《北斗卫星导航原理与系统》读书笔记

《北斗卫星导航原理与系统》

 范录宏

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 内容简介

• 北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运营的卫星导航系统，已经被广泛应用于交通、测绘、航空、航天、航海、农业、水利、救援等领域，在中国的国民经济和国防安全中发挥着重要作用。本书根据卫星导航系统的基本原理和北斗卫星导航系统的最新技术文献，以及导航接收机的特点，在北斗卫星导航原理的基础上，重点介绍北斗导航电文的组成、北斗接收机的技术指标和软件接收机的信号处理方法。本书共8章，主要内容包括：绪论、空间坐标系统与时间系统、卫星的运动与星历、北斗导航卫星信号、北斗系统定位原理、北斗卫星导航接收机、BDS信号的捕获与跟踪、GPS系统和其他卫星导航系统等。本书是北斗卫星导航系统的专著，也可作为高等院校电子信息类专业本科生和研究生的相关课程教材，还可供相关领域的科技工作者学习参考。

 前言

• 卫星导航系统能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务，是拓展人类活动、促进社会发展的重要空间基础设施，为人类带来了巨大的社会和经济效益。1994年，中国启动了北斗卫星导航试验系统的工程建设。在2000，我国建成了北斗卫星导航试验系统，标志着中国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗卫星导航系统是中国自主研发的定位系统，为本国及相邻国家提供定位﹑导航和授时服务。该系统的建立使我们摆脱了对GPS及其他定位系统的依赖，维护了国家的安全，体现了国家实力。它的快速发展不仅可以促进国家的经济建设，也提高了中国在世界的地位。
• 2015年3月31日，新一代北斗导航卫星在西昌卫星发射中心发射升空，卫星顺利进入预定轨道。这颗卫星的发射成功标志着我国北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。根据中国“十三五”计划，到2020年，北斗卫星导航系统的卫星数量将由20颗扩大到35颗。将建成由5颗地球同步静止轨道（GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和27颗中圆地球轨道（MEO）卫星组网而成的全球北斗卫星导航系统，实现全球覆盖，并且国内精度达到2.5 m，这也将使北斗产业化应用空间打开，并得到迅速发展。
• 本书共8章，主要内容包括：绪论、空间坐标系统与时间系统、卫星的运动与星历、北斗导航卫星信号、北斗系统定位原理、北斗卫星导航接收机、BDS信号的捕获与跟踪、GPS系统和其他卫星导航系统等。

 第1章 绪论

• 导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆、导弹（总称为运载体）等，以及个人安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。因此，导航的基本功能是回答“我现在在哪里？我要去哪里？如何去？”这类基本定位和引导的问题。
• 按传统的观点来说，导航系统就是定位系统。因此导航的基本任务是提供实时的位置信息，这是完成导航任务的基础，也是导航中解决问题的关键所在。随着导航技术的发展，现代导航不仅是定位这么简单，而且需要提供更多的载体运动参数。若在航行中可以连续地获得确切的位置，则可以通过微型计算机计算出航向、航速、偏航情况及到达前方目标点所需时间等航行参数，这些是现代导航所要完成的任务。我们对于导航的研究就是要研究导航参量的测量和运用；导航的实践，就是运用导航参量来保证载体安全而有效地航行。另外，随着导航技术的发展，对导航的准确性、安全性和有效性等要求也越来越高。
• 随着导航技术的不断发展，其应用领域也不断扩大，应用越来越广泛，例如，移动基站定时；车辆定位（出租）；建筑测量；野外运动；引导飞机、船舶沿着预先制定的航线航行；引导飞机的起飞和着陆；引导船舶通过狭窄航道及停靠码头；引导车辆和人员等在丛林、沙漠、雪地等特殊环境中行进；为提高飞机和船舶的航行安全和效率，对其活动进行调度，实施交通管制，以防发生碰撞；还可以配合完成石油勘探、海上捕鱼、海洋调查、海道测量、海底电缆铺设、陆上探矿、大地测量、航空测绘及气象探测等任务。另外在军事中，导航技术在飞机、导弹、舰船、坦克、车辆、单兵上都有应用，如配合完成武器投射、侦查、巡逻、反潜、扫布雷、航道疏通、空中集合与编队、援救等任务。我们相信，未来导航的应用会更加广泛。

 1.2 导航的分类

• 导航是利用电学、磁学、声学、光学、力学等方法，通过测量与运载体位置有关的参数来实现对运载体的定位，并从出发点沿预定的路线，安全、准确、经济地引导运载体到达目的地的一门技术。根据导航的信息获取原理（如航标方法、航位推算、惯性原理、无线电传播特性、天体运动规律、人造地球卫星技术、地球表面地形、地貌特征等），可分为观测导航、推算导航、惯性导航、无线电导航、卫星导航、天文导航、地形辅助导航等。如果导航定位的数据完全依靠装在运载体上的导航设备获取，采用航位推算原理工作，就称为自备式导航。如果依靠接收地面或空中导航台发播的导航信息，才能定出运载体位置，就称为他备式导航。对完成一定导航任务的设备组合，称导航系统。目前导航系统有无线电导航系统、惯性导航系统、卫星导航系统、天文导航系统、组合导航系统、综合导航系统、地形辅助导航系统及着陆引导与河港导航系统等。
• 1. 观测导航观测导航即航标方法，过去人们常称为目视方法，就是借助信标或参照物实现导航。这种方法实现简单且可靠性高，目前在飞机进场着陆时仍在使用。航标法飞行即目视飞行，就是使用航标方法，以地面参照物作为路标的导航飞行方式，是飞行员的入门课程，这种方法的缺点是：没有导航器，飞机飞得慢且低；受环境、天气的影响很大，在能见度低的情况下，信标或参照物难以辨认，因而难以实现导航；在海洋、沙漠中等无航标地区无法导航。2. 推算导航推算导航是根据对运载体的运动方向和所航行距离（或速度、时间）的测量，从过去已知的位置来推算当前位置，或预测将来位置，从而得到其运动轨迹的一种导航方法。它克服了观测导航的缺点，不受天气、地理条件的限制，是一种自主式导航方法，保密性强。但是，随着航行时间和航行距离的增长，其位置积累误差越来越大，这就需要进行位置校准。当前大量使用的惯性导航系统就是用测量速度（加速度）对时间的积分和航向数据实现导航定位的。自备式导航系统多数采用此方法进行导航定位，如多普勒雷达导航系统、声呐导航系统等。3. 惯性导航惯性导航是通过测量运载体的惯性（加速度）并自动进行积分运算，获得运载体瞬时速度与位置，进而引导运载体正确航行的一种导航方式。中国多次发射的人造地球卫星和运载火箭及多种飞机和舰艇上都应用了自己制造的惯性导航系统与设备。随着电子科学技术、计算机、惯性测量技术等技术的迅速发展，惯性导航得到了快速发展。惯性导航完全依靠运载体上的导航设备自主地完成导航任务，与外界没有任何光、电联系，因此它是一种自主式导航方法，隐蔽性好，工作不受天气条件限制。但是，惯性导航的误差随运载体运行时间的增加而积累，克服这一缺点的办法是采用惯性导航与多普勒、GPS、BDS等导航系统组合使用。4. 无线电导航无线电导航通过在地球表面或在外层空间的人造地球卫星上建立若干个基准台，利用无线电波传播特性，测出其传播时间、相位、频率、幅度等电气参数后，即可得出运载体相对导航台的角度、距离、距差等几何参数，从而建立运载体与导航台的相对位置关系，根据两条位置线的交点来确定运载体的位置，这种方法也称为平面定位法。他备式导航系统大多采用无线电定位法。导航台位于地球表面的无线电导航称为陆基无线电导航，导航台设在卫星上的导航称为卫星无线电导航。无线电导航不受时间、天气的限制，设备简单、可靠，定位精度高，定位时间短，并且可以实现连续实时地定位，因此是所有导航手段中最重要的一种。目前，世界上正在使用的典型的无线电导航系统有定向机/无方向信标（DF/NDB）、台卡（DECCA）、伏尔/多普勒伏尔（VOR/DVOR）、测距器（DME）、塔康（TACAN）、罗兰-C系统（LORAN-C）、多普勒导航仪、雷达高度表、仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统（MLS）、雷达着陆系统（GCA）、精密进近雷达系统（PAR）、全球导航卫星系统（GNSS）等。5. 卫星导航卫星导航是利用卫星播发的无线电信号进行导航定位的技术。卫星导航以卫星为空间基准点，向用户终端播发无线电信号，从而确定用户的位置、速度和时间。它不受气象条件、航行距离的限制，且导航精度高。卫星导航定位系统的建立，最初完全是出于军事目的。例如，美国海军1964年投入使用的子午仪（TRANSIT）系统，就是为北极星导弹潜艇在远海中导航定位而研制的。随着冷战时代的结束，以及卫星导航定位系统的发展和完善，卫星导航定位越来越向商业化发展，这也是今后卫星导航定位技术的发展特点。目前全球主要有以下四大卫星导航系统。（1）全球定位系统（GPS）。美国国防部于1973年开始建立，其定位精度可达1cm量级，是目前最成熟、应用最广泛的卫星导航系统。（2）俄罗斯GLONASS卫星导航系统。苏联于20世纪70年代启动项目建设，苏联解体后由俄罗斯继续实施该计划，其定位精度在10m左右。（3）北斗卫星导航系统（BDS）。2000年年底，中国建成北斗一号试验系统，使中国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；预计在2020年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务。（4）欧洲伽利略（Galileo）卫星导航定位系统。1999年2月欧盟宣布发展下一代GNSS，2002年3月欧盟首脑会议批准了伽利略卫星导航定位系统的实施计划。
• 6. 天文导航天空中的星体（太阳、月亮、其他行星、恒星等）相对于地球有一定的相对运动轨道和位置。天文导航就是通过观测多个星体的位置参数，来确定观测者在地球上的位置实现导航的，它广泛应用于航空、航天等领域。其缺点是积累误差受时间、气象条件的限制，定位时间长，操作计算比较复杂。天文导航同推算导航一样是不需要地面支撑设施的，它可以用来校正或推算导航的积累误差。7. 地形辅助导航地形辅助导航又称为隐身导航，是一种非常适用于军事飞机做近空支援、低空突防、低空或超低空飞行的新型飞机导航方式。地形辅助导航预先将运载体所飞经地区的三维数字地形模型存储，在航行中将运载体的海拔高度和高度表测出的运载体正下方地表的相对高度相减，得出地面上的地形剖面图。将存储的模型与测得的地形剖面相比较，当达到匹配时便定出了运载体所处的位置。地形辅助导航不但具有良好的导航功能，而且在各种地形和不同覆盖层上空均显出了自由、可靠和隐蔽特性，特别是在目标截获、武器瞄准方面，不需要向前方发射任何信号就能给出目标的位置或距离。地形辅助导航是一种新型的高精度自由导航方式，具有很好的发展前景。

 1.3 导航系统的技术指标

• 1.3　导航系统的技术指标1. 精度导航系统的精度是指导航系统为运载体所提供的位置与运载体当时的真实位置之间的重合度。通常以导航参量测量误差的大小来反映导航系统的精度，误差越小，精度越高。由于受各种因素的影响（如发射信号不稳定、接收设备的测量误差、气候及其他物理变化对电磁传播媒介的影响等，还有用户与导航台站的相对几何位置关系等），所产生的误差会时好时坏，因此导航参量测量误差是随机变量，通常采用定位误差不超过一个数值的概率来描述。常用的表示精度的方法有三种：一是用方差表示；二是用距离误差均方根（DRMS）表示；三是用圆概率误差（CEP）表示。根据导航误差分析理论，导航系统参量测量误差可以近似看成一个正态分布的随机变量。我们知道正态分布随机变量的概率分布可由其均值和方差完全确定，又因为测量误差的均值也称为系统误差，它是一个常量，可以通过系统校正消除。因此导航系统的参量误差可以看成均值为零、方差为σ2的正态分布的随机变量。概率论中，σ代表测量值与数学期望值之差，或测量值偏离数学期望值的程度。例如，测距误差1m（2σ）表示每次测量结果误差小于等于1m的概率为95%；若给出1m（σ）、1m（3σ），则表示测量误差小于等于1m的概率为68%和99%。一般用2σ来表示，采用这种方法表示的精度只为运载体提供一维信息，比如高度或方位。上述以方差的形式描述系统距离误差是常用的方法，有些用于定位的导航系统能直接给出运行体的二维位置，常常是水平位置，此时定位的精度可用2DRMS（距离误差均方根）来描述。用导航系统为运载体提供位置时，这些位置与其真实位置不可避免地会出现一定的偏差，如果不考虑偏差的方向而只考虑偏差的径向距离，对距离求均方根就得到DRMS。在二维情况下，误差分布是一个椭圆，如果椭圆很扁，即向一条线收束，那么2DRMS的置信度趋于95%。如果椭圆很胖，向圆靠近，则置信度趋于98%。此外，还可以用圆概率误差（CEP）来表示二维定位误差。CEP表示一个以运载体真实位置为圆心的圆的半径，每次测量结果有50%的可能性其误差落在这个圆内，即相当于有50%的置信度。若给出的定位误差为1m（CEP），表示实测位置偏离真实位置小于1m的概率为50%。一般来说2DRMS值是CEP的2.5倍左右。
• 2. 覆盖范围覆盖范围是指在一个面积或立体空间内，导航系统能够以规定的精度确定运载体的位置。它受发射信号功率、接收机灵敏度、传播环境、几何关系等影响。值得注意的是，当运载体与导航台之间的相对几何关系（距离、方位等）变化时，导航系统的导航精度可能会发生变化，因此对于规定的精度，覆盖范围会随几何关系的变化而改变。北斗二代卫星导航系统已经覆盖亚太地区，GPS系统和GLONASS系统则覆盖全球。3. 连续性连续性是指运载体在某个特定的运行阶段，导航系统能够提供规定的定位引导功能而不发生中断的能力，该指标表明了导航系统可连续提供导航服务的能力。4. 可用性与可靠性系统的可用性是指导航系统为运载体提供可用的导航服务的时间的百分比。可用性是选定导航系统的指标之一，与之相关的另一项指标是系统的可靠性。系统的可靠性是指导航系统在给定的使用条件下在规定的时间内以规定的性能完成其功能的概率，它表明系统发生故障的频度，可以用平均无故障时间（MTBF）来描述。为了说明系统可用性与可靠性的差别，这里用两个在实际中不大可能发生的例子来说明。若某系统需要每年停机几天检修设备，则其可用性差，但除去这几天，它的服务很稳定，因此可靠性高；若某系统不需要停机，则其可用性高，但经常出现故障，即可靠性差，危害大。5. 信息更新率信息更新率是指导航系统在单位时间内提供定位或其他导航数据的次数，单位是Hz。例如，某导航系统每秒提供数据的次数为10次，则该系统的信息更新率为10Hz。一般来说，对更新率的要求与运载体的航行速度和所执行的任务有关系。通常要求信息更新率与运载体操作速度相当，或者与运载体运动速度相当。对于高速运动的运载体，如果更新率不够，在两次为运载体提供定位数据之间的时段内，运载体的当前位置与上一次的指示位置可能已相差很远，这就会使导航范围的实际精度大大降低，这样就难以实现实时导航，甚至会影响到运载体的飞行安全。因此信息更新率是一个很重要的技术指标。6. 系统容量系统容量是指导航系统可以同时供多少运载体使用的能力，分为无限系统容量和有限系统容量两种。对于那些导航台发射信号、运载体只需要有导航接收机就能获得导航信息的导航系统，理论上可以为无限多的用户提供服务，因此是无限系统容量的，这种系统中用户设备不需要发射信号，是一种无源的工作方式。与之相对应的采用有源工作方式的导航系统其系统容量会受到系统本身的结构体系、通道数量、通信速度、数据处理能力等因素的限制，只能与有限的用户设备配合工作，称为有限系统容量。例如，GPS和GLONASS系统是无限容量，北斗一代是有限容量，北斗二代是无限容量。综合以上的技术指标，得到一个理想的导航系统还需要满足以下要求。（1）全球覆盖，容量无限。（2）绝对准确度和相对准确度都必须很高。（3）准确度应不受环境影响。（4）实时反应，可随运动而连续变动。（5）无多值解。（6）系统稳定无故障，体积、质量和电源消耗都要小。

 1.4 无线电导航定位

• 1.4.1　电磁波无线电导航是建立在无线电波传播的基础之上的。变化的电场会产生磁场，变化的磁场也会产生电场，它们构成了一个不可分离的统一场，这就是电磁场，如图1-1所示。当变化的电磁场进入空间进行传播时，则形成了电磁波，换句话说，电磁波是电磁场的一种运动形态。电磁的变动就如同微风轻拂水面产生的水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。
• 另外，电磁波还具有如下特性。（1）直线性。电磁波在理想均匀媒质中，沿直线传播。（2）方向性。电场、磁场振动的方向与电磁波前进方向互相垂直。（3）无线电波在不连续媒质的界面上会产生反射。（4）在理想均匀媒质中，无线电波传播的速度恒定。
• 2. 无线电波的频段划分通常，把在自由空间（包括空气和真空）传播的频率从几十赫兹（甚至更低）到3000GHz频段内的电磁波称为无线电波，对应的波长从几万千米到0.1毫米。按照频率范围的不同及它们的特点，可以将其划分为若干波段，无线电波频段划分如表1-1所示。不同波段的无线电波，其传播特性有很大差别。
• 1.4.2　电磁波测量原理通过电磁波的发射、接收和处理，无线电导航设备能够测量出所在载体相对于导航台的方向、距离和速度等导航参量。在无线电导航的设计中，往往构建一定的机制使得实际测量的无线电参量与角度、距离等导航几何参量建立对应关系，然后利用几何参量求与待求导航参数之间的数学关系，通过求解方程或者其他等效方法求得所需导航参数。下面具体介绍几类基本几何参量的测量原理。
• 1. 电磁波测距原理电磁波测距有两种方法，即脉冲测距法和相位测距法。
• 1）脉冲测距法测距仪器所发射的电磁脉冲的一部分直接进入接收器件，作为参考脉冲；其余发射出去的电磁脉冲经过被测物反射回来之后，也进入接收器件。通过测量参考脉冲同反射脉冲相隔的时间t，即可由下式求出距离D=ct/2式中，c为光速。目前卫星大地测量中用于测量月球和人造卫星的激光测距仪，都采用脉冲测距法。
• 2）相位测距法用一种连续波（精密光波测距仪采用光波）作为载波，通过一个调制器使载波的频率按照调制波的变化做周期性变化。测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间t，进而求得待测距离D。
• 由于旋转天线的多普勒效应，接收信号的频率将被天线的转速所调制，相当于对信号进行了频率调制。这种调制使得接收信号的相位发生相应变化，产生的包络线相位与方位有一定的对应关系，从而可以确定载体的方位。
• 3. 电磁波测速原理载体相对于导航台的速度对于导航具有重要意义，它是通过检测多普勒频移得到的。物体辐射的波长会因为波源和观测者的相对运动而产生变化，这种现象称为多普勒效应。多普勒效应测速原理如图1-10所示。
• 在运动的波源前面，波长变得较短，频率变得较高。在运动的波源后面，波长变得较长，频率变得较低。另外，波源的速度越高，所产生的效应就越显著。一个典型的例子就是火车，站在铁路旁，当火车从远方驶来时，汽笛声高亢响亮；掠身而过后，其音调变得低沉。因为火车靠近时，我们听到的汽笛音调高于真实音调；而当火车离开时，汽笛音调低于真实音调。即当物体间存在相对的径向速度时，目标回波相对于发射信号有频率上的变化。
• 塔康系统是1955年美国研制的近程无线电导航系统。系统由塔康地面设备（塔康信标）和机载设备组成，为以信标为中心、半径为350km范围内的飞机提供导航服务。该系统距离精度可以达到185m，方位精度达到0.1°。机载设备可以连续给出飞机所在点相对于信标的方位角和斜距。塔康系统采用极坐标方式定位，如图1-13所示，测量出θ角和OB的距离ρ，即确定了飞机相对于信标的位置。
• 伏尔系统是1946年美国研制的近程无线电导航系统。该系统工作于110MHz频段，采用连续波体制，其作用距离为370 km。美国有900多个伏尔-测距器地面台。伏尔系统的地面站发出两种信号：全方位不变信号（即基准相位信号）和可变相位信号。为了区分可变相位信号和基准相位信号，采用不同的调制方式：基准相位信号采用调频-频率检波；可变相位信号采用调幅-幅度检波。伏尔系统相当于地面站发射360条射线，飞机在其中一条射线上。利用地面台辐射场调制包络的相位与飞机方位角之间的一一对应关系为飞机提供角坐标位置。当飞机相对于地面台处于不同位置时，飞机上接收机收到的信号幅度调制包络具有不同的相位，从而确定飞机相对于地面台的方位。VOR系统定位原理如图1-15所示。伏尔系统通常与测距器组合工作，其仅提供方位信息，而由测距器提供距离信息。
• 该系统的优点有以下几点。（1）利用机场的伏尔台可以实现飞机的归航和出航。（2）利用两个已知位置的伏尔台可以实现直线位置线定位。（3）可以实现航路检查及空中交通管制。
• 双曲线定位的主要应用是罗兰系统。罗兰系统是1940年由美国研制的一种低频、脉冲式的中远程无线电导航与定位系统，在20世纪70年代获得广泛应用。它可以全天候导引飞机，能远距离工作，并且可以在万米高空工作。罗兰-C作用距离达到了1850km，距离精度可以达到100m，导航信号是100kHz载频调制的脉冲信号。罗兰系统有以下几个优点。（1）用户装置只需要接收机。（2）作用距离不受视距限制，可以用于大范围的飞机和舰船导航。（3）在山区和海上无法设置导航台的地方也可以应用。（4）没有盲区。

