基于北斗的基準站接收機衛(wèi)星信號兼容性研究

熊輝 沈建軍 孫鵬 廖威 文軍福 文述生

摘? 要：隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，衛(wèi)星的兼容性已經(jīng)成為單北斗衛(wèi)星基準站接收機的一個重要指標。在分析單北斗衛(wèi)星基準站的接收機衛(wèi)星信號兼容性時通常是采用載噪來表征基站接收信號的質(zhì)量。目前衛(wèi)星接收機衛(wèi)星信號兼容性研究主要以計算機仿真為主，難以復制真正的接收機信號監(jiān)測系統(tǒng)，所以基于單北斗的基準站接收機衛(wèi)星信號兼容性研究對衛(wèi)星的高質(zhì)量運行具有十分重要的意義。文章基于基準站接收機衛(wèi)星信號兼容性技術研究要點和目標、基準站接收機接收衛(wèi)星信號系統(tǒng)的關鍵技術、基準站接收衛(wèi)星信號算法以及系統(tǒng)的兼容性幾個方面展開詳細闡述，為實際的基于單北斗的基準站接收衛(wèi)星信號兼容性研究提供一定的參考價值和依據(jù)。

關鍵詞：北斗;基準站;接收機;衛(wèi)星信號;兼容性

中圖分類號：TN965.5? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）36-0012-04

Abstract： With the development of modern science and technology， satellite compatibility has become an important index of single Beidou satellite reference station receiver. When analyzing the compatibility of the receiver satellite signal of the single Beidou satellite reference station， the carrier noise is usually used to characterize the quality of the received signal of the base station. At present， the research on satellite signal compatibility of satellite receiver is mainly based on computer simulation， so it is difficult to replicate the real receiver signal monitoring system. Therefore， the research on the satellite signal compatibility of the reference station receiver based on the single Beidou is of great significance to the high quality operation of the satellite. This paper is based on the research key points and objectives of the satellite signal compatibility technology of the reference station receiver， the key technology of the satellite signal system received by the reference station receiver， the satellite signal algorithm received by the reference station and the compatibility of the system. It provides a certain reference value and basis for the actual research on the compatibility of satellite signals received by the reference station based on the single Beidou.

Keywords： Beidou; reference station; receiver; satellite signal; compatibility

引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為國家安全和社會發(fā)展的一項不可或缺的重要基礎設施，主要顯示著一個國家的經(jīng)濟實力和科技水平，對國家的綜合國力具有十分重要的影響。建成北斗高精度數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)，到2020年，在長江干線全區(qū)域?qū)崿F(xiàn)基于AIS的北斗高精度數(shù)據(jù)播發(fā)服務;首先推動北斗系統(tǒng)在船舶監(jiān)控管理領域應用。以“四類重點船舶”為重點，大力推動北斗系統(tǒng)在運輸船舶的應用，利用單北斗高精度服務實現(xiàn)船舶精準管理，從功能和性能上逐步推動實現(xiàn)單北斗系統(tǒng)對其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的替代應用;其次推動單北斗系統(tǒng)在長江航運行業(yè)的應用。到2019年底，選取長江干線部分船舶，研究應用標準統(tǒng)一、用途多樣、功能兼容的單北斗船載智能終端，對現(xiàn)有各類船載終端進行功能整合，為船舶提供物流等信息服務;最后制定修訂相關標準規(guī)范。從長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略考慮，長江干線的單北斗線兼容基站的建設對于經(jīng)濟的長期穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義，對長江干線單北斗衛(wèi)星基站的建設原則、關鍵控制點以及應用規(guī)劃進行探討，對順應國家黃金水道建設長江經(jīng)濟帶的國家戰(zhàn)略具有十分重要的積極意義，加強長江干線單北斗線兼容性基站接收機的建設，支援沿長江經(jīng)濟建設和社會發(fā)展以及全面推動長江經(jīng)濟發(fā)展的轉(zhuǎn)型發(fā)展顯得十分重要。早期的網(wǎng)絡系統(tǒng)其網(wǎng)絡服務能力不足，只支持GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，與北斗不相兼容，基準站的沉降現(xiàn)象嚴峻，服務的承載能力設計不足，導致長江干線的一些終端設備不支持。在長江干線建立單北斗兼容基站接收機對于支撐長江經(jīng)濟帶建設具有積極意義，沿長江干線建立兼容的單北斗基準站能為長江沿線的大規(guī)模網(wǎng)絡建設以及信息發(fā)展的多精度定位提供了可能，避免了經(jīng)濟建設過程中大量的低水平導航設施的重新建設。在長江干線建立單北斗兼容基站對于北斗系統(tǒng)建設的國家戰(zhàn)略和保衛(wèi)國家安全具有提供了可靠保障。

