件无关，因而它是在复杂气候 及能见度不良情况下很有效的一种导航方法。可在近、中、远距离上顺利完成 各项导航任务“，4 7 1 。 1 1 1 陆基无线电导航系统 第一代无线电定位系统主要是陆基无线电导航系统o “，这种陆基系统所能 提供的导航信号覆盖范围和所产生的定位精度两者常常是不可兼得的，即覆盖 范围很大的系统，其导航精度和导航数据的更新速率常常较低，而提供高导航 精度的系统往往只有有限的覆盏范围。 罗兰c 导航系统 罗兰c 导航系统工作在1 0 0 k h z ，采用脉冲相位双曲线定位。该系统一般 由三个地面导航台组成，导航工作区域约为2 0 0 0 k m 。其定位精度一般约为2 0 0 3 0 0 m ，且与航行器相对于导航台的距离有关。距离越远，其定位误差越大。由于 西南交通大学硕士研究生学位论文 ，d 第2 页 工作频率较高，电波沿直线传播而且要穿透电离层，考虑到地球表面的弯曲和 地形起伏，一个导航台只能覆盖很小的区域。要完成大范围覆盖则要毗邻布局 大量导航台，而且在海上和边远地区由于设法或很难建台，信号仍然覆盖不到。 它不适合高动态飞行器( 如战斗机) ，也不适合在城市使用，因为来自交流电源 设备的过量干扰会产生低频干扰。 o m e g a ( 奥米加) 导航系统o ” o m e g a ( 奥米加) 导航系统工作在十几千赫，采用相位双曲线定位。因其 工作的波长较长，电磁波通过大气波导传播，所以它的导航工作区域比罗兰c 的要大得多，建8 个地面导航台就可以提供全球覆盖。然而由于工作在低频， 电波传播受到电离层变动、地表导电性能变动的影响，因此导航精度难作得较 高，约为几英里。另外，工作频率低，需要庞大的发射天线和地网。 1 1 2 卫星定位系统 子午仪卫星导航系统( t r a n s i t ) 【l ，2 】 子午仪卫星导航系统，即美国海军导航卫星系统( n a v yn a v i g a t i o ns a t e l l i t e s y s t e m - - n n s s ) 。在这一系统中，卫星的轨道通过地极，所以又称为子午仪卫 星导航系统( t r a n s i t ) 。它不采用测距方法，而是利用卫星运行引起的多普勒频 移的方法。1 9 6 4 年1 月用于北极星核潜艇的导航定位获得成功，并逐步用于各 种军舰的导航定位。1 9 6 7 年7 月，经美国政府批准，对其广播星历解密，并提 供民用，在远洋船舶导航和海上定位服务等方面获得了广泛的应用。 尽管子午仪卫星导航系统已得到广泛的应用，并显示出巨大的优越性。但 是，这一系统在实际应用方面却存在着十分严重的缺陷。该系统是由5 6 个卫 星组成的导航网，卫星运行高度低( 平均约1 0 0 0 k m ) ，运行周期为1 0 7 分钟， 对同一个卫星每天通过次数最多为1 3 次，从地面站观测到卫星的时间间隔平均 约1 5 h 。由于采用多普勒定位原理，一台接收机一般需要观测1 5 次合格的卫星 通过，才能达到1 0 m 的单点定位精度。在全球范围内，它给出的定位信息只 西南交通大学硕士研究生学位论文 ，f 第3 页 能是全天候的连续二维坐标一经度和纬度，不能给出高程。这种系统，一方面 由于所需的观测时间较长，不能给用户，尤其是高动态用户( 如飞机、车辆等) 提供实时定位和导航服务；另一方面，由于卫星轨道较低，受大气影响严重， 定位精度的提高受到限制，因而限制了高动态用户和高精度用户的使用。对舰 船而言，利用这一系统只能对惯性导航系统和其他无线电导航系统进行连续的 精确修正，它的作用远不能满足全球定时定位的要求。 - 全球定位系统g p s 9 - 1 2 1 g p s 是英文n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m 的字头缩写词n a v s t a r g p s 的简称，它的含义是，利用卫星的测时和 测距进行导航，以构成全球卫星定位系统。 g p s 方案是由2 4 颗卫星组成的实用系统。这些卫星分布在互成1 2 0 。