王 康，梁晟溟，董啟甲，范廣騰

(1.航天恒星科技有限公司，北京 100095；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301；3.軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為時(shí)空信息傳遞的重要手段，在國(guó)防安全建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用。隨著中國(guó)北斗系統(tǒng)的全面部署完成，衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能已被大范圍應(yīng)用于軍事裝備中，作為搜救、制導(dǎo)、指揮作戰(zhàn)等作戰(zhàn)能力的核心科技手段。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其落地電平低的特點(diǎn)，在電子對(duì)抗過程中極易受到外部干擾而造成定位性能驟降的問題。在復(fù)雜電磁環(huán)境或遮擋環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)呈現(xiàn)出信號(hào)功率進(jìn)一步降低、背景噪聲抬高等特征，導(dǎo)致導(dǎo)航接收機(jī)因信噪比惡化而在預(yù)定捕獲門限下無法捕獲導(dǎo)航信號(hào)，因此，提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾和高靈敏度等核心技術(shù)指標(biāo)是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

鑒于導(dǎo)航信號(hào)多為碼分多址體制(Code division multiple access,CDMA)，增加相干積分時(shí)長(zhǎng)，是解決極弱電平、極低信噪比等問題的一種行之有效的手段。但由于電文跳變問題、多普勒效應(yīng)、捕獲效率等因素影響，不能無限度增加積分時(shí)長(zhǎng)以獲取信噪比提升，尤其在快速定位或高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景需求下，長(zhǎng)時(shí)間相干積分往往會(huì)帶來盲捕速度慢、捕獲成功率低等突出問題。在此情況下，通常需要增加先驗(yàn)知識(shí)(星歷獲取、授時(shí)、多普勒)輔助，方可達(dá)到預(yù)期捕獲效率。如：文獻(xiàn)[17]通過慣導(dǎo)輔助二階鎖相環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)條件下的高精度頻率估計(jì)；北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)也通過增加導(dǎo)頻通道實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)高靈敏度捕獲效能；Giorgi等深入研究了導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)授時(shí)、守時(shí)能力的客觀需求，給出了光頻率基準(zhǔn)和光通信系統(tǒng)輔助導(dǎo)航定位的應(yīng)用等。在低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)論證中，研究者們將衛(wèi)星導(dǎo)航與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結(jié)合，在某種程度上有效利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道傳輸能力實(shí)現(xiàn)星歷傳輸。

本文針對(duì)低信噪比環(huán)境下的快速定位需求，設(shè)計(jì)了一種可用于低軌衛(wèi)星的高靈敏度輔助定位服務(wù)系統(tǒng)，結(jié)合低軌衛(wèi)星信號(hào)落地電平高、多普勒變化速度快、過境位置變化速度快等突出特點(diǎn)，播發(fā)快速粗定位信標(biāo)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)地面終端在衛(wèi)導(dǎo)靜默條件下的初步時(shí)間獲取，并通過低軌衛(wèi)星長(zhǎng)周期導(dǎo)航星座監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率選星預(yù)報(bào)以輔助地面終端高效率捕獲，進(jìn)而達(dá)到快速高靈敏度定位的效能。

1 快速高靈敏度捕獲關(guān)鍵要素分析

擴(kuò)頻信號(hào)捕獲的核心思想是利用擴(kuò)頻偽碼的自相關(guān)特性，將輸入信號(hào)與本地產(chǎn)生的相互正交(相位相差90°)的兩路載頻信號(hào)(后文用I、Q表示)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后，設(shè)置峰值判決門限以實(shí)現(xiàn)本地信號(hào)與接收信號(hào)的相位同步。在不考慮載波頻差的情況下，偽碼相關(guān)運(yùn)算可抽象為如下公式：

(1)

