CN111948674B - 一种基于用户体验的伪卫星与北斗卫星信号兼容方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于用户体验的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，用以解决现有技术中伪卫星与北斗卫星信号干扰问题。所述基于用户体验的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，通过伪卫星信号频率采用卫星同频同构信号频率，伪卫星扩频伪随机码从卫星预留码中选取，且采用CDMA方式发射，伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，从而实现信号兼容。本发明通过同频同构及CDMA+TDMA双复用模式，减小用户基带解调复杂度及兼容接收难度，保证了伪卫星对北斗卫星信号不产生干扰，同时也保证了用户终端能够正确接收解调伪卫星信号，实现了协同定位与授时，最大限度保证了北斗卫星导航系统现有用户终端的兼容使用，降低了北斗用户终端的改造成本。

Description

一种基于用户体验的伪卫星与北斗卫星信号兼容方法
技术领域
本发明属于卫星导航与定位领域，具体涉及一种基于用户有体验的伪卫星与北斗卫星信号兼容方法。
背景技术
基于伪卫星+北斗卫星的组合模式地基增强卫星导航系统，通过布设伪卫星、增加用户的可用卫星数量及系统连续服务时间来提升北斗卫星导航系统的导航性能。伪卫星与北斗卫星相互协作，就需要信号兼容，当用户终端同时接收两种卫星信号时，两种信号不会相互干扰，且可以提高组合服务性能。同时，两者信号兼容时，用户能够低成本无障碍地自由选星。
同时，卫星距离用户接收机的距离非常大，均为20000km以上，所以当用户接收机位置变化时,在轨卫星与用户之间的几何距离可以近似认为不变，接收到的信号强度也不会发生显著变化。而伪卫星距离接收机较近，接收机收到的信号强度会随着用户位置变化而剧烈变化。当用户距伪卫星较近时，接收到的伪卫星信号过强，将会对卫星信号造成干扰，影响在轨卫星信号的接收，而用户距伪卫星太远，则会造成伪卫星信号过弱而无法锁定，这种由于用户和卫星距离剧烈变化产生的影响，称为“远近效应”。
由于“远近效应”的影响，地面伪卫星的布设过程中需要对信号体制进行合理设计，实现伪卫星和在轨卫星信号的有效接收，同时尽可能减小“远近效应”的影响，避免伪卫星变成干扰机。
用户终端接收机天线口面接收到的伪卫星信号功率PT可用下式表示：
Figure BDA0002567303320000011
式(1)中，PR表示接收机功率电平，d表示接收机与伪卫星的距离，Ga表示天线增益。根据式(1)可以看出，等式右侧第二项会由于接收机到伪卫星距离的不同出现很大的动态性。假设距伪卫星的最小距离为50m，最大距离为50km，则信号功率范围为60dB，即伪卫星所收到的信号强度变化幅度将达到60dB。
现有技术中，通常采用码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)、频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)频率偏值技术和时分多址(TimeDivision Multiple Access,TDMA)无线通信方法来解决“远近效应”。
其中，CDMA是由将原始信息的带宽大大扩展，采用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码序列去调制具备一定信号带宽的要传送的信息数据，然后再次把信号调制到载波上，然后发射信号。用户接收机解调时使用的伪随机码要和伪卫星发射时调制的伪随机码一致，最后把解调后的信号下变频，最后得到想要的测距码和导航电文信息。利用不同C/A码进行码间互相关，可分离25dB。基于前述伪卫星信号功率范围，则需要将码速率大幅提高，但无法实现与卫星信号之间的兼容，进而显著增加用户接收机的成本。
FDMA包括在卫星信号频段内偏移和偏移到频段外两种方法。在卫星复合码的空洞频点上传输伪卫星信号，可以认为在卫星信号空洞频点上的伪卫星信号将被接收机忽略，从而减少或消除远近效应问题。在GPS频段外发射，伪卫星可以被设计成在射频段以外任何频率发射信号。如果伪卫星的发射信号偏离GPS卫星波段足够远，那么它的信号将被接收机的带通滤波器衰减，从而避免了和GPS卫星信号的相互干扰。但由于伪卫星和GPS卫星信号是通过不同通道进入接收机的，为严格控制两通道间的相对时延，以避免组合误差，接收机需要改善滤波器和内部校准技术，从而会大大增加接收机的成本。
