CN102608635B - 基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法与系统，通信信息在基带处理单元完成差错控制编码、Gold码扩频和二进制偏置载波调制后，经上变频单元把基带信号转变为C波段射频信号，该射频信号由发射天线发射出去；上述射频信号经由4-6颗的CAPS卫星转发；转发后的信号由4-6面接收天线接收，天线接收到的信号送到地面站数据处理中心统一处理，CAPS测轨站也将其通过网络实时获得的星历信息送入地面站数据处理中心，地面站数据处理中心完成信号的合成、下变频、解扩、解调和测距后获得用户通信信息和测距信息，并利用星历信息和测距信息完成用户的定位和测速。

Description

基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法与系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及针对中国区域导航系统（CAPS）所使用的卫星而设计的一种基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法与系统。

背景技术

CAPS系统是利用通信卫星实现的中国区域导航定位系统，空间部分是由4－6颗商用卫星组成的星座，星上有24个转发器，每个转发器带宽是36MHz，还有部分转发器是72MHz，而导航频段仅仅占用了3个转发器，因此，CAPS频率资源丰富，如何充分合理利用未使用的频率资源是CAPS新的课题。

目前能同时完成通信和定位的系统有：Argos系统，中国北斗一代和CAPS一代。但是，Argos要完成定位，PTT需要向同一颗Argos卫星发送四条信息才可以计算出位置信息，定位过程不但复杂、精度低，且不能实时定位，信息速率较低；北斗一代是有源定位，定位过程不但复杂，而且定位实时性差，不能测速、通信用户容量受限；CAPS一代既能高精度定位、测速，也能实现大容量的通信，但是，目前CAPS一代定位和通信还是独立的，即只是在终端实现导航和通信简单的组合。所以，CAPS一代导航、通信不但系统设计复杂，而且接收和发射终端功率大、体积大、信号处理复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法与系统，它不但实现了大容量用户的信息回传，而且还实现了用户的实时导航功能。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

一种基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法，包括如下步骤：

a)根据用户容量和导航的精度确定测距码；

b)对所需传输的用户通信信息和测距码进行差错控制编码后形成基带信号；

c)将编码后的基带信号信息进行Gold码扩频和二进制偏置载波调制；

d)将扩频和调制后的基带信号上变频到C波段，并经功率发大后通过发射天线发射出去；

e)上述步骤d)所得信息经过4-6颗CAPS卫星转发后，被地面接收站的4-6面接收天线接收，其中1面接收天线对应1颗卫星；

f)接收天线接收下来的4-6路信号采用合路器合成，合成后的信号经过下变频后变为基带信号送入数据处理单元；

g)数据处理单完成基带信号的解扩、解调和测距后获得用户通信信息和测距信息ρ_i；

h)利用已知的地面接收站4－6面接收天线的位置精确通过网络实时获得的卫星位置

和卫星速度

这两项星历信息、以及上述获得的测距信息ρ_i,通过定位方程可求解出用户的三维信息

其中上述定位方程为：

${\mathrm{\ρ}}_i=\sqrt{{(x_i^s-x_i^g)}^2+{(y_i^s-y_i^g)}^2+{(z_i^s-z_i^g)}^2}+\sqrt{{(x_i^s-x_i^u)}^2+{(y_i^s-y_i^u)}^2+{(z_i^s-z_i^u)}^2}-{\mathrm{cdt}}_u$

式中，i=1,2,·,6，dt_u用户时钟误差，c是常量、代表光波或电磁波在真空中的传播速度。

上述步骤b)中所采用差错控制编码包括纠正随机性错误的前向纠错编码和纠正突发性的错误交织编码。

上述步骤c)中所述二进制偏置载波调制为BOC调制、MBOC调制或AltBOC调制。

上述发射天线为C波段微带或贴片全向天线。

上述CAPS卫星中至少有1-2颗为小倾角的同步轨道卫星。

一种基于回传通信信号体制的卫星导航系统，主要由用户终端、CAPS卫星组和地面接收站组成，其中：

所述用户终端包括基带信号处理单元、上变频单元和发射天线；基带信号处理单元经由上变频单元与发射天线相连；

所述CAPS卫星组包括4-6颗的CAPS卫星；

所述地面接收站包括4-6面接收天线、地面站数据处理中心、和CAPS测轨站；上述每面接收天线分别对应1颗卫星，4-6面接收天线的输出端和CAPS测轨站的输出端均与地面站数据处理中心相连；