的三 个轨道平面上，每个轨道平面平均分布8 颗卫星。这样，对于地球任何位置， 均能同时观测到6 9 颗卫星。预计粗码定位精度为1 0 0 m 左右，精码定位精度 为1 0 m 左右。2 4 颗卫星分布在互成印。的6 个轨道面上，轨道倾角为5 5 。， 由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成。 g p s 定位是“测时测距”体制，因此，g p s 翌星必须具有高度精确的时钟( 频 标) 。g p s 工作卫星一般安装两台钡原予钟和两台钻原子钟，计划在未来采用更稳 定的氢原于钟。它产生一个标准频率( 1 0 2 3 m h 2 ) 作为基准信号，其它信号均 由此产生。g p s 工作卫星只需启用一台原子钟，其余作为备用。 _ g l o n a s s 系统“删 、 g l o n a s s 系统是由苏联开始研制后由俄罗斯继续完善的全球卫星导航系 统。1 9 9 5 年1 2 月1 4 日，俄罗斯成功地发射了一箭三星，标志着g l o n a s s 星 座的在轨卫星已经布满，经过数据加载、调藏和检验，1 9 9 6 年1 月1 8 日，2 4 颗工作卫星正常发射信号，健康有效地工作。至此g l o n a s s 正式建成并投入 运行。 g l o n a s s 比g p s 起步晚九年，全星座正常运行比g p s 晚近三年时间。从 ，z 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 苏联1 9 8 2 年l o 月1 2 日发射第一颗g l o n a s s 卫星以来。历经1 3 年，总共发 射了7 3 颗卫星。 g l o n a s s 星座的轨道为三个等间隔近圆轨道，每个轨道面上均匀分布8 颗卫星。三个轨道面升交点经度之差为1 2 0 。，按地球自转方向将其编号为l 、2 、 3 ；同一轨道面上的卫星编号按卫星运动方向的反方向递增，第1 轨道面上的卫 星为l 一8 ，第2 个轨道面上为9 1 6 ，第3 轨道面上为1 7 2 4 ：同一轨道面上 相邻卫星纬度幅角相差4 5 。，相邻轨道面上相邻卫星纬度幅角相差1 5 。 1 2 卫星定位国内外研究现状 目前只有美国和俄罗斯有自己的卫星导航定位系统，而日本和欧洲也正在 加紧研制自己的卫星导航定位系统“”1 。2 0 0 1 年4 月，欧洲交通部长联席会 议作出的批准建立欧洲人自己的全球卫星导航系统“伽利略”的决定。由于卫 星定位技术在国防和国民经济中的作用越来越大，为了保证国防和国民经济的 安全，我国也在“九五”列项提出双星定位导航系统，其工程代号取名为“北 斗一号”，该系统为我国自己独立研制开发的卫星导航定位通信系统。双星定位 导航系统是一种全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统 g p s 系统是目前技术上最成熟且已实用的一种卫星导航和定位系统。能够 廉价便捷地为美国海陆空军在全世界任何地方、任何时候，提供高精度和连续 的位置、速度、航向与姿态和时闯信息。它具有如下几个特点：( 1 ) 全球及全天 候导航定位；( 3 ) 定位精度高；( 4 ) 实时定位速度快：( 5 ) 抗干扰性能好，保密性强。 世界上许多公司都在进行高精度g p s 设备的研制，并出现了许多嵩性能的 产品。美国的高通和加拿大的n o v a t e l 等公司的高动态、高数据输出率g p s 接 收机的单机定位精度可达1 0 米，差分精度量商可达l 厘米左右。若进行数据后 处理精度可达5 m m 。目前我国也有不少研究所和公司在进行g p s 技术的研究，如 中国科技大学g p s 实验室等在g p s 研究上做了大量的工作，但大多是集中在对 定位算法软件设计和系统原理的研究上。在g p s 接收机的设备研制方面的研究 西南交通大学硕士研究生学位论文 i 弓 第5 页 还不是太多。 