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西北工业大学硕十论文: 双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p o a实现 摘要 北斗双星定位系统是我国自 主研发的 卫星定位导航系统。该系统采用直接序 列扩频技术。在双星定位系统中，扩频码同步是影响整个系统性能的重要技术， 它不仅是系统正确接收信息的前提，同时也是系统能够精确定位的关键。因此， 研究和实现双星定位系统中的扩频码同步技术对于提高系统的定位精度和接收机 的性能指标有着重要的意义。 本文首先分析了 双星定位系统的总体结构、工作原理及其关键技术，深入研 究了 直扩系统的扩频码同步原理，然后， 根据协议要求提出了 双星定位系统的扩 频码同步的模块设计方案，并用v h d l 语言实现模块功能，最后将程序下载至 f p g a进行硬件测试。 测试结果符合双星定位接收机设计的相关指标要求， 同时证 明了方案的正确性和可行性。 关键字: 双星定位系统v h d l f p g a扩频码同步 西北工业大学硕士论文: 双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 abs tract b e i d o u d u a l - s a t e l l i t e p o s i t i o n i n g s y s t e m i s r e s e a r c h e d a n d d e v e l o p e d b y o u r c o u n t r y . t h i s s y s t e m i s a d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s y s t e m . i n t h i s s y s t e m , t h e s y n c h r o n i z a t i o n o f p s e u d o n o i s e c o d e i s t h e i m p o rt a n t t e c h n o l o g y w h i c h c a n a ff e c t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e w h o l e s y s t e m, b e c a u s e t h i s t e c h n o l o g y i s n o t o n l y t h e p r e c o n d it i o n o f w o r k i n g w e l l , b u t a l s o t h e k e y o f p r e c i s e p o s i t i o n i n g . s o r e s e a r c h a n d im p l e m e n t t h e p s e u d o n o i s e c o d e s y n c h r o n i z a t i o n o f d u a l - s a t e l l i t e p o s i t i o n i n g s y s t e m i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o i m p r o v e t h e p o s i t i o n i n g p r e c i s i o n a n d t h e u s e r t e r m i n a l s p e r f o r m a n c e i n d e x . t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e p r i n c i p l e a n d a r c h i t e c t u r e o f d u a l - s a t e l l i t e p o s i t i o n i n g s y s t e m a n d d e e p l y r e s e a r c h e s th e t h e o r y o f t h e p s e u d o n o i s e c o d e s s y n c h r o n i z a t i o n . a n d t h e n , d r a w o u t t h e m o d u l e d e s i g n in g p r o j e c t b as e d o n t h e p r o t o c o l o f d u a l- s a t e l l i t e p o s i t i o n i n g s y s t e m a n d i m p l e m e n t t h e s e m o d u l e s b y v h d l . t h e n , t e s t t h e m o d u l e f u n c t i o n i n h a r d w a r e . t h e t e s t r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e d e s i g n p r o j