北斗運營服務(wù)中心主控站標(biāo)校站測軌站測高站、圖10.1-1BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成第10章北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗運營服務(wù)中心主控站標(biāo)校站測軌站測高站、圖10.1-1BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由我國自主建立，以“先區(qū)域，后全球”的建設(shè)思想分為北斗一代(BeidouI)和北斗二代(COMPASS或BeidouII)兩個階段。BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是具備通信功能的、區(qū)域性有源定位雙星導(dǎo)航系統(tǒng)，能實現(xiàn)中國和東南亞地區(qū)的導(dǎo)航、通信、授時服務(wù)。BeidouI于2003年正式投入使用以來，工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，并逐步向COMPASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)過渡。BeidouI系統(tǒng)構(gòu)成BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由10.1-1所示，與全空間段、地面段和用戶段三部BeidouI只有兩顆工作衛(wèi)星，屬于區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。分組成，如圖球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同的是，10.1.1空間段BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用雙星定位技術(shù)，空間衛(wèi)星指的是地球同步軌道上距離地面36000km的兩顆工作衛(wèi)星，分別位于赤經(jīng)80°和140。，升交點赤經(jīng)相差60。能夠覆蓋地球約70°140°E、5°~55°N的區(qū)域。BeidouI系統(tǒng)建成后又發(fā)射了兩顆備用衛(wèi)星，分別位于赤經(jīng)110.5°和86°EOBeidouI衛(wèi)星的發(fā)射情況見表10.1-1（表中包括兩顆COMPASS實驗衛(wèi)星）。表10.1-1衛(wèi)星發(fā)射時間表日期火箭衛(wèi)星軌道2000年10月31日長征三號甲北斗-1A140°2000年12月21日長征二號甲:北斗-1B80°E2003年05月25日長征三號甲北斗-1C110.5E2007年02月03日長征三號甲北斗-1D86°E2007年04月14日長征三號甲北斗-2A中地球軌道2009年04月15日長征三號丙北斗-2B地球同步軌道BeidouI導(dǎo)航衛(wèi)星選用東方紅三號衛(wèi)星平臺，總重約2300kg，衛(wèi)星設(shè)計使用壽命8年。采用三軸穩(wěn)定方式，由轉(zhuǎn)發(fā)器、天線、電源、測控、姿態(tài)和軌道控制等分系統(tǒng)組成。衛(wèi)星形狀為2000mM1720mM2200mm的立方體箱形結(jié)構(gòu)，分為服務(wù)艙、推進(jìn)艙和載荷艙。衛(wèi)星上的遙測系統(tǒng)能夠接收來自地面主控站發(fā)出的命令，根據(jù)主控站的指令進(jìn)行工作狀態(tài)調(diào)整。BeidouI導(dǎo)航衛(wèi)星的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)主控站和接收機間的信號。衛(wèi)星與主控站使用C波段實現(xiàn)通信，從主控站發(fā)出的信號采用6.3GHz線極化波，進(jìn)入主控站的信號采用5.1GHz線極化波。衛(wèi)星與接收機的通信則采用L波段和S波段，接收機向衛(wèi)星發(fā)射的信號為1.6GHz右旋圓極化波，而衛(wèi)星向接收機發(fā)射的信號為2.5GHz左旋圓極化波。10.1.2地面段BeidouI地面段由主控站、測軌站、測高站和標(biāo)校站等組成，是導(dǎo)航系統(tǒng)的控制、計算、處理和管理中心。測軌站、測高站、標(biāo)校站均為無人職守的自動數(shù)據(jù)測量與收集中心，在主控站的監(jiān)測與控制下工作[98]O主控站。主控站除監(jiān)控整個系統(tǒng)工作外，還負(fù)責(zé)用戶的注冊和運營、監(jiān)控衛(wèi)星工作、實現(xiàn)與衛(wèi)星之間的通信、監(jiān)控地面上其它子系統(tǒng)的工作、對BeidouI接收機發(fā)送的業(yè)務(wù)請求進(jìn)行應(yīng)答處理以及將處理結(jié)果通過衛(wèi)星發(fā)送給接收機。與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用被動定位不同的是，BeidouI接收機的定位解算過程由主控站執(zhí)行：主控站利用電波在主控站、衛(wèi)星、用戶間往返的傳播時間以及氣壓高度數(shù)據(jù)、誤差校正數(shù)據(jù)和衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，結(jié)合存貯在主控站的系統(tǒng)覆蓋區(qū)數(shù)字高程地圖對用戶進(jìn)行定位。測軌站。