当前，g p s 用户设备发展的主要趋势 3 2 , 6 2 是： 集成化、小型化 由于电子技术和微处理技术的发展，g p s 接收机的集成化程度越来越高， 使整机尺寸和重量大大减少，价格也迅速下降。 高动态、多通道 研制、生产高动态、多通道纳接收机，以满足动态定位用户的需要。这种 接收机有多达1 2 个通道，可跟踪8 一1 2 颗卫星，不致于因机动而丢失个别星的 信号，中断导航定位。 差分g p s 接收机 这种接收机可进行实时差分导航定位，以消除定位误差，提高定位精度。 一 以g p s 为中心的组合导航系统 如g p s i n s ( 惯导) 、g p s g l d n a s s 等组合式导航系统，具有广阔的应 用前景 高精度动态接收机 当前动态g p s 接收机大多是伪码测量的接收机。而非特许用户只能用粗码 c a 码接收机，其实时定位精度较低，最好达米缀精度，不能满足高精度要求 的用户需要。为此，许多国家在研制动态高糟度载波糊位测量g p s 接收机如 t r i m b l e 公司生产的了r i m b l e 4 0 0 0 - s s e ，可用予航空摄影潮量定位，精度达l o ”， 但需事后进行数据处理 g p s 与通信结合 目前很多国家在研究将移动通信结合刭g p s 中去t r i m b 3 e 公司已建成采 用i n m a r s a t 和g p s 的g g l a x y 流动地面站，可完成全球范围的双向报文通信和 定位报道。 西南交通大学硕士研究生学位论文 l 己卜 第6 页 1 3 本论文研究思路及工作安排 本论文主要是对双星定位系统的信号接收性能进行分析。第二章说明了双 星定位系统的结构、功能和原理，第三、四、五章分别对双星定位信号的载波 恢复、码捕获与码跟踪电路的性能指标进行分析，研究了低信噪比、高动态情 况下的信号接收性能，对实际的硬件设计提供重要的指导。最后，本论文论述 了研究过程中用到的其它一些相关技术，如测试卫星信号源的设计，仿真工具 s y s t e m v i e w 中的变采样率电路仿真技术以及s y s t e m v i e w 中的嵌入式编程。 西南交通大学硕士研究生学位论文 l f 第7 页 第二章双星定位关键技术分析 双星定位导航系统是我国“九五”列项，其工程代号取名为“北斗一号”， 该系统是我国自己独立研制开发的卫星导航定位通信系统。美国o e o s t a r 公司在 1 9 8 3 年提出一种卫星导航系统，采用分布在赤道上空，间距为3 0 。6 d 。的两 颗地球同步卫星进行定位和导航，美国联邦通信委员会( f c c ) 称这种技术为卫星 无线电测定业务( r d s s ) 。我国在1 9 8 3 年。有关卫星专家也提出了利用两颗相对 于地球静止的卫星来实现定位导航的设想，该设想与g e o s t a r 系统类似，称为双 星定位导航系统 1 3 - 1 7 l 。 双星定位导航系统是一种全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统， 可实现快速导航定位、双向简短报文通信和定时授时3 大功能，其中后两项功 能是全球定位系统( g p s ) 所不能提供的，且其定位精度在我国地区与g p s 定位 精度相当。整个系统由两颗地球同步卫星( 分别定点于东经8 0 。和东经1 4 0 。， 3 5 0 0 0 k m 赤道上空) 、中心控制系统、标校系统和用户机4 大部分组成，各部分 间由出站链路( 即地面中心至卫星至用户链路) 和入站链路( 即用户机至卫星中 心站链路) 相连接。 双星定位导航系统的建立可为我国陆地、海洋、空中和空间的各类军事和 民用提供多种业务保障。如陆上的大地测量、地震预报、各种车辆的运输调度、 森林防火、地质勘探和园士的开发、航海航空的安全航行和交通管制、空阅 飞行器的定位和测控，以及授时、移动遁信、搜索救援等 2 1 双星定位系统的总体结构 双星定位系统分为空间部分和地面部分，空间部分由两颗地球同步的导航 卫星和一颗在轨备用卫星组成。地面部分由一个中心控制站、若千卫星定轨标 西南交通大学硕士研究生学位论文 | s 第8 页 校站、差分定位标校站和测高标校站以及用户机组成。