通信信息在基带处理单元完成差错控制编码、Gold码扩频和二进制偏置载波调制后，经上变频单元把基带信号转变为C波段射频信号，该C波段射频信号由发射天线发射出去；上述C波段射频信号经由4-6颗的CAPS卫星转发；转发后的信号由4-6面接收天线接收，天线接收到的信号送到地面站数据处理中心统一处理，CAPS测轨站也将其通过网络实时获得的星历信息送入地面站数据处理中心，地面站数据处理中心完成信号的合成、下变频、解扩、解调和测距后获得用户通信信息和测距信息，并利用星历信息和测距信息完成用户的定位和测速。

上述发射天线为C波段微带全向天线或C波段贴片全向天线。

上述CAPS卫星组中至少有1-2颗CAPS卫星为小倾角的同步轨道卫星。

本发明与现有技术相比，通过设计一定的扩频码或测距码、调制方式和电文编码方式，基带信号上变频到C波段，信号经功率放大后经全向天线发射出去，信号经4－6颗卫星转发，地面站用4－6面大天线接收，接收到的信号结合卫星测轨数据，实时完成用户的数据回传和导航。另外，地面站利用这些星历信息和地面站的测距信息不但可以实现用户的实时定位，而且还可以实现用户的测速和授时。

附图说明

图1为本发明一种优选实施例的原理示意图；

图2为CAPS导航在中卫一号卫星上所选的频点；

图3为CAPS导航在鑫诺一号卫星上所选的频点；

图4为CAPS导航在亚太一号卫星上所选的频点；

图5为CAPS导航在亚太1A卫星上所选的频点；

图6为CAPS导航在亚洲二号卫星上所选的频点。

具体实施方式

一种基于回传通信信号体制的卫星导航系统如图1所示，其主要由用户终端、CAPS卫星组和地面接收站组成。所述用户终端包括基带信号处理单元、上变频单元和发射天线；基带信号处理单元经由上变频单元与发射天线相连。所述CAPS卫星组包括4-6颗的CAPS卫星。所述地面接收站包括4-6面接收天线、地面站数据处理中心、和CAPS测轨站；上述每面接收天线分别对应1颗卫星，4-6面接收天线的输出端和CAPS测轨站的输出端均与地面站数据处理中心相连。

通信信息在基带处理单元完成差错控制编码、Gold码扩频和二进制偏置载波调制后，经上变频单元把基带信号转变为C波段射频信号，该C波段射频信号由发射天线发射出去；上述C波段射频信号经由4-6颗的CAPS卫星转发；转发后的信号由4-6面接收天线接收，天线接收到的信号送到地面站数据处理中心统一处理，CAPS测轨站也将其通过网络实时获得的星历信息送入地面站数据处理中心，地面站数据处理中心完成信号的合成、下变频、解扩、解调和测距后获得用户通信信息和测距信息，并利用星历信息和测距信息完成用户的定位和测速。

在本发明优选实施例中，本发明各组成部分的功能如下：

用户终端

用户终端主要完成信息编码、信号扩频、调制、变频、功放和信号发射。扩频码是实现导航和通信一体化的关键，其码长、码速率、和自、互相关特性决定了定位精度、灵敏度和通信的用户数量，以及导航和通信信号的抗侦破、抗干扰能力，采用地址数较多和易于实现的Gold码，码长采用10230，码速率采用10.23MHz；为了确保各种通信用户，特别是通信环境恶劣的用户通信数据的可靠性，采取纠正随机性错误的前向纠错编码（FEC）和自动反馈重发（ARQ）方式，也要采取纠正突发性的错误交织编码技术；与BPSK调制相比，BOC调制方式测距，抗干扰、抗多径效应性能更优，而且能为多个系统同时工作在同一频段上提供了可能，兼顾导航和通信，本发明调制方式采用BOC或AltBOC或MBOC调制方式。