1.1 積分時(shí)長(zhǎng)對(duì)弱信號(hào)捕獲靈敏度的影響

針對(duì)弱GNSS信號(hào)而言，單個(gè)偽碼周期的相關(guān)運(yùn)算峰值極低，無法滿足捕獲判決門限，極易出現(xiàn)誤捕現(xiàn)象。因此，還需要通過相干積分和非相干積分等運(yùn)算進(jìn)一步提升信噪比以獲得更高捕獲成功率。相干積分和非相干積分表示如下：

(2)

(3)

=10lg()+10lg()-

(4)

式中，=2 MHz為擴(kuò)頻偽碼帶寬;=002 s,為GPS一個(gè)比特電文跳變以內(nèi)的最大時(shí)長(zhǎng);定義為非相干積分次數(shù);為平方損耗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)輸入弱信號(hào)載噪比為15 dB-Hz時(shí)，取11 dB。

1.2 長(zhǎng)時(shí)間積分對(duì)捕獲效率的影響

如前文所述，增加相干積分和非相干積分時(shí)長(zhǎng)能夠有效提升處理增益以提高捕獲概率。在輸入信號(hào)載噪比極低的情況下，由于非相干積分也引入了較大的平方損耗而對(duì)處理增益提升效果不明顯,此時(shí)必須通過增加相干積分時(shí)長(zhǎng)的方式實(shí)現(xiàn)。而電文比特翻轉(zhuǎn)問題，是制約相干積分時(shí)長(zhǎng)的最直接影響因素。在此進(jìn)一步分析電文比特翻轉(zhuǎn)問題如圖1。

圖1 相干積分受偽碼時(shí)延影響情況Fig.1 Time delay effects of PN code on the coherent integration

當(dāng)本地偽碼與接收信號(hào)偽碼保持完全同步的情況下，相干積分增益呈線性增加趨勢(shì)，相干積分時(shí)間越長(zhǎng)，積分增益越大。而當(dāng)本地偽碼與接收信號(hào)偽碼無法保持完全同步的情況下，由于存在積分結(jié)果符號(hào)位取反問題，會(huì)造成積分增益惡化。最極端的情況下，如本地偽碼與收到信號(hào)偽碼存在50%以上反相，相干積分完全無法生效。

因此，本地電文正確性是決定跨比特電文相干積分是否生效的直接因素。

此外，即便電文翻轉(zhuǎn)同步情況下，當(dāng)本地電文與接收信號(hào)電文存在延遲時(shí)，相干積分增益也會(huì)存在較為明顯的波動(dòng)。當(dāng)初始延時(shí)較大時(shí)，滑動(dòng)本地偽碼所產(chǎn)生的時(shí)延可計(jì)算為：

=×Δ

(5)

式中:為單次相干積分時(shí)長(zhǎng);Δ為偽碼滑動(dòng)速率,通常取小于0.5碼片。初始偽碼延遲越大，捕獲次數(shù)越多。假設(shè)弱信號(hào)捕獲增益需要4個(gè)電文長(zhǎng)度(80 ms)相干積分時(shí)長(zhǎng)，則1 μs的延時(shí)所帶來的捕獲次數(shù)將達(dá)到2048次，產(chǎn)生捕獲時(shí)長(zhǎng)約2.7分鐘。在導(dǎo)航衛(wèi)星未知的情況下，60顆導(dǎo)航衛(wèi)星串行捕獲最壞情況需要2.7小時(shí)，接收機(jī)將無法定位。

綜上，想要在低信噪比下實(shí)現(xiàn)接收機(jī)正常工作，必須設(shè)法實(shí)現(xiàn)獲取以下3方面先驗(yàn)輔助信息：

(1)在有電文情況下獲取電文數(shù)據(jù)內(nèi)容(可通過其他信息傳輸手段獲得)；

(2)電文跳變沿高精度時(shí)標(biāo)信息(可通過其他授時(shí)手段獲得)；

(3)當(dāng)前位置可視的導(dǎo)航星號(hào)(可通過其他信息傳輸手段獲得)。

2 低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)