系统总体结构“”如图1 所示。两颗导航卫星位于3 5 0 0 0 k m 赤道上空，分别定点于东经8 0 。和东经_ 1 4 0 。， 星目孵雅泻箱发黥用于转发出站信号、入站信号。中心控制站用于接收定位通 信申请，完成测距、定位、授时和通信的信号处理，发送导航电文，监视和控 制整个系统的工作情况。测轨标校站为精确测量卫星的位置提供基准测量数 图2 1双星定位系统总体结构 据，定位标校站为差分定位提供基准测量数据，测高标校站为气压测高法提供 基准测量数据。用户机带有收发天线，用于接收中心站通过卫星转发来的信号 和向中心站发送定位通信申请，不含定位解算处理器，设备比较简单。 2 2 双星定位系统的工作原理 2 2 1 定位基本原理 双星定位系统采用三球交会测量原理进行定位“”：即分别以两颗卫星为球 心，到用户的距离为半径作两个球面，再以地球质心为球心，到用户的距离为 半径的一个球面，三个球面的交会点就是用户的位置( 但是在计算用户坐标时 要捧除掉其镜像点) 卫星到用户的距离可以用定位信号的传搔时延计算出来， 而地心到用户的距离则是用中心站的数字地形图查出或用气压高度表测量出 来。用下述公式就可以计算出用户坐标： 西南交通大学硕士研究生学位论文繁9 页 ( 五一而) 2 + ( ) ，l y o ) 2 十( z l z o ) 2 = r o l 2( 2 1 ) ( 工2 一) 2 + ( y 2 一) k ) 2 + ( z 2 一z o ) 2 = 冠2( 2 2 ) ( 屯一) 2 + ( ) ，3 一y o ) 2 + ( z 3 - - z o ) 2 = j 2( 2 3 ) 式中，( ，y ；，z ；) ，f = o ，1 ，2 ，3 分别表示用户、卫星l 、卫星2 、地球质心 的坐标，r o l 、r 0 2 、r 0 3 分别表示用户到卫星l 、卫星2 和地球质心的距离。两颗 卫星的坐标、地球质心的坐标以及卫星到用户的距离、地心到用户的距离都可 以测出，所以用上述方程组就可以算出用户坐标6 ”，当然，在实际使用中还要 考虑到各种误差对测距的影响，从而对上述公式进行修正。 与全球定位系统g p s 的主要区别在于：g p s 采用的是非同步的多卫星定位 原理，一般要求获得四颗以上的卫星位置和到用户的距离，才可以得到用户机 的经度、纬度和高程数据，其定位处理部分分散到各个用户机。在双星定位系统 中，高程值由数字地图或气压测高站提供。除此之外，信息处理中心还具有定时 和通讯功能。 2 2 2 卫星定轨的方法 在上述定位过程中，怎样得到卫星的坐标是一个十分重要的环节“”。为了 得到出卫星的坐标，可以用地面标校站来进行测量。中心控制系统首先发出一 个询问信号，然后用三个地面标校站来接收闻一个询问信号。可以得到一个方 程组 s 朋= 2 r o i + 2 置l 2 - 4 ) s 2 = r o l + r l + r a 2 + r 吆( 2 - 5 ) s 刖= r 吆+ r 量2 + r 刖+ r o l( 2 - 6 ) s 自2 = 2 r + 2 r 口2 ( 2 7 ) s c i = 2 r o i + 2 l( 2 - 8 ) s c 2 = 2 置+ 2 心2 ( 2 - 9 ) 其中= 厄了了丽瓦i 了， ( 工j ，y j ，。j ) j = 0 表示中心控制系统的坐标t 其僵已知 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 ( x ，y ，o f ) j = a ，b ，c 分别表示三个标校站的坐标，其值已知 ( 工f ，y f ，z ，) j = 1 ，2 分别表示两颗卫星的坐标，其值未知 s 。为实际测出的距离和量， 所以，用上述方程组6 个方程可以算出两颗卫星的坐标值 2 2 3 双星定位系统的信号流程 双星定位系统采用集中式信号处理，所有定位、授时、通信都必须通过中 心站进行，由中心站判断用户请求的业务类型，并执行相应的操作。系统的信 号流程如图2 所示。 