e c t c a n s a t i s f y t h e s y s t e m s d e s i g n w a n t s a n d p r o v e s t h e v a l i d i t y a n d f e as i b il it y o f t h e p r o j e c t k e y wo r d s : d u a l - s a t e l l i t e p o s i t i o n i n g s y s t e m v h d l f p g a p s e u d o n o i s e c o d e s y n c h r o n i z a t i o n 西北工业大学硕士论文: 双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 第一章绪论 1 . 1 课题的背景和来源 导航定位是保障人类交通及军事活动的必要手段，在现代社会发展中发挥着 重要作用。 卫星导航定位系统的基本作用是向各类用户和运用平台实时提供准确、 连续的位置、速度和时间信息。目前卫星导航定位技术己基本取代了无线电导航、 天文测量和传统大地测量技术，成为人类活动中普遍采用的导航定位技术。拥有 这种技术.就会在军事、外交和经济上占据主动地位，获取巨大的利益。所以世 界主要大国和商业集团不惜巨资发展卫星导航系统。目 前，美国、俄罗斯已经拥 有了自己的卫星导航定位系统，日 本及欧洲也正在加快其研制的步伐。为给我国 的各类军事活动及民用业务提供保障，我国也已 经发展了自己的卫星定位导航系 统北斗双星定位系统。 北斗双星定位系统是由2 - 3 颗地球同步卫星 ( 分别定点于东经8 0 0 、东经1 4 0 0 和东经1 1 0 . 5 0 , 3 5 0 0 0 k m的赤道上空) 、地面中心控制站和用户终端组成。2 0 0 3 年5 月“ 北斗一号”导航定位卫星的成功发射， 标志我国北斗卫星导航定位系统建成。 它与前两颗 “ 北斗一号” 工作星组成了完整的全天候、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等三大功能， 其中 双向 简 短报文通信和定时 授时 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 的定位精度相当。 北斗双星定位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，将在我国的国民经 济建设和国防建设中发挥重要作用。 随着各类军事及民用业务应用领域的不断拓展，双星定位用户终端的需求也 与日俱增。这种大量的市场需求给用户终端的研发及生产提出了严峻的考验。深 圳某通信公司在对双星定位用户终端市场进行了广泛而深入的调研后，决定投入 开展双星定位用户终端的研发工作。本次毕业论文的课题研究工作主要结合该项 目的研发进行的。 1 .2 课题研究的目的和意义 现场 可编程门 阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 猛。 f p g a是一种半定制a s i c( 专用集成电路) ，它既继承了 集成度、高可靠性的优点， 又克服了普通a s i c设计周期长、 技术近年来发展迅 a s i c的大规模、高 投资大、灵活性差的 西北工业大学硕士论文: 双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 第一章绪论 1 . 1 课题的背景和来源 导航定位是保障人类交通及军事活动的必要手段，在现代社会发展中发挥着 重要作用。 卫星导航定位系统的基本作用是向各类用户和运用平台实时提供准确、 连续的位置、速度和时间信息。目前卫星导航定位技术己基本取代了无线电导航、 天文测量和传统大地测量技术，成为人类活动中普遍采用的导航定位技术。拥有 这种技术.就会在军事、外交和经济上占据主动地位，获取巨大的利益。所以世 界主要大国和商业集团不惜巨资发展卫星导航系统。目 前，美国、俄罗斯已经拥 有了自己的卫星导航定位系统，日 本及欧洲也正在加快其研制的步伐。为给我国 的各类军事活动及民用业务提供保障，我国也已 经发展了自己的卫星定位导航系 统北斗双星定位系统。 北斗双星定位系统是由2 - 3 颗地球同步卫星 ( 分别定点于东经8 0 0 、东经1 4 0 0 和东经1 1 0 . 5 0 , 3 5 0 0 0 k m的赤道上空) 、地面中心控制站和用户终端组成。2 0 0 3 年5 月“ 北斗一号”导航定位卫星的成功发射， 标志我国北斗卫星导航定位系统建成。 它与前两颗 “ 北斗一号” 工作星组成了完整的全天候、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等三大功能， 其中 双向 简 短报文通信和定时 授时 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 的定位精度相当。 北斗双星定位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，将在我国的国民经 济建设和国防建设中发挥重要作用。 随着各类军事及民用业务应用领域的不断拓展，双星定位用户终端的需求也 与日俱增。这种大量的市场需求给用户终端的研发及生产提出了严峻的考验。