2.1 空間載荷設(shè)計(jì)

結(jié)合前文所述，低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)空間段主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)播發(fā)高精度信標(biāo)信號(hào)，通過單星過境過程中多次多普勒測(cè)距原理，實(shí)現(xiàn)終端初始位置獲取及時(shí)標(biāo)生成，確?？缮膳c導(dǎo)航星座低相位誤差的本地偽碼；

(2)根據(jù)低軌長(zhǎng)期導(dǎo)航衛(wèi)星監(jiān)視結(jié)果實(shí)現(xiàn)地面終端可視衛(wèi)星預(yù)報(bào)，解決終端盲搜情況下長(zhǎng)時(shí)間相干積分帶來的時(shí)間消耗問題。

系統(tǒng)空間段設(shè)計(jì)如圖2所示，運(yùn)行于低軌衛(wèi)星上的導(dǎo)航接收機(jī)通過低軌衛(wèi)星全球化運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)GNSS全星座衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)快速搜集，并將高時(shí)效性星歷數(shù)據(jù)及低軌衛(wèi)星自身定位/定軌數(shù)據(jù)傳輸至下行播發(fā)電文生成系統(tǒng)，同時(shí)產(chǎn)生與GNSS衛(wèi)星一致的UTC秒脈沖信號(hào)，傳輸至衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)；下行播發(fā)電文生成系統(tǒng)基于軌道動(dòng)力學(xué)模型完成低軌衛(wèi)星高精度軌道擬合預(yù)報(bào)及下行信號(hào)覆蓋區(qū)域可見衛(wèi)星參數(shù)預(yù)報(bào)，用于地面終端定位解算及快速針對(duì)性導(dǎo)航衛(wèi)星輔助捕獲；衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)分系統(tǒng)生成長(zhǎng)時(shí)間、與導(dǎo)航星座相位同步的本地參考時(shí)鐘信號(hào)；輔助導(dǎo)航服務(wù)信號(hào)發(fā)射機(jī)生成初始相位對(duì)準(zhǔn)的信號(hào)電文(含低軌衛(wèi)星自身星歷信息、可見衛(wèi)星預(yù)報(bào)信息)、擴(kuò)頻偽碼序列，并完成載波調(diào)制后，通過下行天線對(duì)地播發(fā)。

圖2 低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)空間段設(shè)計(jì)Fig.2 Space segment design of LEO satellite auxiliary high sensitivity positioning system

整個(gè)空間段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了地面快速、高靈敏度捕獲所需的關(guān)鍵核心參數(shù)的輔助播發(fā)功能，具有如下優(yōu)勢(shì)特征：

(1)利用低軌衛(wèi)星軌道高度低的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)落地信號(hào)功率電平；

(2)利用確定的信號(hào)頻點(diǎn)、擴(kuò)頻序列及過境期間快速多普勒變化特征，實(shí)現(xiàn)快速粗定位信標(biāo)播發(fā)及時(shí)標(biāo)傳遞；

(3)通過電文預(yù)報(bào)生成功能，實(shí)現(xiàn)可見GNSS衛(wèi)星選星預(yù)報(bào)參數(shù)傳遞。

2.2 終端設(shè)計(jì)

終端部分實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示，其核心功能可分為兩個(gè)部分：

圖3 低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)Fig.3 Terminal design of LEO satellite auxiliary high sensitivity positioning system

(1)低軌衛(wèi)星輔助定位模塊：用于接收捕獲低軌衛(wèi)星輔助信號(hào)，通過多次偽距及載波多普勒測(cè)量，實(shí)現(xiàn)終端粗定位，獲取與GNSS粗同步的秒脈沖(1pps)信號(hào)及當(dāng)前時(shí)段可見的GNSS衛(wèi)星星歷，并傳輸至高靈敏度定位模塊；