3.3 電文解析

在單北斗星的軟件接收機中，各種軟件的電文解析操作流程與傳統(tǒng)的操作流程是大同小異的。傳統(tǒng)的GPS接收機系統(tǒng)假如在正常的工作條件下，那么一般可以得到36s的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，以此可以得到該衛(wèi)星完整的星圖，而現(xiàn)在的單北斗衛(wèi)星接收器其接收數(shù)據(jù)的方式主要是利用現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)技術對獲得衛(wèi)星實時的星歷圖，這樣可以完成軟件接收端和衛(wèi)星軟件接收機端數(shù)據(jù)的連續(xù)性，實現(xiàn)幀的同步，從而可以獲得完整的定位結(jié)果。

3.4 偽距提取與定位解算

傳統(tǒng)的接收機中，所有通道的測量值在測量中斷之前就會被同時提取，這樣可以保證各個通道之間信息的同步。一般在軟件接收機中沒有這樣的同步機制，所以在進行信息定義時必須定義偽距的提取時間，并且需要計算各個衛(wèi)星的發(fā)射時刻。一般偽數(shù)據(jù)規(guī)定需要從文件頭開始就要定義，每隔5000個采樣點就要對數(shù)據(jù)進行提取次。提取第n個發(fā)射時刻的定位數(shù)據(jù)可以分為以下三個步驟，如圖5所示。

首先需要粗略計算衛(wèi)星的發(fā)射時間，然后計算跟蹤第n次數(shù)據(jù)衛(wèi)星開始發(fā)射的時間，最后計算第n個偽距提取時刻發(fā)射時刻。通過以上三個步驟就可以完成衛(wèi)星發(fā)射時刻數(shù)據(jù)的提取，減去發(fā)射本地的時間，得到的差值與光速的乘積就可以得到該點的偽距。

4 兼容性分析

4.1 等效載噪比模型分析

載噪比是衡量衛(wèi)星接收機性能的一個重要因素，從載噪比中得到接收機端接收信號的質(zhì)量，假定每個干擾信號之間是相互獨立的，同時每一個信號傳輸信息之間沒有關聯(lián)性，從輸出的信號可以等效轉(zhuǎn)換噪聲的功率頻譜度，功率頻譜度能夠完好的捕獲信號產(chǎn)生的譜，假如兩個信號之間相互重合，那么每個信號之間的干擾性就越強，等效載噪比就會衰減系數(shù)就越大?；鶞收窘邮諜C在信息接收和處理上包括捕獲、跟蹤、比特同步、幀同步、導航電文提取、定位解算等環(huán)節(jié)。接收機首先是對GNSS衛(wèi)星信號進行捕獲，當跟蹤上捕獲的衛(wèi)星信號后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距和多普勒，并解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，接收機便可按照定位解算的方法進行定位解算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。

4.2 GPS系統(tǒng)等效載噪比分析

衛(wèi)星接收機在處理信號時，由于信號之間會存在濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換等，對接收機信號的轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生重要的影響，為了能夠準確地分析各個信號間的信號干擾，首先需要計算等效載噪比，其次需要對接收機接收信號功率的分析，主要包括對衛(wèi)星信號到達地面的功率分析、接收機天線增益分析、星座總功率的分析、等效噪聲功率的計算，最后需要對等效載噪比進行計算，計算時需要靠熱噪聲的等效載噪比和抗自干擾的等效載噪比，通過在等效載噪比的有效分析可以得到多普勒頻移對等效載噪比衰減的影響程度。接收機接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，獲得必要的導航和定位信息及觀測量;對所接收到的GNSS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GNSS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GNSS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間，最后在進行等效載噪比的分析。

5 結(jié)束語

本文分析了單北斗衛(wèi)星基站接收機信號兼容性，由于我國目前對衛(wèi)星接收端信號的具體測評理論研究比較淺，沒有經(jīng)過大量的試驗形成完整系統(tǒng)的理論，所以展開衛(wèi)星基站接收機信號的兼容性研究對于提升我國的綜合國力具有十分重要的影響。通過對信號兼容性分析，提出信號接收機的評估辦法，為實際的衛(wèi)星信號接收機的信號兼容性提供一定的參考價值。在長江干線建立單北斗兼容基站接收機對于發(fā)展長江經(jīng)濟帶提供了可靠支撐。

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