深 圳某通信公司在对双星定位用户终端市场进行了广泛而深入的调研后，决定投入 开展双星定位用户终端的研发工作。本次毕业论文的课题研究工作主要结合该项 目的研发进行的。 1 .2 课题研究的目的和意义 现场 可编程门 阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 猛。 f p g a是一种半定制a s i c( 专用集成电路) ，它既继承了 集成度、高可靠性的优点， 又克服了普通a s i c设计周期长、 技术近年来发展迅 a s i c的大规模、高 投资大、灵活性差的 西北工业大学硕士 论文: 双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 缺点，逐渐成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。f p g a是基于s r a m工艺的 可编程逻辑器件，对芯片内部硬件连接关系的描述存放在下载芯片中，因此系统 在f p g a芯片及外围电路保持不变的情况下，只需更换下载芯片就能实现新的功 能。随着近几年f p g a器件技术的不断进步，集成度不断提高，成本不断降低， f p g a在图像处理、数字通信等领域的应用不断增加。 双星定位接收机的核心基带数字信号处理模块在整个接收机中的作用至 关重要，其处理能力直接影响到接收机的通信、定位、 授时等关键技术指标。 接 收机下行基带数字信号处理主要包括扩频码同步、解扩、解调、帧同步、v i t e r b i 译码以 及循环冗余校验几个部分，其中扩频码的同步是正确进行基带信号处理的 前提和关键。不仅如此，双星定位系统实现精确定位也取决于中心站和用户接收 机捕获卫星信号并实现高精度的跟踪。 本次项目 研究采用f p g a技术实现双星定位系统中的扩频码同步技术。同步 过程中的捕获与跟踪完全采用数字化实现，不仅避免了 采用过多分立元件或专用 芯片造成的系统集成度差、功耗高，而且也方便了系统的改进与升级，对实现系 统数字化、集成化有着极为重要的意义。 1 .3 课题研究的内容 本课题的研究工作包括以下内容: 1 .全面收集、 阅读了卫星通信系统的相关文献， 系统学习了北斗双星定位系统 的原理、功能以及其关键技术。 2 .熟悉双星定位用户机的整机结构， 深入了解基带下行信号处理流程及其硬件 结构。 3 .了解f p g a的设计流程， 领会其设计思想， 掌握f p g a的集成开发环境、 综 合及仿真软件等开发工具的使用。 4 .深入研究扩频信号的捕获跟踪技术， 根据系统协议要求提出一种易于f p g a 实现且能够满足系统性能要求的扩频码同步设计方案。 5 .根据双星定位系统协议要求划分模块，用f p g a实现扩频码序列同步技术， 并下载程序进行测试修改。 论文的主要结构安排如下: 第一章简要介绍了本文的研究背景、 研究主要内容及意义。 第二章简述了卫星定位系统的发展，重点介绍了双星定位系统的组成、 信号 处理流程及其关键技术分析。 第三章对扩频通信系统及直扩系统的扩频码同步原理进行深入研究。详细阐 述了扩频通信系统的组成、特点，扩频码序列以及直扩系统中扩频码同步方 西北工业大学硕士 论文: 双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 缺点，逐渐成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。f p g a是基于s r a m工艺的 可编程逻辑器件，对芯片内部硬件连接关系的描述存放在下载芯片中，因此系统 在f p g a芯片及外围电路保持不变的情况下，只需更换下载芯片就能实现新的功 能。随着近几年f p g a器件技术的不断进步，集成度不断提高，成本不断降低， f p g a在图像处理、数字通信等领域的应用不断增加。 双星定位接收机的核心基带数字信号处理模块在整个接收机中的作用至 关重要，其处理能力直接影响到接收机的通信、定位、 授时等关键技术指标。 接 收机下行基带数字信号处理主要包括扩频码同步、解扩、解调、帧同步、v i t e r b i 译码以 及循环冗余校验几个部分，其中扩频码的同步是正确进行基带信号处理的 前提和关键。不仅如此，双星定位系统实现精确定位也取决于中心站和用户接收 机捕获卫星信号并实现高精度的跟踪。 本次项目 研究采用f p g a技术实现双星定位系统中的扩频码同步技术。同步 过程中的捕获与跟踪完全采用数字化实现，不仅避免了 采用过多分立元件或专用 芯片造成的系统集成度差、功耗高，而且也方便了系统的改进与升级，对实现系 统数字化、集成化有着极为重要的意义。 1 .3 课题研究的内容 本课题的研究工作包括以下内容: 1 .全面收集、 阅读了卫星通信系统的相关文献， 系统学习了北斗双星定位系统 的原理、功能以及其关键技术。 2 .熟悉双星定位用户机的整机结构， 深入了解基带下行信号处理流程及其硬件 结构。 3 .了解f p g a的设计流程， 领会其设计思想， 掌握f p g a的集成开发环境、 综 合及仿真软件等开发工具的使用。 4 .深入研究扩频信号的捕获跟踪技术， 根据系统协议要求提出一种易于f p g a 实现且能够满足系统性能要求的扩频码同步设计方案。 5 .根据双星定位系统协议要求划分模块，用f p g a实现扩频码序列同步技术， 并下载程序进行测试修改。 