在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，衛(wèi)星在軌位置對于定位解算至關(guān)重要，衛(wèi)星軌道坐標(biāo)的測量誤差將直接引起定位誤差。為精確解算接收機的坐標(biāo)，在BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中建立了多個坐標(biāo)已知的測軌站，各測軌站將衛(wèi)星軌道的測量結(jié)果發(fā)送全主控站，主控站根據(jù)收到的觀測信息精確計算衛(wèi)星在軌位置。測高站。在BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)設(shè)立了若干測高站，用氣壓高度計測量測高站所在地區(qū)的海拔高度，通常一個測站測得的數(shù)據(jù)粗略地代表了其周圍100~200km地區(qū)的海拔高度。海拔高度和該地區(qū)大地水準(zhǔn)面高度之和就是該地區(qū)實際地形離基準(zhǔn)橢球面的高度，測高站將測量結(jié)果發(fā)送給主控站，以便主控站解算接收機坐標(biāo)時調(diào)用。標(biāo)校站。由于信號傳播、接收機高程等信息受各種誤差影響較大，為提高定位精度，在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)設(shè)立了若干坐標(biāo)已知的標(biāo)校站，實施差分測量。接收機距離標(biāo)校站越近、覆蓋區(qū)域中標(biāo)校站數(shù)量越多，則定位誤差越小。10-1.3用戶段用戶段主要是指BeidouI接收機，該接收機同時具備定位、通信和授時功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運營服務(wù)商和系統(tǒng)集成商根據(jù)用戶的需求為用戶構(gòu)建適合的應(yīng)用系統(tǒng)并配置北斗用戶機，北斗運營服務(wù)中心將授權(quán)用戶一個與手持機號碼類似的ID識別號，用戶按照ID號注冊登記后，北斗運營服務(wù)中心為用戶開通服務(wù)，用戶機正式投入使用。根據(jù)北斗用戶機的應(yīng)用環(huán)境和功能的不同，可分為以下五種類型眺］：普通型。該型用戶機只能進(jìn)行定位和點對點的通信，適合于一般車輛、船舶及便攜用戶的定位導(dǎo)航應(yīng)用，可接收和發(fā)送定位及通信信息，與主控站及其它用戶終端雙向通信。通信型。適合于野外作業(yè)、水文測報、環(huán)境監(jiān)測等各類數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸用戶，可接收和發(fā)送短報文信息，與主控站和其它用戶終端進(jìn)行雙向或單向通信。授時型。適合于授時、校時、時間同步等用戶，可提供數(shù)十納秒級的時間同步精度。指揮型。指揮型用戶機供擁有一定用戶數(shù)量的上級集團管理部門所使用，除具有普通型用戶機所有功能外，還能夠播發(fā)通信信息和接收主控站發(fā)給所屬用戶的定位通信信息。指揮型用戶機適合于指揮中心指揮調(diào)度、監(jiān)控管理等應(yīng)用，具有鑒別、指揮下屬其它北斗用戶機的功能，同時還可與下屬北斗用戶機及中心站進(jìn)行通信，接收下屬用戶的報文，并向下屬用戶發(fā)播指令。多模型。此種用戶機既能接收北斗衛(wèi)星定位和通信信息，又可利用GPS系統(tǒng)或GPS增強系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，適合于對位置信息要求比較高的用戶。BeidouI衛(wèi)星信號BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主控站通過衛(wèi)星向用戶轉(zhuǎn)發(fā)的信號包含同向（I）和正交（Q）兩個通道，兩個通道分別對信息進(jìn)行卷積編碼和擴頻，然后采用QPSK方式調(diào)制到高頻載波上，其中，I通道采用Kasimi碼進(jìn)行擴頻，調(diào)制定位、通信、授時或其它服務(wù)信息；Q通道采用Gold碼進(jìn)行擴頻，調(diào)制定位和通信信息。BeidouI信號編碼、擴頻、調(diào)制過程如圖10-2-1所示，圖中fc表示載波頻率。

圖10.2-1BeidouI導(dǎo)航系統(tǒng)主控站信號調(diào)制方式BeidouI的導(dǎo)航信息在時間上采用幀結(jié)構(gòu)方式，每秒傳送32幀，每一幀包含250bit,傳送時間為31.25ms[i00]，信息格式如表10.2-1。表10.2-1BeidouI導(dǎo)航信息類別授時信息空幀重播苴/、出站幀號15幀67幀812幀13幀1434幀3546幀47l~53幀54117幀118128幀1291~245幀2它61920幀bit時刻20bit時差4bit衛(wèi)星號4bit衛(wèi)星位置衛(wèi)星速度時延電磁波傳播修正模型參數(shù)A。,A15暫無重播11~117內(nèi)容待定XYZXYZAoA1JA1528bit28bit28bit16bit16Bit16Bit28bit16bit16bit16bit16bit表中各參數(shù)說明如下：時刻---第一幀開始時對應(yīng)的時刻，單位為min。閏秒一一BeidouI系統(tǒng)時間與協(xié)調(diào)世界時之間相差的整秒數(shù)，單位為s。時差---BeidouI系統(tǒng)時間與協(xié)調(diào)世界時之間的時間差，單位為ns。衛(wèi)星號一一轉(zhuǎn)發(fā)本次出站的授時數(shù)據(jù)對應(yīng)的衛(wèi)星號。