(2)高靈敏度定位模塊：接收輔助定位模塊的1pps和可見衛(wèi)星星歷，跳過信號(hào)盲捕過程，直接生成可見的本地高同步偽碼進(jìn)行GNSS衛(wèi)星信號(hào)捕獲，通過長(zhǎng)時(shí)間相干積分實(shí)現(xiàn)高靈敏度信號(hào)接收并完成基于GNSS的高精度定位解算，對(duì)外提供位置服務(wù)。

在引入低軌衛(wèi)星輔助定位功能后，很方便地實(shí)現(xiàn)了本地偽碼與可見衛(wèi)星偽碼的高精度同步，規(guī)避了長(zhǎng)時(shí)間相干積分枚舉式盲捕帶來的時(shí)間及資源消耗，在實(shí)現(xiàn)高靈敏度的同時(shí)提升了捕獲效率。

3 低相噪信號(hào)生成設(shè)計(jì)

為保證下行信號(hào)可為終端提供高精度定位及授時(shí)服務(wù)，以便終端能夠通過信標(biāo)信號(hào)獲取足夠精確的本地偽碼相位及期望捕獲的GNSS衛(wèi)星，空間段需提供低相噪擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)，現(xiàn)對(duì)相關(guān)核心技術(shù)設(shè)計(jì)原理及精度影響進(jìn)行分析。

3.1 技術(shù)機(jī)理

擴(kuò)頻正交相移鍵控調(diào)制信號(hào)的相位噪聲直接決定了信號(hào)偽碼測(cè)量及同步的精度，無相位噪聲的理想發(fā)射射頻信號(hào)可以表示如下：

()=()()cos+

()()sin+()

(6)

式中:為信號(hào)幅度，在不考慮功率平衡度影響的情況下，令I(lǐng)、Q兩支路功率平衡且不出現(xiàn)非線性失真;(),()分別為正交基帶電文;(),()分別為正交擴(kuò)頻偽碼;sin(),cos()分別為正交載波;()為加性高斯白噪聲。

當(dāng)發(fā)射機(jī)時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)存在多次分頻、倍頻等頻率綜合處理時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)是導(dǎo)致相位噪聲惡化的直接因素。傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)Fig.4 Design of clock tree for traditional transmittesr

可以看出，在不考慮數(shù)字振蕩器(Numerically controlled oscillator，NCO)生成引入微小相位誤差的情況下，時(shí)鐘抖動(dòng)誤差引入最為嚴(yán)重的部分為偽碼時(shí)鐘綜合和載波時(shí)鐘綜合兩部分，其抖動(dòng)指標(biāo)直接影響中頻信號(hào)生成質(zhì)量。

3.2 精度影響分析

考慮圖4所示的信號(hào)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，其產(chǎn)生的實(shí)際信號(hào)可表示為：

′()=()(+Δ)cos[(+Δ)]+

()(+Δ)sin[(+Δ)]+()

(7)

式中:′()為一般發(fā)射機(jī)實(shí)際播發(fā)信號(hào);(+Δ),(+Δ)分別為考慮了偽碼參考時(shí)鐘抖動(dòng)Δ后的偽碼;cos[(+Δ)],sin[(+Δ)]分別為考慮了載波參考時(shí)鐘抖動(dòng)Δ后的本地中頻載波。對(duì)式(7)進(jìn)行簡(jiǎn)化得：

′()=()+()+()

(8)

式中:()為偽碼相位抖動(dòng);()為載波相位抖動(dòng)。

進(jìn)而，偽碼相位抖動(dòng)在接收系統(tǒng)中體現(xiàn)為偽碼相位非對(duì)準(zhǔn)情況，其產(chǎn)生的相干積分增益將出現(xiàn)惡化情況，如圖1中第(c)種情況所示。在不考慮離散采樣的情況下，發(fā)射機(jī)偽碼相位隨機(jī)抖動(dòng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)接收端產(chǎn)生的相干積分損耗為近似線性遞增關(guān)系，且結(jié)合式(8)可知，如果偽碼存在相位隨機(jī)抖動(dòng)1 ns以上時(shí)，接收端相干積分增益存在1.6 dB以上損耗，即接收端靈敏度將存在1.6 dB以上惡化。