论文的主要结构安排如下: 第一章简要介绍了本文的研究背景、 研究主要内容及意义。 第二章简述了卫星定位系统的发展，重点介绍了双星定位系统的组成、 信号 处理流程及其关键技术分析。 第三章对扩频通信系统及直扩系统的扩频码同步原理进行深入研究。详细阐 述了扩频通信系统的组成、特点，扩频码序列以及直扩系统中扩频码同步方 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 法，包括扩频码序列的捕获方法和跟踪方法。 第四章为本文重点。详细介绍了用f p g a实现双星定位系统中的扩频码同步 技术的具体方案。首先，介绍了f p g a在实现数字信号处理算法中的应用， 包括f p g a设计流程，基于模块化的f p g a设计方法等。然后，根据双星定 位系统协议规定设计模块， 并v h d l 语言实现模块功能。 最后， 进行程序下 载测试，并对测试结果进行分析。 第五章对整个论文进行了总结并提出了以后工作的发展方向。 1 .4 本章小结 本章在查找、搜集和阅读相关资料的基础上，说明了课题的背景、意义和来 源， 介绍了 项目的 研究、 设计与实现所涉及的相关内 容，对整篇论文的全貌做了 简要的交代。 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 法，包括扩频码序列的捕获方法和跟踪方法。 第四章为本文重点。详细介绍了用f p g a实现双星定位系统中的扩频码同步 技术的具体方案。首先，介绍了f p g a在实现数字信号处理算法中的应用， 包括f p g a设计流程，基于模块化的f p g a设计方法等。然后，根据双星定 位系统协议规定设计模块， 并v h d l 语言实现模块功能。 最后， 进行程序下 载测试，并对测试结果进行分析。 第五章对整个论文进行了总结并提出了以后工作的发展方向。 1 .4 本章小结 本章在查找、搜集和阅读相关资料的基础上，说明了课题的背景、意义和来 源， 介绍了 项目的 研究、 设计与实现所涉及的相关内 容，对整篇论文的全貌做了 简要的交代。 西北工业大学硕士论文双星定位系统中扩频码同步技术 研究及f p g a实现 第二章双星定位系统概述 2 . 1 卫星导航定位系统的发展 卫星导航定位系统是无线通信的一个分支，尤其是它在军事上的应用使人们 认识到其越来越重要的地位。因此，各国对此纷纷投入研究。目前，已经建立的 g p s 和g l o n a s s 系统具有用途广泛、自 动化程度高、定位精度高并具有良 好的 经济效益，欧洲各国也开展 g n s s系统的研究。下面简要介绍了世界卫星导航定 位系统的发展历程。 一、 全球定位系统g p s 2 0 世纪7 0 年代， 随着美苏军备竞赛的升级， 美国的军事领域迫切需要能在世 界范围内 应用的精确定位系统，因此不惜斥资 1 2 0亿美元研制了 g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ) 系统。1 9 7 8 年， 美国 成功发射了 第一 颗用于g p s 的 卫 星， 并 逐渐发展成为目 前应用最广泛的卫星定位系统。 g p s的基本定位原理是:卫星不间断地发送自 身的星历参数和时间信息， 用 户接收到这些信息，算出接收机的三维位置， 三维方向以 及运动速度和时间信息。 该系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三部分组成。 1 ，空间部分 g p s 系统的空间部分由 空间g p s 卫星星座组成。 g p s 卫星星座原计划是将 2 4 颗卫星均匀分布在6 个不同的轨道平面上，而发展到今天，在轨道上运行的卫 星数量已 经达到了2 7 颗，每个轨道平面与赤道平面的倾角大约5 5 0 ，在地球上任 何地点任何时刻都能观测到5 - 8 颗卫星。 g p s 利用两个l 载频传送信号，每颗卫 星都在完全相同的频率上传送信号。 l l 承载精密p码和粗捕获c / a码， l 2 仅承 载 p码。导航的数据报文叠加在这些码上，两个载频上承载着相同的导航数据报 文。 p码通常是加密的， 只有c / a码可供民 用 ( 1 9 %年初又增加了1 1 7 6 .4 5 m h z 为第三民用频率，提供双频的好处是可以消除电离层影响，第三频率是生命安全 服务信号，同时也有助于实时动态定位) 。 2 .控制部分 控制部分包括地球上所有监测与控制卫星的设 施。 g p s 运行控制系统 ( o c s ) 包括监测站、主控站 ( mc s )以及上行线路天线。 主控站全天从监测站接受数据， 用以 确定卫星是否有时钟或者年历变化以及设备功能是否正常。主控站根据监测 信号的计算结果，每天向卫星发送 1 - 2次新的导航与位置推算历元信息。监测站 测量来自 卫星的信号，并注入每颗卫星的轨道模型。卫星轨道模型可用以计算精 西北工业大学硕士论文双星定位系统中扩频码同步技术 研究及f p g a实现 第二章双星定位系统概述 2 . 1 卫星导航定位系统的发展 卫星导航定位系统是无线通信的一个分支，尤其是它在军事上的应用使人们 认识到其越来越重要的地位。因此，各国对此纷纷投入研究。目前，已经建立的 g p s 和g l o n a s s 系统具有用途广泛、自 动化程度高、定位精度高并具有良 好的 经济效益，欧洲各国也开展 g n s s系统的研究。