 1.5 北斗卫星导航系统

• 1.5　北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS），简称北斗系统，是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，与美国全球定位系统、俄罗斯全球轨道导航卫星系统、欧洲建设中的伽利略系统构成全球四大导航系统。北斗系统具有以下特点。（1）北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。（2）北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。（3）北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、精准位置报告和短报文通信服务五大功能。
• 1.5.1　北斗系统的建设和发展我国北斗系统的建设坚持自主创新、分步建设、不断完善的“三步走”发展战略。1. 北斗一号系统（也称北斗卫星导航试验系统）1994年，启动北斗一号系统工程建设；2000年，发射两颗地球静止轨道卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。2. 北斗二号系统2004年，启动北斗二号系统工程建设；2012年年底，完成14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务。3. 北斗全球系统2009年，启动北斗全球系统建设，继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制；计划2018年，面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务；2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。为满足日益增长的用户需求，北斗系统将加强卫星、原子钟、信号体制等方面的技术研发，探索发展新一代导航定位授时技术，持续提升服务性能。主要有以下几个方面。（1）提供全球服务。发射新一代导航卫星，研制更高性能的星载原子钟，进一步提高卫星性能与使用寿命，构建稳定可靠的星间链路；增发更多的导航信号，加强与其他卫星导航系统的兼容与互操作，为全球用户提供更好的服务。（2）增强服务能力。大力建设地面试验验证系统，实现星地设备全覆盖测试验证；持续建设完善星基和地基增强系统，大幅提高系统服务精度和可靠性；优化位置报告及短报文通信技术体制，扩大用户容量，拓展服务区域。（3）保持时空基准。北斗系统时间基准（北斗时）溯源于协调世界时，时差信息在导航电文中发播；推动与其他卫星导航系统开展时差监测，提高兼容与互操作。发展基于北斗系统的全球位置标识体系，推动北斗系统坐标框架与其他卫星导航系统的互操作，并不断精化参考框架。
• 1.5.2　北斗系统的组成北斗系统基本组成包括空间段（卫星星座）、地面控制段（地面监控）和用户段（接收机）。1. 空间段北斗系统空间星座由5颗地球静止轨道（GEO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。北斗系统星座组成如图1-19所示，GEO卫星轨道高度为35 786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°；IGSO卫星轨道高度为35 786km，轨道倾角为55°，分布在3个轨道面内，升交点赤经分别相差120°，其中3颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，其余两颗卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95°；MEO卫星轨道高度为21 528km，轨道倾角为55°，回归周期为7天13圈，相位从Walker24/3/1星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0°。4颗MEO卫星位于第一轨道面7、8相位、第二轨道面3、4相位。
• 2. 地面控制段地面控制段负责系统导航任务的运行控制，主要由主控站、时间同步/注入站、监测站等组成。主控站是北斗系统的运行控制中心，主要任务包括以下几方面。（1）收集各时间同步/注入站、监测站的导航信号监测数据，进行数据处理，生成导航电文等。（2）负责任务规划与调度和系统运行管理与控制。（3）负责星地时间观测比对，向卫星注入导航电文参数。（4）卫星有效载荷监测和异常情况分析等。时间同步/注入站主要负责完成星地时间同步测量，向卫星注入导航电文参数。监测站对卫星导航信号进行连续观测，为主控站提供实时观测数据。
• 3. 用户段多种类型的北斗用户终端，包括与其他导航系统兼容的终端。用户设备部分主要功能是能够捕获按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
• 1.5.3　北斗系统公开服务区目前，正在运行的北斗二号系统发播B1I和B2I公开服务信号，免费向亚太地区提供公开服务。北斗系统公开服务区指满足水平和垂直定位精度优于10m（置信度95%）的服务范围。北斗系统已实现区域服务能力，现阶段可以连续提供公开服务的区域，包括55°S～55°N，70°E～150°E的大部分区域。
• 1.5.5　北斗系统应用与产业化北斗系统是一种民用和军事用途兼顾的全球卫星导航定位系统，可同时为多用户提供时空信息服务，具有高精度、全球覆盖、全天候、连续、实时等特点，因而使其在交通运输、航空航天、海洋渔业、水文监测、气象预报、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、大地测量、地球物理、武器制导等诸多领域得到广泛的应用。（1）在交通运输方面，北斗系统广泛应用于地面车辆的导航、跟踪和物流运输管理、城市智能交通管理；船舶的水上航行和进港引导、远洋船舶的跨洋航行；飞机的飞行导航、进场着陆和空中交通管制；以及重点运输过程监控管理、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控等领域。（2）在海洋作业和渔业方面，北斗系统应用于海上钻井平台的拖航就位、海洋测量、海洋资源的普查和渔业生产。北斗系统为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。（3）在测量和勘探方面，北斗系统广泛应用于大地测量、物理和资源勘查、地壳运动、地籍测量等。（4）在水文监测方面，北斗系统成功应用于多山地域水文测报信息的实时传输，提高灾情预报的准确性，为制定防洪抗旱调度方案提供重要支持。（5）在气象预报方面，北斗气象测报型终端设备和大气海洋及空间监测预警示范应用形成实用可行的系统应用解决方案，实现气象站之间的数字报文自动传输。（6）在森林防火方面，北斗系统成功应用于森林防火。定位与短报文通信功能在实际应用中发挥了较大作用。（7）在通信系统方面，北斗双向授时应用于电力时间同步，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。（8）在农业生产方面，北斗的实时精密定位将应用于土地和大田的整理和管理，将其装在拖拉机和收割机等农业机械上，以分米级的定位精度实现对农田的精密耕作。（9）在救灾减灾方面，基于北斗系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。例如，北斗系统在南方冰冻灾害，四川汶川、芦山和青海玉树地震，舟曲特大泥石流抗灾活动中发挥了重要的作用。北斗系统将为工业、林业、环保、旅游、金融、邮政、医疗急救、搜索救援等行业提供更高性能的定位、导航、授时和短报文通信服务，具有很大的应用潜力。在军用领域方面，北斗系统的应用可大致概括为以下几点。（1）全时域的自主导航。BDS的自主导航，利用接收终端向用户提供位置、时间信息，也可结合电子地图进行移动平台航迹显示、行驶线路规划和行驶时间估算，从而大大提高了部队的机动作战和快速反应能力。（2）各种作战平台的指挥监控。BDS的导航定位和数字短报文通信功能有机结合，可以将移动目标的位置信息和其他相关信息传送至指挥所，完成移动目标的动态可视化显示和指挥指令的发送，实现战区移动目标的指挥监控。（3）精确制导和打击效果评估。BDS制导有精度高、制导方式灵活等特点，已成为精确制导武器的一种重要制导方式。另外，BDS还可以对打击目标命中率进行评估。（4）未来单兵作战系统保障。主要利用定位和通信功能，为单兵提供位置信息和时间信息服务，同时可将单兵的位置信息实时动态传送到指挥机构，并及时向单兵发送各种指令，提高单兵作战和机动能力。（5）军用数字通信网络授时。利用BDS可提供高精度授时，为军用通信网络提供统一的时标信息，从而使通信网络速率同步，保证通信网中的所有数字通信设备工作在同一标准频率上。中国积极培育北斗系统的应用开发，创立由基础产品、应用终端、应用系统和运营服务构成的北斗产业链，持续加强北斗产业保障、推进和创新体系，不断改善产业环境，扩大应用规模，实现融合发展，提升卫星导航产业的经济和社会效益。（1）通过制定相关产业政策，建立竞争有序的导航产业发展环境，推动标准化建设，形成产品质量体系，以及建设位置数据综合服务体系等措施，构建产业保障体系。（2）推动卫星导航与国民经济各行业的深度融合，开展北斗行业示范，形成行业综合应用解决方案，促进交通运输、国土资源、防灾减灾、农林水利、测绘勘探、应急救援等行业转型升级。结合智慧城市发展和国家区域发展战略需求，开展北斗区域示范，推进北斗系统市场化、规模化应用，促进北斗产业和区域经济社会发展。（3）面向智能手机、车载终端、穿戴式设备等大众市场，实现北斗产品小型化、低功耗、高集成，重点推动北斗兼容其他卫星导航系统的定位功能，成为车载导航、智能导航的标准配置，促进在社会服务、旅游出行、弱势群体关爱、智慧城市等方面的多元化发展。（4）突破核心关键技术，开发北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，培育自主的北斗产业链。（5）鼓励北斗与互联网+、大数据、云计算等的融合发展，支持卫星导航与移动通信、无线局域网、伪卫星、超宽带、自组织网络等信号的融合定位及创新应用，促进卫星导航与物联网、地理信息、卫星遥感/通信、移动互联网等新兴产业融合发展。（6）推动北斗系统与其他卫星导航系统在系统建设、应用等各领域开展全方位合作与交流，加强兼容与互操作，实现资源共享、优势互补、技术进步，共同提高卫星导航系统服务水平，为用户提供更加优质多样、安全可靠的服务。（7）鼓励开展国际卫星导航应用的政策、市场、法律、金融等领域的研究和咨询服务，提升国际化综合服务能力。服务“一带一路”建设，与全球有意愿的国家一起，共同建设卫星导航增强系统，提供高精度卫星导航、定位、授时服务，提升北斗系统海外服务性能，促进导航技术的国际化应用。通过构建高精度卫星导航、定位、授时服务运营服务平台，开展交通运输、大众旅游、海上应用、减灾救灾、精密农业等领域应用示范，带动大规模应用推广。

 第2章 空间坐标系统与时间系统

• 2.1　地球的运动通常描述一个物体在空间的位置是指这个物体在一个给定坐标系下的位置。卫星定位测量涉及两类坐标系，即天球坐标系和地球坐标系。这两类坐标系的定义都与人类生存的地球紧密相关。因此，本章首先介绍地球运动相关知识，然后详细描述天球坐标系和地球坐标系。地球是一个赤道略鼓、两极稍扁且不很规则的球体。极半径为6 357km，赤道半径为6 378km，赤道（大圆）周长约为40 000km，地球的表面积约为5.1亿km2。地球的半长轴和半短轴如图2-1所示。
• 在地球仪上，经线和纬线相交，就可以确定一点的位置，如图2-4所示。同样，地球表面上的任何一个点都可以用它的经纬度唯一确定。
• 2.1.1　地球自转地球自转就是地球绕自转轴自西向东的转动。地球自转描述的是地球自身绕日运行的姿态，如果以距离地球遥远的同一恒星为参照点，则一日时间的长度为23时56分4秒，称为恒星日，这是地球自转的真正周期。如果以太阳为参照点，则24小时的自转周期称为太阳日，这是我们通常使用的地球自转周期。地球自转是地球出现朝、昼、暮、夜的原因，它是地球的一种重要运动形式。约每隔10年，地球自转周期就会增加或者减少千分之三至千分之四秒。
• 2.1.2　地球公转地球公转就是地球按一定轨道围绕太阳转动（The Earth Revolution Around Sun），如图2-5所示。实质上，由于太阳引力场及自转的作用而导致的地球公转，也有其自身的运动规律。地球公转的规律从地球轨道、地球轨道面、黄赤交角、地球公转的周期、地球公转速度和地球公转的效应几个方面表现出来。
• 2. 黄赤交角的意义在地球绕日公转时，太阳有时直射北半球，直射的最北界限为北纬23°26′，这条纬线称为北回归线，每年6月22日前后太阳直射北回归线，这一天为夏至日；有时直射南半球，直射的最南界限为南纬23°26′，这条纬线称为南回归线，每年12月22日前后太阳直射南回归线，这一天为冬至日；有时直射赤道，每年3月21日与9月23日前后太阳直射赤道，分别称为春分和秋分。这样，地球以一年为周期绕太阳运转，太阳直射点相应的在南北回归线之间往返移动。
• 黄赤交角的存在是地球四季变换和五带划分的根本原因，具有重要的天文和地理意义。当黄赤交角变大时，太阳直射点的位置会超过现在的最北及最南界限（23°26′），同时极线（66°34′）也会向赤道靠近，即温带范围缩小，这使得地表获得热量会随时间和空间的变化而发生变化。由于极地范围的扩大，极昼极夜的范围也会相应增大。当黄赤交角变小时，北半球昼变短夜变长（有极昼现象的地区除外），也就是昼夜的差距缩小了，即各地一年中昼长的年变幅随黄赤交角的增大而增大，随黄赤交角的减小而减小。由于正午太阳高度和昼夜长短在一年中的变化是有规律的，因此产生了四季的更替，并影响着五带的范围。此外，黄赤交角还影响着其他自然地理现象，如气压带、风带移动范围变化、气候带分布范围变化、自然带分布范围变化等。
• 2.1.5　地球自转的意义1. 地球自转产生了昼夜更替现象由于地球是一个不发光、也不透明的球体，而太阳是一个点光源，太阳光平行发射，所以太阳只能使地球的一半被照亮，形成昼半球，而另一半则形成夜半球。昼夜半球的分界线叫晨昏线。2. 不同地方产生不同地方时地方时的定义：在地球上某个特定地点，根据太阳的具体位置所确定的时刻，称为“地方时”，它是观察者所在的子午线的时间。地方时产生的原理：由于地球的自转，在地球上同一纬线上的两点，东边的时刻总是早于西边。地球每24小时自转一周，所以地球上经度相差15°的地方，时间相差1小时。国际上将不同的地方时统一划分为24个时区。各时区的“中央经线”规定为0°（即“本初子午线”）、东西经15°、东西经30°、东西经45°直到180°经线，在每条中央经线东西两侧各7.5°范围内的所有地点，一律使用该中央经线的地方时作为标准时刻，如北京的时间要比合肥的晚，即
• 1. 产生昼夜长短变化的原因晨昏线是地球昼半球和夜半球的分界线，它与太阳直射光线相互垂直。由于太阳直射点的位置变化，晨昏线把所经过的纬线分割成不同的昼弧和夜弧，从而导致经过地球自转一周产生不同长度的白昼和黑夜。从另一个角度来说，地球自转的同时还在公转，公转时地轴与轨道面的铅垂线有23°26′的倾斜，而且倾斜方向不变，始终指向北极星附近。这使得太阳直射点在赤道南北两侧的往复运动，导致不同纬度（赤道除外）在不同季节里（春分和秋分日除外），昼弧和夜弧大小的变化，最终引起昼夜长短变化。2. 昼夜长短变化规律自春分日至秋分日，太阳直射点在北半球移动，北半球各地昼长于夜，且纬度越高昼越长夜越短。夏至日这一天，北半球达到昼最长夜最短，北极圈以北出现极昼现象；自秋分到次年春分，太阳直射点在南半球移动，北半球各地昼短夜长，且纬度越高夜越长昼越短。冬至日这一天，北半球达到昼最短夜最长，北极圈以北出现极夜现象。南半球则相反。每年春分日和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼夜等长，各为12小时。北半球昼夜长短变化规律图，如图2-8所示。

 2.2 坐标系统

• 2.2　坐标系统卫星导航系统最基本的任务就是定位测量，确定用户在地球上或空间中的位置。这里所指的用户位置，实际上就是该用户在特定坐标系下的坐标位置。当选择不同的参考坐标系时，得到的位置坐标也不同。因此，为确定用户位置，首先要确定一个适当的坐标系，以方便计算。坐标系统是由坐标原点的位置、坐标轴指向和尺度3个要素所定义的，其作用就是利用一组数值来准确地描述空间位置上的一点。坐标系统是国民经济和国防建设的基础，也是一切测量工作的基准，广泛应用于测绘科学与技术的各分支之中。在北斗系统定位测量中，采用两类坐标系，即天球坐标系和地球坐标系。天球坐标系是一种惯性坐标系，与地球自转无关，用来确定天体的运行位置和状态。地球坐标系与地球相关联，随地球一起转动，用来表达地面观测站的位置和处理观测数据尤为方便，它在经典大地测量学中，具有多种表达形式和极其广泛的应用。在卫星定位中，坐标系统的原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。因此，在卫星定位中，需要研究如何建立卫星在其轨道上运动的坐标系，并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系，实现坐标系之间的转换。
• 2.2.1　天球坐标系在某些特定的场合（如研究宇宙航行和天体运动），需要寻找一个独立于地球之外的基本稳定的坐标系以描述物体相对于地球的运动；同时，要能够比较直观地从地球的角度出发观察和描述整个宇宙。天球坐标系便是一种能够符合上述两方面需要的空间坐标系，卫星的运动可以在天球坐标系中较为直观和形象地描述。下面先简要介绍天球的基本概念。
• 1. 地球坐标系的定义天球坐标系与地球自转无关，从而导致地球上一固定点在天球坐标系中的坐标会随地球自转而变化，因此应用起来不方便。为了描述地面观测点的位置，有必要建立与地球体相固联的坐标系—地球坐标系（又称地固坐标系）。地球坐标系主要有两种表达形式：地心空间直角坐标系和地心大地坐标系，如图2-13所示。
• 4. ITRF坐标框架简介国际地球参考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务（IERS）的地面参考框架。它以甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距、激光测月、GPS和DORIS系统等空间大地测量技术构成全球或局域的大地测量框架。ITRF是国际地球参考系统（ITRS）的具体实现，就目前来说，ITRF为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。由于章动、极移的影响，国际协议地极原点CIO是变化的，所以ITRF框架每年也都在变化。根据不同的时间段可定义不同的ITRF，如ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008、ITRF2014等，它们的尺度和定向参数分别由人造卫星激光测距和IERS公布的地球定向参数序列确定。ITRF框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系（含海洋和大气圈）的质心，以GPS系统的WGS-84椭球为参考椭球。

 2.3 时间系统

• 2.3.1　时间的基本概念空间和时间是物质存在的基本形式，空间表示物质运动的广泛性，时间表示物质运动的连续性。描述卫星的运动时，除了要建立空间坐标系，还要引入时间的概念。时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是人们利用卫星进行导航和定位的重要基准。在卫星导航定位中，给出卫星位置的同时必须给出相应的观测时刻，而且为了保证观测量的精度，对观测时刻还要有一定的精度要求。时间实际上包含“时刻”和“时段”两个概念。时刻是指发生某一现象的瞬间，是时间坐标系统中的一个绝对时间值，在卫星导航定位中，与所获数据对应的时刻也称为历元。时段是指某一现象持续的时间，是现象结束时刻相对于现象开始时刻的时间相对值。测量时间必须建立一个测量的基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。其中时间的尺度是关键，而原点可根据实际应用加以选定。一般来说，符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可用作确定时间的基准。（1）运动是连续的、周期性的。（2）运动的周期应具有充分的稳定性。（3）运动的周期必须具有复现性，即在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周期性运动。实际中，选用不同的周期运动现象，便产生了不同的时间系统。利用导航卫星进行精密定位与导航，有必要了解时间系统的基本概念，下面简要介绍几种常用的时间系统。
• 2.3.2　世界时系统地球的自转运动是连续且比较均匀的，因此，最早建立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时系统。根据观察地球自转运动时所选取的空间参考点的不同，世界时系统可分为恒星时、平太阳时和世界时。
• 2.3.3　原子时系统随着科学技术的发展对时间系统准确度和稳定度要求的不断提高，人们发现世界时系统并不是一个严格均匀的时间系统，有时难以满足人们对时间准确度和稳定度的要求。而物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率具有很高的稳定性和复现性，所以，人们在20世纪50年代建立了以物质内部原子运动特征为基础的原子时系统，原子时系统成为当代最理想的时间系统。1967年10月，第十三届国际度量衡大会将秒长定义为：位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9 192 631 770周所持续的时间为一原子时秒，该原子时秒作为国际制秒（SI）的时间单位。原子钟外形如图2-15所示。

 第3章 卫星的运动与星历

• 北斗用户为了确定自己的位置，需要导航卫星的精确位置信息。因此，研究导航卫星的运动规律及其运行轨道就显得十分重要。人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨迹，是一条封闭的曲线，而由这条封闭曲线所形成的平面称为卫星轨道平面，这个平面总是过地球质心的。描述卫星位置及状态的参数称为卫星轨道参数，这些参数由卫星初始状态和所受到的各种作用力所决定。卫星在空间绕地球运行时，受到的最主要的作用力是地球质心引力，同时还会受太阳、月亮和其他天体的引力，以及太阳辐射光压、大气阻力和地球潮汐力等因素的影响。这些作用力对卫星轨道的影响，以地球质心引力的影响为主，其他作用力的影响相对要小得多。如果假设地球质心引力的影响是1，那么其他作用力的影响仅为10-5，甚至更小。为了便于研究卫星运动的基本规律，通常将卫星受到的这些作用力按照其影响的大小分为两类：一类是地球质心引力，又称为中心引力，即将地球看作密度均匀并由无限多的同心球层所构成的圆球，地球对球外一点的引力等效于质量集中于球心的质点所产生的引力，它决定卫星运动的基本规律和特征，而由此决定的卫星轨道可视为理想轨道，一般称为无摄轨道，是分析卫星实际运行轨道的基础；另一类是摄动力，也称为非中心力，包括除地球质心引力以外的其他各种作用力。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道，而这个偏离量是时间的函数，在摄动力的作用下，卫星的运动称为受摄运动，相应的轨道称为受摄轨道。卫星星历是描述卫星轨道运动的一组参数，根据这组参数可以计算出卫星在任意时刻的位置及其运动速度。北斗系统通过两种方式向用户提供卫星星历：一种方式是通过导航电文中的数据块直接发送给用户接收机，通常称为预报星历；另一种方式是由北斗系统的地面监控站，通过磁带、网络、电传等方式向用户提供，称为后处理星历。

