傅俊菁

摘 要：介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航的主要發(fā)展歷程，闡述了衛(wèi)星導(dǎo)航定位的原理和關(guān)鍵觀測(cè)量偽距的測(cè)量方法，最后介紹了接收系統(tǒng)的主要模塊及功能。衛(wèi)星導(dǎo)航定位利用偽碼的良好相關(guān)特性可以測(cè)得衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的偽距，再基于三球定位原理求得接收機(jī)的坐標(biāo)。本接收系統(tǒng)可分為天線、射頻前端、數(shù)字基帶信號(hào)處理和定位解算四個(gè)部分。

關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；定位原理；偽距測(cè)量；接收系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN967 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-02

0 引 言

前蘇聯(lián)于1957年成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，揭開(kāi)了利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航的序幕。美國(guó)于1994年全面建成GPS系統(tǒng)，首先實(shí)現(xiàn)了全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航，并廣泛應(yīng)用到國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域。由于美國(guó)對(duì)GPS系統(tǒng)的壟斷和對(duì)服務(wù)及精度等方面的限制，其他國(guó)家全面依賴(lài)GPS系統(tǒng)并不安全，有必要研究自己控制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在這種環(huán)境下，俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的伽利略（GALILEO）民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和中國(guó)的北斗（BDS）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等逐漸發(fā)展起來(lái)。日本、印度等國(guó)家也在籌劃建立區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，美國(guó)的GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)現(xiàn)代化改造計(jì)劃基本完成，歐洲的GALILEO系統(tǒng)也在積極建設(shè)中[2]。

中國(guó)曾因發(fā)明了指南針而在導(dǎo)航技術(shù)上取得世界領(lǐng)先地位，但在現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)上稍顯落后。在歷經(jīng)數(shù)十年的探索積累和不斷發(fā)展后，已有快速的提升和進(jìn)步。2004年全面開(kāi)放使用的北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采用的是主動(dòng)式雙向型的方式為中國(guó)及周邊地區(qū)提供有源定位、定時(shí)和雙向短報(bào)文通信服務(wù)[3]。2012年，在北斗一號(hào)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)建設(shè)的北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已有10余顆衛(wèi)星成功發(fā)射組網(wǎng)，正式為亞太區(qū)域提供服務(wù)。并計(jì)劃在2020年建設(shè)完成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠全天候全天時(shí)地為全球用戶提供高精度、高可靠性的定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)，并提供其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的短報(bào)文通信能力[4]。

開(kāi)發(fā)建設(shè)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將在很大程度上增強(qiáng)我軍武器裝備的現(xiàn)代化，對(duì)我國(guó)國(guó)防建設(shè)和國(guó)家安全具有十分重要的作用；在民用領(lǐng)域，如測(cè)繪、水利、交通運(yùn)輸、減災(zāi)救災(zāi)等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，推動(dòng)著國(guó)家的建設(shè)和社會(huì)的發(fā)展。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之所以能夠準(zhǔn)確定位源于三球定位原理。已知一顆衛(wèi)星的位置和到用戶的距離，則用戶將位于以衛(wèi)星為球心、以距離為半徑的球面上的某個(gè)地方；如果已知兩顆衛(wèi)星位置和到同一個(gè)用戶距離，則該用戶將同時(shí)在兩個(gè)球面上，即在兩個(gè)球面相交的圓周上或在兩個(gè)球面相切的切點(diǎn)上；進(jìn)一步如果已知第三顆衛(wèi)星的位置和到同一用戶的距離，則第三個(gè)球面將和上述圓周相交于兩個(gè)點(diǎn)。結(jié)合考慮用戶必須是在地球表面的條件，相對(duì)位置較低的交點(diǎn)即為用戶的實(shí)際位置[5]。

其中，用戶坐標(biāo)（x，y，z）為待求解，如果已知衛(wèi)星的坐標(biāo)（xn，yn，zn）和每顆衛(wèi)星到用戶的距離rn，根據(jù)求解變量的維度，可知只需要已知三組衛(wèi)星坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星到用戶的距離，就可以求解出用戶坐標(biāo)。這和三球定位的原理是相吻合的。

2 偽距測(cè)量

根據(jù)以上分析，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)定位用戶位置，需要獲得衛(wèi)星的位置和距離，再求解距離方程組。衛(wèi)星在地面控制段的調(diào)整下繞地運(yùn)行有相對(duì)穩(wěn)定的軌道，并在導(dǎo)航電文中隨衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間播報(bào)，所以在各個(gè)時(shí)刻衛(wèi)星的位置是確定的已知的。關(guān)鍵是如何獲得衛(wèi)星與用戶之間的距離。通過(guò)測(cè)量從衛(wèi)星發(fā)射出的無(wú)線信號(hào)傳播到用戶接收機(jī)的時(shí)間，則該距離可以通過(guò)如下公式獲得：