下面简要介绍了世界卫星导航定 位系统的发展历程。 一、 全球定位系统g p s 2 0 世纪7 0 年代， 随着美苏军备竞赛的升级， 美国的军事领域迫切需要能在世 界范围内 应用的精确定位系统，因此不惜斥资 1 2 0亿美元研制了 g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ) 系统。1 9 7 8 年， 美国 成功发射了 第一 颗用于g p s 的 卫 星， 并 逐渐发展成为目 前应用最广泛的卫星定位系统。 g p s的基本定位原理是:卫星不间断地发送自 身的星历参数和时间信息， 用 户接收到这些信息，算出接收机的三维位置， 三维方向以 及运动速度和时间信息。 该系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三部分组成。 1 ，空间部分 g p s 系统的空间部分由 空间g p s 卫星星座组成。 g p s 卫星星座原计划是将 2 4 颗卫星均匀分布在6 个不同的轨道平面上，而发展到今天，在轨道上运行的卫 星数量已 经达到了2 7 颗，每个轨道平面与赤道平面的倾角大约5 5 0 ，在地球上任 何地点任何时刻都能观测到5 - 8 颗卫星。 g p s 利用两个l 载频传送信号，每颗卫 星都在完全相同的频率上传送信号。 l l 承载精密p码和粗捕获c / a码， l 2 仅承 载 p码。导航的数据报文叠加在这些码上，两个载频上承载着相同的导航数据报 文。 p码通常是加密的， 只有c / a码可供民 用 ( 1 9 %年初又增加了1 1 7 6 .4 5 m h z 为第三民用频率，提供双频的好处是可以消除电离层影响，第三频率是生命安全 服务信号，同时也有助于实时动态定位) 。 2 .控制部分 控制部分包括地球上所有监测与控制卫星的设 施。 g p s 运行控制系统 ( o c s ) 包括监测站、主控站 ( mc s )以及上行线路天线。 主控站全天从监测站接受数据， 用以 确定卫星是否有时钟或者年历变化以及设备功能是否正常。主控站根据监测 信号的计算结果，每天向卫星发送 1 - 2次新的导航与位置推算历元信息。监测站 测量来自 卫星的信号，并注入每颗卫星的轨道模型。卫星轨道模型可用以计算精 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 密的轨道数据以及对卫星时钟进行修正。主控站向卫星传送天文历和时钟数据。 卫星则通过无线电信号将轨道天文历发送到g p s 接收机。 3 .用户部分 g p s 用户部分主要指g p s 接收机。 g p s 接收 机的体积很小， 仅使用几个集成 芯片，所以 造价也较低，这是它能够广泛应用的基础。g p s 系统可提供g p s 接收 机能够处理的特殊编码卫星信号，用以计算位置、速度和时间。三维导航是 g p s 的基本功能，此外g p s 接收机还可提供定位、定时和测量等功能。现在己 有适用 于飞 机、 轮船、 地面交通工具和个人便携式的导 航接收机。 二、俄罗斯的g l o n a s s g l o n a s s 即g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s t e m ( 全球导 航卫星系统) ， 系统的 卫 星星座由2 4 颗卫星组成， 均匀分布在轨道倾角为6 4 . 8 0 高度为1 9 1 0 0 公里的3 个近 圆形的轨道平面上。 与g p s 系统不同的是g l o n a s s 系统采用频分多址 ( f d ma)方式，根据载 波频率来区分卫星。每颗 g l o n a s s卫星发射的两种载波的频率分别为 l 1 = 1 6 0 2 + 0 .5 6 2 5 k ( m h z ) 和l 2 =1 2 4 6 + 0 .4 3 7 5 k ( m h z ) ， 其中k =1 - 2 4 为每颗卫星 的频率编号。g l o n a s s 卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码:s 码和p 码。 俄罗斯对 g l o n a s s系统采用了军民合用、不加密的开放政策。g l o n a s s系统 点定位精度水平方向为1 6 m，垂直方向为2 5 m. 三、欧洲g n s s 国际上对导航的策略观点综合起来有三个方面:一是尽可能采用星基导航系 统取代陆基导航系统，以达到最大的效益成本比;二是不能依靠由他国军方控制 的卫星系统来实现本国的导航;三是稳妥切实。欧洲各国计划分两个阶段实现这 一目 标。目 前正处于第一阶段 ( g n s s -1 ) ，即发展各国国内的或区域性的导航系 统。其主要内容是利用现有系统 ( 如 g p s或g l o n a s s )进行区域增强，这是过 渡为最终目 标的第一阶段。 第二阶段 ( g n s s - 2 )是建立一个在国际控制下的民间 卫星导航系统 ( g n s s ) ，它能应用于飞行的所有阶段，其中包括各类进场及降落 着陆。这样 g n s s就可以 从区域性渐进地扩展成全球系统。这在策略上、组织和 集资上均比较有利。 作为g n s s - 1 的一个例子就是欧洲静止卫星导航服务 ( e g n o s ) e e g n o s 是 对现有的g p s 和g l o n a s s 的星基增强系统，即利用静止卫星为欧洲范围内的航 空、海上和陆地导航提供服务。