TDMA用占空比低的短脉冲来传送伪卫星信号。如果伪卫星发射占空比为10％，就足够强到被轻易接收，而它的干扰仅为10％，接收机的GPS平均信号功率损耗不大于1dB。在脉冲间隙，剩下90％的时间，接收机收到全部是不被干扰的卫星信号。这种情况下，绝大多数接收机能够同时接收伪卫星信号和在轨卫星信号，伪卫星和用户接收设备的造价都很低，因此，TDMA技术在伪卫星设计中倍受青睐。
发明内容
本发明实施例要解决的技术问题是提高伪卫星和北斗卫星的兼容性，提出了一种基于用户体验的伪卫星与北斗卫星信号兼容方法，使两种信号相互协作且互不干扰，提高导航性能和定位、授时的便捷性，用户终端既可以自由选择来自伪卫星或北斗卫星的信号，也可以享受两种信号组合协作的服务功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于用户体验的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，所述方法包括：伪卫星信号频率采用与北斗卫星导航系统的同频同构信号频率；伪卫星扩频伪随机码从北斗卫星信号预留码中选取，采用CDMA方式发射扩频伪随机码；伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，从而实现伪卫星与北斗卫星的信号兼容，用户获得兼容信号。
上述方案中，所述同频同构信号，为与北斗卫星导航系统相同的B1和B3频点。
上述方案中，B1频点为1561.098MHz，B3频点为1268.52MHz。
上述方案中，所述伪卫星的伪随机码从北斗卫星信号预留码中选取，采用CDMA方式发射扩频伪随机码，具体为，伪卫星的伪随机码与现有北斗卫星信号伪码属于同一码空间，多颗轨道卫星及伪卫星各自分配具有一定特性的正交地址码，分别进行信号调制和发射，通过各个信号地址码型之间的不同和正交性来实现信号的分离。
上述方案中，所述伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，伪卫星采用脉冲调制方式，仅在特定脉冲时隙发射伪卫星信号，其他时间保持静默，从而降低用户兼容接收难度。
上述方案中，所述兼容信号满足接收机正常捕获不同伪卫星信号强度下的卫星信号和伪卫星信号的脉冲信号占空比。
上述方案中，当采用B1频点C码时，伪卫星脉冲信号调制方式为，伪卫星脉冲信号占空比为1/16；B1I支路周期为1ms，码长2046bit；将伪卫星信号的2046位伪随机码依次分割为16份，前15毫秒发送128bit，第16毫秒发送126bit，每16ms完成一个伪卫星信号码片的发送。
上述方案中，所述兼容信号还满足确立的伪卫星信号远近边界距离比。
本发明具有如下有益效果：
本发明的基于用户体验的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，通过伪卫星信号频率采用与北斗卫星导航系统的同频同构信号频率，伪卫星扩频伪随机码从北斗卫星信号预留码中选取，采用CDMA方式发射扩频伪随机码，伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，实现CDMA+TDMA双复用模式的同频同构体制，从而实现伪卫星与北斗卫星的信号兼容，用户获得兼容信号，减小用户基带解调复杂度及兼容接收难度，最大限度保证北斗卫星导航系统现有用户终端的兼容使用，降低北斗用户终端的改造成本，最大限度地减小伪卫星信号对卫星信号的干扰，实现了伪卫星与北斗卫星的协同定位与授时，保证了伪卫星对北斗卫星信号不产生干扰，同时也保证了用户终端能够正确接收解调伪卫星信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中第一仿真条件下北斗用户机对卫星的捕获结果图；
图2为本发明实施例中第二仿真条件下北斗用户机对卫星的捕获结果图；
图3为本发明实施例中第三仿真条件下北斗用户机对卫星的捕获结果图。
具体实施方式
下面通过参考示范性实施例，对本发明技术问题、技术方案和优点进行详细阐明。以下所述示范性实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非在这里进行定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施方式的理解，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步的解释说明。