 3.1 开普勒三定律

• 3.1　开普勒三定律太阳系中的行星是绕着太阳公转的，而行星绕太阳公转所遵循的规律称为行星运动规律。由于是德国天文学家约翰·开普勒（1571.12.27—1630.11.15）根据丹麦天文学家第谷·布拉赫等人的观测资料和星表，通过他本人的观测和分析后，于1609—1619年先后归纳提出的，故行星运动定律又称为开普勒三定律。下面简单介绍开普勒定律的发现过程。1601年，丹麦天文学家第谷·布拉赫逝世。约翰·开普勒接替了第谷的工作，开始编制鲁道夫星表。但开普勒的兴趣和注意力更多地放在改进和完善哥白尼的日心说探讨行星轨道性质的研究上。他发现第谷的观测数据，与哥白尼体系、托勒密体系都不相符，于是他决心寻找导致这种不一致的原因和行星运行的真实轨道。最初的研究从观测与理论差异突出的火星着手，他运用传统的匀速圆周运动加偏心圆来计算，均遭到失败。经过长达4年近70次各种行星轨道形状设计方案的计算，开普勒认识到哥白尼体系的匀速圆周运动和偏心圆的轨道模式与火星的实际运动轨道不符。于是他大胆地抛弃了统治人类思想长达2000年之久的“匀速圆周运动”偏见，尝试用别的几何曲线来表示火星轨道的形状。他认为行星运动轨道的焦点应该在产生引力中心的太阳上，并进而断定火星运动的线速度不是匀速的，近太阳时快些，远太阳时慢些，并得出结论：从太阳到火星所连接的直线在一天内扫过的面积是相等的。行星运动轨迹图如图3-1所示。开普勒把这一结论推广到其他行星上，结果也与观测数据相符。就这样，他首先得到了行星运行的等面积定律。随后他发现火星运行的轨道不是正圆，而是焦点位于太阳上的椭圆，他把这个结论应用于其他行星也是适用的，于是他又得到了行星运行的椭圆轨道定律。这两条定律发表在他1609年出版的《新天文学》一书上。但他对自己取得的成就还不满足。他渴望找到一种能适合所有行星的总体模式，把各行星联系在一起。他坚信存在着一个把全体行星完整地联系在一起的简单法则。在这个信念鼓舞下，开普勒忍受着个人在家庭方面遭受的巨大不幸，在很少有人理解和支持的困难条件下，经过9年的反复计算和假设，终于在1618年找到在大量观测数据后面隐匿的数的和谐性：行星公转周期的平方与它们到太阳的平均距离的立方成正比，这就是周期定律，即开普勒第三定律。1619年，他在《宇宙的和谐》一书中介绍了开普勒第三定律。
• 卫星在地球中心引力作用下的运动称为无摄运动，也称开普勒运动，其运动规律可以用开普勒定律来描述。下面就来详细介绍开普勒三大定律的具体内容。
• 开普勒第一定律又称为椭圆定律，即卫星运行的轨道为一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。开普勒椭圆如图3-2所示。
• 开普勒第二定律又称为面积定律，即卫星在过地球质心的平面内运动，其向径（地球质心与卫星质心间的距离向量）在相同的时间内所扫过的面积相等。
• 开普勒第二定律表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处的速度最大，在远地点处的速度最小。
• 开普勒第三定律又称为周期定律，即卫星运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，且该常量等于地球引力常数GM的倒数的4π2倍
• 开普勒第三定律表明，卫星运行周期仅取决于椭圆轨道的长半径，与短半径无关，即一旦开普勒椭圆的长半径确定之后，卫星运行的平均角速度也随之确定。开普勒第三定律如图3-4所示，3个长轴均为20R的椭圆轨道，形状不同，但其平均角速度相同，这对于卫星位置计算具有很重要的意义。
• 开普勒三定律是天文学的一次革命，它彻底摧毁了托勒密繁杂的本轮宇宙体系，完善和简化了哥白尼的日心宇宙体系。开普勒对天文学最大的贡献在于他试图建立天体动力学，从物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。虽然他提出的有关太阳发出的磁力驱使行星做轨道运动的观点是错误的，但他对后人寻找太阳系结构的奥秘具有重大的启发意义，为经典力学的建立、牛顿的万有引力定律的发现，都做出重要的提示。开普勒定律是总括行星运动的观察结果的规则，其中的每一条都是经验规律，都是从观察行星运动的资料中总结出来的。事实上，开普勒定律只适用于二体问题，但是太阳系的质量主要集中于太阳，来自太阳的引力也比行星之间的引力大得多，因此行星轨道问题也近似于二体问题。关于二体问题我们将在后面的章节中具体讲解。

 3.2 卫星运动的轨道参数

• 为了描述卫星的运行轨道，需要用到卫星的轨道参数，用来说明卫星的轨道、位置和姿态及卫星通过特殊点的公转时间。选择哪些参数作为基本参数是无关紧要的，因为其他的轨道参数可以很容易地用这些基本量来表示。下面介绍一组最常用的经典轨道参数。由开普勒第一定律可知，卫星无摄轨道是一个椭圆。描述椭圆的形状和大小，只需要椭圆长半径as和偏心率es这两个参数即可。但是这样的描述还不能确定卫星轨道平面与地球本体的相对位置和方向，因此，为了确定卫星轨道相对于地球的位置，还要引入其他参数。
• 卫星的无摄运动一般可通过一组适宜的参数来描述，但这组参数的选择并不是唯一的，其中应用最广泛的一组经典轨道参数就是开普勒轨道参数，也称为开普勒轨道根数。除了上面提到的椭圆轨道的长半径as和偏心率es，还有4个参数，这6个参数合称开普勒轨道参数，如图3-5所示。

 3.3 二体问题

• 如果地球是一个密度均匀的正球体，又没有大气阻力和其他天体的摄动，人造地球卫星的运动就是简单的椭圆运动。然而，实际上卫星的运动会受到许多摄动因素的影响，作用在卫星上的外力如图3-6所示。这是现代天体力学的一个重要的研究课题。
• 为了研究卫星运动的基本规律，可将卫星受到的作用力按其影响的大小分为如下两类。1）地球质心引力地球质心引力即将地球看作密度均匀并由无限多的同心球层所构成的圆球，它对球外一点的引力等效于质量集中于球心的质点所产生的引力，称为中心引力。它决定着卫星运动的基本规律和特征，由此决定的卫星轨道，称为无摄轨道，可视为理想轨道，也即开普勒轨道，是分析卫星实际轨道的基础。2）摄动力摄动力也称为非中心引力，主要包括地球非球形对称的作用力、大气阻力、日月引力、光辐射压力及地球潮汐作用力等。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道，同时偏离量的大小也随时间而改变。在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。下面简要介绍各类摄动力及其对卫星运行轨道的影响。（1）地球非球形对称的作用力。地球并不是一个正球，而是更接近于一个椭球。地球赤道突出部分对卫星的吸引，使卫星不再沿一个固定的椭圆运动，这不仅使卫星轨道平面绕地球极轴不断转动，同时还使椭圆轨道在轨道平面内不停旋转，这种转动的速度主要取决于地球扁率，并同卫星轨道平面对赤道的倾角和椭圆轨道的大小有关。卫星绕地球运行的周期越长，转动的速率就越小。此外，地球扁率还引起许多周期性的摄动，使卫星围绕着轨道椭圆振动，其振幅有时可达几千米。地球赤道突出部分是影响卫星运动的最重要因素之一。另外，地球形状不是一个严格的椭球，其内部质量分布也不均匀，地球引力场相当复杂，主要影响是引起大量的周期摄动，尽管这些周期摄动一般都不大，却增加了卫星运动的复杂性。（2）大气阻力。人造卫星在高空大气中运动，不断受到大气阻力的作用。大气阻力摄动主要是改变卫星轨道的形状和大小，而对卫星轨道面的影响很小。由于大气阻力集中在卫星近地点附近，卫星轨道形状和大小的变化便具有如下特点：首先降低卫星远地点的高度，而近地点高度基本不变，从而使得卫星轨道越变越圆，然后再使轨道越变越小，最后，卫星终于在稠密的大气中陨落。对于近地卫星来说，大气阻力是决定卫星寿命的主要因素。（3）太阳光辐射压力。这种摄动本身是一种保守力。如果没有地影，它只会使卫星轨道产生周期性变化；由于存在地影，卫星所受的光压是间断的和不对称的，这就使得卫星的能量发生变化，从而影响到椭圆轨道的长半径。太阳光压摄动对于面积质量比大的卫星，如气球卫星，有着显著的影响。（4）日月引力。日月引力对人造卫星的摄动，与经典天体力学中第三天体的摄动是相同的。对于近地卫星，日月引力摄动的量级较小，但卫星越高，这种摄动就越大，到了地球同步卫星的高度摄动就会十分的显著。日月引力摄动的另一特点是使卫星轨道产生许多长周期项，而且偏心率的长周期项同偏心率本身成正比。这就使轨道较扁的远地卫星的轨道偏心率在一段时间内越变越大，有时甚至使卫星的近地点很快降到稠密大气层中，卫星因而陨落。通常来讲，对于卫星轨道的研究一般分为以下两步。（1）二体问题，即忽略所有摄动力，仅考虑地球质心引力，在这个前提下来研究卫星的运动。二体问题下的卫星运动可以得到卫星运动方程的严密解。（2）研究各种摄动力对卫星运动的影响，并对卫星的无摄轨道加以修正，从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。
• 在天体力学中，把研究两个质点在万有引力作用下的相对运动问题，称为二体问题。在大多数的实际问题中，都是以二体问题作为天体真实运动的第一近似，因此，二体问题在天体力学中具有特殊地位。在二体问题意义下，人造地球卫星的轨道运动，称为正常轨道运动。
• （1）开普勒第一定律：卫星运行的轨道为一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。为了证明开普勒第一定律，我们在轨道直角坐标系（x0, y0, z0）中建立卫星的运动方程，轨道直角坐标系（x0, y0, z0）原点与地球质心相重合，x0轴指向升交点，z0轴垂直于轨道平面向上，y0轴在轨道平面上垂直于x0轴构成右手直角坐标系。在轨道平面直角坐标系中，卫星处于O-x0y0平面内，即恒有z0=0，故卫星的运动方程可表示为

 3.4 卫星的位置和运行速度计算

• 如果已知卫星运动的6个轨道参数，就唯一地确定了二体问题意义下卫星的运动状态。也就是说，只要知道了卫星的6个轨道参数，就可以计算卫星的瞬时位置和瞬时速度。卫星瞬时位置和瞬时速度的计算，通常称为卫星星历的计算，卫星的轨道参数也称为星历参数。
• 3.4.2　卫星运行速度的计算描述卫星的运动，除了要了解卫星的瞬时位置，还应了解卫星相应的运动速度。根据开普勒第二定律可知，卫星在轨道上的运行速度是时间的函数。以下介绍卫星运行速度在不同坐标系统中的表现形式。1. 轨道直角坐标系中卫星的运行速度在轨道直角坐标系中，卫星运动的瞬时速度显然可以表示为[插图]由开普勒方程和平近点角Ms的表达式Ms=n（t-τ）可得[插图]将式（3-99）代入式（3-98）中，可得卫星在轨道直角坐标系中的运行速度为[插图]2. 轨道极坐标系统中卫星的运行速度若将卫星的运动速度表示为径向速度vr、切向速度vt和法向速度vn，在卫星的无摄运动中，由开普勒第一定律可知，垂直于轨道面的法向速度vn为0，则卫星的速度可表示为
• 应当指出，上述讨论都是基于卫星是在球形对称的地球引力场中运行而进行的，没有考虑其他摄动力的影响。实际上卫星在运动中将受到多种摄动力的作用，从而使卫星的运行在一定程度上偏离了理想轨道。虽然这种偏差不大，但是对于现代精密导航和定位都是不能忽略的。

 3.5 北斗卫星星历

• 3.5　北斗卫星星历卫星星历是描述卫星轨道运动的一组参数，根据这些参数可以计算出卫星在任意时刻的位置及其运动速度。利用北斗系统进行定位，就是依据已知的卫星轨道信息和用户的观测资料，经过数据处理来确定接收机位置及其载体的航行速度。因此，精确的轨道信息是精密定位的基础。通常，卫星导航定位系统通过两种方式向用户提供卫星星历，一种方式是通过导航电文中的数据块发送给用户接收机，通常称为预报星历，由于预报星历是以电文方式由卫星直接播送给用户接收机的，因此又称为广播星历；另一种方式是由导航系统的地面监控站，通过磁带、网络、电传等方式向用户提供，称为精密星历，由于这种星历通常是在事后向用户提供的，因此又称为后处理星历。3.5.1　北斗卫星的广播星历北斗卫星的广播星历由北斗系统的地面监测站提供的观测数据形成，并实时发布。广播星历包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改动项参数。参考历元的卫星开普勒轨道参数也称为参考星历。参考星历只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数，但是在摄动力的影响下，卫星的实际轨道随后将偏离其参考轨道，偏离的程度主要取决于观测历元与所选参考历元的时间差。一般来讲，可以用轨道参数的摄动项对已知的卫星参考星历加以改正，即可外推出任意观测历元的卫星星历。但由于摄动力的影响，随着外推时间的延长，卫星的实际轨道将逐渐偏离参考轨道，外推轨道精度降低。因此，为了保证广播星历的准确度，采用限制外推时间间隔的方法。北斗卫星的参考星历每小时更新一次，参考历元选在两次更新星历的中间时刻，这样参考历元外推的时间间隔限制为0.5h。但在每小时星历更新时，将会产生小的跳跃，一般可以采用拟合技术加以平滑。用户接收机在接收到卫星播发的导航电文后，通过解码即可获得所需要的卫星星历。广播星历的内容包括参考历元瞬间的开普勒轨道6参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻参数和星历数据龄期，总共17个星历参数。表3-1所示为由北斗卫星播发的星历参数及含义。
• 3.5.3　BDS卫星的精密星历在卫星导航定位过程中，广播星历由于其实时性，得到了广泛的应用。但是卫星广播星历包含外推误差，它的定位精度受到限制，不能满足精密定位工作的要求。后处理星历是不含外推误差的实测精密星历，它由地面跟踪站根据精密观测资料计算而得，可向用户提供用户观测时刻的卫星精密星历，其精度可达分米甚至厘米级。但是，用户不能实时通过卫星信号获得后处理星历，只能在事后通过通信媒体向用户传递。目前，获得精密星历比较方便且有效的方法是直接在国际GNSS服务组织（International GNSS Service，IGS）网站上下载其数据产品。IGS组织免费提供不同等级精度与时延的精密星历产品，15min间隔的精密星历精度优于5cm，卫星钟差优于100ps。IGS组织主要由GPS卫星跟踪网、数据中心、分析中心、综合分析中心、中央局及发布中心等部分组成，IGS产品仅包括GPS和GLONASS精密数据。为此，中国成立了iGMAS（International GNSS Monitoring & Assessment System），即国际全球连续监测评估系统。iGMAS于2007年开始建设，2011年6月，在ICG-6预备会上，国际合作研究中心首次提出了iGMAS倡议，在2011年9月ICG-6大会上，iGMAS倡议得到了各国代表团及IGS、IAG、FIG等国际组织的广泛关注和支持，并被写入联合国ICG-6会议联合声明文件，会议批准正式成立了国际GNSS监测与评估工作组。iGMAS旨在建立一个全球分布的GNSS信号跟踪网络，通过多GNSS高精度接收机和高增益全向天线，监测多GNSS的服务性能和信号质量，为全球广大用户提供服务。目前，iGMAS已经建成10个跟踪站，其中，中国境内有8个站，南北极各有1个站，同时全球还有25个跟踪站正在建设中。通过全球建站，把跟踪站的数据传输到数据中心，分析中心经过数据处理，对空间卫星状态和信号质量进行监测评估。iGMAS定期向用户提供两种类型的数据，即iGMAS全球跟踪站的观测数据和iGMAS产品，包括BDS卫星的最终星历、快速星历、超快速星历；BDS卫星钟的信息等。由于iGMAS分析中心提供的精密星历数据为间隔15min的卫星三维坐标，因此需要采用内插的方法得到所需历元时刻的卫星位置。目前常用的插值方法主要有拉格朗日多项式插值法（Lagrange Polynomial Interpolation）、三次样条内插法（Cubic Spline Interpolation）、三角多项式内插法（Trigonometric Polynomial Interpolation）和切比雪夫多项式内插法（Chebyshev Polynomial Interpolation）。其中比较经典的方法是拉格朗日多项式内插法。

 4.3 导航电文

• 3.D1导航电文详细结构编排D1导航电文包含基本导航信息，包括本卫星基本导航信息（包括周内秒计数、整周计数、用户距离精度指数、卫星自主健康标识、电离层延迟模型改正参数、卫星星历参数及数据龄期、卫星钟差参数及数据龄期、星上设备时延差）、全部卫星历书及与其他系统时间同步信息（UTC、其他卫星导航系统）。整个D1导航电文传送完毕需要12min。D1导航电文主帧结构及信息内容如图4-6所示。子帧1至子帧3播发基本导航信息；子帧4和子帧5的信息内容由24个页面分时发送，其中，子帧4的页面1～24和子帧5的页面1～10播发全部卫星历书信息及与其他系统时间同步信息；子帧5的页面11～24为预留页面。

 4.4 卫星的信号强度与覆盖

• 北斗终端接收的功率与卫星发射功率、发射天线增益、路径损耗、接收天线有效面积等因素有关。
• 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方，即功率之比。
• 1. 卫星对地覆盖人造卫星的地面覆盖也称为卫星对地面的可视范围。不同任务的卫星对地覆盖的要求显然不同，如照相侦察卫星要求对某指定区域进行高分辨率反复拍摄；导航卫星要求对尽可能大的区域提供服务；通信卫星也会根据通信服务范围对覆盖的区域提出具体的要求。即使执行同类任务的卫星，根据具体任务的不同，也要求设计出保证卫星能按一定规律覆盖全球或特定区域的卫星轨道。例如，对于侦察卫星，当任务要求卫星对地面的某些地区进行长时间观测时，则要设计出使卫星在该地区上空有较长停留时间或是静止于该地区上空的卫星轨道；当任务要求卫星上照相机能获得地面目标的高分辨率照片时，则要求卫星在目标上空的高度尽可能低；当任务要求卫星能获得全球的均匀分辨率的照片时，则要求卫星沿近圆轨道飞行。

 第5章 北斗系统定位原理

• 北斗卫星导航与定位系统利用几何和物理的一些基本原理，通过空间分布的卫星及卫星与地面间距离交会出地面点位置的方法，也就是利用了测量学中的测距交会的原理进行定位。假定有3颗卫星，且它们的位置是已知的，通过一定的方法准确测定出地面点A至卫星间的距离，那么A点一定位于以卫星为中心，以所测得的距离为半径的圆球上。若能同时测得点A至3颗卫星的距离，则该点一定处在3个圆球相交的两个点上。根据地理知识，很容易就能确定其中一个点就是我们所需要的点位。在以上假设下，即只要卫星位置已知，同时又已经测得3颗卫星的距离，即可完成定位。但是由于北斗卫星是分布在20000多千米高空的运动载体，只能在同一时间测定3个距离才可定位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析几何的角度出发，北斗定位包括确定一个点的三维坐标和实现同步4个未知数，因此必须至少通过测定到4颗卫星的距离才能完成定位。由此可见，要实现精确定位，必须解决以下两个问题。（1）确定卫星在某一时刻的准确位置。（2）准确测定卫星至地球上我们所在点的距离。第一个问题在第3章已经得以解决，接下来的任务则是解决如何测定距离的问题。本章中提到的距离测量主要有两种方法：一种是测量北斗卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；另一种则是测量具有载波多普勒频移的北斗卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。在卫星定位中，观测方程主要用来描述观测值与位置参数之间的函数关系。具体地说，在卫星时钟基本频率驱动下产生的卫星信号，离开卫星发射天线，穿越大气层，通过接收机天线进入接收机内部，并与接收机自身产生的信号（复制测距码）相比较，最终得到观测值（伪距）。这个观测值就是这个物理过程的结果，而观测方程则必须要反映在这个过程中，即观测值与卫星之间的几何距离、卫星和接收机时钟的误差、大气折射延迟、多路径效应及相对论延迟等一系列参数之间的函数关系。除此之外，通常还需要将观测值由卫星天线中心规划到卫星质量中心、由接收机天线相位中心规划到天线几何中心。在精密定位模型中，还要考虑卫星轨道误差、惯性坐标系到地坐标系的转换误差、极移及地球自转不均匀等因素的影响。