當(dāng)僅考慮載波存在相位隨機(jī)誤差時(shí)，可將信號(hào)EVM與發(fā)射信號(hào)信噪比關(guān)系表示為：

(9)

圖5 信號(hào)誤差向量幅度與發(fā)射信號(hào)信噪比損耗關(guān)系Fig.5 Relation between EVM and SNR loss of transmitted signal

當(dāng)信號(hào)=15時(shí)，信號(hào)信噪比損耗約0.25 dB，此損耗非常小,可忽略不計(jì)。

3.3 一種低相噪基帶信號(hào)生成設(shè)計(jì)

不失一般性且充分考慮頻譜資源限制，發(fā)射機(jī)配置偽碼速率為5.115 Mbps，工作頻段為1.2～1.6 GHz。設(shè)備內(nèi)部選擇10.23 MHz恒溫晶振為參考時(shí)鐘源，時(shí)鐘樹規(guī)劃如圖6所示。

圖6 發(fā)射機(jī)時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)Fig.6 Clock tree design of transmitters

圖中，整個(gè)發(fā)射部分時(shí)鐘樹基于單一恒溫晶振，為保證數(shù)字部分FPGA內(nèi)部DCM輸入時(shí)鐘范圍(>25 MHz)，恒溫晶振參考時(shí)鐘源需首先進(jìn)行倍頻處理，此處設(shè)置為4倍。數(shù)字部分生成3種工作時(shí)鐘,分別為電文處理時(shí)鐘，載波NCO參考時(shí)鐘和偽碼NCO參考時(shí)鐘，對(duì)應(yīng)于數(shù)字電路部分參考時(shí)鐘的,,，其約束如下：

(10)

式中:為偽碼速率，本文取5.115 Mbps。從式(10)可以看出，一方面倍頻后的各參考時(shí)鐘均實(shí)現(xiàn)了整數(shù)倍設(shè)計(jì)，同時(shí)載波環(huán)需滿足最小3倍采樣，碼環(huán)需滿足最小碼片寬度2倍的一般要求。在模擬部分，根據(jù)發(fā)射頻點(diǎn)需求，同樣選擇整數(shù)倍頻策略，限制倍頻系數(shù)∈即可。

為進(jìn)一步改善晶振參考頻率數(shù)字4倍頻過程中出現(xiàn)相位抖動(dòng)問題，本文設(shè)計(jì)一種基于模擬倍頻分量提取技術(shù)的時(shí)鐘倍頻電路設(shè)計(jì)，具體如圖7。

圖7 倍頻分量提取技術(shù)方案Fig.7 Technical scheme of frequency doubling component extraction

借助放大器深度壓縮非線性諧波特性，提取晶振4倍頻分量并濾波后，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考頻率源倍頻諧波提取，其相噪特性完全取決于恒溫晶振自身特性及放大器相噪特性，相噪引入的頻率抖動(dòng)相比一般數(shù)字頻率綜合器大幅優(yōu)化。

4 系統(tǒng)效能測(cè)試驗(yàn)證

4.1 發(fā)射信號(hào)EVM測(cè)試

結(jié)合前文所用晶振倍頻分量提取技術(shù)，將采用數(shù)字頻率綜合(DFS)與倍頻分量提取(FDC)，兩種方式所產(chǎn)生的信號(hào)EVM進(jìn)行對(duì)比，固定發(fā)射信號(hào)頻點(diǎn)為1600.995 MHz，并選用5組,,及參數(shù)組合測(cè)試，其中3組滿足設(shè)計(jì)約束，3組不滿足設(shè)計(jì)約束，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同條件下基帶信號(hào)EVM測(cè)試結(jié)果Table 1 EVM test results of baseband signal under different conditions