本发明实施例从用户体验出发，针对伪卫星对北斗卫星导航系统的增强，提出了一种基于用户体验的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，采用CDMA+TDMA双复用模式的同频同构体制，减小用户基带解调复杂度及兼容接收难度，最大限度保证北斗卫星导航系统现有用户终端的兼容使用，降低北斗用户终端的改造成本。
这里首先需要对本实施例中所涉及到的“兼容性”进行一下说明。伪卫星与北斗卫星的信号兼容性，指空基定位、导航和授时服务能够独自或一起使用，而不会干扰各项单独的服务或信号。兼容性包含射频兼容性和信号体制兼容性，其中，射频兼容性涉及全面考虑各种详细的技术要素，包括对接收器最低背景噪声的影响以及干扰信号与有用信号之间的相互关系；信号体制兼容性涉及各系统的特许服务信号与其他系统信号之间的频谱分离问题。因此，部分信号之间的重叠是无法避免的，需要通过寻求一个相互可以接受的解决办法。
本实施例所述基于用户体验的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，所述方法包括：
伪卫星信号频率采用与北斗卫星导航系统的同频同构信号；伪卫星扩频伪随机码从北斗卫星信号预留码中选取，采用CDMA方式发射扩频伪随机码；伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，从而实现伪卫星与北斗卫星的信号兼容。
作为本实施例的一种优选方案，所述与北斗卫星导航系统同频同构信号，为与北斗卫星导航系统相同的B1和B3频点，减小用户基带解调复杂度，最大限度保证北斗系统现有用户终端的兼容使用。其中，B1频点为1561.098MHz，B3频点为1268.52MHz。
作为本实施例的一种优选方案，所述伪卫星的伪随机码从北斗卫星信号预留码中选取，采用CDMA方式发射扩频伪随机码，具体为，伪卫星的伪随机码与现有北斗卫星信号伪码属于同一码空间，多颗轨道卫星及伪卫星各自分配具有一定特性的正交地址码，然后分别进行信号调制和发射，运用了各个信号地址码型之间的不同和正交性来实现信号的分离，最大限度的保证信号之间的非相关性，降低北斗用户终端的改造成本。
作为本实施例的一种优选方案，所述伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，伪卫星采用脉冲调制方式，仅在特定脉冲时隙发射伪卫星信号，其他时间保持静默，从而降低用户兼容接收难度。
在用户终端接收伪卫星和/或卫星信号时，首先，兼容信号需满足接收机正常捕获不同伪卫星信号强度下的卫星信号和伪卫星信号的脉冲信号占空比。伪卫星在发射通信信号时的脉冲时隙，必须满足三个要求，一是总的伪卫星脉冲占空比必须小于信号脉冲占空比的理论上限，二是各伪卫星脉冲占空比必须大于最小可工作的下限；三是信号脉冲起始位置必须避免信号频谱混叠。因此，伪卫星脉冲占空比是关键要素。本实施例中，伪卫星信号占空比的确定从两个角度进行考虑，一是接收导航卫星信号，二是接收伪卫星信号。伪卫星信号使用对周围接收机干扰最小的低占空比，但过低的占空比会将导致伪卫星信号无法被接收机捕获、跟踪，本实施例采用不影响接收机正常工作的伪卫星脉冲信号最大占空比。
下面以B1I频点为例，详细说明本实施例如何确定伪卫星脉冲信号占空比。
本实施例采用伪卫星脉冲仿真模型，来确定伪卫星脉冲信号占空比。
根据北斗卫星导航系统公开信号参数，对于B1I频点，满足：
Figure BDA0002567303320000051
式(1)中，S代表卫星信号功率，P代表来自伪卫星的干扰功率，I代表来自其它卫星的干扰和热噪声功率。因此，对1/11和1/16、1/22三种占空比情况下接收机捕获性能进行了仿真对比分析。为同时保证北斗卫星和伪卫星信号正常接收，伪卫星B1I支路信号最大占空比为12.7％。
仿真生成接收机中频端接收到的真实卫星信号和伪卫星信号，在接收机一个捕获相关周期内(一般为1ms)，接收机接收到的伪卫星脉冲信号起始位置固定且不重叠，模拟接收机中频端对真实卫星和伪卫星信号的相关捕获。
脉冲信号最大占空比的前提下，伪卫星脉冲占空比的最大值，分别将伪卫星信号功率设计为高于卫星9.5dB和32dB，接收机接收北斗卫星信号功率为-133dBm，则接收伪卫星信号功率为-123.5dBm和-101dBm，仿真接收机对卫星及伪卫星信号的捕获情况。
通过对在B1I频点伪卫星信号高于卫星信号9.5dB时占空比为1/11、1/16、1/22三种情况的分析，在满足最大占空比不超过12.5％的前提下，伪卫星脉冲信号占空应大于1/22，否则将导致伪卫星脉冲信号无法捕获；通过对在B1I频点伪卫星信号高于卫星信号32dB时占空比为1/11、1/16、1/22三种情况的分析，在满足最大占空比不超过12.5％的前提下，伪卫星脉冲信号占空比应小于1/11，否则将导致卫星信号无法捕获。