衛(wèi)星位置一一衛(wèi)星在北京坐標(biāo)系P54中的位置，單位為m。衛(wèi)星速度一一衛(wèi)星在北京坐標(biāo)系P54中的速度，單位為m/s。大氣延時一一從主控站到衛(wèi)星的對流層/電離層延時，單位為ns。電磁波傳播修正模型參數(shù)一一用于對電磁波傳播延時進(jìn)行模型修正，與系統(tǒng)選用的模型有關(guān)。BeidouI工作原理如圖10.3-1所示，BeidouI系統(tǒng)工作時首先由主控站向衛(wèi)星I和衛(wèi)星2同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播，用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，同時向第二顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號（用戶的申請服務(wù)內(nèi)容包含在內(nèi)），經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向主控站轉(zhuǎn)發(fā)，主控站接收解調(diào)用戶發(fā)送的信號，測量出用戶所在點至兩衛(wèi)星的距離和，然后根據(jù)用戶的申請服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。在用戶端，BeidouI接收機除具備信號接收通道外，還包括發(fā)射通道，用于發(fā)送用戶請求信號。當(dāng)用戶接收機需要進(jìn)行定位、通信或授時服務(wù)時，基帶信號處理模塊完成相應(yīng)請求信號的編碼、擴頻、調(diào)制，形成發(fā)射信號，并通過衛(wèi)星向主控站轉(zhuǎn)發(fā)，主控站處理完成后再通過衛(wèi)星將處理結(jié)果發(fā)送給接收機[101]，完成用戶所需的定位、通信或授時服務(wù)。由于在定位時接收機需要向衛(wèi)星發(fā)送信號，根據(jù)信號傳播的時間計算接收機坐標(biāo)，所以，BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種有源定位系統(tǒng)[102]。由于采用主動式定位，在某一時刻，主控站需要響應(yīng)所有用戶的定位請求，因而系統(tǒng)容量有一定的限制，BeidouI的平均用戶容量約為30萬個。10.3.1通信原理在BeidouI導(dǎo)航系統(tǒng)中，接收機與接收機之間、接收機與主控站之間均可實現(xiàn)雙工通信。每個接收機采用不同的加密碼，所有的通信內(nèi)容和指令均通過主控站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。主控站可以和系統(tǒng)中任何接收機利用時分多址方式進(jìn)行通信，即主控站分不同時段向不同接收機發(fā)送信號，實現(xiàn)和不同接收機的通信。每次通信可傳送210個字節(jié)，即105個漢字。當(dāng)接收機需要和主控站通信時，通信內(nèi)容存儲在詢問信號和回答信號的信息段中，由主控站對通信內(nèi)容解調(diào)，獲得原始信息，經(jīng)卷積編碼、擴頻和調(diào)制后發(fā)送全衛(wèi)星，并由衛(wèi)星向接收用戶轉(zhuǎn)發(fā)。如果系統(tǒng)中某一用戶接收機收到主控站發(fā)來的第I幀信號，該接收機以此時刻為基準(zhǔn)，延遲預(yù)定時間To并截取一段足夠長的信號，以避免丟失數(shù)據(jù)造成無法解調(diào)，在對接收信號的詢問信號段的信息進(jìn)行解擴、解調(diào)和解碼后，即可得到主控站的通信內(nèi)容。信號接收完成后可向衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號，實現(xiàn)接收機對主控站的回復(fù)。在上述通信過程中，主控站利用接收機的ID識別不同的用戶口。3"當(dāng)i接收機需要與j接收機通信時，將j接收機的ID和通信內(nèi)容置入其應(yīng)答信號的通信信息段中，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給主控站，主控站將i接收機要發(fā)送的通信內(nèi)容轉(zhuǎn)存在詢問信號中，j接收機接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的詢問信號后，識別自己的地址碼并獲得i接收機發(fā)送的通信內(nèi)容和i接收機的ID碼，如果j接收機需要對i接收機進(jìn)行回復(fù)，重復(fù)上述過程即可。10.3.2授時原理授時是指接收機通過接收衛(wèi)星發(fā)送的時間信號獲得本地時間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時間的鐘差，然后調(diào)整接收機本地時鐘與北斗標(biāo)準(zhǔn)時間同步的過程。在BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，接收機根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的信號核準(zhǔn)自身時鐘，可以得到很高的時鐘精度。BeidouI可為用戶提供兩種授時方式：單向授時和雙向授時。單向授時接收機從衛(wèi)星發(fā)送的信號中提取出時間信息，由接收機自主計算出鐘差并修正本地時間，使本地時間和北斗標(biāo)準(zhǔn)時間同步，這種授時即為單向授時，精度優(yōu)于30ns。