 5.1 基本概念

• 卫星导航与定位系统的定位方式根据定位时接收机天线的运动状态可将卫星定位分为静态定位和动态定位；根据定位模式可将卫星定位分为绝对定位（也称单点定位）、相对定位、差分定位；根据观测值类型可将卫星定位分为伪距测量（也称伪距法定位）和载波相位测量；根据定位时效性可将卫星定位分为实时定位和事后定位。
• 5.1.1　静态定位和动态定位静态定位是指在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。而这里所说的静止状态通常是指待定点的位置，相对其周围的点位没有发生变化，或者变化极其缓慢，以致在观测期内（数天或者数星期）可以忽略不计。在静态定位中，由于接收机的位置固定不动，因而可以进行大量的重复观测，所以静态定位的可靠性强，定位精度高，主要应用于测定板块运动、检测地壳形变、大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。动态定位是指在定位过程中，接收天线是处于运动状态的。这里所说的运动状态，通常是指待定点的位置相对其周围的点位发生了显著的变化，或针对所研究的问题来说，其状态在观测期内不能认为是静止的，从而其位置的变化也就不能忽略不计。动态定位具有以下几个特点。（1）用户多样性。动态定位的用户可包括地面行驶的车辆、水中航行的舰船和空中飞行的航空航天器等。（2）速度多异性。根据运动载体的运行速度，动态定位分为低动态、中动态和高动态3种定位形式。运动速度为几米/秒到几十米/秒时称为低动态定位。当运行速度为100～1000m/s时称为中动态定位。当载体的运动速度在1km/s以上时，称为高动态定位。对于地球板块运动，其运动速度极其缓慢，因此要求长时间的数据采集才能测得动态参数。（3）定位的实时性。例如，用三级火箭发射人造地球卫星时，从第一级火箭发动机点火开始到卫星入轨运行，共需17分19秒。从第859秒关闭第三级火箭发动机结束制导，到第1039秒卫星脱离第三级火箭入轨运行共计3分钟。在入轨历程中，每秒钟至少要测得一个动态点位，以便用180个实测点位描述出3分钟的历程，监测卫星准确入轨，因此要求动态定位具有高实时性。（4）数据采集的短时性。在高动态定位场合，要求以较短的时间，如亚秒级，来采集一个点位的定位数据。例如，1960年7月，苏联向太平洋发射一颗射程为13000km的导弹，从发射到着陆飞行了37分钟。若要在14775km的弹道上每隔2km测一个点位，则每0.27s便应定位一次，即数据采集时间为0.27s。动态定位是测定一个动点的实时位置，多余观测量少、定位精度低。目前导航型的北斗接收机可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的实时位置，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、时间和方位等。动态定位主要应用于飞机、船舶和陆地车辆等运动载体的导航。
• 绝对定位又称为单点定位，是指独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。目前北斗系统采用CGCS-2000坐标系统，因此单点定位的结果也位于该坐标系统。绝对定位的优点是只需一台接收机即可独立完成定位，外界观测的组织及实施较为方便，数据处理也较为简单；但是相比较而言，该定位模式定位精度较差，受卫星轨道误差、时钟同步误差及信号传播误差等因素的影响，精度只能达到米级，所以该定位模式不能满足大地测量精密定位的要求，但是绝对定位在船舶、飞机的导航、地质矿产勘探、暗礁定位、建立浮标、海洋捕鱼及低精度测量领域仍有着广泛的应用前景。相对定位如图5-1所示，是一种确定同步跟踪同一组北斗卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的定位方法。
• 相对定位可消除许多相同或相近的误差，定位精度较高；但组织实施困难，数据处理烦琐。因此，主要在大地测量、工程测量和地壳形变检测等精密定位领域获得了广泛的应用。在绝对定位和相对定位中，又都包含了静态定位和动态定位两种方式。因此形成了动态绝对定位和静态绝对定位，以及动态相对定位和静态相对定位。其中静态相对定位一般采用载波相位观测值为基本观测量，这种定位方法是当前卫星定位测量中精度最高的一种方法，在大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精密导航等精度要求较高的测量工作中被普遍采用。为了缩短观测时间，提高作业效率，近年来还发展了一些快速定位方法，如准动态相对定位方法和快速静态相对定位方法等。
• 差分定位是指在一个观测站对两个目标的观测量或两个观测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。这样做的目的是消除公共项，包括公共误差和公共参数。差分定位采用单点定位的数学模型，具有相对定位的特性（使用多台接收机、基准站与流动站同步观测），如图5-2所示，在地面选择一个位置精确已知的点，并安装一台北斗接收机作为基准站，测量接收机（也称为流动站）安装在移动载体上，两台北斗接收机跟踪同一组卫星信号。基准站实时观测获得实际值和观测值之间的误差，将观测误差通过数据链路发送给流动站，流动站利用接收到的基准站观测误差修正自身的测量结果，以提高测量精度。

 5.2 伪距法测量

• 伪距法定位是根据卫星接收机在某一时刻得到的4颗或4颗以上北斗卫星的伪距及已知的卫星位置，采用空间距离交会的方法求得接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达北斗接收机的传播时间乘以光速所得出的测量距离。由于卫星时钟、接收机的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟等因素的影响，实际测出的距离[插图]与卫星到接收机天线的几何距离ρ有一定的差值，因此一般称测量出的距离为伪距。用B1I码进行测量的伪距称为B1I码伪距，用B2I码测量的伪距称为B2I码伪距。
• 伪距定位中最关键的步骤是进行伪距测量，也就是测量测距码信号从卫星到达接收机的传播时间。传播时间的时序关系如图5-3所示。
• 北斗卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码经过△t时间的传播后到达接收机。接收机在自己的时钟控制下产生一组结构与卫星发出的测距码完全相同的码—复制码，并通过时延器使其延迟时间τ，将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数R（τ）≠1，则继续调整延迟时间τ，直至自相关系数R（τ）=1为止，此时接收机所产生的复制码与接收到的卫星测距码完全对齐，延迟时间τ即为卫星信号从卫星传播到接收机所用的时间△t，卫星至接收机的距离即为τ与c的乘积。伪距测量原理如图5-4所示，自相关系数R（τ）的测定由接收机锁相环中的相关器和积分器来完成。由卫星时钟控制的测距码a（t）在BDS时间t时刻自卫星天线发出，穿过电离层、对流层经时间延迟Δt到达BDS接收机，接收机所接收到的信号为a（t-Δt）。由接收机时钟控制的本地码发生器产生一个与卫星发出的测距码相同的本地码a（t+δt），δt为接收机时钟与卫星时钟的钟差。经过码移位电路将本地码延迟τ，并送至相关器与所接收到的卫星信号进行相关运算，经过积分器后，即可得到自相关系数R（τ）

 5.3 伪距观测方程及定位计算

• 在北斗定位中，观测方程主要用来描述观测值与位置参数之间的函数关系。伪距测量观测方程，也称为伪距观测方程，就是把测距码信号（B1I码或B2I码）距离延迟作为观测量的观测方程。在建立伪距测量观测方程之前，先做一些符号上的约定。tj（DBS）：卫星Sj发射信号时的理想北斗系统时刻。ti（BDS）：接收机Ti收到该卫星信号时的理想北斗系统时刻。tj：卫星Sj发射信号时的卫星时钟的时刻。ti：接收机Ti收到该卫星信号时接收机时钟的时刻。[插图]：卫星信号到达观测站的传播时间。δtj：卫星时钟相对于理想北斗系统时刻的钟差。δti：接收机时钟相对于理想北斗系统时刻的钟差。

 5.4 载波相位观测方程

• 5.4.3　载波相位观测的主要问题载波相位测量中，无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪北斗卫星进行观测的过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过进行适当的数据处理来解决，但这会使数据处理复杂化。如果要进行测相伪距绝对定位，观测前应将接收机固定在一点上观测一段时间，以求得整周未知数，这一过程称为初始化，然后才能进行测相伪距动态绝对定位。载波相位观测应注意以下几点：（1）整周数的变化部分由计数器记录，此间信号不能间断，如果此间到达接收机的信号被遮挡，造成失锁，遮挡期间整周计数暂停，遮挡移去后继续计数，这就丢掉了遮挡期间的若干整周数，这种情况叫跳周。引起跳周的另一原因是强电磁干扰。（2）因各项误差影响，整周未知数往往不为整数。目前，确定整周未知数的方法有多种。主要有平差待定系数法、三差法、交换天线法、最小二乘搜索法、模糊度函数法，以及快速解算整周模糊度法（FARA）和动态确定整周模糊度法（AROF）等。

 5.5 观测卫星的精度

• 北斗系统定位精度主要取决于两个因素：测量误差和卫星的几何分布。北斗定位误差可以用总的等效距离误差σ和几何图形精度因子GDOP的乘积来表示。本节我们将讨论测量误差的来源、有关评价定位精度的方法和卫星的几何分布对定位精度的影响等问题。
• 北斗卫星定位是通过地面接收机接收卫星传送的测距码、载波相位和星历数据来确定地面点的三维坐标的。北斗系统的测量误差主要来源于导航卫星、卫星信号的传播过程和接收机。在高精度的测量中，定位精度还会受到与地球整体运动有关的固体潮汐、负荷潮以及相对论效应等的影响。
• 1. 与卫星有关的误差这类误差主要包括卫星星历误差和卫星时钟误差，它们是由于北斗系统地面监控部分不能绝对准确地预测、测量出卫星的运行轨道和卫星时钟的钟漂而引起的。北斗系统卫星星历误差是指卫星星历所提供的卫星空间位置与实际位置之间的偏差。北斗系统地面监控部分用16个星历参数来描述、预测卫星运行的轨道，但卫星在运行过程中必然会受到各种复杂的摄动力的影响，因此预测的轨道模型与卫星的真实轨道之间必然存在着差异。在绝对定位中，广播星历误差对观测站坐标的影响可达几十米到上百米。星历误差对相对定位的影响要远小于对单点定位的影响，但也是精密相对定位中的主要误差来源之一。星历误差属于系统误差，且各个卫星的星历误差一般是相互独立的。在北斗系统定位中，卫星与观测站之间距离的测量实质上是卫星信号传播时间的测量。卫星在观测时刻的空间位置坐标也是根据星历参考时间和星历参数推算得到的。因此，测量的精度与卫星时钟误差有着密切的关系。导航卫星上虽然使用了高精度的原子钟，其稳定度为10-13，但它们仍不可避免地存在着误差。这种误差包含系统误差（由钟差、频偏、频漂等产生的误差），也包含随机误差。系统误差要比随机误差大，但可以通过模型加以改正，因而随机误差就成为衡量卫星时钟质量的重要标志。卫星时钟误差可用二阶多项式表示为△ts=a0+a1（t-toc）+a2（t-toc）2　（5-46）式中，toc为本时段钟差参数参考时间；a0、a1、a2分别表示在toc时刻的钟差、钟速及钟速的变化率。这些钟差参数通过卫星的导航电文广播给用户。
• 2. 与信号传播有关的误差卫星信号从卫星端传播到接收机需要穿越大气层，大气层对信号传播的影响主要表现为大气延时。大气延时误差通常分为电离层延时和对流层延时。地球上空距离地面50～1000km的大气层称为电离层，电离层中的大气分子在太阳光的照射下会分解成大气电离子和电子。当电磁波穿过充满电子的电离层时，它的传播速度和方向会发生改变，致使卫星导航系统测量结果产生系统性的偏离。对流层位于大气的底部，其顶部离地面大约40km，对流层集中了大气层99%的质量，其中的氧气、氮气和水蒸气等是造成卫星信号传播延时的主要原因。卫星信号通过对流层时传播速度要发生变化，从而使测量结果产生系统误差，该误差会受到气温、气压及温度等因素的影响。此外，接收机天线除了会接收到从导航卫星发射后经直线传播的电磁波信号，还可能接收到一个或多个经周围地物反射一次或多次后的信号，这称为多径效应。多径效应同样会对测量结果产生误差，该误差受接收机周围环境和接收机天线性能的影响。对于北斗单频接收机，减弱电离层影响可以利用导航电文提供的电离层延迟改正模型参数加以改正。
• 3. 与接收机有关的误差与接收机有关的误差主要包括观测误差、接收机的时钟误差、天线相位中心位置偏差、载波相位观测中的整周未知数，以及各部分电子器件的热噪声、信号量化误差、测定码相位与载波相位的算法误差及接收机软件中的计算误差等。其中观测误差主要有信号分辨误差和天线安置误差（接收机天线相位中心点与接收机中心位置不重合）。
• 5.5.3　卫星的几何分布北斗系统绝对定位的误差与精度因子有关，而精度因子与所测卫星的几何分布情况有关，因此，精度因子也称为观测卫星的图形强度因子。由于卫星的运动及观测卫星的选择不同，所测卫星在空间的几何分布图形是变化的，因而精度因子的数值也是变化的。既然精度因子与卫星的几何分布图形有关，那么哪种分布图形比较适宜自然是人们关心的问题。理论分析得出：假设观测站与4颗卫星构成一个六面体，则精度因子GDOP与该六面体体积V的倒数成正比，即[插图]也就是说，所测卫星在空间的分布范围越大，六面体的体积就越大，则GDOP值越小；反之，六面体的体积越小，GDOP值越大。理论分析表明：在由观测站至4颗卫星的观测方向中，当任意两方向之间的夹角接近109.5°时，其六面体的体积最大。但实际观测中，为减弱大气折射的影响，所测卫星的高度角不能过低。因此必须在满足卫星高度角要求的条件下，尽可能使六面体体积接近最大。一般认为，在高度角满足上述条件时，当1颗卫星处于天顶，而其余3颗卫星相距约120°时，所构成的六面体体积接近最大，这可作为实际工作中选择和评价观测卫星分布的参考。

 5.6 BDS相对定位

• 5.6　BDS相对定位利用BDS进行绝对定位时，定位精度受卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等因素的影响，尽管其中的一些系统误差，可以通过模型加以消除，但残差仍不可忽视。实践表明，静态绝对定位精度可达到米级，而动态绝对定位精度仅为10～40m。与绝对定位相比，BDS相对定位可以消除许多相同或相近的误差，定位精度较高，如图5-7所示，相对定位是利用两台BDS接收机，分别安置在基线的两端，同步观测相同的BDS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。[插图]图5-7　BDS相对定位相对定位方法一般可推广到多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测BDS卫星，以确定多条基线向量，如图5-8所示。
• 5.6.1　静态相对定位静态相对定位是指安置在基线两端的接收机固定不动，通过连续观测，取得充分的观测数据，以改善定位精度的一种测量方法。静态相对定位一般均采用载波相位观测值作为基本观测量，对中等长度的基线（100～500km），相对定位精度可达10-7～10-6量级，甚至更好。在载波相位观测的数据处理中，为可靠地确定载波相位整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间（1.0～1.5h），如何缩短观测时间是人们研究和关心的热点。缩短静态相对定位的观测时间关键在于快速、可靠地确定整周未知数。假设安置在基线端点的观测站T1和T2分别在历元t1和t2对卫星k和j进行同步观测，如图5-9所示，则可得载波相位观测量[插图]、[插图]。在相对定位中，通常采用的组合方式有3种，即单差、双差和三差。
• 5.6.2　动态相对定位动态相对定位根据采用的观测量不同，分为以测码伪距为观测量的动态相对定位和以测相伪距为观测量的动态相对定位。测码伪距动态相对定位目前实时定位精度为米级。以相对定位原理为基础的实时差分可有效减弱卫星轨道误差、钟差、大气折射误差等因素的影响，定位精度远远高于测码伪距动态绝对定位。测相伪距动态相对定位是以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数为基础的一种高精度动态相对定位法，目前在较小范围内（小于30km），定位精度达1～2cm。动态相对定位中，根据数据处理方式的不同，可分为实时处理和后处理。数据的实时处理要求在观测过程中实时地获得定位结果，无须存储观测数据，但在流动站和基准站之间必须实时地传输观测数据或观测量的修正数据，这种处理方式对运动目标的导航、监测和管理具有重要意义。数据的后处理要求在观测过程结束后，通过数据处理而获得定位结果。该处理方式可以对观测数据进行详细分析，易于发现误差，不需要实时传输数据，但需要存储观测数据。后处理方式主要应用于基线较长、无须实时获得定位结果的测量工作。

 5.7 差分BDS

• 5.7　差分BDS减小BDS测量误差是提高BDS定位精度的措施之一，而差分BDS（Differential BDS，DBDS）可消除公共参数，有效地减小观测方程中的公共误差，从而提高定位精度。5.7.1　差分BDS的原理差分BDS的基本工作原理主要是依据卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时与对流层延时所具有的空间相关性和时间相关性这一事实。在同一地域内的不同接收机，它们的BDS测量值中所包含的上述4种误差成分近似相等或者高度相关。通常将其中的一个接收机作为参考用，并称该接收机的所在地为基准站或参考站，该接收机也就称为基准站接收机。基准站接收机通过测量BDS信号而计算出差分校正量，然后将其发送给位于差分服务范围内的流动站（用户）接收机，从而减小甚至消除流动站BDS测量误差，提高定位精度，这就是差分BDS的基本工作原理。通常情况下，流动站接收机离基准站接收机越近，同一卫星信号到这两个接收机的传播途径也就越近，两接收机之间测量误差的相关性就越强，差分系统的工作效果就越好。在BDS定位过程中，存在3部分误差：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差和与接收机有关的误差。其中第1部分是每一个用户接收机所共有的误差，利用差分技术可以完全消除；第2部分误差具有很强的相关性，利用差分技术可以大部分消除，这主要取决于基准接收机与用户接收机的距离；第3部分为各用户接收机所固有的误差，几乎不具有任何相关性，因而无法消除。
• 5.7.2　差分BDS的分类不同的差分BDS系统的基本工作原理相同，但它们可能具有不同的运行环境、操作方式和服务性能。差分BDS系统可从以下几方面进行分类。（1）根据所服务的地理范围，差分BDS可分为局域差分系统、区域差分系统和广域差分系统。局域差分系统的基线长度一般为10～100km，定位精度较高；广域差分系统的服务范围可覆盖整个大陆板块甚至全球，但定位精度有所降低；而区域差分系统的服务范围和定位精度介于二者之间。（2）根据基准站数目的不同，差分BDS可分为单基准站差分BDS和多基准站差分BDS。单基准站差分系统一般只能用于局域差分系统，而区域与广域差分系统一般都是多基准站差分系统。（3）根据用户接收机的定位结果形式来分，差分BDS定位可以分为绝对定位和相对定位。在绝对定位中，基准站接收天线的位置坐标需要精确确定，差分服务的用户接收机可求解出其天线位置在同一坐标系统中的定位值；相反，相对定位系统可以不需要知道基准站接收天线的精确位置坐标，用户接收机所解得的定位结果是相对于基准站位置的基线向量。（4）根据进行差分操作级数的不同，差分BDS可分为单差、双差和三差3种，它们通常出现在相对定位系统中。单差由两个BDS测量值经一次差分得到，单差的差分为双差，双差的再一次差分为三差。（5）根据用户接收机运动状态的不同，差分BDS可分为静态定位与动态定位两种。（6）根据用户是否要求实时性定位，差分BDS可以分为实时处理和测后处理两种。一般实时差分系统属于短基线差分系统，而长基线差分系统一般允许做测后处理。（7）根据予以差分校正的目标参量的不同，差分BDS主要分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。下面几小节将简要介绍位置差分、伪距差分和载波相位差分系统。
• 5.7.3　位置差分位置差分是最简单的差分方法，任何一种BDS接收机均可改装或组成这种位置差分系统，如图5-12所示。安置在已知点基准站上的BDS接收机，经过对4颗或4颗以上的卫星观测便可实现定位，求出基准站的坐标。然后将求得的坐标与已知坐标比较，得到坐标改正数据，基准站利用数据链将坐标改正数据发送给用户站，用户站用接收到的坐标改正数据对其坐标进行改正。位置差分的优点是需传输的差分改正数少，计算简单，适于各种接收机。缺点是基准站与用户必须观测同一组卫星，在近距离可以做到，距离较长时很难满足，一般位置差分适用于100km以内的服务范围。
• 5.7.4　伪距差分伪距差分是目前应用最广的一种定位技术，几乎所有的商用差分BDS接收机均采用这种技术，如图5-13所示。伪距差分技术是通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差，并将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距求出自身的坐标。与距离差分类似，随着流动站到基准站距离的增加，伪距差分系统的定位精度也会逐渐降低。
• 5.7.5　载波相位差分BDS位置差分技术与伪距差分技术能提高BDS定位的精度，基本满足定位导航等方面的需求。更加精密的BDS差分技术是载波相位差分技术，一般又称为实时动态差分技术（Real Time Kinematic，RTK）。载波相位差分技术是BDS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图及各种控制测量带来了新的曙光，极大地提高了野外作业效率。载波差分技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，它能以厘米级的精度实时地提供流动站的三维坐标。与其他差分技术不同的是，载波差分技术中基准站传送的数据是伪距和相位的原始观测量，流动站接收机收到基准站的数据后，与本机观测的数据组成相位差分观测值，利用与静态相对测量类似的处理方法对基线进行求解，进而推算出测量点的坐标。实现载波相位差分的方法主要有两种：修正法和差分法。前者与伪距差分类似，基准站将载波相位修正量发送给流动站，以改正其载波相位观测值，然后求解坐标。后者将基准站观测的载波相位发送给流动站进行求差，进而解算出坐标。在求解中最棘手的问题是如何求解相位整周模糊度。求解相位整周模糊度的方法很多，最常用的有三差法、模糊度函数法、频率综合法和快速逼近法等。这些方法可分为两大类：有初始化方法和无初始化方法。前者要求移动台固定观测一定时间，如15min，利用静态相对测量软件进行求解，得到每颗卫星的相位整周模糊度，这一过程称为初始化过程。然后将此相位整周模糊度加以固定，在以后的动态测量中作为已知量进行求解。后者名义上无初始化，实际上仍要初始化，不过初始化的时间比较短，如只需3～5min。然后利用FARA（Fast Ambiguity Resolution Approach）算法、OTF（On The Fly Ambiguity Resolution）算法或其他方法快速求解相位整周模糊度。要做到这一点，需要采用双频接收机获得更多的信息。不管采用哪种方法，都要求初始化后保持卫星信号不失锁。一旦信号失锁，需返回起算点重新捕获和锁定。这是应用RTK技术时最致命的弱点。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把相位观测数据和已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率。移动通信数据网GPRS和CDMA网络的高速率数据传输大大提高了数据的传输效率和范围。随着卫星定位技术的不断发展，RTK技术已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统，有些城市建立起CORS（Continuously Operating Reference Stations）系统，这就大大提高了RTK的测量范围。
• 基于北斗卫星导航系统的多星测量型接收机是RTK发展的方向，它可接收14～20颗卫星的信号，是常规RTK所无法比拟的，该技术使BDS设备具备最短时间达到厘米级精度的能力与最强的抗干扰遮挡能力。以下是一款北斗测量型RTK接收机的性能参数。卫星信号：BDS：B1、B2、B3GPS：L1C/A、L1C、L2C、L2EGLONASS：L1C/A、L1P、L2C/A、L2PGalileo：E1、E5a、E5bSBAS：WAAS、EGNOS、GAGAN、MSAS定位精度：静态测量：平面精度 ±2.5mm+ 1ppm，高程精度±5mm+ 1ppm RTK测量：平面精度 ±10mm+ 1ppm ，高程精度 ±20mm+ 1ppmDGPS：平面精度 ±0.25m+ 1ppm，高程精度 ±0.5m+ 1ppmSBAS定位（典型）：平面精度<1m，高程精度<5m初始化时间：<10s初始化可靠性：>99.9%