计算娃理 图2 2双星定位系统的信号流程 中心站以特定的频率发射一具有超帧、分帧结构的伪码扩频的连续波信号， 此信号经两颗地球同步卫星分别向各自天线波束覆盖区域内的所有用户广播。 当用户需要进行定位，通信服务时，相对于接收信号( 出站信号) 的某一帧，提 出申请服务项目并发送入站信号，经两颗卫星转发至地面中心，地面中心接到此 信号后，解调出用户发送的信息，测量出用户至两颗卫星的距离，对定位申请 计算用户的地理坐标，由于两颗卫星的位置是已知的，分别为两球的球心，另 一球面是基本参数已确定的地球参考椭球面3 球交会点为测量的用户位置。用 户的位置信息放在出站信号的某帧的数据段内，经卫星1 或卫星2 转发给申请 用户，对通信申请，将通信内容以同样的方式发给收信用户。地面中心站将在 每一超帧周期内的第一帧的数据段发送标准时间( 天、时、分信号与时间修正 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 数据) 和卫星的位置信息，用户接收此信号与本地时钟进行比对，并计算出用 户本地时种与标准时间信号之差值，然后调整本地时钟与标准时间对齐( 单向 授时) ；或将对比结果通过入站链路经卫星转发回地面中心，由地面中心精确 计算出本地时钟和标准时间的差值，再通过出站信号经卫星1 或卫星2 转发给 用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐( 双向授时) 。 2 3 信号时延的测定方法及性能评价指标 双星定位系统采用的是直接序列扩频( d s ) 技术 5 9 】。直接序列扩频系统 简称直扩系统，它是直接用编码序列对载波进行调制的系统。直接序列扩频中 用的编码序列通常是伪随机序列( p n 码) 。而要传送的信息经数字化后变成二 元数字序列，它和伪随机序列模二相加后成为复合码去调制载波，通常，伪随 机序列的速率是信息速率的几十到几百倍，因此，它与信息码模二相加后再调 制载波，对载波而言相当于将信息速率人为地扩大了数百倍，在频谱上则是将 原来的窄带谱人为地扩展了数百倍。因此，该类系统被称作扩频系统。在直接 序列扩频系统中通常对载波进行相移键控调制( b p s k ) ，然后由天线发射出去。 而在接收机中，要有一个和发射中的伪随机扩频码同步的本地码，对接收信号 进行解扩( 也叫缩谱) ，即将发射机中人为展开的宽带信号重新还原为窄带信号。 解扩后的窄带信号送到解调器取出传送的信息。直扩系统的扩频、调制和解调 解扩电路模型如图2 所示。 中心控制站通过测量信号的空间时延计算距离，为了准确计算出用户坐标， 中心站要精确测量信号总时延，而且事先要测试卫星和每台接收机的双向设备 时延。所谓双向设备时延指的是信号在正反向传播( 中心控制站一卫星一用户 机一卫星一中心控制站) 过程中所经设备的总时延。信号总时延减去总的设备 时延就是信号在空间传播的传播时延。根据信号的空间传播时延以及对流层和 电离层折射时延修正值就可以算出用户机到两颗卫星的距离，进而用2 2 1 中的 公式计算出用户的坐标。 西南交通大学硕士研究生学位论文 z d 第12 页 b ) 接收机 图2 - 3 直扩系统电路模型 为了精确测量信号的总时延，必须对扩频卫星信号进行精确的捕获跟踪。 如果中心站发射的载波或扩频序歹o 与信息数据比特的开始时间有确定关系，当 用户机载波和p n 码对卫星信号实现了精确捕获与跟踪时，就能解出导航定位 数据帧。接收机在接收到的数据帧中加入定位申请识别信息，然后再将该数据 帧发送回中心站，中心站也要对接收到的定位申请信号进行精确捕获与跟踪， 当中心站对定位申请信号实现了精确捕获与跟踪时，解出定位申请数据帧，并 且根据捕获到的载波或p n 码的相位确定接收到的数据比特的准确时间，然后 将定位申请数据帧与发送帧进行比较，根据帧号，p n 码相位和载波相位计算出 中心站发射的定位数据帧经过卫星、用户接收机，再返回中心站的精确时延， 总时延等于整帧时延加上小数帧时延，如图3 所示。