衛(wèi)星廣播信息中的第一幀數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)北斗天、時、分時間信號、時間修正數(shù)據(jù)和衛(wèi)星坐標(biāo)信息，這些信息通過一種特殊的方式調(diào)制在廣播信號中，每一幀信號的時間基準(zhǔn)與原子鐘產(chǎn)生的時標(biāo)用同一頻率原子鐘來實現(xiàn)。接收機獲得上述數(shù)據(jù)后，接收機解調(diào)出各種時間碼，然后測出本地時鐘和主控站時鐘的鐘差，調(diào)整本地時鐘使之與主控站時鐘一致，實現(xiàn)單向授時。雙向授時接收機只接收信號，不進(jìn)行時間解算，所有信息處理都在主控站進(jìn)行，接收機只需把接收的時標(biāo)信號通過衛(wèi)星回復(fù)給主控站，這種方式稱為雙向授時，精度優(yōu)于10ns。如主控站在T。時刻發(fā)送時標(biāo)信號Sr。，該時標(biāo)信號到達(dá)衛(wèi)星后，由衛(wèi)星向接收機轉(zhuǎn)發(fā)，接收機對接收到信號進(jìn)行簡單處理，再經(jīng)過衛(wèi)星將信號回復(fù)給主控站，也就是說，表示時間％的時標(biāo)信號經(jīng)過一定的時延，最終在Ti時刻回到了主控站。主控站將接收時標(biāo)信號的時間與發(fā)射時間相減，得到信號的雙向傳播時延Ti-T0，進(jìn)而可以得到單向傳播時延。主控站將單向傳播時延發(fā)送給接收機，接收機根據(jù)接收到的時標(biāo)信號及單向傳播時延計算出本地時間與主控站時間的差值修正本地時間，使之與主控站的時間同步，實現(xiàn)雙向授時U04」05]1033定位原理1.基本原理由于參與定位的衛(wèi)星數(shù)量有限，BeidouI借助大地高程信息通過兩顆衛(wèi)星實現(xiàn)用戶的三維定位，即主控站根據(jù)兩顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)、衛(wèi)星至接收機的偽距以及接收機的大地高程組成觀測方程計算接收機的位置坐標(biāo)。系統(tǒng)定位原理如圖10.3-2所示，分別以兩顆衛(wèi)星為球心，以衛(wèi)星至接收機的偽距和嘉為半徑可分別得到兩個球面，由于兩顆衛(wèi)星直線距離（約為42000km）小于衛(wèi)星至接收機的距離之和360002=：72000km，因此兩球面必然相交且形成一個穿過赤道的交線圓弧，由此可確定接收機在該圓弧上，此時還需要利用額外的信息才可以確定接收機位于此交線圓的具體位置。由于BeidouI的主控站配有電子高程地圖，由它可以獲得一個以地心為球心、以球心全地球表面高度為半徑的非均勻橢球面，衛(wèi)星的交線圓與該橢球面同樣存在交點，接收機的位置可唯一確定。圖10.3-2系統(tǒng)定位原理圖設(shè)PsATi（XsATi，『SAD，ZsATi），i"，2為衛(wèi)星坐標(biāo)，Pm^^Zm）為主控站坐標(biāo),"V，Z）為接收機坐標(biāo)，Po,（Xo,=0,y。，=0,z。，--RNe2Sin；:）為接收機處橢球法線與短軸的交點坐標(biāo)，％為接收機卯酉圈曲率半徑，e為參考橢球偏心率，「為測站點緯度。接收機全衛(wèi)星1和衛(wèi)星2全的距離分別為A和，接收機至Po,的距離為渺衛(wèi)星1和衛(wèi)星2至主控站的距離分別為S和&。接收機坐標(biāo)包含三個未知數(shù)（x,y,z），若要解出三個未知數(shù)，必須建立三個方程。通過衛(wèi)星位置信息可以得到方程組（10.3-1）中的前兩個方程，利用主控站的數(shù)字化地形圖、

接收機攜帶的測高儀可得到接收機大地高[1。6]，從而得到第三個方程。聯(lián)立式(10.3-1)所示的三個方程即可解算出接收機的坐標(biāo)：“1=f(PsATI，Pr)(1031)2.定位方程求解主控站在接收到應(yīng)答信號后進(jìn)行接收機坐標(biāo)計算，具體解算時可以不利用校準(zhǔn)信息進(jìn)行單點定位，也可以利用校準(zhǔn)信息實現(xiàn)差分定位。單點定位解算的典型計算方法有多種，如代入法、相似橢圓法、三點交會法和近似橢球法等，幾種方法的解算精度相差不大，而三點交會法的計算量要小于其它幾種方法，下面就以三點交會法為例說明接收機坐標(biāo)解算過程。衛(wèi)星與主控站和接收機的距離可分別表示為R—f(PSAT1,Pr)W(XSAT2：=f(PsAT2'P)^R—f(PSAT1,Pr)W(XSAT2：=f(PsAT2'P)^(XSAT2—x)2*"2—y)+(ZSAT2-Z)_X).(y_y).(ZZ)*R=f(Po,,pj=(X2+y2+(z+Re2sinq>)2)1/2=RN+hSAT2(10.3-2)S(|3SAT1,Pm)=*"(PSAT2=f'|3SAT1SA~f()zmXSAT1—Xm)(ysAT1—YrJPm)=,(ZSAT2_xmSAT2_ym)'%式中，h為接收機大地高。主控站定位的觀測量是信號在主控站、衛(wèi)星、接收機之間往返傳播的時間，相應(yīng)的距離為D和d2,d為主控站與接收機間信號經(jīng)其中一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)所對應(yīng)的距離，距離，如圖10.3-2所示，相應(yīng)的方程為P=2Q竹)=2[f(PsAT1,Pm)+f(PsAT1，D2=S：1sa=f(pD3——f(Po'，Px,y,z)—顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)所對應(yīng)的D2為經(jīng)兩SAT1RnhPX,y,z

p)