 第6章 北斗卫星导航接收机

• 北斗卫星导航接收机（简称北斗接收机）是北斗卫星导航系统的用户设备，是实现卫星导航定位的终端设备。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量卫星导航定位信号的无线电接收设备，其主要功能是接收北斗卫星发射的导航信号并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。北斗接收机既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。北斗接收机的系统框图如图6-1所示，主要由天线单元（有源或者无源天线，目前大部分的北斗接收机天线是有源的）、射频单元、基带处理单元和电源单元组成。
• 1. 天线单元天线单元的主要功能是接收来自卫星的导航信号。天线单元主要由天线和前置放大器组成。天线的作用是将极微弱的导航卫星电磁波信号转变为电压或电流信号，而前置放大器则是将接收到的卫星信号予以放大。2. 射频单元北斗接收机射频单元的功能是将北斗卫星的射频信号转换成较低频率的信号（即中频信号），同时将中频信号进行放大，然后进行模数转换，以便后续进行数字化处理。把射频信号转换成中频信号的过程称为混频。通常是将天线送来的输入信号，经过滤波和放大，与本机振荡器产生的本振信号进行混频，形成中频信号。绝大多数卫星导航接收机的本振源采用以精密石英晶体振荡器为基准的频率合成器。中频信号除了在载波频率上变低，射频信号上所调制的信息也转移到了中频信号上。
• 3. 基带处理单元基带处理单元由信号通道单元、微处理器单元、存储单元和用户接口单元组成，其主要完成对卫星信号的捕获、跟踪、导航电文的解调，进行定位解算和导航数据输出等功能。信号通道单元可以理解为导航卫星发射的信号经由天线进入接收机微处理器单元的路径。当接收机的全向天线接收到所有来自天线水平面以上的卫星信号之后，首先必须将这些信号分离开来，以便进行处理和量测，这依靠接收机内若干分离信号的通道来实现。这里的信号通道不是一种简单的信号通道，而是一种由硬件和相应的控制软件相结合的有机体。每个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号，当接收机需跟踪多个卫星信号时，可采用两种跟踪方式：一种是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号；另一种是接收机只有一个信号通道，在相应软件的控制下，可跟踪多个卫星信号。目前，GPS接收机多应用并行多通道技术，即同一时刻可同时跟踪多颗卫星，大大缩短了捕获和跟踪的时间，从而缩短了计算接收机PVT（Position, Velocity and Time）的时间。接收机的计算部分由微处理器和机内软件组成，机内软件由接收机厂商提供，是实现数据采集、通道自校自动化的重要组成部分，主要用于信号捕获、跟踪和点位计算。微处理器结合机内软件进行下列计算和处理。（1）接收机开机后，立即指令各个通道进行自检，适时地在视屏显示窗内显示各自的自检结果，并测定、校正和存储各个通道的时延值。（2）接收机对卫星进行捕捉跟踪后，根据跟踪环路所输出的数据码，解译出BDS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将B1I或B2I码伪距观测值连同星历一起计算出观测站的三维位置，并按照预置的位置数据更新率，不断更新（计算）点的坐标。（3）用已测得的点位坐标和卫星历书，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角，并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况，以便选用“健康”的且分布适宜的定位卫星，达到提高点位精度的目的。存储单元用于存储系统运行的程序和历书数据。BDS接收机可为用户提供定位、导航或其他服务，这些服务需要通过相关的应用程序处理导航数据后才能实现，因此在BDS接收机内需要有一定容量的存储器以存储相关的数据和程序。另外，在某些应用服务中，BDS接收机需要存储定位现场所采集的伪距、载波相位测量及所解译的BDS卫星星历等数据。这些数据可以存储在存储器里面，或者通过外接计算机直接存储到磁盘上。用户接口单元提供BDS接收机与外界进行交互的接口。例如，BDS接收机可以通过串行接口向外界（如计算机）发送或读取数据。用户接口单元还提供人机接口的服务，使用户可以通过操作键盘来使用BDS接收机，通过显示屏了解定位、导航或其他信息。
• 4. 电源单元BDS接收机的电源可以是蓄电池，也可以是充电电池或外接输入电源，对接收机的不同部分供电时其电压可能不同。不同BDS接收机的电池类型和容量差异很大，电源蓄电池及其充电器往往会制约接收机的大小和质量。北斗接收机如果按其构成部分的性质和功能又可分为硬件部分和软件部分。硬件部分主要指处理器、天线和电源等硬件设备；软件部分是支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航与定位任务的程序。软件部分可分为内软件和外软件。其中内软件是指诸如控制接收机信号通道，按时序对各卫星信号进行测量的软件，以及存储或固化在中央处理器内的自动操作程序等，这类软件已和接收机融为一体。而外软件是指观测数据后处理的软件系统，这种软件一般以磁盘方式提供。通常所说的接收设备软件均指这种后处理软件系统。软件部分是构成现代BDS测量系统的重要组成部分之一。一个功能齐全、品质良好的软件，不仅能方便用户使用，满足用户的各方面要求，而且对于改善定位精度、提高作业效率和开拓新的应用领域都具有重要意义。因此，软件的质量与功能已成为反映现代BDS测量系统先进水平的一个重要标志。综上所述，北斗接收机的主要功能是当BDS卫星在用户视界升起时，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行。对所接收到的BDS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出BDS信号从卫星到接收天线的传播时间及其速率，解译出BDS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置、三维速度和时间。

 6.2 北斗接收机的分类

• 6.2　北斗接收机的分类随着卫星导航定位技术的迅速发展，其应用领域越来越广阔，北斗卫星导航接收机的研制工作得到前所未有的重视，生产得到了快速的发展。北斗接收机按工作原理、服务模式、所接收卫星信号的频率及接收信号通道的数目可分成许多不同的类型。6.2.1　按接收机的工作原理分类按接收机的工作原理可分为码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机。码相关型接收机利用码相关技术得到伪距观测量，即由北斗接收机产生与卫星上发射的伪随机码（CB1I码或CB2I码）结构完全相同的复制码，通过延时器使复制码与接收码最大相关，测定出卫星信号到达用户接收机天线的传播时间，从而得到伪距观测值。这种接收机一定要知道码的结构，故也称为有码接收机。已知CB1I码的结构为CB1I码接收机，CB2I码的结构为CB2I码接收机，目前国内的北斗导航接收机大多为CB1I码接收机。平方型接收机利用载波信号的平方去掉调制信号，获得载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，来测定伪距观测值。这种接收机不需要掌握测距码结构，称为无码接收机。
• 6.2.2　按服务模式分类按应用北斗卫星业务的不同服务模式，北斗接收机可分为RDSS（Radio Determination Satellite Service）型接收机和RNSS（Radio Navigation Satellite Service）型接收机两种类型。RNSS是一种卫星无线电导航业务，由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少到4颗卫星的距离测量，进行用户位置、速度及航行参数计算。RDSS是另一种卫星无线电测定业务，用户至卫星的距离测量和位置计算无法由用户自身独立完成，必须由外部系统通过用户的应答来完成。其特点是通过用户应答，在完成定位的同时，完成向外部系统的用户位置报告，还可实现定位与通信的集成，实现在同一系统中的导航通信集成。RNSS与RDSS集成，是在卫星导航系统的导航卫星及运控应用系统中同时集成RNSS和RDSS两种业务。系统既可为用户提供连续定位和测速能力（即所谓无源导航定位），又可进行无信息传输的高安全级别的位置报告。其导航与通信的集成可以互相嵌入，互为增强。
• 6.2.3　按接收机的用途分类按接收机用途可分为导航型接收机、测量型接收机、授时型接收机、短报文通信型接收机。导航型接收机主要用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障运载体按预定路线航行或选择最佳路线。导航型接收机一般采用以伪距为观测量的单点实时定位或差分BDS定位方法，其定位精度较低，但结构简单，操作方便，价格便宜，因此应用十分广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为车载型（用于车辆导航定位）、航海型（用于船舶导航定位）、航空型（用于飞机导航定位）、星载型（用于卫星的导航定位）。由于飞机运行速度快，因此，在航空中使用的接收机要求能适应高速运动。卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。测量型接收机采用载波相位观测量进行相对定位，定位精度高。观测数据可测后处理，也可实时处理（RTK），需配备数据处理软件。与导航型接收机相比，测量型接收机结构复杂，功能完善，当然价格也要昂贵。授时型接收机主要利用北斗卫星提供的高精度时间标准进行授时，授时精度优于50ns，常用于移动基站、天文台或地面监控站中的时频同步测定。短报文通信型接收机是一种具有短报文接收和发送的北斗卫星导航接收机。北斗通信终端应能通过申请定位或发送位置信息实现位置报告。位置报告信息内容包括发信方ID地址码、报告时间和位置等信息。这也是北斗卫星导航系统特有的功能。
• 6.2.4　按接收机的载波频率分类按接收机接收的载波频率可分为单频接收机、双频接收机、多频接收机。单频接收机只接收调制的B1I信号，虽然可利用导航电文提供的参数对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，因此主要用于小于20km的短基线精密定位。双频接收机可以同时接收B1I和B2I载波信号，利用双频对电离层延迟的不一样，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。多频接收机除了可以接收B1I和B2I信号，还可接收B3信号或者更多的北斗卫星导航信号。
• 6.2.5　按接收机的通道数分类北斗接收机可同时接收多颗卫星信号，接收机通道数表征可同时跟踪卫星信号的数量。按接收机通道数可分为序贯通道（Sequencing Channel）接收机、多路复用通道（Multiplexing Channel）接收机、多通道（Multi-Channel）接收机。序贯通道接收机只有一个信号通道，无法同时对多颗卫星信号进行跟踪和测量。为了实现对多个卫星信号的跟踪，通常采用软件控制，按一定时序依次对不同卫星进行跟踪和测量，因此一个循环所需时间较长（数秒钟），无法对卫星的信号进行连续跟踪测量。但序贯通道接收机具有结构简单、体积小、质量小等优点。随着半导体和大规模集成电路技术的发展，序贯通道接收机已经很少见了。多路复用通道接收机具有一个或两个信号接收通道，在相应软件控制下，依次对多颗卫星信号进行跟踪测量时，一个循环时间很短（一般不超过20ms），可对各颗卫星信号进行连续跟踪测量。多路复用通道接收机的信噪比低于多通道接收机。多通道接收机具有多个信号通道，可同时接收测量多颗卫星信号。每个通道只能连续跟踪一个卫星信号，因此也被称为连续跟踪型接收机。这种接收机的优点是可以对卫星进行连续跟踪，同时可得到卫星广播星历。目前，微电子技术的发展为多通道接收机的实现提供了硬件基础，测量型接收机可以提供几十个通道。

 6.3 北斗接收机的主要技术指标

• 6.3　北斗接收机的主要技术指标北斗接收机的种类繁多，其性能指标按照行业和用途的不同，差别很大。除定位、测速、授时精度和接收机尺寸、质量等性能指标外，接收机还具有以下主要技术指标。（1）接收机的通道数。它表示接收机可以同时并行接收、处理北斗卫星信号的能力。通用型北斗接收机通常有不少于12个通道，甚至也有20个以上通道的。如果北斗接收机兼容多种GNSS，接收机的通道可达200多个。（2）接收卫星信号的种类。导航型接收机通常可以接收B1、B2和B3导航信号，测量型接收机除了能够接收北斗信号，还可接收GPS L1和L2信号，GLONASS L1和L2信号，以及SBAS和WAAS信号。（3）灵敏度。灵敏度表征接收机接收微弱信号的能力，接收机能接收的信号越微弱，则其灵敏度越高。灵敏度常用最小可检测信号功率Simin来表示，当接收机的输入信号功率达到Simin时，接收机就能正常工作。如根据《北斗卫星导航系统用户终端通用技术要求（预）》，北斗RDSS终端在信息误码率小于1×10-5的条件下，接收信号灵敏度应优于-124dBmW；RNSS终端能捕获信号时，输入端信号电平应不大于-130dBmW；在跟踪卫星信号时，终端正常工作且不失锁的输入端信号电平不大于-133dBmW。（4）定位精度。北斗系统服务区内公开服务定位精度为：水平和垂直方位不大于10m（2σ）。不同类型的北斗接收机对定位精度的要求不同，如导航型接收机的定位精度要求为：在HDOP≤5的条件下，水平定位精度不大于20m（2σ）；在VDOP≤5的条件下，高程定位精度不大于20m（2σ）。例如，测量型接收机的定位精度要求高一些，单点定位精度应优于±15m（2σ）；相对定位的平面位置精度应优于±（2.5+0.5×10-6×D）mm，高程精度应优于±（5+10-6×D）mm（基线长度小于30km）；RTK测量时，平面位置精度应优于±（10+10-6×D）mm，高程精度应优于±（20+10-6×D）mm，其中D为基线长度（单位为千米）。（5）定时精度。例如，北斗RDSS接收机单向定时精度应优于50ns（1σ），双向定时精度应优于10ns（1σ）；导航型接收机在与UTC整秒时刻同步的条件下，定时精度不大于1ms；授时型北斗接收机输出的秒脉冲信号与BDT的单向定时精度不大于200ns，RDSS接收机的双向定时精度不大于20ns。（6）位置数据更新率。一般为1～10次/秒，通常高动态北斗接收机的更新率要求更高。（7）首次定位时间。指北斗接收机从开始加电到首次得到满足定位精度要求的定位结果所需的时间，分为以下3种情况：① 冷启动（Cold Start）。例如，北斗接收机初次使用，或北斗接收机在不加电或不接收北斗导航卫星信号的情况下，移动距离超过1000km，或北斗接收机连续7天以上设备不加电或不接收BDS信号。在冷启动的情况下，北斗接收机中没有可用的预存正确星历数据，所以需要重新搜索、捕获和跟踪导航卫星，获得导航卫星星历，此时一般首次定位时间较长。② 热启动（Hot Start）。一般指北斗接收机距离上次定位时间小于两小时的启动，此时接收机中保存有正确的星历数据可用。热启动首次定位时间一般较短。③ 温启动（Warm Start）。一般指北斗接收机距离上次定位时间大于两小时且小于7天的启动。对于导航型接收机，温启动（历书可用、有概略位置和时间）的首次定位时间应不大于60s（捕获概率优于95%）；热启动（历书可用、星历可用，有概略位置和时间）的首次定位时间应不大于15s（捕获概率优于95%）。对于测量型接收机，冷启动的定位时间应小于5min，温启动的定位时间应小于2min，热启动的定位时间应小于30s。（8）失锁重捕时间。失锁重捕是指当北斗接收机在正常工作的情况下，发生短时掉电或发生北斗卫星信号瞬间中断小于30s，然后再次恢复正常的情况，此时要求接收机应在尽量短的时间内重新捕获卫星，恢复正常工作。例如，导航型接收机要求在卫星信号暂短中断30s后，失锁重捕获时间不大于5s；RDSS接收机要求在卫星信号暂短中断30s后，失锁重捕获时间优于2s。（9）输入输出接口。北斗接收机应提供一个或两个数据输入输出接口，以便与外部设备进行数据通信。北斗测量型接收机在进行动态测量时，数据链可以采用CDMA、GSM、GPRS、WIFI等通信手段。（10）工作电源要求。包括电压种类、范围、功率损耗。（11）环境要求。包括工作温度、湿度、存储温度，冲击、振动条件等。（12）可靠性指标。常以设备平均故障间隔时间（MTBF）最低可接受值表示。MTBF越长表示可靠性越高，正确工作能力越强。例如，MTBF不小于4000h。（13）维修性指标。常以设备平均故障修复时间（MTTR）表示。MTTR越短表示设备易修复性越好。

 6.4 北斗接收机天线

• 6.4　北斗接收机天线北斗接收机的种类虽然很多，但从其结构来分析，可以概括为天线单元和接收单元两大部分。天线单元又称为天线前端，主要由天线和前置放大器两部分组成。天线的作用是将极微弱的BDS卫星电磁波信号转化为相应的电信号，而前置放大器则是将得到的电信号予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分有以下要求：（1）天线与前置放大器一般密封为一体，以保障其在恶劣气象条件下仍能正常工作，并减少信号损失。（2）天线应呈全圆极化，其作用范围为整个上半球，天顶处不产生死角，以保障能接收到来自天空任何方向的卫星信号。（3）天线必须采取适当的防护与屏蔽措施，尽可能地减弱多径效应的影响。（4）天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽量小，且应保持稳定。目前，北斗接收机天线的类型主要有单极或偶极天线、四线螺旋形天线、锥形天线、带扼流圈的振子天线和微带天线。各种天线的概貌如图6-2所示，各天线特点如下。
• 6.4.3　微带天线的圆极化电波圆极化是北斗卫星导航系统接收天线的基本特性之一。圆极化波的特点是电场的水平分量和垂直分量的大小相等而相位相差90°。根据腔模理论，一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可产生极化正交幅度相等的两个简并模，但不能形成90°相位差，因此只有采取特殊的方法，才能获得圆极化波。微带天线实现圆极化的方法主要分为两类：谐振式和行波式。谐振式又可分为单馈法、多馈法和多元法（也称同步子阵列法）。行波法又称行波阵列法，主要是利用行波传输在不连续处的辐射产生的。单馈法是在规则形状的单片微带天线上附加一简并模分离单元，产生两个极化正交幅度相等的简并模，使其相差90°工作，从而形成圆极化波。单馈法多采用几何微扰的方法来实现，如切角，准方形、近圆形、近等边三角形，表面开槽，带有调谐枝节等，单馈法实现圆极化的贴片形式如图6-4所示。单馈法设计中的难点是如何确定几何微扰，即选择简并模分离元的大小、位置及适当的馈点，以激发两正交的简并模。使用单馈法实现圆极化天线的优点是不需要外加的移相网络和功率分配器，结构简单，成本低，易于小型化，但它的带宽窄，天线在邻近谐振时阻抗特性变化快。[插图]图6-4　单馈法实现圆极化的贴片形式多馈法由多个馈点给微带天线馈电，由馈电网络保证圆极化工作相位相差90°的条件，这种结构通常可以得到与阻抗带宽相当的圆极化带宽。多馈法中的双馈点方式是获得圆极化辐射最直接的方式，它利用功分器或电桥输出的两个幅度相等、相位相差90°的两支路对贴片馈电，激发两个正交工作模式，达到圆极化工作条件。多馈法馈电形式多种多样，在微带功分器、微带混合电桥、T形分支等分路后，可以采用双微带线边沿馈电方式，也可以使用缝隙耦合馈电方式，还可以采用L探针、容性探针与微带馈电网络组合的混合馈电方式。多馈法实现圆极化如图6-5所示，其中图6-5（a）、（b）分别是采用微带馈电和同轴馈电的双馈点和四馈点结构。四馈法中的4个馈电点采用不同的相移进行相互补偿，从而可以提高阻抗带宽和圆极化带宽，抑制交叉极化，提高轴比性能，但是该种结构需要对馈电网络进行精心设计，馈电网络较复杂，成本较高，尺寸较大。
• 多元法也称同步子阵法，是使用多个线极化辐射元，调节不同线极化元之间的位置和相位关系，最终合成圆极化波的方式，其原理与多馈点法相似，只是将每一个馈点都分别对一个线极化辐射元馈电。多元法设计的难点在于对单元天线位置的合理安排。多元法具备多馈法的优点，且馈电网络较为简单，增益高，但其结构复杂，成本较高，尺寸大。微带圆极化天线的另一种实现方式是行波线阵方法，其结构是将微带圆极化辐射元使用微带传输线馈电，最后组成串馈行波阵，末端功率经过辐射衰减后，接一个吸收负载来减小反射，因为线上近似传播行波，因此称为微带行波线阵。通常，一个微带行波节上可能有几个不同极化的辐射单元，使各辐射单元间保持适当的相位差，即可合成圆极化辐射波。要改变天线的极化旋向只需要将输入端和输出端调换一下即可。比较常见的行波阵有壁垒线阵、周期耦合圆极化微带天线阵、方环圆极化微带天线阵、由微带和缝隙组成的圆极化微带天线阵等。由于北斗接收机天线接收的信号来自21528km（MEO）或者35786km（GEO和IGSO）高空的卫星，信号功率很低，淹没在噪声之中。为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。对于双频接收机设有两路前置放大器，以减少带宽、控制外来信号干扰。大部分北斗接收机天线都与前置放大器结合在一起，但有些导航型接收机为减少天线质量、便于安置、避免雷电事故而将天线和前置放大部分分开。本书中将前置放大器作为北斗接收机射频前端的组成部分加以介绍。