因此，双星定位系统能否 实现精确定位归根到底取决于中心站和用户接收机能否捕获卫星信号并实现高 精度的跟踪。 西南交通大学硕士研究生学位论文 三 第13 页 图2 - 4 信号总时延测量原理 衡量接收机对卫星信号的捕获跟踪性能有很多指标，主要的有载波环的捕 获带宽、载波环的跟踪带宽、载波环的相位抖动、p n 码环捕获带宽、p n 码环随 机误差、码捕获环的判决门限、误码率及信嗓比等。对接收机的要求应当是捕 获时间短，载波和p n 码跟踪相位抖动小，工作的动态范围大，工作可靠，误码 率低。 2 4 本章小结 本章详细论述了双星定位系统的总体结构、定位原理、卫星定轨方法以及 信号流程，在此基础上进一步分析了定位关键技术：信号时延的测定方法和卫 星信号的捕获跟踪，并提出了性能评价的指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文 2 乙 第14 页 第三章卫星信号的解调解扩 为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。数 字信号有三种基本的调制方式：幅度键控、频移键控和相移键控。它们分别对 应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。在直接扩频卫星通信 系统中最常用的是二进制相移键控( b p s k ) ，双星定位导航系统也采用了b p s k 调制。解调b p s k 调制信号必须要采用相干解调，如何得到同频同相的载波是个 关键问题。由于b p s k 信号是抑制载波双边带信号，不存在载频分量，因而无法 从已调信号中直接用滤波法提取本地载波。只有采用非线性变换才能产生新的 频率分量。常用的载波恢复电路有两种。一种是如图3 - i ( a ) 所示的平方环电 路，另一种是如图3 - i ( b ) 所示的科斯塔斯( c o s t a s ) 环“4 刚。 i 一硕莉幂? ( a ) ( b ) 图3 - i 载波恢复电路 ( a ) 平方环：( b ) 科斯塔斯环 西南交通大学硕士研究生学位论文 二弓 第15 页 平方环载波恢复电路中，b p s k 信号经平方后得到两倍载频的频谱分量，用 锁相环( 或者谐振回路) 提取这一分量，然后经2 分频得到载频分量。科斯塔 斯环又称同相一正交环，在此环路中，误差信号是由两路相乘及低通滤波器提供 的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路相乘器的则是压控 振荡器的输出经9 0 。移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两 者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和 理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整。 3 1 电路设计 双星定位系统采用的是b p s k 调制的直接扩频系统，因此其载波恢复也可 以用上述的平方环法和科斯塔斯环法，同时要考虑到扩频信号的影响。本文采 用科斯塔斯解调环作为载波恢复环，基于数字信号处理电路，对双星定位系统 的载波恢复和解调解扩电路进行了设计田捌。双星系统载波恢复和解调解扩电 路如图3 2 所示。 图3 - 2双星系统载波恢复和解疆解扩电路模型 3 1 1 电路原理分析 设卫星信号信息数据为，( t ) ，扩频序列为m ( f ) ，调制载波较频率为m ，则 西南交通大学硕士研究生学位论文 z 争 第16 页 卫星信号。”