從測(cè)試結(jié)果橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，采用FDC方式進(jìn)行頻率源獲取，由于不引入數(shù)字化抖動(dòng)誤差，其所產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)EVM明顯好于DFS方式約2%左右。結(jié)合3.2中分析結(jié)果，當(dāng)>15時(shí)，信噪比開始引入損耗，因此，采用DFS方式必然引入發(fā)射信號(hào)信噪比損耗。

從縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，組合1和組合2滿足3.3節(jié)設(shè)計(jì)約束，其所得的信號(hào)指標(biāo)均維持在1.5%以內(nèi)，其中，組合2將,,翻倍時(shí)，EVM指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化，但由于FPGA器件工作頻率限制，不能通過無限擴(kuò)大倍數(shù)的方式更大程度實(shí)現(xiàn)優(yōu)化效果；組合3為偽碼NCO非整數(shù)倍設(shè)計(jì)的情況，可以看出其對(duì)調(diào)制信號(hào)影響最為嚴(yán)重(約2%);而組合4為射頻混頻非整數(shù)倍優(yōu)化，但由于其倍頻系數(shù)較大且為模擬頻率合成方式實(shí)現(xiàn)，故其對(duì)EVM惡化程度相對(duì)較小(約0.5%～0.6%);組合5為載波NCO非整數(shù)倍情況，其惡化程度在0.8%左右。

值得一提的是，上述組合實(shí)驗(yàn)均為長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果，可代表不同參數(shù)配置下的平均水平。

4.2 在軌輔助導(dǎo)航定位性能測(cè)試

本文所設(shè)計(jì)的低軌衛(wèi)星高靈敏度輔助定位服務(wù)系統(tǒng)搭載于某低軌衛(wèi)星于2019年11月發(fā)射，在軌過程中分別對(duì)北京、天津兩熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行輔助定位功能測(cè)試，搭建環(huán)境如圖8所示。

圖8 性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 Performance test system

通過對(duì)GNSS終端灌入高功率白噪聲信號(hào)的方式以降低接收GNSS信號(hào)信噪比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極弱信號(hào)環(huán)境模擬，實(shí)測(cè)接收機(jī)定位曲線如圖9所示。

圖9 單星過境過程定位曲線Fig.9 Positioning curve of single satellite transit process

可以看出，終端僅通過單星過境多次多普勒測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定位過程共分為3段時(shí)間，分別如下：

(1)衛(wèi)星入境前(信號(hào)未捕獲)，為非定位狀態(tài)；

(2)衛(wèi)星入境后但未過頂前(信號(hào)捕獲)，可定位，但由于測(cè)量值空間分布較差，定位精度約3.3～3.6 km，對(duì)應(yīng)授時(shí)精度約11～12 μs；

(3)衛(wèi)星入境后且過頂后(信號(hào)捕獲)，可定位，由于累計(jì)測(cè)量值空間分布提升，定位精度約1.1～1.3 km，對(duì)應(yīng)授時(shí)精度約3～4 μs。

因此，通過低軌衛(wèi)星輔助后，終端可以在未正常接收導(dǎo)航星(干擾/遮擋)的情況下，實(shí)現(xiàn)1.1～1.3 km 粗定位及3～4 μs時(shí)間獲取。