 6.5 北斗接收机的前端

• 6.5　北斗接收机的前端接收机的前端通常是指从接收机的天线端，经由预滤波器、低噪声放大器、混频器等直至数模转换器之间的模块。北斗导航卫星信号以模拟信号的形式进入射频前端，最后以数字信号的形式进入基带处理单元，因此该部分基本是对模拟信号进行处理的过程，主要实现对射频信号的放大和下变频，以得到适合基带部分处理的低频或基带数字信号。射频前端在接收机内起着重要作用，射频前端的噪声性能直接影响着接收到的信号的噪声特性，从而影响后续基带处理部分的性能，包括跟踪环的环路性能及导航定位结果的精度；射频前端的频率设置方案决定了接收到的卫星信号的理论中频值，该值是在没有多普勒频移和本地钟漂的情况下，接收到的卫星信号的载波频率的理论值，它直接决定了信号捕获算法的频率搜索范围；随着北斗卫星导航系统的日益成熟，B1、B2、B3信号将同时提供导航服务，通过射频前端的精细设计能实现一个射频方案可以接收多个频段北斗卫星信号。而对于软件接收机来讲，射频前端也许是整个系统中唯一的硬件部分。
• 6.5.1　BDS接收机射频前端系统结构1. 超外差式接收机通常到达北斗接收机的信号非常微弱，甚至淹没在噪声中，往往需要通过低噪声、高增益的高频放大后才能推动后续电路的正常工作。但由于器件、工艺结构等方面的因素，直接实现高增益的高频放大有一定的技术难度，并且频率越高，难度越大。故一般接收机不采用在射频段直接放大的方式，而是采用超外差接收的方式，主要在中频段实现信号的放大。除了容易得到稳定的高增益信号放大，超外差式接收机还能方便地抑制带外噪声和干扰，灵活地适应于不同的载波频率，因此得到广泛应用。采用超外差式接收机方案，将接收到的射频信号与本地振荡器提供的本振信号进行混频，得到调制形式不变的中频信号，中频频率比射频频率低得多，在中频段实现对有用信道的选择要比在射频段实现对系统组件的要求低得多。在超外差式接收机中，可以将接收机的总增益分布到射频、中频和基带3个频段上，降低对单级放大器的要求，同时中频高增益放大器比在射频频段上的高增益放大器更容易实现且稳定。超外差式接收机前端组成方框图如图6-6所示，该结构包括了一次变频的接收机前端的基本组成部件。有时为了获得更好的性能，可以采用二次变频方案，第一级中频采用较高的频率以提高接收机抑制镜像干扰的能力，第二级中频则较低，这样用来完成对有用信道选择的滤波器就更容易实现。由于二次变频接收机采用两级混频，较好地解决了中频频率的选择问题，电路技术相对简单成熟，目前已成为接收机的行业标准。在实际应用中，也会遇到采用三级甚至多级变频的接收机。
• 经天线进入接收机的微弱信号首先经过射频低噪声放大器（LNA）进行放大，然后进入射频带通滤波器，以抑制进入接收机的外部干扰，这种滤波器也称为预选器。射频滤波器放在低噪声放大器后，对系统灵敏度和噪声系数有好处，但是接收机的抗干扰能力将变差。也可以将射频滤波器放在低噪声放大器之前，这对接收机抗干扰能力有好处，但是接收机的噪声性能将变差。混频器将射频信号与本地振荡器提供的本振信号进行混频，得到频率较低的中频信号，对于不同频段的BDS信号，可以通过变换本振频率，得到固定频率的中频信号。本机振荡器是北斗接收机的重要组成部分，大部分北斗接收机通过频率综合器产生一个比射频信号低（或高）的中频频率的正弦信号作为本振信号，频率综合器的频率则是以一个高稳定的精密石英晶体振荡器为基准的。混频后的中频信号通常要经过几级中频放大器进行放大，在中频放大器中还要插入中频滤波器。中频放大器比射频放大器成本低、增益高、稳定性好，提供了接收机系统中的大部分增益。在许多情况下，混频器和第一级中放电路组成一个部件（通常称为“混频前中”），以使混频-放大器的性能最佳。前置中放后面的中频放大器通常称作“主中放”。出于考虑器件成本、增益、动态范围、保真度、稳定性和选择性等原因，一般希望使用的中频低一些。选择性靠正确选择中频频率和中放之后所采用的滤波方法来实现。在二次变频和多次变频的接收机中，中频频率的选择更为重要。中频放大器之后，通过模数转换器（A/D）将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号送入后端信号处理模块进行进一步的处理。在BDS接收机中，A/D的采样位数一般都是1位、2位或3位。采样位数的选择是一个从信噪比损失和系统复杂性两个方面考虑的折中。 1位采样最大的优点是A/D设计比较简单，但会带来大约2dB的信号损失。高采样位数的优点是不容易被强干扰将A/D饱和，但会增加系统复杂性和设计成本。为了充分利用A/D的所有位数，必须将微弱的BDS信号放大到一定程度以满足A/D的输入信号范围。同时，射频前端还应包括具有一定动态调整范围的自动增益控制（AGC）电路，在信号强度变化时能动态地调整射频前端的增益，以增大接收机的动态范围。超外差式接收机可以通过多级频率变换，使得本振信号和有用信号间的隔离度增加，同时也提供了更多的机会给各级来放大信号，还可以利用在不同频点的滤波器，更好地抑制带外干扰，增加接收机的动态范围，这种结构的接收机通常都能够获得很好的灵敏度。然而超外差结构也存在着一些缺陷，如其组合干扰频率点多，镜像干扰现象严重，需要在变频前加滤波器来滤除镜像干扰，虽然较高的中频使得超外差式接收机的镜像问题较容易解决，但这也导致需要较高Q值的滤波器来进行滤波，而这样的滤波器通常难以集成，这无疑增加了接收机的成本和面积，同时由于镜像频率并非在所设计的系统频带内，对于中频的选择，也需要在对系统频带内部以及频带周围的信号分布情况进行周密的计算、实验后才能够挑选出较合适的频点。
• 2. 零中频接收机零中频接收机是指将射频信号直接下变频为基带信号，不需要镜频抑制滤波器，没有中频级，只需要通过低通滤波器来进行信道选择。这种结构有许多优点：零中频结构的镜像频率是有用信号本身频谱的镜像，而这种镜像只要利用I/Q下变频器将信号分成两路就可以分离开，这样就省掉了电路中难以集成的滤波器，接收机整体的面积和成本都有所降低，非常适合集成；接收机基带滤波是通过低通滤波器实现的，其带宽可调，因此也便于设计多组接收信号共用同一个基带滤波器的接收机电路；此外，在系统设计上，相比含有中频结构的接收机，零中频接收机无须事先对频率进行规划（如确定中频频点），可以节省大量的设计、验证时间。尽管零中频结构比超外差结构看上去简单许多，但真正实现这种电路要比后者复杂得多。图6-7所示为一种零中频接收机的结构框图，其射频部分的结构与超外差结构类似，接收到的信号经滤波放大送入后级，这里射频滤波器对于传输信号泄露的抑制要比超外差式接收机高，用来对自混频器的二阶失真等新问题加以抑制。本地振荡器的频率通常是接收信号的两倍，经二分频后产生有90°相差的两路信号，进行I路和Q路下变频，这样设计是为了避免本振源的信号直接进入接收机引起强干扰。
• 3. 低中频接收机低中频接收机与零中频接收机结构相似，不同的是，低中频接收机下变频后的信号处于比较低的中频，该中频频率的选择是依系统而定的，最低可以与信号带宽相当。由于下变频后信号不再处于基带，这样就降低了直流失调和闪烁噪声的影响。而这种结构最主要的不足是镜像抑制问题，较低的中频使得镜像频率的频带离有效信号的频带非常近，很难在不降低接收机灵敏度的情况下滤除镜频干扰。通常低中频接收机需要结合抑制镜频的变频结构和额外的镜频抑制措施，如镜像陷波滤波器、非对称多相滤波器等，以及通过一定的算法，加强对镜像干扰的抑制，但这会带来插入损耗及额外的噪声。
• 4. 镜像抑制接收机超外差式接收机是靠在变频前加镜像抑制滤波器来滤除镜频干扰的，但镜像抑制滤波器必须工作于射频段，而且需要良好的截止特性，这对滤波器Q值的要求非常苛刻。而镜像抑制接收机通过改变接收机自身的结构来抑制镜像干扰频率。一种类型的镜像抑制接收机是采用正交混频的Hartely结构，其结构框图如图6-8所示，在正交下变频后，将一路信号移相90°后与另一路信号相加或相减以消除镜像信号。
• 5. 射频采样接收机在零中频接收机的基础上，若将射频信号经放大滤波后直接送入A/D进行采样，这就是射频采样接收机。该方案所有的处理都是在射频段进行的，是软件无线电系统的最佳选择。射频采样接收机的基本框图如图6-10所示。
• 考虑到噪声系数的因素，在图6-10中BDS天线后的第一级是低噪声放大器，随后是射频带通滤波器，因为一级的LNA一般达不到所需的增益，所以还需要一级或多级射频放大器来提供系统所需的增益，最后由A/D转换器完成采样任务。由于BDS信号频率较高，如B1信号的射频频率是1561.098MHz，如果直接采用基带采样，则需要的采样频率不低于3122.196MHz，在目前的技术条件下，如此高采样率的A/D转换器是难以实现的。因此射频采样方案中的A/D一般都是利用带通采样原理，在带通采样的同时，完成了将信号频带从射频向数字基带转换的过程。在带通采样过程中，也会将带外噪声搬移到数字基带，影响采样信号的信噪比。因此，在采样之前必须用抗混叠滤波器将信号频带外的噪声滤除。射频采样方案还有一个优势是能够同时采样多频段的BDS信号。目前的BDS信号主要是B1和B2信号，随着BDS系统的现代化进程，新的民用信号B3等将进入民用接收机市场，因此如果能够只用一个射频前端就能对多个BDS信号完成采样将是非常有意义的。理论和实践证明，如果仔细选取采样频率，使得多个频率的BDS信号落在数字基带的某个频段而不会彼此重叠，就能够通过一次带通采样完成所有信号的下变频过程。射频采样接收机简单明了，很容易实现软件化控制，是一种比较理想的方案，但目前射频采样接收机还存在一些缺陷：带通采样会造成带外噪声折叠进信号带内，严重影响信号的信噪比；为适应输入信号的动态范围，降低A/D的量化噪声，要求A/D具有大的动态范围，即具有较高的转换位数，否则容易造成A/D过载或丢失弱信号；A/D之前的抗混叠滤波器难以适应多频段、多制式的要求；带通采样过程对采样时钟的频率准确度和稳定度要求很高，孔径抖动引起的信噪比恶化相对严重。
• 6.5.2　信噪比对于卫星导航接收机来讲，天线接收信号的电平值仅指出了信号的功率大小，并不能准确地描述信号的质量。信号的质量通常用信噪比（SNR）来表征，定义为信号功率Pr与噪声功率N之比，即
• 6.5.3　信噪系数北斗接收机的射频前端包括低噪声放大器、混频器、滤波器等，整个射频前端是多个射频模块的级联。每个模块在对输入信号进行模拟处理时都会引入噪声，降低输入信号的信噪比，描述这一现象的参数称为噪声系数。噪声系数的定义为输入信号与输出信号的信噪比之比，即
• 6.5.4　灵敏度卫星导航接收机灵敏度是指接收机接收卫星信号并正常定位所需的最低信号功率。它是接收机的重要技术指标之一，高灵敏度接收机可以在室内或其它卫星信号较弱的场景下实现定位。对BDS接收机而言，灵敏度指标包括捕获灵敏度、跟踪灵敏度、重捕获灵敏度。捕获灵敏度是指接收机在冷启动条件下，捕获导航信号并正常定位所需的最低信号电平；跟踪灵敏度是指接收机在正常定位后，能够继续保持对导航信号的跟踪和定位所需的最低信号电平；重捕获灵敏度是指接收机在接收的导航信号短时失锁后，重新捕获导航信号并正常定位所需的最低信号电平。在这三个灵敏度指标中，跟踪灵敏度最高，重捕获灵敏度次之，捕获灵敏度最差。同时，不同用途接收机对同一灵敏度指标的要求也不相同，具体可参见BDS用户设备国家或行业规范。BDS接收机的灵敏度主要取决于两个方面的性能，一是于接收机前端的噪声性能，如接收机前端的输出信噪比或噪声系数；二是接收机的基带处理性能，如数字调制方式和解扩频增益等。

 6.6 BDS接收机的信号解调

• 6.6　BDS接收机的信号解调如前所述，由天线接收的射频信号先经过射频前端的一系列处理后，产生固定的中频信号，再对中频信号滤波、放大，进行正交解调，以使信号的数字处理变得容易。采用正交解调技术能够同时提取信号的幅度和相位信息，满足现代接收机的需求。正交解调有模拟和数字两种实现方式。
• 6.6.1　模拟正交解调模拟实现时，输入、输出均为模拟信号，其中，正交本振、混频器、滤波器等也采用模拟电路实现。模拟正交解调中相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等（不考虑多普勒频移），其差频为零，故模拟正交解调又称为“零中频处理”。零中频处理既保持了中频处理时的全部信息，同时又可在射频实现，因而得到了广泛的应用。