e g n o s己于 1 9 9 5 年启动，它可提供三种服务， 即测距服务、完善性广播和差分修正服务。 欧洲第二代卫星导航系统g n s s - 2 被命名为“ 伽利略” 系统。它的设计预计 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及 f p g a实现 将避免g p s 的一个重大缺点，即g p s 的功率低，且容易受到干扰与欺骗的问题， 这是g p s 不能用作民用航空唯一导航措施的决定性因素。 f a a现在承认， g p s 始 终需要备份，或者是以惯性导航系统作为备份，或者采用地面设备，如罗兰 ( l o r a n )的备份信号。这一弱点在很大程度上打消了早期只要使用局域增强系 统 ( w a r s )或广域增强系统 ( l a a s )就可取消地面导航设备的希望。 “ 伽利略” 系统独立于g p s ,频段分开，但它可与g p s 系统兼容，且在时间基准和测地坐标 系统、 信号结构等方面可实现相互操作和联合使用。 “ 伽利略”的结构能够为安全 要求极高的行业提供应用，如为民用航空在 6秒钟内提供所要求的导航卫星故障 识别信号。 四、北斗双星定位导航系统 北斗双星导航定位系统为我国“ 九五” 立项，其工程代号为 “ 北斗一号” ， 是 我国自 主研发的全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统，可实现快速导航 定位、双向短报文通信和授时三大功能。 本文的研究重点是基于双星定位系统中的扩频码同步技术，因此下一节将重 点介绍北斗双星导航定位系统。 2 .2 北斗双星导航定位系统 美国的g 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 0 一 6 0 0 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 测定任务 ( r d s s , r a d i o d e t e r m i n a t i o n s a t e l l i t e s e r v i c e ) , 1 9 8 3 年， 我国有关卫星专家也提出了 与g e o s t a r 系统类似的设想， 称为 “ 双星定位导航系统” 。在2 0 0 0 年 1 0 月3 1 日 和 1 2 月2 1 日 发射两颗 “ 北斗导航 试验卫星” ， 2 0 0 3 年5 月2 5 日 发射了 第三颗卫星作为备份卫星。 双星定位导航系统作为我国自主研发的导航定位系统，具有完全的独立性。 与 全球定位系统g p s 和g l o n a s s 相比， 双星定位导航系统花费 较少， 利用率高 达1 0 0 %， 卫星测轨精度对于导航定位精度没有显著影响， 十分适合我国及周边地 区使用。 双星定位系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时的定位服 务，与其他卫星导航系统 ( 如g p s 系统) 相比具有以下优点: 1 .仅用两颗卫星就可以进行导航通信，资金投入少;同时由于采用静止卫星， 可以 对我国及周边国家和地区内的用户进行2 4 小时的全天候实时定位。 2 双星定位系统可以实现快速导航定位、双向短报文通信和定时授时三大功能， 其中后两项功能是全球定位系统 ( g p s ) 所不能提供的。由于该系统同时具备 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及 f p g a实现 将避免g p s 的一个重大缺点，即g p s 的功率低，且容易受到干扰与欺骗的问题， 这是g p s 不能用作民用航空唯一导航措施的决定性因素。 f a a现在承认， g p s 始 终需要备份，或者是以惯性导航系统作为备份，或者采用地面设备，如罗兰 ( l o r a n )的备份信号。这一弱点在很大程度上打消了早期只要使用局域增强系 统 ( w a r s )或广域增强系统 ( l a a s )就可取消地面导航设备的希望。 “ 伽利略” 系统独立于g p s ,频段分开，但它可与g p s 系统兼容，且在时间基准和测地坐标 系统、 信号结构等方面可实现相互操作和联合使用。 “ 伽利略”的结构能够为安全 要求极高的行业提供应用，如为民用航空在 6秒钟内提供所要求的导航卫星故障 识别信号。 四、北斗双星定位导航系统 北斗双星导航定位系统为我国“ 九五” 立项，其工程代号为 “ 北斗一号” ， 是 我国自 主研发的全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统，可实现快速导航 定位、双向短报文通信和授时三大功能。 本文的研究重点是基于双星定位系统中的扩频码同步技术，因此下一节将重 点介绍北斗双星导航定位系统。 2 .2 北斗双星导航定位系统 美国的g 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 0 一 6 0 0 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 测定任务 ( r d s s , r a d i o d e t e r m i n a t i o n s a t e l l i t e s e r v i c e ) , 1 9 8 3 年， 我国有关卫星专家也提出了 与g e o s t a r 系统类似的设想， 称为 “ 双星定位导航系统” 。