“蜘可以表示为 u o ( f ) = l ( t ) m ( t ) a c o s m f t ( 3 - 1 ) 假定接收机数控控振荡器d c o 与接收的卫星信号载波只有相差，没有频差，设 接收机数控振荡器d c o 的初相为妒，振幅为l ，则输入信号与数控振荡器的 正弦波在上下两路相乘器相乘以后的输出为 u l ( t ) = u o ( f ) c o s ( a j ：+ 妒) = ，( f ) m ( t ) c o s 劬f c o s ( 劬f + 妒) = 去，( f ) r e ( t ) c o s ( 2 c o ：+ a # ) + c o s a # 】 ( 3 2 ) u 2 ( f ) = u o ( f ) s i n ( w ：十妒) = l ( t ) m ( f ) c o s w ：s i n ( c o ：+ 妒) = 吉，( f ) m ( f ) 【s i n ( 2 a j , f + 妒) + s i n 妒】 ( 3 3 ) 经过低通滤波器滤波后得到 吣f ) - 三，( f ) m c o s 妒 州f ) _ 丢m ) 州f ) s i n ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 设接收机扩频序列为m ，( f ) ，则解扩后的输出为 u 5 ( f ) = 虬( f ) 川，( f ) = 丢m ) 州f ) c o s 妙m ，( r ) ( 3 - 7 ) u 6 ( f ) = u ( f ) m ，( f ) = 吉，( f ) m ( f ) s i n 妒m 。) ( 3 - 8 ) 2 5 - 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 经过积分器后输出为 u 7 ( f ) = j ( f ) + a 瓦c o s a 妒 ( 3 - 9 ) u 8 ( f ) = ，( f ) a 瓦s i n 妒 ( 3 - 1 0 ) 其中t b 为数据比特时间间隔，a 为卫星信号扩频序列m ( f ) 与接收机扩频序列 ( f ) 的相关值。因此环路滤波器的输入信号为 u 9 ( f ) = 丢a 2 砰s i n 妒* 丢 2 砰妒( 3 - 1 1 ) 二 可见，环路滤波器的输入仅与卫星信号载波和接收机载波的相差有关，该输入 信号作为误差控制信号通过环路滤波器滤波后对接收机数控振荡器进行负反 馈，从而使误差控制信号趋于零。当环路滤波器的输入为零时，接收机载波就 锁定了卫星信号载波，所以该载波恢复电路可以消除接收机载波与卫星信号载 波的相位差。该载波恢复电路也存在0 、n 相位模糊度问题，这可以用差分编码 的方法来消除。当接收机数控控振荡器d c o 与接收的卫星信号载波有频差时， 由于频差实际上会表现为二者相差的变化，而上面已经说明该电路可以消除接 收机载波与卫星信号载波的相位差，所以该电路也可以跟踪卫星信号载波的频 率变化。 1 ) 系统相位模型忙卜蚓 由上面的分析可以建立系统相位模型如图3 3 所示。 系统传递函数为 日( j ) ：曼盟：望盟( 3 1 2 ) 一 只( s )j + k g ( s ) 、 误差传递函数为 型秽杖砷 l e ) l 一 图3 - 3 系统相位模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第l8 页 引加船小( 3 - 1 3 ) 其中眈( f ) = a f t ( t ) 为相位误差，g ( s ) 为环路滤波器传递函数。数字环路滤波器采 用二阶滤波器，其框图如图3 - 4 所示。 可以推出其传递函数为 g ( 班盟呸卫旦( 3 - 1 4 ) 误款 st j 其中， 五= 瓦1 即是铲可 2 酋 代入系统传函，可得 即，= 署嚣 日。( 。) = 再丽s 2 2 ) 系统稳态相位误差 r 3 - 1 5 ) f 3 1 6 ) 若岛( d 为阶跃跳变信号，有 只( j ) ：三 ( 3 1 7 ) j 图3 _ 4 环路滤波器 误差相位的拉氏变化为 ) - 驰) 纵。2 再；丽仔1 8 ) 由终值定理可得 2 l i m o r 归l ，i 枷m 5 吼加物再葫卸( 3 - 1 9 ) 由以上分析可知，该二阶i i 型锁相环可以无误差的跟踪信号的相位阶跃。 当信号为频率跳变时，有 2 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第l9 页 帅) = 吉( 3 - 2 0 ) 由以上分析可知，该二阶型锁相环可以无误差的跟踪信号的频率阶跃。