 6.7 BDS接收机设计规范

• 6.7　BDS接收机设计规范北斗卫星导航系统接收机的主要技术指标已经在本章6.3节做了简单介绍，但不同用途接收机的组成和性能要求差别很大。为加快北斗卫星导航系统的应用，国家有关部门制定了北斗接收机（或称为终端）暂行规范，以指导接收机的设计和生产。本节将对导航型、测量型、定时型、位置报告和短报文型接收机规范的主要内容进行归纳，供设计者参考。6.7.1　导航型终端北斗卫星导航系统导航型终端分为车载型、船载型和手持型3类。包括定位、航线计算、航线引导、电子地/海图匹配、电子地/海图数据库、人机交互接口功能模块。1. 设备组成导航型终端硬件包括：接收北斗信号的天线及馈线；接收机主机，包括射频信道、基带信号处理器、中央处理器；数据存储介质，包括电子地/海图数据库存储介质和用户数据存储介质；人机交互设备，包括显示设备、语音输出设备、信息输入和操作控制设备；数据通信接口设备；供电设备。2. 功能要求（1）状态监测。当导航型终端正常工作时，应能实时监测供电方式和电池容量、卫星星座分布图和卫星信号的锁定状态、完好性信息、定位状态（包括未定位、二维定位、三维定位及定位信息），以及时间信息，并标明BDT时间或UTC时间，并通过显示或声光方式给出提示信息。（2）定位功能。当导航型终端应具有RNSS定位方式。导航型终端应能接收和处理北斗卫星播发的B1频点的信号，并提供其天线所在位置的经度（最小精确到1‰）、纬度（最小精确到1‰）、高程（m），以及获得定位数据的BDT时间或UTC时间。导航型终端应支持CGCS 2000坐标系，若提供坐标转换功能，应显示当前位置信息的坐标系。导航型终端接收到信号后，应根据设定通过声、光或符号给出定位信息，应至少能每2 s产生、显示并输出一次新的终端位置。当不能进行定位时，应给出相应的提示。（3）导航功能。导航型终端应具备导航功能，并具有导航图接口。提供电子地/海图匹配功能，并提供用户是否在道路（或航道）上、在哪条道路（或航道）的哪个位置上，以及是否在预先计算出的航线（航行航线）上等信息。提供电子地/海图显示功能，电子地/海图显示功能应能帮助用户直观地了解自己的当前位置、前方航线情况及目的地的相对方位。（4）目标检索功能。导航型终端应为导航的目的地提供以下检索功能：地址检索功能；兴趣点检索功能；对于地/海图显示功能的系统，应提供在地/海图上直接选择目标的功能。（5）航线计算功能。导航型终端应提供以下航线计算功能，在用户所在位置和目的地之间计算出一条合法的、代价最小的航线；提供最快航线和最短航线的计算。（6）航线引导功能。当用户沿预先计算出的航线行驶时，导航型终端应根据用户在航线上的位置，为用户提供引导信息。（7）电子地/海数据库。系统使用的电子地/海图数据库应包含的数据内容包括地理编码数据、背景数据和参考数据。（8）航路点及航迹。导航终端应具有航路点设置、保存功能，并能显示和保存航迹数据。（9）校时。导航型终端具有时钟，并可通过北斗系统进行自动校时。其时间格式中年的有效数字为四位，月、日、时、分、秒的有效数字均为两位。（10）数据保护。导航型终端内部数据具有掉电保护功能。（11）数据接口。导航型终端应至少提供一个数据接口，便于与外部设备进行数据通信。
• 3. 性能要求（1）接收信号频率。导航型终端应能接收到1561.098MHz的B1北斗信号。（2）灵敏度。捕获灵敏度应≤-144dBmW；跟踪灵敏度应≤-159dBmW。（3）接收信号功率范围。导航型终端的接收信号功率变化范围为-144～-124dBmW。（4）定位精度。导航型终端的定位精度HDOP≤5的条件下，水平定位精度≤20m（2σ）；VDOP≤5的条件下，高程定位精度≤20m（2σ）。（5）首次定位时间。在温启动、历书可用、有概略位置和时间、捕获概率优于95%的条件下，导航型终端首次定位时间应不大于60s；在热启动、历书可用、星历可用，有概略位置和时间、捕获概率优于95%的条件下，导航型终端首次定位时间应不大于15s。（6）失锁重捕时间。卫星信号短暂中断30s后，导航型终端的失锁重捕获时间≤5s。（7）测速精度。导航型终端的测速精度≤0.2m/s（2σ）。（8）定时精度。在与UTC整秒时刻同步的条件下，导航型终端的定时精度≤1ms。（9）定位测速更新率。在与UTC整秒时刻同步的条件下，导航型终端的定位测速数据更新率≥1 Hz。（10）跟踪通道数。导航型终端的跟踪通道数不少于16个。
• 6.7.2　测量型终端北斗测量型终端是指能提供北斗卫星信号的原始观测值，并完成静态测量、后处理动态测量、RTK等高精度测量的北斗卫星导航系统终端。1. 设备组成北斗测量型终端一般包括信号接收天线、接收机主机、电源部件、显示单元（可选），将接收数据传至计算机的传输设备，数据格式转换和数据处理软件，对于实时动态测量，应配备数据链。2. 功能要求（1）电气功能。北斗测量型终端具有加电自检测功能和电源电压过低的报警显示功能。（2）存储功能。北斗测量型终端能接收卫星信号并存储相应的观测数据；在非正常断电时，应具有观测数据保存功能。（3）信息显示。北斗测量型终端具有接收状态（包括跟踪、锁定卫星数目，PDOP值、卫星分布情况、接收信号的信噪比）、定位状态（包括未定位、二维定位、三维定位）、存储状态、电源状态、RTK状态（包括数据链发射、接收状态，数据链信号强度及延迟信息、整周模糊度解算信息、差分定位状态）、数据文件（静态测量数据、后处理动态测量数据、RTK测量数据）、一般故障状态信息的显示或提示功能。（4）数据输出。北斗测量型终端能把记录的测量观测数据输出到计算机，能根据要求选择输出的数据类型和数据格式，定位结果输出格式应符合GB/T 20512的要求，输出差分数据的格式应符合要求。（5）设置功能。北斗测量型终端应能根据需要改变参数设置，包括接收卫星的截止高度角、接收卫星数据的采样间隔等。3. 性能要求（1）电源部件。提供的电源部件应保证北斗测量型终端在正常状态下的连续工作时间不少于6h；在电源电压标称值变化±10%的情况下，北斗测量型终端应能正常工作。（2）接收与存储。具有可以同时接收不少于12颗卫星信号的能力，具有连续存储17 280历元（采样24h）静态测量数据的存储空间，记录卫星数据的采样间隔为5s。（3）定位时间。首次定位时间：冷启动时，终端的定位时间<5min；温启动时，终端的定位时间<2min；热启动时，终端的定位时间<30s。（4）测量精度。北斗测量型终端按定位方式的不同，测量精度要求：单点定位精度<15m（2σ）。静态基线测量的标称精度：平面位置精度<（2.5+0.5×10-6×D）mm；高程精度为±5+10-6×Dmm（短于30km基线），D为基线长度。RTK测量：初始化时间应少于3 min，初始化结果不含有系统误差。RTK测量的平面位置精度<（10+10-6×D）mm，高程精度<（20+10-6×D）mm。RTK有效测程：RTK测量时的最大测程。（5）内部噪声水平。北斗测量型终端内部噪声水平应满足厂商的指标，采用专用功率分配器测定时的零基线值及坐标分量绝对值<0.75mm，采用超短基线测定时基线的坐标分量变化应小于北斗测量型终端标称的固定误差。（6）接收机内部频标稳定度：<10-6Hz。（7）数据链。数传电台应满足国家相关标准的要求，有一定宽度的信道间隔，数据通信参数能根据需要进行改变，能根据需要方便地选择不同的频点，波特率应不小于4 800bps；可采用CDMA、GSM、GPRS以及因特网等通信设备作为数据链，来传输RTK测量数据。
• 6.7.3　定时型终端北斗定时型终端是指基于北斗系统授时功能，可以接收北斗卫星信号完成解算、测量、时间修正并复现、输出BDT标准时间信息、时标信息功能的接收设备。1. 设备组成定时型终端根据其业务特征通常分为北斗RDSS或RNSS单向定时型、北斗RDSS双向定时型，以满足不同用户的应用需求。主要组成部件和组件包括：接收天线（北斗RDSS双向定时型则需用发射/接收共用天线）、馈线；接收主机，由北斗定时模块（包括射频信道、基带处理器）、中央处理器、电源模块、信号/数据输入/输出接口及前后面板/机壳等部件组成；显示屏或显示单元（可选）；定时信号扩展输出单元（可选）。2. 功能要求（1）自检测。具有自检测及初始化和状态设置功能，当出现故障时应给出数据接口输出或视觉、音响输出方式的故障报警提示信息。（2）系统完好性信息处理。具有系统完好性信息处理功能。（3）状态监测。正常工作时，可以实时监测以下状态，并给出相应的视觉和（或）音响提示信息：已接收卫星信号的锁定状态、电平及其卫星编号、波束号；供电状态，具有电源电压过低的报警显示功能；对于北斗RDSS双向定时型终端，具有发射状态和抑制状态指示功能。（4）单向定时。北斗单向定时终端应能接收和处理北斗RDSS或RNSS卫星信号，提供BDT或UTC的时间信息、时标信号。（5）双向定时。北斗RDSS双向定时型终端具有定时申请、用户管理和复现BDT或UTC的时间信息、时标信号功能。（6）参数设置。根据使用条件和需要改变参数设置，包括接收天线位置设置、位置（导航）、位置平均、位置保持等；可以给出接收天线时延、馈线电缆时延、接收机通道延迟及其他相关信息，并能加以置入改正。（7）信息显示。北斗定时型终端具有的信息显示或提示功能包括正常显示时的时刻和日期信息、接收状态、定时状态、相关的部分数据文件信息，以及一般故障状态显示。（8）数据输出。定时型终端输出信息包括：时间信息（日期、TOD时间，TOD为Time of Day的缩写）；非正常断电时应具有时间信息（日期、TOD时间）保持不中断、恢复供电后仍能数据输出的功能；将定时处理过程得到的位置信息、改正等数据输出到外部设备的功能；跟踪、锁定卫星数目、PDOP值、卫星分布情况、接收信号信噪比的接收状态；未定位、二维定位、三维定位的定位状态及定位结果；动态定时状态及其数据；电源电量不足、数据存储空间不足或故障、卫星跟踪故障等一般故障状态；根据要求，选择输出的数据类型、数据格式、定时结果，输出格式应符合GB/T 20512的要求；接收的数据信息。（9）数据和信息保存。断开电源时具有数据和信息的保存功能，能存储RTC（RealTime Clock）时间、位置等重要信息，且能通过外部指令删除存储的信息。
• 3. 性能要求（1）电源。供电电源应保证授时型终端在正常状态下连续工作，连续时间不少于24h；在外接电源电压标称值变化±10%的情况下，定时型终端能正常工作；在外接电源中断情况下，定时型终端应有内置电池保持RTC日历时钟的日期、TOD信息不中断，供电维持时间不少于1个月。（2）接收灵敏度。在RDSS方式下，捕获灵敏度≤-124dBmW，跟踪灵敏度≤-127dBmW；在RNSS方式下，捕获灵敏度≤-130dBmW，跟踪灵敏度≤-133dBmW。（3）接收信号功率范围。在RDSS方式下，接收信号功率变化范围为-124～-104dBmW；在RNSS方式，接收信号功率变化范围为-130～-100dBmW。（4）发射信号EIRP值。RDSS双向定时终端的发射信号EIRP值为3.5～19dBW。（5）发射信号带外抑制。发射信号在1580～1650MHz频率范围以外的辐射功率≤-80dBW/4kHz。（6）首次定位时间。冷启动（历书不可用、无概略位置）的首次定位时间≤2min；温启动（历书可用、有概略位置）的首次定位时间≤60s；热启动（历书和星历可用、有概略位置）的首次定位时间≤15s。（7）失锁重捕获时间。北斗RDSS或RNSS卫星信号中断30s后，失锁后的重捕时间≤5s。（8）跟踪通道数。RNSS单向定时终端的跟踪通道数≥12，RDSS定时终端的跟踪通道数≥2。（9）设备时延。双向定时型终端设备时延的双向零值应为1ms±10ns（1σ），年变化<6ns（2σ）；单向定时型终端设备时延的年变化<6ns（2σ）。（10）定时精度。能提供时标信息—PPS（Pulse Per Second）信号输出，用于精密时间同步或时间传递。根据定时型终端的工作模式，设备在经过主机单元延迟、天线延迟和电缆延迟修正后，输出时标信息PPS信号（相对于北斗时BDT）的定时精度要求：在单向定时模式下，RDSS和RNSS的定时精度≤200ns；在双向定时模式下，RDSS的定时精度≤20ns。（11）守时偏差。要求24h内，终端的守时偏差≤100ms。
• 6.7.4　位置报告/短报文型终端1. 设备组成北斗卫星导航系统位置报告/短报文型终端简称为北斗通信终端。北斗通信终端分为固定型、手持型、船载型、车载型和指挥管理型终端等类型，以满足不同用户的应用需求。通常不同类型北斗通信终端的成套性分别为：手持型北斗通信终端为一个独立的单元；北斗通信终端通常由收发天线、主机（含ID卡）、显控和电源等部分组成。固定型、船载型和车载型北斗通信终端由天线单元、主机单元和显控单元组成；指挥管理型终端除天线单元和主机单元外，还应有监控管理平台单元。2. 功能要求（1）位置报告。通过申请定位或发送位置信息实现位置报告。位置报告信息内容包括发信方ID地址码、报告时间和位置等信息。（2）短报文信息。短报文信息包括汉字、数字和英文字符等内容；短报文信息的编辑应支持中英文输入，提供拼音或笔画、手写等输入法；短报文的汉字采用GB 2312编码，基本汉字字库为其一级字库，英文字符采用ASCII码编码；具有短报文信息的预存、编辑、输入、存储、删除、发送、接收和显示功能；当接收到短报文信息时，根据设定应给出相应的视觉、音响、字符提示信息；实时显示出通信时间、发信方ID地址码和短报文信息；短报文信息发射成功后，根据设定应给出相应的视觉、音响、字符提示信息。（3）短报文通信对象。短报文互通的对象包括其他北斗通信终端，以及其隶属的指挥管理型终端或北斗运营服务中心。（4）短报文信息处理。短报文信息的处理功能包括：接收到短报文信息后，能自动发出接收到该短报文信息的回执；按照先进先出的原则，具有动态存储所接收的短报文信息，其信息包括通信时间、发信方ID地址码和短报文信息；接收的短报文信息应可以人工锁定存储、解锁和删除。（5）安全管理功能。北斗通信终端的安全管理功能包括：按照ID卡规定的用户类别、服务频度、通信等级进行申请定位和短报文通信；能够接收和处理所隶属的指挥管理型终端或北斗运营服务中心发送的管理指令，并按其指令完成注册或注销注册等相应的管理；具备发射抑制功能，应按照接收北斗系统发出的“抑制”指令，不再发射除通信回执以外的其他信息，直到该指令解除。在远程指令的遥控下，应清除ID卡和重要软硬件的信息及其程序，实现北斗通信终端的永久性关闭，不能再继续进行工作。（6）可扩展性。北斗通信终端可以按照需要对其扩展功能进行裁减。扩展功能包括紧急报警功能、越区报警功能、校时功能。（7）其他设备接口。具有与其他外部设备的数据接口。北斗通信终端可以根据需要转发外部设备传入的有关数据，且不改变其编码形式。（8）指挥管理型终端。指挥管理型终端具有对下属北斗通信终端的管理功能、短报文播发功能、位置报告和短报文信息管理功能，以及电子地/海图功能。（9）数据接口。至少提供一个数据接口，以便于与外部设备进行数据通信。
• 3. 性能要求（1）接收灵敏度。接收天线波束宽度范围内、在其信息误码率<1×10-5的条件下，接收北斗卫星RDSS信号的灵敏度≤-124dBmW。（2）首次捕获时间。首次捕获北斗卫星RDSS信号的时间≤4s。（3）失锁重捕时间。北斗卫星RDSS信号中断30s后，北斗通信终端的失锁重捕时间≤2s。（4）接收通道数。接收北斗卫星RDSS信号的通道数不少于2个。（5）双通道时差测量误差。双通道时差的测量误差应≤10ns（1σ）。（6）发射信号频率准确度。发射信号频率准确度≤5×10-7。（7）发射信号带外抑制。在1580～1650MHz频率范围以外的辐射功率，发射信号带外抑制≤-80dBW/4kHz。（8）发射载波抑制。载波抑制≤-30dB。（9）发射信号强度。在发射天线波束宽度范围内，发射信号的EIRP值≥3.5dBw且≤19dBw。（10）双向零值。双向零值一致性的均值为1ms±10ns。（11）安全管理性能。安全管理的性能应达到保存组地址个数不小于20个，保存报警区域的个数不小于20个。（12）信息存储性能。已接收的短报文信息，不小于500条；已发送的短报文信息，不小于500条；内置自定义信息，不小于100条；地址簿存储数量，不小于500条；定位数据存储能力，至少保留存储最近一个月内的定位数据，不小于50000个航迹点数据。（13）指挥管理型终端性能。对下属的北斗通信终端进行注册管理的数量不少于100个；对下属的北斗通信终端进行分配组播地址的数量不少于1个、进行分配通播地址的数量不少于1个。（14）供电电压和功耗。在交流电源输入情况下，偏离额定电压±10%，偏离额定频率±5%，北斗通信终端应能正常工作；在直流电源输入情况下，偏离额定电压为-20%～+10%，北斗通信终端应能正常工作。（15）安全性。北斗通信终端的安全性除应满足GB 15842—1995要求外，还应具有防止过流、过压、电源瞬变和偶然极性错误的保护能力，以及供电电源欠压、过压时自动截断供电电源的保护功能；接口的接插件处应有明显标记和防止接插错误的装置。

 第7章 BDS信号的捕获与跟踪

• 前几章讲述了BDS系统结构和BDS定位原理，本章介绍BDS软件接收机和BDS信号的处理方法，主要探讨对BDS信号进行捕获和跟踪的过程。捕获的目的是搜索到可视卫星，并粗略地确定卫星信号的载波频率和伪码相位，跟踪的目的则是精确地跟踪信号的载波频率和伪码相位的变化，完成BDS信号解扩和解调，从而提取出导航电文、伪距观测量等。

 7.1 BDS软件接收机

• 7.1　BDS软件接收机目前广泛使用的BDS接收机一般均基于ASIC（Application Specific Integrated Circuit）结构，又称为硬件接收机，结构框图如图7-1所示。[插图]图7-1　BDS传统硬件接收机结构框图硬件接收机的数字接收机通道（包括捕获、跟踪的相关运算）一般用一个或几个专用BDS信号通道处理芯片（ASIC）来实现，接收机微处理器从ASIC输出的相关输出结果译出导航数据，从而可以得到卫星星历及伪距，星历可用来得到卫星位置，并最终由卫星位置及伪距解算出用户位置等信息。这类ASIC芯片具有运行速度快、成本低的特点。但由于ASIC限制了接收机的灵活性，用户不能轻易改变硬件接收机各类参数以适应随着BDS发展的升级需要；同时近年来出现了许多减少导航定位误差和提高抗干扰能力的算法，如抗多径跟踪环路设计、高动态的跟踪环路设计等，对于硬件接收机测试和使用新的算法，不便之处显而易见。随着软件无线电思想的发展，BDS软件接收机的设计与实现逐渐成为研究热点。软件无线电（Software Radio）的概念是由美国科学家J.Mitola于1992年5月在美国电信系统会议上首次明确提出的。随着通信技术的迅速发展，新的通信体制与标准不断提出，通信产品的生存周期缩短，开发费用上升，导致以硬件为基础的传统通信体制无法适应这种新局面。同时不同体制间互通的要求日趋强烈，而且随着通信业务的不断增长，无线频谱变得越来越拥挤，这对现有通信系统的频带利用率及抗干扰能力提出了更高的要求，但是沿着现有通信体制的发展，很难对频带重新规划。而软件无线电则提供了一种很好的解决方案。软件无线电是实现通信的新概念和新体制，它被视为继模拟和数字技术后的又一次电子技术革命。软件无线电的基本概念是将硬件作为无线通信的基本通用平台，而用软件实现尽可能多的无线及个人通信功能。软件无线电采用模块化设计原则，具有开放的体系结构、良好的功能可编程性和软件可移植性，支持宽频段、高速率、多模式的无线通信。软件无线电的中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将工作频段、调制/解调方式、数据格式、加密模式及通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带A/D转换器和D/A转换器尽量靠近天线，争取硬件实现的最小化和软件实现的最大化，以充分发挥软件实现的升级方便、调整灵活、适应性强等优点。BDS软件接收机和传统BDS硬件接收机实现的功能是相同的，因此二者在设计结构上有很多相似之处，BDS软件接收机结构如图7-2所示。BDS软件接收机由天线接收BDS卫星信号，经过射频前端，输入信号的幅值被适度放大，并经下变频变为中频信号，ADC将上述中频信号数字化。BDS软件接收机中天线和RF前端仍由硬件实现。
• 中频信号数字化以后，在传统接收机中，由硬件实现捕获和跟踪，而在软件接收机中，全部处理交给软件来实现。根据导航数据的跟踪结果，可以进行导航电文的解调，获取导航数据的子帧，进而得到星历数据和伪距，从星历数据可确知卫星位置。最终，用户位置可通过卫星位置和伪距计算得出。至于BDS软件接收机的软件平台，它可以是数字信号处理DSP芯片，也可以是通用PC。中频数字信号处理部分的不同是软件BDS接收机与硬件BDS接收机的根本区别。软件接收机整个数字部分均采用通用处理芯片，包含较少的硬件，可编程性及灵活性均强于硬件接收机，而且无须升级硬件，仅加载不同的算法软件即可实现BDS接收机的升级或改型；并且对于不同的射频前端，仅需修改少量参数即可；软件接收机适应性强、可移植性高的优点是硬件接收机所无法比拟的。BDS软件接收机在算法研究和算法验证方面亦有很大的优势，本章对信号捕获、跟踪的探讨，就是基于如上的BDS软件接收机结构来进行的。

 7.2 BDS信号的捕获

• 7.2　BDS信号的捕获7.2.1　BDS信号捕获原理卫星信号捕获是BDS接收机信号处理的第一步，只有完成卫星信号的捕获，才有可能开始信号跟踪、导航电文提取及伪距计算等后续的处理过程。对BDS系统而言，不同卫星发射的信号载波频率和调制方式都一样，不同卫星的伪随机码（Gold码）不同。不仅针对BDS系统，对于所有的码分多址（CDMA）系统，都会涉及信号捕获问题，需要捕获的原因有以下几点。（1）由于BDS系统所有卫星发射的信号共用相同的载波频率和信道时间，因此BDS接收机天线接收到的信号不可避免地混合了所有可能的卫星信号，而只有知道目前接收到的信号来自哪些卫星后，接收机才能对其进行跟踪并解调。从这个角度上说，捕获是BDS接收机内信号处理的第一步。（2）BDS系统中导航电文与NH码和扩频码相乘之后，对于CB1I码和CB2I码，原有的信号带宽分别从100Hz（D1导航电文的速率为50bps）展宽到了4.092MHz（CB1I码和CB2I码速率为2.046cps）。根据香农定理C=Blog2（1+S/N）可知，在噪声功率不变的前提下，信号的功率可以降到很低的水平。在实际BDS系统中，接收机天线处接收到的信号功率相当微弱，信号电平往往比背景噪声电平还要低很多，或者可以说信号彻底的被噪声“淹没”了。在这种情况下，必须通过捕获和跟踪共同把微弱的BDS信号从噪声中提取出来。（3）根据BDS信号的特点，必须利用伪随机码的强自相关性才能实现信号的跟踪和导航电文的解调，但信号能够实现跟踪的前提是先找到正确的随机码相位，而接收机的上电时刻的随机性决定了其接收到的信号相位的随机性，因此必须由信号捕获告知信号的伪随机码相位。（4）在BDS系统中，由于卫星是一直绕地球运动的，故必将产生多普勒效应，捕获的另一个作用就是提取出信号的载波频率。下面分析多普勒效应的产生。
• 1. 卫星搜索的数量卫星搜索的数量范围是0～35颗，搜索的卫星数量越多，可能捕获到的卫星就越多，但同时总的计算量也越大，捕获的总耗时可能会增加。卫星搜索数量对捕获精度没有影响，但要完成定位解算，必须要能成功捕获到4颗或更多颗卫星。
• 搜索可见卫星有两种方式。一种方式是利用用户位置估计值、BDS时间估计值和最近几天内的历书，计算出卫星的位置，然后确定哪颗卫星为可见卫星。如果用户在地球表面，最多有11颗可见卫星。另一种方式是“满天搜索”，即搜索所有可能的卫星PRN码，当没有可以采用的历书时就只能采用这种方式。第一种方式耗时短、效率高，但是需要历书的辅助，第二种方式耗时长、效率低，但是不需要历书。

 7.3 捕获方法

• 7.3.4　捕获算法性能对比本节详细介绍了三种捕获算法：串行搜索捕获算法、FFT频域捕获算法和基于循环相关的快速捕获算法。近年来，为了减少捕获时间、提高捕获效率以及提高对微弱信号的捕获能力等，对捕获算法的研究相当广泛，并提出了很多新的捕获算法，如延迟相乘法、基于相位补偿和同步数据块累加的快速捕获算法等。下面从捕获速度、捕获精度和捕获能力等方面对本节中介绍的捕获算法做一个性能对比，以便读者对信号捕获有更深入的了解。（1）捕获速度方面。串行搜索捕获算法虽然是一种非常有效的搜索算法，但是这种算法的复杂度是O（N2），运算量太大，速度太慢。FFT频域捕获算法与串行捕获算法的区别在于将载波频率的搜索变为了使用FFT找峰值，在码相位上采用了与串行搜索相同的逐位搜索，所以其算法的复杂度依然是O（N2），于是FFT频域捕获算法的计算量和串行搜索算法相当，捕获速度也比较慢。基于循环相关的捕获算法的复杂度只有O（Nlog2 N），比顺序搜索算法减少了相当大的计算量，因此大大地提高了捕获速度。（2）捕获精度方面。串行搜索捕获算法和FFT频域算法码相位搜索精度都可以调节，即在码相位搜索时，其本地伪码的每次调整值可以少于一个采样点的时间，但是基于循环相关的快速捕获算法在码相位的搜索上采用了两个FFT和1个IFFT运算实现，于是其码相位捕获精度只能取一个采样点；同理，在捕获数据长度不变的情况下，串行搜索捕获算法和基于循环相关的捕获算法的频率搜索步长都可以调节，但是FFT频域捕获算法只能依靠增加数据长度来提高频率精度。（3）捕获能力方面。频率搜索步长的减小及捕获数据长度的增加都可以增强算法的捕获能力。在捕获速度相同的条件下，基于循环相关的快速捕获算法可以捕获到更多的卫星。对于虚警概率，门限值越高，虚警概率就越低。在相同参数条件下，串行搜索算法和基于循环相关的快速捕获算法的虚警概率大致相等，而FFT频域捕获算法要相对低一些。本节主要介绍了捕获原理，详细分析了捕获过程的关键参数，介绍了几种常用的捕获算法，并做了算法比较。需要注意的一个问题是，前面提到对1ms数据捕获所得到的频率精度只有1kHz，但是载波跟踪环能够锁定的范围一般只有几十赫兹或上百赫兹，要获得这样的精度，需要对载波频率进行进一步的精确估计。虽然增加数据长度可以增加频率捕获的精度，但是同时会带来运算量的剧增。要完成载波频率的精确捕获，一个简单的方法是，在完成捕获的情况下，在峰值周围重新设定较小的频率步长（如100Hz，甚至更小）码相位就选取峰值时刻的码相位，再采用与以上的捕获算法相同的原理，在频率域上搜索，找到此时的峰值，即得到了更精确的频率。另外也有通过相位关系，如通过前后2ms数据的相位变化值除去时间长求出精确的载波频率。