因此，伪卫星脉冲信号占空比应大于1/22且小于1/11，1/16的脉冲占空比可以满足不同伪卫星信号强度下的卫星信号和伪卫星信号的捕获。
由以上得出，伪卫星脉冲信号调制方式为：对于B1频点C码，设计伪卫星脉冲信号占空比为1/16(6.25％)。B1I支路周期为1ms，码长2046bit。因此，将伪卫星信号的2046位伪随机码依次分割为16份，前15毫秒发送128bit，第16毫秒发送126bit，这样，16ms就可以完成一个伪卫星信号码片的发送。
在用户终端接收伪卫星和/或卫星信号时，其次，伪卫星在确定了脉冲占空比后，计算伪卫星的发射功率范围，从而确立伪卫星信号远近边界距离比。
下面仍然以B1I频点为例，采用伪卫星脉冲仿真模型，详细说明本实施例如何确立伪卫星信号远近边界距离比。
伪卫星脉冲信号占空比确定为1/16的前提下，伪卫星到远边界的距离取决于伪卫星发射信号的功率电平。根据电波在自由空间传播路径损耗原理，接收机接收的信号与发射机发射功率和路径损耗相关，导航卫星距离地面约3万公里，接收机在地面运动时可视为与卫星的距离保持不变，因此接收功率可稳定保持在ICD规定的-133dBm；而伪卫星距离用户机一般为几公里至几十公里，接收机在地面运动时接收到的伪卫星信号功率会发生剧烈的变化。
为了保证伪卫星信号不干扰普通北斗用户机，在距离伪卫星d1的一个固定点位A，接收机接收到的伪卫星信号为-103dBm，则根据公式：接收机接收功率＝伪卫星发射功率-路径损耗，可以计算出伪卫星的发射功率。如伪卫星发射功率恒定，受接收机接收灵敏度的限制，伪卫星信号的最远作用距离d2也随之确定，据此可计算出伪卫星信号作用远/近边界距离比d＝d2/d1。
分析当伪卫星信号发射器天线为全向辐射天线的情况。假设接收机在距离伪卫星为d1的地方接收到的伪卫星信号强度高于卫星信号强度λdB，如果接收机进入距离伪卫星小于d1的区域，则无法正常捕获卫星信号，则d1为伪卫星信号的近边界。以北斗民用频点B1I为例，卫星信号到达接收口面功率为-133dBm，根据电波在自由空间传播路径损耗计算公，可计算出伪卫星信号的发射功率P。
P＝-133+λ+32.44+20log(d1)+20log(1561.098)
＝20log(d1)+λ-36.69 (3)
设接收机捕获伪卫星信号灵敏度为ηdBm，则由下式可以得出伪卫星信号的远边界d2。
P-η＝32.44+20log(d2)+20log(1561.098)
＝96.31+20log(d2) (4)
根据式(3)和式(4)，可计算出伪卫星信号作用远/近边界距离比，如下所示：
Figure BDA0002567303320000071
从式(5)可知，在伪卫星信号发射功率及接收机灵敏度确定的情况下，伪卫星信号远/近边界距离比是固定的。
设B1频点伪卫星脉冲占空比PDC＝6.25％(1/16)，仿真生成了4颗导航卫星和3颗伪卫星信号，4颗导航卫星分别为G1星、G2星、G3星、I1星，对应的伪随机码为PRN1、PRN2、PRN3、PRN6；伪卫星编号为31号星、32号星、33号星，分别为PRN31、PRN32、PRN33。仿真分两种情况进行。
第一种情况下，设接收到三颗伪卫星的信号强度相同，均高于卫星信号20dB，仿真此条件下北斗用户机对卫星的捕获情况，图1所示为第一仿真条件下北斗用户机对卫星的捕获结果。如图1所示，在伪卫星数量为3颗，伪卫星PDC＝6.25％，伪卫星信号强度高于卫星20dB的情况下，伪卫星信号不会影响北斗用户对卫星信号的正常捕获。
第二种情况下，设接收机距离31号伪卫星较近，距离32号、33号伪卫星较远，则接收31号伪卫星的信号较强，可设为高于卫星信号30dB；接收32号、33号伪卫星信号较弱，设为高于卫星信号20dB。仿真此条件下接收机对卫星信号的捕获情况，图2所示为第二仿真条件下北斗用户机对卫星的捕获结果。如图2所示，在伪卫星脉冲信号占空比为6.25％，一颗伪卫星信号功率高于卫星30dB，两颗伪卫星信号功率高于卫星20dB情况下，某些卫星能够捕获但接近失捕，因此，伪卫星信号不能高于卫星信号30B，即-103dBm，否则将导致普通北斗用户无法正常工作。
在B3I频点，设B3频点占空比为1/77，即1.30％，接收31号伪卫星信号强度高于卫星30dB；接收32号、33号伪卫星信号强度高于卫星20dB，将此设定为第三仿真条件，仿真此条件下北斗用户机捕获情况。图3所示为第三仿真条件下对卫星的捕获结果。如图3所示，在B3I频点，当伪卫星占空比为1.30％时，最大的伪卫星脉冲信号不能高于卫星信号30dB，即-103dBm，否则北斗用户机将无法正常捕获卫星信号。