在2 0 0 0 年 1 0 月3 1 日 和 1 2 月2 1 日 发射两颗 “ 北斗导航 试验卫星” ， 2 0 0 3 年5 月2 5 日 发射了 第三颗卫星作为备份卫星。 双星定位导航系统作为我国自主研发的导航定位系统，具有完全的独立性。 与 全球定位系统g p s 和g l o n a s s 相比， 双星定位导航系统花费 较少， 利用率高 达1 0 0 %， 卫星测轨精度对于导航定位精度没有显著影响， 十分适合我国及周边地 区使用。 双星定位系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时的定位服 务，与其他卫星导航系统 ( 如g p s 系统) 相比具有以下优点: 1 .仅用两颗卫星就可以进行导航通信，资金投入少;同时由于采用静止卫星， 可以 对我国及周边国家和地区内的用户进行2 4 小时的全天候实时定位。 2 双星定位系统可以实现快速导航定位、双向短报文通信和定时授时三大功能， 其中后两项功能是全球定位系统 ( g p s ) 所不能提供的。由于该系统同时具备 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 通讯功能， 无需其他通讯系统， 也可独立完成移动目标的远程定位与监控调度 功能。 3 用户设备比较轻便， 操作简单， 价格低廉， 导航定位数据完全由中心站计算完 成， 地面基准站可以 对用户进行指挥和调度。 特别适合集团用户进行大范围 监 控、管理和用户数据传输。 4 .采用数字地图， 用户数据修正等措施后， 系统具有较高的定位精度， 其定位精 度一般为十米至几十米，在我国地区与g p s 定位精度相当。 5 .双星定位系统完全由我国自 行控制，而 g p s系统则是由美国军方控制的。因 此双星定位系统可提供高强度加密设计，更安全、可靠、稳定。 6 .双星定位系统应用融合北斗导航定位和卫星增强系统两大资源， 提供更为 丰 富增值服务的自 主系统。卫星增强系统指北斗卫星同时用作 g p s广域差分系 统，可使受s a干扰的g p s民 用码接收机的定位精度由百米量级提高至米级。 2 .2 . 1 系统组成 北斗导航系统采用与g p s 系统以及用户接收机三大部分。 差别在于卫星星座的空间分布， 相似的体制和技术，分为空间部分、地面中心控制 北斗导航定位系统和全球定位系统 ( g p s ) 的显著 而且所采用的伪随机序列及其捕获方式、载波频 率、码速率、导航电文的编码及调制、用户的定位结算等方面也有所不同。 空间卫星 空间卫星部分由3 颗距地面的3 6 0 0 0 k m的地球同步卫星组成。北斗导航系统 在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务段，上行为 l频段 ( 1 6 1 0 - 1 6 2 6 . 5 mh z ) ，下行为 s频段 ( 频率 2 4 8 3 .5 - 2 5 0 0 mh z ) ;登记的卫星位置 为赤道面东经 8 0 0 , 1 4 0 和 1 1 0 . 5 ( 备份卫星) 。 空间卫星的任务是完成中心控制系统和用户收发机之间的双向无线电信号 转发。 卫星上主要载荷是变频转发器、 s 波段天线 ( 两个波束) 和l 波段天线 ( 两 个波束) 。 地面中心控制系统 地面中心控制系统，简称中心站，是双星导航定位系统的控制和管理中心， 具有全系统信息的产生、搜集、处理与状况测控等功能。它主要由信号收发分系 统、信息处理分系统 ( 包括定轨子系统和加密子系统) 、时间分系统、监控分系统 和信道监控分系统等组成.它的主要任务是:产生并向用户发送询问信号和出入 站信号;确定卫星的实时位置，并通过出站信号向用户提供卫星位置参数;向 用 户提供定位和授时服务，并存储用户有关信息;转发用户间通信信息或与用户进 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 通讯功能， 无需其他通讯系统， 也可独立完成移动目标的远程定位与监控调度 功能。 3 用户设备比较轻便， 操作简单， 价格低廉， 导航定位数据完全由中心站计算完 成， 地面基准站可以 对用户进行指挥和调度。 特别适合集团用户进行大范围 监 控、管理和用户数据传输。 4 .采用数字地图， 用户数据修正等措施后， 系统具有较高的定位精度， 其定位精 度一般为十米至几十米，在我国地区与g p s 定位精度相当。 5 .双星定位系统完全由我国自 行控制，而 g p s系统则是由美国军方控制的。因 此双星定位系统可提供高强度加密设计，更安全、可靠、稳定。 6 .双星定位系统应用融合北斗导航定位和卫星增强系统两大资源， 提供更为 丰 富增值服务的自 主系统。卫星增强系统指北斗卫星同时用作 g p s广域差分系 统，可使受s a干扰的g p s民 用码接收机的定位精度由百米量级提高至米级。 2 .2 . 1 系统组成 北斗导航系统采用与g p s 系统以及用户接收机三大部分。 差别在于卫星星座的空间分布， 相似的体制和技术，分为空间部分、地面中心控制 北斗导航定位系统和全球定位系统 ( g p s ) 的显著 而且所采用的伪随机序列及其捕获方式、载波频 率、码速率、导航电文的编码及调制、用户的定位结算等方面也有所不同。 