m)]f(pp)f(pSAT15x,y,zSAT1叩f(Psat1,￡)(1033)式中，除接收機三個位置參數(shù)由于sin「和RN均為近似值，代找到最優(yōu)解。(x,y,z)外，解算出一次接收機坐標(biāo)其它均為已知量，故方程可解。(x,y,z)后，可根據(jù)下式進(jìn)行多次迭eR—RN(k)h)(10.3-4)-eR(k1)_arctg(z/(x2y2)1/2(1--(式中，a為橢球長半軸。當(dāng)式（10.3-4）中的；（eR—RN(k)h)(10.3-4)為提高BeidouI的定位精度，可利用若干坐標(biāo)已知的標(biāo)校站接收衛(wèi)星信號并對其所在位置坐標(biāo)進(jìn)行解算，將解算坐標(biāo)與已知的實際坐標(biāo)進(jìn)行比較，可得星歷、信號傳播、地球自轉(zhuǎn)、相對論效應(yīng)等引起的誤差，將這些誤差作為差分修正信息通過主控站發(fā)送全標(biāo)校站以外的接收機，這些接收機利用在同一時刻獲得的測距信息進(jìn)行差分處理，為獲得更高的定位精度，接收機應(yīng)選擇距離較近的標(biāo)校站發(fā)送的差分修正信息口07】。為保證各標(biāo)校站自身的完好性，標(biāo)校站之間也能夠互相收發(fā)差分信息。除上述利用雙星定位的方法外，由于BeidouI備份衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射，可考慮利用備份衛(wèi)星實現(xiàn)三星定位，由于增加了一顆可觀測衛(wèi)星，此時系統(tǒng)性能將會得到一定的改善。與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)類似，BeidouI的定位誤差主要來自定時誤差、距離測量誤差和幾何精度因子，其中的距離測量誤差可以利用差分的方法進(jìn)行抑制。值得一提的是，由于BeidouI在解算坐標(biāo)時需要知道接收機所在位置的高程，它可通過測高儀提供，測高儀在測量時產(chǎn)生的誤差對定位精度也會產(chǎn)生影響，而且在低緯度比在高緯度要大。當(dāng)測距誤差為10m，高程誤差為10m時，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)接收機的單點定位精度在100m以內(nèi)，差分定位精度在30m以內(nèi)口敏。COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與采用被動定位方式實現(xiàn)的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，采用主動定位方式的BeidouI由于衛(wèi)星數(shù)量有限，在信號覆蓋范圍、定位精度、隱蔽性、系統(tǒng)容量等方面存在很多不足，已不能滿足我國日益增長的導(dǎo)航需求，其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展也對BeidouI提出了更高的挑戰(zhàn)。為了克服BeidouI衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點，保留其可以進(jìn)行報文通信的優(yōu)點，我國于2004年開始籌建性能更高、覆蓋面更廣、技術(shù)更先進(jìn)的COMPASS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2007年4月和2009年4月先后成功發(fā)射兩顆COMPASS衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道，標(biāo)志著系統(tǒng)衛(wèi)星組網(wǎng)工作正式啟動，作為北斗第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，COMPASS既能夠兼容Beidou［又與其在工作原理和性能上存在明顯的區(qū)別：（1）COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機可免發(fā)上行信號，不再依賴主控站而是由接收機本身解算位置坐標(biāo)，系統(tǒng)的用戶容量不受限制，定位隱蔽性提高；（2）采用多顆衛(wèi)星進(jìn)行定位，而不是雙星定位，不需要高程信息輔助；（3）保留了BeidouI的通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)報文或指令通信；（4）定位精度、授時精度更高。COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后將提供兩種服務(wù)，一種是針對非授權(quán)用戶的開放服務(wù)，另一種是針對授權(quán)用戶的授權(quán)服務(wù)口09】。開放服務(wù)在全球范圍內(nèi)定位精度可達(dá)10m，授時精度可達(dá)20ns,測速精度為0.2m/s。授權(quán)服務(wù)可以提供更高精度的定位、授時、測速服務(wù)。局部區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用差分定位精度可以達(dá)到1041系統(tǒng)構(gòu)成1m，并且可以利用COMPASS衛(wèi)星進(jìn)行報文通信。1.