進(jìn)一步，通過粗定位結(jié)果進(jìn)行長(zhǎng)相干積分的方式對(duì)被噪聲干擾的GNSS信號(hào)進(jìn)行高靈敏度捕獲，結(jié)果如圖10所示。在低軌衛(wèi)星過境前，終端處于非定位狀態(tài)，在第61 s首次捕獲低軌衛(wèi)星信號(hào)，當(dāng)單星定位達(dá)到1.609 km后，載荷基于輔助時(shí)標(biāo)及星歷參數(shù)新捕獲北斗衛(wèi)星，在達(dá)到224 s時(shí)成功捕獲5顆北斗衛(wèi)星并完成基于北斗的定位解算，最終定位精度為5 m，引導(dǎo)GNSS捕獲時(shí)長(zhǎng)約163 s，與1.2節(jié)中所分析的單星捕獲時(shí)長(zhǎng)相近?？梢?，經(jīng)過低軌衛(wèi)星輔助后，終端有效實(shí)現(xiàn)了針對(duì)性衛(wèi)星捕獲，相比逐個(gè)捕獲而言，僅用了單星理論捕獲時(shí)長(zhǎng)即完成了弱信號(hào)狀態(tài)下的高靈敏度捕獲，引導(dǎo)功能生效。

圖10 低軌衛(wèi)星輔助定位過程曲線Fig.10 Process curve of LEO satellite auxiliary positioning

進(jìn)一步分析終端抗干擾能力，在未加入干擾情況下，終端載噪比為34 dB，加入噪聲后，終端載噪比突變?yōu)?1 dB，證明通過輔助定位功能，終端靈敏度相對(duì)正常狀態(tài)提升13 dB。

為不失一般性，對(duì)載荷多次過境性能進(jìn)行分析匯總?cè)绫?所示：

表2 載荷多次過境性能分析結(jié)果Table 2 Analysis results of multi-load performance

從表2可以看出，輔助定位精度越高，引導(dǎo)GNSS捕獲時(shí)長(zhǎng)越小，即授時(shí)精度越高、引導(dǎo)捕獲越快，該結(jié)果驗(yàn)證了1.2節(jié)中的理論分析。而從最終定位精度和靈敏度提升性能而言，上午時(shí)段相比晚上時(shí)段性能偏好，這是由于北斗系統(tǒng)在北京地區(qū)上午可見星數(shù)相比晚上時(shí)段偏多，造成可捕獲衛(wèi)星數(shù)量偏多，進(jìn)而使得衛(wèi)星幾何精度因子分布較好的緣故?？紤]最差情況，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的靈敏度提升水平為12 dB，引導(dǎo)捕獲時(shí)間優(yōu)于3.5分鐘。

4.3 在軌播發(fā)信號(hào)質(zhì)量評(píng)估

經(jīng)對(duì)過境過程中實(shí)采信號(hào)分析，輔助導(dǎo)航信標(biāo)信號(hào)在經(jīng)歷了空間信道影響、接收系統(tǒng)射頻放大鏈路影響及動(dòng)態(tài)多普勒影響的情況下，信號(hào)仍可達(dá)到3.2%，眼圖開度(Open Factor)0.904，眼圖信噪比10.5 dB，可有效提供終端正常捕獲及解算。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)高靈敏度定位關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于低軌衛(wèi)星信標(biāo)引導(dǎo)的輔助定位方案，通過低軌信標(biāo)播發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)了先驗(yàn)信息預(yù)報(bào)，進(jìn)而提升了導(dǎo)航接收機(jī)長(zhǎng)時(shí)間相干積分的精度和效率。同時(shí)，針對(duì)低軌衛(wèi)星空間段載荷，重點(diǎn)分析了內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)最終信號(hào)播發(fā)質(zhì)量的影響，并給出了基于倍頻分量提取技術(shù)的低相噪時(shí)鐘源生成方法。經(jīng)對(duì)比測(cè)試，該方法可實(shí)現(xiàn)最終發(fā)射信號(hào)EVM優(yōu)于1.5%，保證了信號(hào)載噪比無損失。

通過在軌系統(tǒng)測(cè)試及性能分析，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可應(yīng)用于干擾工況、遮擋等特殊環(huán)境下的高靈敏度定位(>12 dB提升)，為未來導(dǎo)航增強(qiáng)、導(dǎo)航抗干擾、高軌GNSS漏信號(hào)導(dǎo)航等相關(guān)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。