空间卫星 空间卫星部分由3 颗距地面的3 6 0 0 0 k m的地球同步卫星组成。北斗导航系统 在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务段，上行为 l频段 ( 1 6 1 0 - 1 6 2 6 . 5 mh z ) ，下行为 s频段 ( 频率 2 4 8 3 .5 - 2 5 0 0 mh z ) ;登记的卫星位置 为赤道面东经 8 0 0 , 1 4 0 和 1 1 0 . 5 ( 备份卫星) 。 空间卫星的任务是完成中心控制系统和用户收发机之间的双向无线电信号 转发。 卫星上主要载荷是变频转发器、 s 波段天线 ( 两个波束) 和l 波段天线 ( 两 个波束) 。 地面中心控制系统 地面中心控制系统，简称中心站，是双星导航定位系统的控制和管理中心， 具有全系统信息的产生、搜集、处理与状况测控等功能。它主要由信号收发分系 统、信息处理分系统 ( 包括定轨子系统和加密子系统) 、时间分系统、监控分系统 和信道监控分系统等组成.它的主要任务是:产生并向用户发送询问信号和出入 站信号;确定卫星的实时位置，并通过出站信号向用户提供卫星位置参数;向 用 户提供定位和授时服务，并存储用户有关信息;转发用户间通信信息或与用户进 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 行报文通信;监视并控制卫星有效载荷和地面应用系统的状况;对新入网注册登 记;根据需要临时控制部分用户机的工作和关闭 个别用户机;可根据需要对标校 机有关工作参数进行控制等。一切计算和处理都集中在中心站完成，中心站是双 星定位系统的中枢。 用户终端 用户终端部分主要任务是接收中心站经卫星转发的测距询问信号，经混频和 放大后加入有关信息，并由发射装置向两颗 ( 或一颗)卫星发射应答信号。凡具 有这种应答电文能力的设备都叫用户终端，又称为用户收发机。根据执行任务的 不同，用户终端分为通信终端、卫星测轨终端、差分定位标校站终端、气压测高 标校站终端、校时终端和集团用户管理站终端等。 2 . 2 .2 双星定位系统的信号处理流程 双星定位系统采用集中式信号处理， 所有定位、 授时、通信操作都必须通过 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。 中心站以特定的频率发射一个具有超帧、分帧结构的扩频信号，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站，地面中心站接到此信号后， 解调出用户发送的信息，测量出用户至两颗卫星的距离，对定位申请进行计算用 户的地理坐标的计算。由于两颗卫星的位置是已 知的，分别为两球的球心，另一 球面是基本参数己 确定的地球参考椭球面 3球交汇点为测量的用户位置。 用户的 位置信息 放在出 站信号的某一帧数据段内， 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、 分信号与时间修正数据) 和卫 星的位置信息，用户接收此信号与本地时钟进行对比，并计算出用户本地时钟与 标准时间信号之差值，然后调整本地时钟与标准对齐 ( 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站，由地面中心站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 . 2 .3 双星定位系统关键技术 2 .2 .3 . 1 直扩技术 双星定位系统采用的是直接序列扩频 ( d s s s ) 技术。直接序列扩频中所用的 编码序列是伪随机序列( p n码) 。 直接序列扩频就是将要发送的信息用p n码扩展 西北工业大学硕士论文:双星定位系统中扩频码同步技术研究及f p g a实现 行报文通信;监视并控制卫星有效载荷和地面应用系统的状况;对新入网注册登 记;根据需要临时控制部分用户机的工作和关闭 个别用户机;可根据需要对标校 机有关工作参数进行控制等。一切计算和处理都集中在中心站完成，中心站是双 星定位系统的中枢。 用户终端 用户终端部分主要任务是接收中心站经卫星转发的测距询问信号，经混频和 放大后加入有关信息，并由发射装置向两颗 ( 或一颗)卫星发射应答信号。凡具 有这种应答电文能力的设备都叫用户终端，又称为用户收发机。根据执行任务的 不同，用户终端分为通信终端、卫星测轨终端、差分定位标校站终端、气压测高 标校站终端、校时终端和集团用户管理站终端等。 2 . 2 .2 双星定位系统的信号处理流程 双星定位系统采用集中式信号处理， 所有定位、 授时、通信操作都必须通过 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。 中心站以特定的频率发射一个具有超帧、分帧结构的扩频信号，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站，地面中心站接到此信号后， 解调出用户发送的信息，测量出用户至两颗卫星的距离，对定位申请进行计算用 户的地理坐标的计算。由于两颗卫星的位置是已 知的，分别为两球的球心，另一 球面是基本参数己 确定的地球参考椭球面 3球交汇点为测量