上述分析表明，伪卫星信号不得高于卫星信号30dB，当前北斗接收机接收脉冲占空比为6.25％伪卫星信号的灵敏度最低为-123dBm，根据式(5)计算伪卫星信号远近边界距离比为10，进而可得到以下伪卫星信号远/近边界距离范围，如表1所示。
表1
Figure BDA0002567303320000072
Figure BDA0002567303320000081
此外，基于以上伪卫星与北斗卫星信号兼容方法，2015年底已建立了一套北斗地基伪卫星增强系统，用户可以连续稳定的接收北斗卫星和伪卫星的信号，实现了北斗卫星信号遮蔽严重的典型试验区内连续定位能力，协同定位精度优于1米、独立定位精度优于5米、授时精度优于3ns。
由此可见，本发明实施例所述基于用户体验的伪卫星与北斗卫星信号兼容方法，采用CDMA+TDMA双复用，最大限度地减小伪卫星信号对卫星信号的干扰，实现了伪卫星与北斗卫星的协同定位与授时，保证了伪卫星对北斗卫星信号不产生干扰，同时也保证了用户终端能够正确接收解调伪卫星信号。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，在本发明揭露的技术范围做出的若干改进和润饰、可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于用户体验的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，其特征在于，所述方法包括：
伪卫星信号频率采用与北斗卫星导航系统的同频同构信号；
伪卫星扩频伪随机码从北斗卫星信号预留码中选取，采用CDMA方式发射扩频伪随机码，具体地：伪卫星的伪随机码与现有北斗卫星信号伪码属于同一码空间，多颗轨道卫星及伪卫星各自分配具有一定特性的正交地址码，然后分别进行信号调制和发射，运用了各个信号地址码型之间的不同和正交性来实现信号的分离，最大限度的保证信号之间的非相关性，降低北斗用户终端的改造成本；
伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，从而实现伪卫星与北斗卫星的信号兼容，用户获得兼容信号；在用户终端接收伪卫星和/或卫星信号时，首先，兼容信号需满足接收机正常捕获不同伪卫星信号强度下的卫星信号和伪卫星信号的脉冲信号占空比；其次，伪卫星在确定了脉冲占空比后，计算伪卫星的发射功率范围，从而确立伪卫星信号远近边界距离比；
所述确立伪卫星信号远近边界距离比，具体包括：
伪卫星到远边界的距离取决于伪卫星发射信号的功率电平；根据电波在自由空间传播路径损耗原理，接收机接收的信号与发射机发射功率和路径损耗相关，接收机在地面运动时可视为与卫星的距离保持不变，因此接收功率可稳定保持在ICD规定的-133dBm；
为了保证伪卫星信号不干扰普通北斗用户机，在距离伪卫星d1的一个固定点位A，接收机接收到的伪卫星信号为-103dBm，则根据公式：接收机接收功率＝伪卫星发射功率-路径损耗，可以计算出伪卫星的发射功率；如伪卫星发射功率恒定，受接收机接收灵敏度的限制，伪卫星信号的最远作用距离d2也随之确定，据此可计算出伪卫星信号作用远/近边界距离比d＝d2/d1。
2.根据权利要求1所述的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，其特征在于，所述同频同构信号，为与北斗卫星导航系统相同的B1和B3频点。
3.根据权利要求2所述的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，其特征在于，B1频点为1561.098MHz，B3频点为1268.52MHz。
4.根据权利要求1所述的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，其特征在于，所述伪卫星通信信号采用TDMA方式发射，伪卫星采用脉冲调制方式，仅在特定脉冲时隙发射伪卫星信号，其他时间保持静默，从而降低用户兼容接收难度。
5.根据权利要求2或3所述的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，其特征在于，所述兼容信号满足接收机正常捕获不同伪卫星信号强度下的卫星信号和伪卫星信号的脉冲信号占空比。
6.根据权利要求5所述的伪卫星和北斗卫星信号兼容方法，其特征在于，当采用B1频点C码时，伪卫星脉冲信号调制方式为，伪卫星脉冲信号占空比为1/16；B1I支路周期为1ms，码长2046bit；将伪卫星信号的2046位伪随机码依次分割为16份，前15毫秒发送128bit，第16毫秒发送126bit，每16毫秒完成一个伪卫星信号码片的发送。
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