其中，rn表示第n顆衛(wèi)星到用戶接收機(jī)的幾何距離，c表示無(wú)線信號(hào)傳播速度，即光速，Δtn 為第n顆衛(wèi)星到用戶接收機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的傳播時(shí)間。

偽隨機(jī)序列良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性。只有當(dāng)復(fù)現(xiàn)碼和接受碼完全匹配時(shí)自相關(guān)函數(shù)才會(huì)有最大的相關(guān)輸出。自相關(guān)函數(shù)在完全匹配的基礎(chǔ)上左移或右移一個(gè)碼片，呈三角形分布。這些優(yōu)良特性使得準(zhǔn)確測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間成為可能，由此奠定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)。當(dāng)接收系統(tǒng)成功搜索并跟蹤到衛(wèi)星信號(hào)后，將從接收信號(hào)中解調(diào)出導(dǎo)航電文；在成功鎖定測(cè)距碼時(shí)，即本地復(fù)現(xiàn)測(cè)距碼與衛(wèi)星信號(hào)中的測(cè)距碼的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果達(dá)最大時(shí)，可計(jì)算出信號(hào)由衛(wèi)星發(fā)射至接收系統(tǒng)接收到的傳播時(shí)間。具體關(guān)系如圖1 所示。其中，TS表示信號(hào)離開(kāi)衛(wèi)星時(shí)的系統(tǒng)時(shí)，Tu表示信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)時(shí)的系統(tǒng)時(shí)，δt表示衛(wèi)星時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘間的偏移，tu表示接收機(jī)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘之間的偏移。

由于在實(shí)際情況中，衛(wèi)星和接收機(jī)系統(tǒng)中存在鐘差，實(shí)際獲得的觀測(cè)值并不是真正的衛(wèi)星和用戶間的距離，所以稱(chēng)為偽距，記作ρn。因而在一般情況下假設(shè)還存在一個(gè)時(shí)間上的偏移量，也就是說(shuō)多了一個(gè)未知數(shù)，可以通過(guò)測(cè)量4顆衛(wèi)星，增加一個(gè)觀測(cè)方程來(lái)解決。

求解該非線性方程組即可確定用戶接收系統(tǒng)的三維位置（x，y，z）和時(shí)鐘偏差δt。該方程組是一個(gè)非線性方程組。可考慮用最小二乘迭代算法、加權(quán)最小二乘迭代算法和卡爾曼濾波算法等進(jìn)行求解。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)按信號(hào)處理流程順序，可分為射頻前端、基帶數(shù)字信號(hào)處理和定位解算等三大功能模塊?？傮w框圖如圖2所示。

天線接收到所有可見(jiàn)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)后。射頻前端處理模塊再將天線接收信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成離散中頻數(shù)字信號(hào)。下變頻過(guò)程將適合傳輸?shù)念l率較高的射頻信號(hào)變換成適合處理的頻率較低的中頻信號(hào)，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換使得中頻信號(hào)適合數(shù)字處理器處理，以充分發(fā)揮數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊有多個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)于一顆觀測(cè)衛(wèi)星，其中包括捕獲環(huán)路和跟蹤環(huán)路，通過(guò)捕獲和跟蹤徹底剝離數(shù)字中頻信號(hào)中的載波和測(cè)距碼，解調(diào)出導(dǎo)航電文，并獲取偽距測(cè)量值。載波NCO復(fù)現(xiàn)本地載波進(jìn)行載波剝離，碼NCO復(fù)現(xiàn)本地碼進(jìn)行碼剝離，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)載波剝離和碼剝離處理必須在具有高速處理能力的FPGA上完成；而低速但復(fù)雜的環(huán)路鑒別器和環(huán)路濾波器則適合在處理器上完成。

定位導(dǎo)航解算模塊從導(dǎo)航電文中獲取衛(wèi)星位置等信息，結(jié)合偽距測(cè)量值，計(jì)算出接收系統(tǒng)位置；并完成用戶界面和人機(jī)交互。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本原理和偽距測(cè)量方法，最后介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要模塊。希望作者可以對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有一個(gè)基本的了解。

參考文獻(xiàn)

[1]王杰華，石衛(wèi)平.國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用體制及政策 [J].中國(guó)測(cè)繪，2010 （1）：40-43.

[2] Gruber B.GPS modernization and program update[C].//Stanford's 2010 PNT Challenges and Opportunities Symposium， Stanford， CA. 2010.

[3]唐金元，于潞， 王思臣.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J]. 全球定位系統(tǒng)，2008 （2）：26-30.

[4]劉傳潤(rùn).北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的功能原理與前景展望 [J]. 中國(guó)水運(yùn)（學(xué)術(shù)版），2008，8 （1）：165-166.

[5]周楠. GPS如何測(cè)定方位[J].科學(xué)世界，2012 （2）：22-25.

[6]寇艷紅.GPS原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2007.