 7.4 BDS信号的跟踪

• 7.4　BDS信号的跟踪BDS接收机在完成信号捕获之后，得到了信号的载波频率和伪码相位的粗略值，此时接收机进入跟踪过程，需要跟踪过程的原因有以下两点。（1）捕获过程得到的载波频率和伪码相位的精度不是特别高，不足以实现导航电文的解调，而跟踪环获得的精度比捕获过程高很多，因此导航电文的提取一般必须在进入稳定的跟踪状态之后才可以进行。（2）由于卫星一直处于连续运动状态，相对天线的速度时刻在变化，接收机的运动、本地时钟晶振的钟漂和随机抖动等因素，都将导致接收机天线接收到的信号的载波频率及伪码相位时刻发生变化。因此，如果没有一个有效的跟踪环节，捕获到的信号很快就会失锁，没法完成导航电文的解调等后续信号处理。跟踪的过程相当必要也尤其重要，信号跟踪的目的有两个：一个是实现对BDS信号中载波频率的跟踪，称为载波跟踪环；另一个是对伪码相位的跟踪，称为码跟踪环。在BDS接收机内都有这两个跟踪环，而且它们紧密地耦合在一起，同时工作。为了分析方便，下面将这两个跟踪环拆开来单独分析，在分析一个环路时，假定另外一个环路已处于稳定的锁定状态。在具体分析跟踪环之前，先介绍锁相环（Phase Lock Loop）的基本原理。基本锁相环结构框图如图7-12所示，它是一个闭环反馈控制系统，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器构成。

 第8章 GPS系统和其他卫星导航系统

• 卫星导航系统可以为海陆空甚至外层空间的用户提供准确的实时三维位置信息、速度信息和时间信息，已经成为导航领域的主流应用系统。目前，全球有四大卫星导航系统，除了中国的北斗卫星导航，还有美国的GPS（Global Positioning System）系统、俄罗斯的GLONASS系统和欧洲的Galileo系统。下面分别介绍其他三种卫星导航系统。

 8.1 GPS系统

• 8.1　GPS系统GPS系统的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5～6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。1969年，美国国防部部长办公室（OSD）建立了国防导航卫星系统（DNSS）计划，拟将各军种的研制工作统一起来，以形成三军联合使用的系统。1973年，最终由GPS联合计划办公室（JPO）制订了NAVSTARGPS计划，简称GPS。系统主要为军方设计，兼顾民用和商用，美国国防部的最初目的是用于武器的精密投放和防止军用导航系统种类的大量增加。1973—1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网。1979—1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，1994年进入完全运行状态。2000年至今，GPS系统一直处于现代化进程中。
• 8.1.1　GPS的组成GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。1. 空间部分GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成的，如图8-1所示。它位于距地表20 200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。此外，还有3颗有源备份卫星在轨道运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好的定位解算精度，这就保证了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星采用两种测距码，即C/A码（Coarse/Acquisition Code）和P码（Precision Code）。P码主要为美国军方服务，C/A码主要开放给民间使用。
• 8.1.2　GPS的信号GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。GPS信号上存在着C/A码和P码两种测距码，其中在载波L1上调制有C/A码和P码，而在载波L2上只调制有P码，事实上，C/A码和P码都是伪码，在GPS中用作测距码。C/A码（Clear/Acquisition Code）是码长为1023的Gold码，周期为1ms，即码率为1.023MHz。C/A码的码长很短，易于捕获，所以C/A码又作为GPS卫星信号的捕获码，并由此过渡到捕获P码。C/A码的码元宽度约为977.5ns（对应的距离为293m，因此也经常说C/A码的码元宽度为293m）。假设两C/A码序列的码元对齐误差为码元宽度的1/100～1/10，则相应的测距误差为2.9～29.3m，即C/A码的测距精度较低，因此C/A码又称为粗测距码。C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而成的，C/A码的产生如图8-2所示，其中两个移位寄存器在每周日子夜零时，在置1脉冲作用下全处于1状态，同时在频率1.023MHz时钟脉冲驱动下，分别产生码长为1ms的m序列G1和G2；G2的输出不是在移位寄存器的最后一个存储单元，而是选择两个存储单元S1和S2进行模2加后输出的m序列；再将该序列与G1进行模2加后得到C/A码。不同PRN编号的卫星在产生G2时选择不同的存储单元进行模2加，并相应地组合成不同的C/A码。该C/A码发生器总共可以产生1025个不同结构的C/A码，足够分配给GPS星座中的所有卫星作为码址。
• 8.1.3　GPS的导航电文GPS卫星的导航电文，是按一定格式编排的数据码（或D码），是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正和大气折射改正等信息。导航电文按帧向外播送，每帧电文含有1500bit，播送速度50b/s。GPS导航电文的基本构成如图8-3所示。
• 8.1.4　GPS卫星信号的调制载波、测距码和数据码一起构成了GPS卫星所发射的信号，其中测距码和数据码首先进行模2相加实现扩频，再将两者的组合码（调制码）通过调相技术调制到载波上。载波为由GPS卫星上原子钟控制产生的正弦波，载波和相应的码状态相乘即实现了载波的调制。当调制码为0时，对应的码状态为+1，相乘后不会改变载波的相位；当调制码为1时，对应的码状态为-1，相乘后载波相位改变180°。这样，当码值由0变成1，或者由1变成0时，都会使调制后的载波相位发生180°改变，这称为相位跃迁。
• 8.1.6　GPS的定位精度SPS（Standard Positioning Service）和PPS（Precise Positioning Service）是GPS系统针对不同用户提供的两种不同类型的服务。一种是标准定位服务，另一种是精密定位服务。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统提供，精密定位服务则由精密定位子系统提供。SPS主要面向全世界的民用用户，PPS主要面向美国及其盟国的军事部门及民用的特许用户。
• 8.1.7　广域差分增强系统广域差分增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）是根据美国联邦航空局（FAA）导航需求而建设的GPS星基增强系统。WAAS应该包含三部分内容：一是提供L波段测距信号；二是提供GPS差分改正数据；三是提供完好性信息，以此为基础用于改进单一GPS系统的导航精度、系统完好性和可用性。WAAS于2003年7月正式开始运行，现由38个参考站（其中9个在非美国的北美地区）、3个主控站、4个地面地球站、两个控制中心及两颗地球同步静止卫星（不属于GPS“编制”）组成。其中，两颗地球同步轨道卫星分别位于西经133°和西经107.3°。25个地面站按其需求分布在美国境内，负责搜集GPS卫星的一切数据。其中，3个主控站分别位于美国的东西部沿海，负责搜集卫星的轨道误差、星上电子钟误差，校正由于大气及电离层传播所造成的信号延时等数据，将得到的数据通过两颗地球同步卫星广播出去。WAAS并不具有像GPS那样的功能，它不是全球共享的。目前WAAS在美国本土提供信号。WAAS的目标是改善GPS的标准定位信号（SPS）完好性、可用性、连续服务性和提高精度，最终目的是提供直至精密进场着陆的所有飞行阶段参数的导航系统。

 8.2 GLONASS系统

• 8.2　GLONASS系统随着美国GPS计划的开展，苏联看到了卫星导航存在的巨大潜力和GPS对其构成的军事威胁，于20世纪70年代启动了建立独立卫星导航系统GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）的计划。在苏联解体后，GLONASS 由俄罗斯继续建设，并在1996年初宣布建成。此系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。
• 8.2.1　GLONASS系统的组成GLONASS系统功能上类似于GPS，也由三部分组成，即空间部分、地面监控部分和用户接收机部分。1. 空间部分GLONASS星座由24颗卫星组成，分布在三个轨道面上，升交点赤经相互间隔120°。每一个轨道面有8颗卫星，这8颗卫星彼此相距45°。相邻轨道面上卫星之间相位差为15°，卫星倾角为64.8°，在长半径为26 510km的圆轨道上，轨道周期约为675.8min。2. 地面部分GLONASS系统的地面部分由1个地面控制中心、4个指令测量站、4个激光测量站和1个监测网组成。地面控制中心包括1个轨道计算中心、1个计划管理中心和1个坐标时间保障中心，主要任务是接收处理来自各指令测量站和激光测量站的数据，完成精密轨道计算，产生导航电文，提供坐标时间保障，并发送对卫星的上行数据注入和遥控指令，实现对整个导航系统的管理和控制。指令测量站均布设在俄罗斯境内，每站设有C波段无线电测量设备，跟踪测量视野内的GLONASS卫星，接收卫星遥测数据，并将所测得的数据送往地面控制中心进行处理。同时指令测量站将来自地面控制中心的导航电文和遥控指令发送至卫星。4个激光测量站中有两个与指令测量站并址，另两个分别设在乌兹别克斯坦和乌克兰境内，激光测量站跟踪测量视野内的GLONASS卫星，并将所测得的数据送往地面控制中心进行处理，主要用于校正轨道计算模型和提供坐标时间保障。系统还建有GPS/GLONASS监测网，该监测网独立工作，主要用于监测GPS/GLONASS系统的工作状态和完好性。3. 用户部分GLONASS用户设备（接收机）能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS系统提供军用和民用两种服务。GLONASS系统绝对定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。目前，GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。
• 8.2.2　GLONASS的信号GLONASS系统采用频分多址（FDMA）方式，根据载波频率来区分不同卫星［GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星］。每颗卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1602+0.5625K（MHz）和L2=1246+0.4375K（MHz），其中K=1～24为每颗卫星的频率编号，同一颗卫星满足L1/L2=9/7。GLONASS系统的工作卫星有两种，即传统的GLONASS卫星和GLONASS-M卫星，GLONASS卫星在L1载频上同时发射标准精度信号（民用信号）和高精度信号（军用信号），在L2上只发射高精度信号，而GLONASS-M在L1和L2上均发射标准精度信号和高精度信号。标准精度信号的伪随机码由一个9位的m序列产生，长度为511，速率为0.511Mbps，周期为1ms。高精度信号的伪随机码由一个25位的m序列产生，长度为33 554 432，速率为5.11Mbps，截短后的码周期为1s。GLONASS系统采用BPSK调制方式，在L1载频上调制有速率0.511Mbps的标准精度信号，速率50bps的导航电文，速率100bps的辅助曲折序列，这三种信号模2相加后再进行调制。在L2载频上调制有0.511Mbps的标准精度信号和速率100bps的辅助曲折序列，并未调制导航电文，L2信号只能配合L1信号作电离层延迟校正。
• 8.2.3　GLONASS的导航电文GLONASS卫星的导航电文采用超帧、帧和串的结构，如图8-6所示。1个超帧长150s，包含5个帧；每个帧长30s，包含15个子帧；每个子帧长2s，包含85b含校验位的数据码和15b时标码。[插图]图8-6　GLONASS导航电文结构GLONASS导航电文中包括直接数据和间接数据。直接数据与广播这个载波信号的卫星相关联，其中包含的内容有：对卫星的时间标记个数的计数，卫星载时钟时间与GLONASS时之间的差值，卫星所发射的载频与其标称值之差值，星历参数。间接数据包含系统的历书，它们是空间区段所有卫星的状态历书，每颗卫星星载时钟的时间相对于GLONASS时的相位历书，空间区段所有卫星的轨道参数，GLONASS时相对于UTC（SU）的校正值。GLONASS导航电文的数据率为50b/s，完全的导航电文长7500b。全部导航电文分为75个子帧，1～5子帧为本卫星的轨道、时钟等参数，6～75子帧为用于预报的全部卫星的历书和备用子帧。每颗卫星的历书占用2个子帧。由于GLONASS的导航电文每30s一帧，所以其卫星每30s重复广播一次。在一个超帧中，星历数据保持不变。8.2.4　GLONASS的时间和坐标系统GLONASS卫星载有原子铯钟，作为时/频标准，GLONASS时是以GLONASS中央同步器时间为基础产生的。GLONASS时与俄罗斯维持的世界协调时UTC（SU）之差在1ms以内。在GLONASS的导航电文中包含必要的数据，以将GLONASS时与UTC（SU）相关联，差值小于1μs。GLONASS时的时间刻度要按照国际时间局（BIH）公告，与UTC（SU）同时做闰秒校正。GLONASS卫星在电文中没有关于闰秒的信息，而GLONASS-M卫星则为用户提前通告要发生闰秒的值和符号。GLONASS系统采用PZ-90坐标系，广播星历描述的是给定卫星的发射天线相位中心在PZ-90地心地球固连坐标系中的位置。PZ-90坐标系的定义如下。原点：位于地球球体中心。X轴：指向地球赤道面与由国际时间局（BIH）建立的子午线的交点。Y轴：Z轴和X轴的右手坐标系。Z轴：指向由国际地球旋转服务（IERS）推荐的常规地极。PZ-90公共基准椭球参数如表8-2所示。表8-2　PZ-90公共基准椭圆参数[插图]
• 8.2.5　GLONASS的标准精度GLONASS系统提供标准精度的民用服务和高精度的军用服务。GLONASS的标准服务精度技术规范为：水平精度为100m（2σ），垂直精度为150m（2σ），测速精度为15cm/s。实际上，GLONASS精度远远高于上面的规定值，水平精度为26m（2σ），垂直精度为45m（2σ），测速精度为5cm/s。GLONASS-M系统进一步提高了GLONASS的定位精度，水平精度为10m（2σ），垂直精度为15m（2σ），定时精度为30ns，测速精度为1cm/s。目前，GLONASS的定位精度有了很大提高，水平误差≤2.1m，垂直误差≤6.6m，PDOP≤2.0。8.2.6　GLONASS的应用范围卫星导航首先是在军事需求的推动下发展起来的，GLONASS与GPS一样可为全球海陆空及近地空间的各种用户连续提供全天候、高精度的三维位置、三维速度和时间信息（PVT信息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导航；也在精密导弹制导、C3I精密敌我态势产生、部队准确的机动和配合、武器系统的精确瞄准等方面广泛应用。另外，卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理等各种国民经济领域有越来越多的应用。GLONASS的出现，打破了美国对卫星导航独家垄断的地位，消除了美国利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使用可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的选择可用性（SA）影响，从而提高定位精度。

 8.3 Galileo系统

• 8.3　Galileo系统鉴于美国的SA政策及GPS系统的应用局限性，使得卫星导航在民用航空中的应用受到制约。欧洲主要国家认为卫星导航系统是欧洲安全的重要保障，应确保欧洲用户在导航定位方面不会陷入被他人独占或垄断的被动局面和困境。鉴于政治、经济、军事等多方面利益的考虑，欧洲提出了伽利略（Galileo）卫星导航系统，简称Galileo系统。Galileo系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统。1999年2月欧盟宣布将建设下一代全球导航卫星系统（GNSS），并与其他GNSS系统一起实现全球的无隙导航定位。2002年3月欧盟首脑会议批准了Galileo卫星导航定位系统的实施计划。计划按三个阶段实现，2001—2005年为研究开发与在轨验证阶段；2006—2007年为星座部署阶段；2008年起为商业运行阶段。这个计划后来一再被推迟，现在的计划是2019年全部建成。
• 8.3.1　Galileo系统的组成Galileo系统功能上类似于GPS、GLONASS系统，由3部分组成，即空间段、地面段和用户端。1. 空间段空间段由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，空间段的30颗卫星均匀分布在3个中高度圆形地球轨道上，轨道高度为23 616km，轨道倾角为56°，轨道升交点在赤道上相隔120°，卫星运行周期为14.4h，每个轨道面上有1颗备用卫星。某颗工作卫星失效后，备份卫星将迅速进入工作位置，代替其工作，而失效星将被转移到高于正常轨道300km的轨道上。这样的星座可为全球提供足够的覆盖范围。2. 地面段地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。地面段由完好性监控系统、轨道测控系统、时间同步系统和系统管理中心组成。Galileo系统的地面段主要由两个位于欧洲的伽利略控制中心（GCC）和29个分布于全球的伽利略传感器站（GSS）组成，另外还有分布于全球的5个S波段上行站和10个C波段上行站，用于控制中心与卫星之间的数据交换。控制中心与传感器站之间通过冗余通信网络相连。全球地面部分还提供与服务中心的接口、增值商业服务及与COSPAS－SARSAT的地面部分一起提供搜救服务。3. 用户端用户端主要就是用户接收机及其等同产品，Galileo系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。4. 区域设施区域设施由监测台提供区域完好性数据，由完好性上行数据链直接或经全球设施地面部分，连同搜救服务商提供的数据，上行传送到卫星。全球最多可设8个区域性地面设施。5. 局域设施有些用户对局部地区的定位精度、完好性报警时间、信号捕获/重捕等性能有更高的要求，如机场、港口、铁路、公路及市区等。局域设施采用增强措施可以满足这些要求。除了提供差分校正量与完好性报警（≤1s），局域设施还能提供下列各项服务。（1）商业数据（差分校正量、地图和数据库）。（2）附加导航信息（伪卫星）。（3）在接收GSM和UMTS基站计算位置信号不良的地区（如地下停车场和车库），增强定位数据信号。（4）移动通信信道。6. 服务中心服务中心提供Galileo系统用户与增值服务供应商（包括局域增值服务商）之间的接口。根据各种导航、定位和授时服务的需要，服务中心能提供下列信息。（1）性能保证信息或数据登录。（2）保险、债务、法律和诉讼业务管理。（3）合格证和许可证信息管理。（4）商贸中介。（5）支持开发应用与介绍研发方法。
• Galileo系统向用户提供4种服务和搜索救援辅助。1. 公开服务Galileo的公开服务（OS）向用户提供位置、速度和定时信息。这种服务用户可以免费使用，但系统不提供服务保证。Galileo公开服务下的定位性能为：在单频工作模式下，水平精度为15m（2σ），垂直精度为35m（2σ）；在双频工作模式下，水平精度为4m（2σ），垂直精度为8m（2σ）。相对于UTC的定时精度为30ns。2. 商业服务Galileo的商业服务（CS）的导航性能更好，还提供附加值数据，用于开发专业应用。CS是一种受控使用的收费服务，将向用户提供服务保证。CS由商业服务提供机构运营，商业服务机构要事先与Galileo运营公司（GOC）签订许可证协议。3. 生命安全服务生命安全服务（SOL）只要指为航空、航海等关系到用户生命安全的领域所提供的服务，在全球范围内提供完好性信息是这种服务的主要特点。由于航空、航海、铁路和车辆在不同航行情况下的风险不同，这种服务被分为两个风险级别，即关键级和非关键级。完好性数据在E2-L1-E1和E5B频段广播，其所达到的性能为：关键级的水平精度为4m（2σ），垂直精度为8m（2σ），告警门限水平为12m，垂直为20m，告警时间为6s，完好性风险为3.5×10-7/150s；非关键级的水平精度为220m（2σ），告警门限水平为556m，告警时间为10s，完好性风险为10-7/h。4. 公共法规服务通过专门的抗干扰技术，公共法规服务（PRS）将提供比前面三种服务更强的抗干扰能力。PRS采用不同的频谱发射，其信号带宽更宽，可以产生更强的抗无意或有意干扰的能力。PRS的性能为：水平精度为6.5m（2σ），垂直精度为12m（2σ），告警门限水平为20m，垂直为35m，告警时间为10s，完好性风险为3.5×10-7/150s，定时精度为100ns。5. 搜索救援服务（SAR）Galileo卫星对搜索救援的支持内容为：每颗Galileo卫星能中继达150个同时启动的信标信号，从信标发出灾难求助信号到搜救地面站收到平均要等待的时间小于10min，从信标到搜救地面站的通信链路的比特差错率小于10-5，回执数据率每分钟6条信息，每条100b。同时，Galileo使得Cospas-Sarsat系统的性能明显提高，主要有：在信标中安装Galileo接收机之后的灾难用户定位精度从5km提高到了数米，多颗Galileo卫星参与工作，避免了地形遮挡，为Cospas-Sarsat系统增添了回执功能，在搜救操作人员与信标之间建立起回复链路，有助于救援操作，也可认定和拒绝虚假告警。6. 局域辅助服务Galileo系统除了4种服务和搜救服务，还包括局域辅助服务。局域辅助服务应用在必要的场所，以改善局部区域Galileo 4种服务的精度、完好性、可用性和通信能力，以满足用户更高的服务要求。Galileo系统的局域辅助服务包括局域精密导航服务、局域高精密导航服务、局域辅助导航服务和局域增强可用性服务。例如，局域精密导航服务的精度<1m，局域高精密导航服务的精度<10cm。

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