衛星導航接收系統原理

傅俊菁

摘 要：介紹了衛星導航的主要發展歷程，闡述了衛星導航定位的原理和關鍵觀測量偽距的測量方法，最后介紹了接收系統的主要模塊及功能。衛星導航定位利用偽碼的良好相關特性可以測得衛星到用戶接收機的偽距，再基于三球定位原理求得接收機的坐標。本接收系統可分為天線、射頻前端、數字基帶信號處理和定位解算四個部分。

關鍵詞：全球導航衛星系統；定位原理；偽距測量；接收系統

中圖分類號：TN967 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-02

0 引 言

前蘇聯于1957年成功發射了世界上第一顆人造地球衛星，揭開了利用衛星定位導航的序幕。美國于1994年全面建成GPS系統，首先實現了全球衛星定位導航，并廣泛應用到國防和經濟建設各個領域。由于美國對GPS系統的壟斷和對服務及精度等方面的限制，其他國家全面依賴GPS系統并不安全，有必要研究自己控制的衛星導航系統。在這種環境下，俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）全球衛星導航系統、歐盟的伽利略（GALILEO）民用全球衛星導航定位系統和中國的北斗（BDS）全球衛星導航系統等逐漸發展起來。日本、印度等國家也在籌劃建立區域性衛星導航定位系統[1]。隨著衛星導航技術的快速發展，美國的GPS全球導航定位系統現代化改造計劃基本完成，歐洲的GALILEO系統也在積極建設中[2]。

中國曾因發明了指南針而在導航技術上取得世界領先地位，但在現代衛星導航技術上稍顯落后。在歷經數十年的探索積累和不斷發展后，已有快速的提升和進步。2004年全面開放使用的北斗一號衛星導航系統，采用的是主動式雙向型的方式為中國及周邊地區提供有源定位、定時和雙向短報文通信服務[3]。2012年，在北斗一號的基礎上開發建設的北斗二號衛星導航系統已有10余顆衛星成功發射組網，正式為亞太區域提供服務。并計劃在2020年建設完成覆蓋全球的衛星導航系統，能夠全天候全天時地為全球用戶提供高精度、高可靠性的定位導航與授時服務，并提供其它衛星導航系統不具備的短報文通信能力[4]。

開發建設具有獨立知識產權的自主衛星導航系統，將在很大程度上增強我軍武器裝備的現代化，對我國國防建設和國家安全具有十分重要的作用；在民用領域，如測繪、水利、交通運輸、減災救災等領域得到成功的應用，產生了顯著的經濟和社會效益，推動著國家的建設和社會的發展。

1 衛星導航定位原理

衛星導航系統之所以能夠準確定位源于三球定位原理。已知一顆衛星的位置和到用戶的距離，則用戶將位于以衛星為球心、以距離為半徑的球面上的某個地方；如果已知兩顆衛星位置和到同一個用戶距離，則該用戶將同時在兩個球面上，即在兩個球面相交的圓周上或在兩個球面相切的切點上；進一步如果已知第三顆衛星的位置和到同一用戶的距離，則第三個球面將和上述圓周相交于兩個點。結合考慮用戶必須是在地球表面的條件，相對位置較低的交點即為用戶的實際位置[5]。

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

2 偽距測量

根據以上分析，利用衛星導航系統來定位用戶位置，需要獲得衛星的位置和距離，再求解距離方程組。衛星在地面控制段的調整下繞地運行有相對穩定的軌道，并在導航電文中隨衛星系統時間播報，所以在各個時刻衛星的位置是確定的已知的。關鍵是如何獲得衛星與用戶之間的距離。通過測量從衛星發射出的無線信號傳播到用戶接收機的時間，則該距離可以通過如下公式獲得：

其中，rn表示第n顆衛星到用戶接收機的幾何距離，c表示無線信號傳播速度，即光速，Δtn 為第n顆衛星到用戶接收機導航信號的傳播時間。

偽隨機序列良好的自相關和互相關特性。只有當復現碼和接受碼完全匹配時自相關函數才會有最大的相關輸出。自相關函數在完全匹配的基礎上左移或右移一個碼片，呈三角形分布。這些優良特性使得準確測量衛星信號的傳播時間成為可能，由此奠定了衛星導航系統實現定位導航的基礎。當接收系統成功搜索并跟蹤到衛星信號后，將從接收信號中解調出導航電文；在成功鎖定測距碼時，即本地復現測距碼與衛星信號中的測距碼的相關運算結果達最大時，可計算出信號由衛星發射至接收系統接收到的傳播時間。具體關系如圖1 所示。其中，TS表示信號離開衛星時的系統時，Tu表示信號到達用戶接收機時的系統時，δt表示衛星時鐘與系統時鐘間的偏移，tu表示接收機時鐘與系統時鐘之間的偏移。

由于在實際情況中，衛星和接收機系統中存在鐘差，實際獲得的觀測值并不是真正的衛星和用戶間的距離，所以稱為偽距，記作ρn。因而在一般情況下假設還存在一個時間上的偏移量，也就是說多了一個未知數，可以通過測量4顆衛星，增加一個觀測方程來解決。

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

3 衛星導航接收系統設計

衛星信號接收系統按信號處理流程順序，可分為射頻前端、基帶數字信號處理和定位解算等三大功能模塊。總體框圖如圖2所示。

天線接收到所有可見衛星發射的信號后。射頻前端處理模塊再將天線接收信號進行放大、下變頻后，經A/D轉換器變成離散中頻數字信號。下變頻過程將適合傳輸的頻率較高的射頻信號變換成適合處理的頻率較低的中頻信號，再經模數轉換使得中頻信號適合數字處理器處理，以充分發揮數字系統的優勢。

基帶數字信號處理模塊有多個通道，每個通道對應于一顆觀測衛星，其中包括捕獲環路和跟蹤環路，通過捕獲和跟蹤徹底剝離數字中頻信號中的載波和測距碼，解調出導航電文，并獲取偽距測量值。載波NCO復現本地載波進行載波剝離，碼NCO復現本地碼進行碼剝離，實際設計時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；而低速但復雜的環路鑒別器和環路濾波器則適合在處理器上完成。

定位導航解算模塊從導航電文中獲取衛星位置等信息，結合偽距測量值，計算出接收系統位置；并完成用戶界面和人機交互。

4 結 語

本文闡述了衛星導航定位的基本原理和偽距測量方法，最后介紹了衛星導航接收系統設計的主要模塊。希望作者可以對北斗衛星導航定位系統有一個基本的了解。

參考文獻

[1]王杰華，石衛平.國外衛星導航定位系統的應用體制及政策 [J].中國測繪，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.北斗衛星導航定位系統應用現狀分析[J]. 全球定位系統，2008 （2）：26-30.

[4]劉傳潤.北斗衛星導航定位系統的功能原理與前景展望 [J]. 中國水運（學術版），2008，8 （1）：165-166.

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

[6]寇艷紅.GPS原理與應用[M].北京：電子工業出版社， 2007.