空間段圖10.4-1COMPASS衛(wèi)星軌道示意圖COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段計劃由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，其中5顆地球靜止軌道衛(wèi)星高度為36000公里，在赤道上空分布于58.750E,80oE、110.5CE、140oE和160oE；30顆非靜止軌道衛(wèi)星由27顆中地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成；27顆MEO衛(wèi)星分布在傾角為55。的3個軌道平面上，軌道高度為21500公里。圖10.4-1所示為COMPASS衛(wèi)星軌道示意圖口竹】。圖10.4-2所示為COMPASS傾斜同步軌道衛(wèi)星和中地球軌道衛(wèi)星，兩者由于工作性質(zhì)不同，在結(jié)構(gòu)、配置、外形上均有所不同。（a）（a）傾斜同步軌道衛(wèi)星知）中地球軌道衛(wèi)星圖10.4-2COMPASS衛(wèi)星未來幾年里，我國將陸續(xù)發(fā)射COMPASS系列導(dǎo)航衛(wèi)星，繼續(xù)完善COMPASS星座配置，并進(jìn)行系統(tǒng)組網(wǎng)和導(dǎo)航實驗，在近期內(nèi)建成一個能夠覆蓋至北半球約120°E的COMPASS區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，滿足我國境內(nèi)和周邊地區(qū)的導(dǎo)航需求。根據(jù)COMPASS的計劃，在2012年以前，預(yù)計發(fā)射12顆衛(wèi)星，其中包括5顆地球靜止軌道衛(wèi)星和7顆中地球軌道衛(wèi)星。2.地面段COMPASS的地面段包括1個主控站、2個注入站和30個監(jiān)測站口11］。監(jiān)測站實時跟蹤監(jiān)測衛(wèi)星工作狀況和監(jiān)測站附近的空間、地理環(huán)境的變化，并將這些信息傳送給主控站。主控站接收監(jiān)測站發(fā)送的數(shù)據(jù)，編算導(dǎo)航電文、星歷數(shù)據(jù)，將其與時間基準(zhǔn)一同傳送至注入站，協(xié)調(diào)第10章北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理注入站和監(jiān)測站的工作，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)控制衛(wèi)星運行狀態(tài)，保證COMPASS星座正常運轉(zhuǎn)。注入站將衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、鐘差和其它控制指令注入衛(wèi)星。10.4.2衛(wèi)星信號COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS、伽利略系統(tǒng)在載波頻率、信號結(jié)構(gòu)和定位原理等方面有很多相似之處口12］。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的登記，COMPASS衛(wèi)星將發(fā)射四種頻率的信號，這些信號均采用QPSK調(diào)制，參見表10.4-1。隨著系統(tǒng)的逐步完善，還將發(fā)射其它頻率的信號，參見表10.4-2。出于安全保密以及與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，避免在相同頻段內(nèi)與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號產(chǎn)生干擾的原因，COMPASS信號將采用復(fù)用二元偏置載波（MBOC）、交替二元偏置載波（AltBOC）等調(diào)制方式。表10.4-1COMPASS衛(wèi)星目前發(fā)射的信號通道B1（I）B1（Q）B2（I）B2（Q）B3B1-2(I)B1-2(Q)調(diào)制方式QPSKQPSKQPSKQPSK載波頻率（MHz）1561.0981207.141268.521589.742碼片速率（Mcps）2.0462.0462.04610.2310.232.0462.046帶寬（MHz）4.09224244.092服務(wù)類型開放授權(quán)開放授權(quán)授權(quán)開放授權(quán)表10.4-2COMPASS新增信號頻帶載波頻率（MHz）碼片速率（Mcps）調(diào)制方式服務(wù)類型bicd1575.421.023MBOC(6,1,1/11)開放bicpB12.046BOC(14,2)授權(quán)B2a1191.79510.23AltBOC(15,10)開放B2aB2bB2bB31268.5210.23QPSK(10)授權(quán)B3a2.5575BOC(15,2.5)授權(quán)B3a

鑒于本書寫作時官方尚未發(fā)布與COMPASS有關(guān)的接口控制文檔，以下內(nèi)容是從美國斯坦福大學(xué)的研究報告和網(wǎng)絡(luò)資源獲得的相關(guān)信息【113,114]，需要說明的是，這些與COMPASS信號有關(guān)的信息并未經(jīng)過官方證實，僅供感興趣的讀者參閱。在COMPASS衛(wèi)星發(fā)射成功后，斯坦福大學(xué)的研究人員利用1.8m的碟形天線，以46.8MHz的采樣率對衛(wèi)星信號進(jìn)行接收，經(jīng)研究分析后給出了COMPASS三個頻段B1、B2、B3的信號波形，如圖10.4-3所示，COMPASS在不同頻段發(fā)射信號的波形、帶寬有一定差異，各頻段的起始和截止頻率如下:B1:1559.05~1563.15MHz，B2:1195.14~1219.14MHz，B3:1256.52~1280.52MHz，B1-2:1587.69~1591.79MHz。