有关 载波环的动态指标将在后面章节进行详细讨论。 3 1 2 用s y s l e m v i o w 建立仿真电路 根据上述的分析和图3 2 、图3 4 的电路模型，本文用通信仿真工具 s y s t e m v i e w 建立了仿真电路呻，”，如图3 - 5 所示。 图3 - 5 载波恢复与解调解扩s y s t c m v i e w 仿真电路 该仿真电路中的几个关键模块是载波数控振荡器、滑窗滤波嚣、积分清零 器和p n 码产生器。下面对这几个模块进行说明 一本地载波压控振荡器m 3 该模块在频率和相位误差信号的控制下输出正弦波，作为本地载波与接收 到的信号相乘，进行相干解调。由于输入信号存在的噪声和多普勒频移，本地 载波和接收到的信号总是存在频差，所以必须提取出频率误差信号来控制压控 振荡器的频率，使其锁定输入信号的频率。我们设计了一个用户模块来实现这 2 8 西南交通大学硕士研究生学位论文 第20 页 一个功能，该模块有两个控制输入端口，即一个频率误差控制端口和一个相位 误差控制端口，在参数设置菜单中可以设置其固有频率和初始相位。 滑窗滤波器 滑窗滤波器对窗口内的采样值求平均值并输出，窗口相对于输入信号在不 断滑动，其功能类似于一个低通滤波器。该模块也是用c 语言编写的用户模块。 在参数设置菜单中可以设置窗口宽度，本仿真电路中取窗口宽度为4 。 一积分清零器 该积分清零器等效为1 6 k h z 的滤波器，清零时间由清零脉冲控制，而清零 脉冲又由p n 码产生器的时钟信号经过分频得到，其位置是2 5 5 位p n 码序列的 起始位。我们用c 语言编写了这个模块，该模块有一个信号输入端口，一个清 零脉冲输入端口，没有参数 _ p n 码产生器 该p n 码产生器用于产生本地p n 码，它产生的p n 码与解调恢复出的同相信 号和正交信号相乘，一方面提供载波恢复所需的误差控制信号，另一方面满足 解扩的需要，它还输出积分清零器的清零脉冲。 为了测试载波恢复环，本文对其频率跟踪和相位跟踪作了下述仿真试验： _ 频率跟踪试验。纠 信号源b p s k 调制载波取4 0 8 删z ，本地载波压控振荡器固有频率为 4 0 8 1 m h z ，即存在1k n z 的频差。分别在没有载波恢复环( 即环路滤波器输出 的误差信号不送入压控振荡器的控制端口) 和有姣波恢复环时，观察误差信号 及输入数据与恢复数据的波形，如图3 - 6 ( a ) 、( b ) 所示可以看出，当没有载 波恢复环时，本地载波与输入载波的相位误差( 郾环路滤波器输出的误差信号) 较大且呈周期变化。此时由于本地装波没有锁定输入载波，所以解扩解调后恢 2 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第21 页 复出的数据与原始数据相比，误码率较高。而当加上载波恢复环时，由于环路 滤波器输出的误差信号对本地载波压控振荡器的反馈作用，本地载波的频率逐 渐锁定输入载波，表现在环路滤波器输出的误差信号逐渐收敛于某个值，即本 地载波与输入载波的相位差逐渐趋于某个极小的值，也就是说本地载波锁定了 输入载波。由于本地载波锁定了输入载波，所以输入信号经过相干解调，就恢 复出了输入p n 码，该p n 码与已对齐的本地p n 码经过解扩运算就能正确恢复出 输入数据，从实验得到的波形可以看到，接收端已经正确地恢复了输入数据。 ( a ) 无载波恢复 ( b ) 有载波恢复 图3 - 6 频率跟踪试验 _ 相位跟踪试验 信号源b p s k 调制载波取4 0 8 瑚z ，本地载波压控振荡器固有频率为 4 0 8 删z ，即没有固有频差；本地载波初始相位为5 0 度，输入载波初始相位为 0 ，即本地载波超前输入载波5 0 度时，分别观察没有载波恢复环( 即环路滤波 器输出的误差信号不送入压控振荡器的控制端口) 和有载波恢复环时，误差信 弘 西南交通大学硕士研究生学位论文 第22 页 号的