圖10.4-3接收的圖10.4-3接收的COMPASS衛(wèi)星發(fā)射信號COMPASS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文經(jīng)擴頻，載波調(diào)制后向其覆蓋區(qū)域廣播，接收機接收到信號后，對信號進(jìn)行解調(diào)與解擴，可實現(xiàn)接收機位置坐標(biāo)的解算。根據(jù)斯坦福和法國空間中心的研究報告[112】，目前只接收到COMPASS導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的三種頻率信號(B1、B2、B3)，尚未接收到B1-2頻率的信號，這些信號采用QPSK調(diào)制方式，分為同相I和正交Q兩個通道，其中，I通道由余弦載波調(diào)制，Q通道由正弦載波調(diào)制，接收信號可以表示為(10.4-1)Sb(t)=D(t—JC(tfd)exp(j2二f°t^)機吐)其中，D(t)為導(dǎo)航電文，C(t)為擴頻碼序列，-d為時延，fD為包含多普勒頻移的載波頻率，二為初始相位，nb(t)(10.4-1)斯坦福大學(xué)的科研人員在不知道COMPASS的PRN碼生成多項式的情況下，利用接收信號自身的一部分進(jìn)行自相關(guān)來提取信號的特征，由于接收到的衛(wèi)星信號淹沒在噪聲中，而導(dǎo)航信號采用了從而可提取信號的特征參數(shù)，如碼元周期、多普勒頻移擴頻調(diào)制體制，因而具有一定的相關(guān)特性等。首先將截取接收信號的一部分定義為?(t)jo0,0從而可提取信號的特征參數(shù)，如碼元周期、多普勒頻移?(t)jo0,0:::t乞t0t>to(10.4-2)其中，匕表示截取部分信號持續(xù)的時間，to的長度要適中，太長則有可能包含信號的下一個周期；太短則可能導(dǎo)致沒有相關(guān)峰出現(xiàn)。信號的自相關(guān)可以表示為■to氐=s)(t飛)S*(.)d.-QO*0*(10.4-3)(10.4-4)(10.4-3)(10.4-4)-QOtto=Sb(,)SbC-t)d.t假設(shè)噪聲nb(t)是均值為0的高斯白噪聲，將(10.4-1)代入(10.4-3)可得"=[D(.-d)CG_d)exp(j2:■二f.ti)]-—t[D(.-t)C(.-t)exp(j2心fD(?-t)■'■;)]d?t十-exp(j2:■.二fpt).1D(.-?d)C(.-?d)D(.-p-t)C(.-y_t)d-tPRN碼速率、碼元長度的設(shè)計都與信號的抗干擾性能、捕獲與跟蹤的難易程度有著密切關(guān)系。通過對接收信號進(jìn)行自相關(guān)，科研人員研究了B1、B2、B3頻段信號的PRN碼生成多項式［112］。載頻B1和B2上調(diào)制的PRN碼都是碼長2046bits的Gold碼，由11級移位寄存器產(chǎn)生，B1的I通道Gold碼生成多項式如表10.4-3所示，是由兩個11級移位寄存器模2和生成。B1的I通道Gold碼發(fā)生器原理圖如圖10.4-4所示。表10.4-3B1的I通道碼生成多項式及初始狀態(tài)多項式1X11+X10+X9+X8+X7+X+1初始狀態(tài)1[01010101010]多項式2X11+X9+X8+X5+X4+X3+X2+X+1初始狀態(tài)2[00000001111]根據(jù)相關(guān)研究［21］，B3調(diào)制的擴頻碼與B1調(diào)制的擴頻碼不同，B3的擴頻碼是一種組合

碼，分為前后兩段，前段包含擴頻碼序列的前8190bits，后段包含擴頻碼序列的第8191bit到10230bit。B3擴頻碼的前、后兩段由26級移位寄存器生成，前段和后段的擴頻碼序列均由兩個13級的移位寄存器模2和生成，如圖10.4-5所示。實際上，B3擴頻碼的前、后兩段使用的是相同的13級移位寄存器，只是初始狀態(tài)的最后一位有所不同，表10.4-4和表10.4-5分別給出了B3擴頻碼前段信號和后段信號的生成多項式和初始狀態(tài)，利用生成多項式和初始狀態(tài)分別得到B3擴頻碼前段和后段。

時鐘信號2.046MHz圖10.4-4COMPASSB1的I通道碼生成器結(jié)構(gòu)圖10.4-5COMPASS時鐘信號2.046MHz圖10.4-4COMPASSB1的I通道碼生成器結(jié)構(gòu)表10.4-4B3的I通道前段信號生成多項式及初始狀態(tài)多項式1X13+X12+X10+X9+X7+X6+X5+X+1初始狀態(tài)1[1111111111110]多項式2X13+X4+X3+X+1初始狀態(tài)2[1111111111111]表10.4-5B3的I通道后段信號生成多項式及初始狀態(tài)多項式1X13+X12+X10+X9+X7+X6+X5+X+1初始狀態(tài)1[1111111111111]多項式2X13+X4+X3+X勺初始狀態(tài)2[1111111111111]10?5衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性與互操作性隨著GNSS的全面發(fā)展，歐洲的Galileo和中國的COMPASS都將會像美國的GPS、俄羅斯的GLONASS一樣，成為全球性的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前而言，GPS發(fā)展最好、應(yīng)用最為廣泛，隨著其現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，性能也會進(jìn)一步提高；GLONASS采用頻分多址(FDMA)接入方式，在應(yīng)用市場的開發(fā)上尚需努力；Galileo是基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它向用戶提供開放服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、生命安全服務(wù)、公共特許服務(wù)以及搜索救援等多種服務(wù)；中國的COMPASS系統(tǒng)預(yù)計2012年開始提供服務(wù)。各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星配置、衛(wèi)星軌道、系統(tǒng)架構(gòu)方面有很多相似之處，又各具特點，如表10.5-1所示口15］。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正進(jìn)入多系統(tǒng)并存、多技術(shù)融合的新發(fā)展階段。表10.5-1GNSS系統(tǒng)參數(shù)GPSGLONASSGalileoCOMPASS衛(wèi)星數(shù)量24243035軌道面數(shù)：6336衛(wèi)星工作年限10年原始GLONASS衛(wèi)星：3年GLONASS-M衛(wèi)星：7年GLONASS-K衛(wèi)星：10年>12年—信號接入方式CDMAFDMACDMACDMA載波頻率1575.42MHz1227.60MHz1176.45MHz1598.0625-1607.0625MHZ1242.9375-1249.9375MHZ1176.45MHz1207.140MHz1278.75MHz1575.42MHz1589.74MHz1561.1MHz1207.14MHz1268.52MHz軌道高度20200km19100km23200km20200km軌道傾角：5564.85655坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-84PZ-90GTRF中國2000時間系統(tǒng)GPSTGLONASSTGSTBDT調(diào)制方式「QPSK+BOCBPSK+BOCBPSKQPSK+BOC根據(jù)前面的介紹，美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗、歐洲的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部投入使用時，全球用于導(dǎo)航的衛(wèi)星數(shù)目將超過100顆，對用戶來說，多系統(tǒng)、多頻信號的兼容性接收機的研制已經(jīng)成為了一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。相對于單一的導(dǎo)航系統(tǒng)，GNSS組合定位有著顯著的優(yōu)勢：相對于單頻而言，多個載波頻率的組合使用，有利于減弱電離層效應(yīng)的影響和載波相位整周模糊度的實時快速解算；可視衛(wèi)星數(shù)量的增加，必然能夠在全球獲得更好的衛(wèi)星位置幾何關(guān)系，這對提高系統(tǒng)的定位精度，改善系統(tǒng)的完好性、連續(xù)性和可用性有著十分重要的意義。要實現(xiàn)多系統(tǒng)的組合定位，必然要求各系統(tǒng)之間具有一定的兼容性(Compatibility)和互操作性(Interoperability)。美國2004年12月發(fā)布的PNT(PositioningNavigationandTiming)政策對GPS的兼容性和互操作性作出了定義：兼容性是指單獨或聯(lián)合使用美國空基定位、導(dǎo)航以及授時系統(tǒng)和其它相應(yīng)系統(tǒng)提供的

服務(wù)時互相不干擾，兼容性需要在國際電信聯(lián)盟提供的架構(gòu)之下考慮對接收信號信噪比產(chǎn)生影響的技術(shù)細(xì)節(jié)?；ゲ僮餍允侵嘎?lián)合使用美國民用空基定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)以及國外相應(yīng)系統(tǒng)提供的服務(wù)，從而在用戶層面提供較好的性能服務(wù)，理想的互操作性意味著應(yīng)用不同系統(tǒng)的信號進(jìn)行導(dǎo)航定位時，不產(chǎn)生額外的消耗。不同的系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、載波頻率、調(diào)制方式、坐標(biāo)系統(tǒng)、時間系統(tǒng)等方面都存在差異，這些都增加了系統(tǒng)兼容和互操作的復(fù)雜度?？偟膩碚f，GNSS各系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性主要體現(xiàn)在時空基準(zhǔn)和空間信號兩方面[116]。在GNSS體系中，不同的系統(tǒng)采用各自的坐標(biāo)系和時間基準(zhǔn)，因此時空基準(zhǔn)的兼容性和互操作性就是要建立一個統(tǒng)一的框架，在空間上指明用戶和衛(wèi)星的位置，在時間上指明用戶和衛(wèi)星的時鐘偏差的時間標(biāo)度。GNSS空間信號的兼容與互操作主要是通過共用中心頻率以及頻譜重疊來實現(xiàn)，對于中心頻率相同的導(dǎo)航信號，接收機可以采用相同的射頻前端、不同的捕獲跟蹤模塊、相同的導(dǎo)航解算模塊來實現(xiàn)多系統(tǒng)融合。雖然通過共用中心頻率和頻譜重疊的方式可以實現(xiàn)系統(tǒng)間的協(xié)同工作，但仍然需要采用不同的信號