CAPS卫星组

CAPS目前所使用的卫星有5颗：中卫一号卫星（图2所示，箭头表示目前CAPS导航所选的频点）、鑫诺一号卫星（图3所示，箭头表示目前CAPS导航所选的频点）、亚太一号卫星（图4所示，箭头表示目前CAPS导航所选的频点）、亚太1A卫星（图5所示，箭头表示目前CAPS导航所选的频点）和亚洲二号卫星（图6所示，箭头表示目前CAPS导航所选的频点）。随着CAPS二期的进展，还将发射一颗倾斜轨道卫星。通信信息通过CAPS卫星透明转发后广播。

地面站接收站

地面站采用4－6面大型抛物面天线接收卫星广播下来的信号，因为，用户采用小体积的全向天线，天线增益低、信号发射功率小，所以，接收站必须采用大增益的抛物面天线，以来改善接收信号的信噪比问题，而且，要求天线增益大于40dB。天线接收的4－6路信号用合路器合成一路，合成后的信号经下变频单元变为基带信号，由基带信号处理单元完成信号的解扩、解调和测距。卫星星历信息由CAPS测轨站通过网络近似实时得到，基带信号处理单元利用解码信息、测距信息、星历信息不但实时完成通信用户的信息回传，而且还能实时实现用的高精度定位和测速。

上述系统所实现的基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法，其特征在于包括如下步骤：

a)根据用户容量和导航的精度确定测距码；

b)对所需传输的用户通信信息和测距码进行差错控制编码后形成基带信号；

为了适应恶劣的通信环境和保证通信数据的可靠性，本发明首先对用户的通信信息进行差错控制编码，如交织编码技术。其中差错控制编码包括纠正随机性错误的前向纠错编码和纠正突发性的错误交织编码。

c)将编码后的基带信号信息进行Gold码扩频和二进制偏置载波调制（BOC调制）；

为了满足高精度导航和用户信号的低信噪比的要求，采用高扩频增益的伪随机码扩频技术。其中，扩频码采用具有优良的自、互相关特性、可用地址数较多和易于实现的Gold码。与BPSK调制相比，BOC调制与传统的BPSK导航调制方式相比其抗干扰、抗多径效应性能更优，而且能为多个系统同时工作在同一频段上提供了可能，兼顾导航和通信，因此，调制方式采用BOC或AltBOC或MBOC调制方式。为满足大容量通信用户，采用的多址连接方式为CDMA和FDMA和TDMA结合。

d)将扩频和调制后的基带信号上变频到C波段，并经功率发大后通过发射天线发射出去；其中发射天线为C波段微带或贴片全向天线；

e)上述步骤d)所得信息经过4-6颗CAPS卫星转发后，被地面接收站的4-6面接收天线接收，其中CAPS卫星中至少有1-2颗为小倾角的同步轨道卫星，每面接收天线分别对应1颗卫星；

f)接收天线接收下来的4-6路信号采用合路器合成，合成后的信号经过下变频后变为基带信号送入数据处理单元；

g)数据处理单完成基带信号的解扩、解调和测距后获得用户通信信息和测距信息ρ_i；

h)利用已知的地面接收站4－6面接收天线的位置精确通过网络实时获得的卫星位置

和卫星速度

这两项星历信息、以及上述获得的测距信息ρ_i，通过定位方程可求解出用户的三维信息

其中上述定位方程为：

${\mathrm{\ρ}}_i=\sqrt{{(x_i^s-x_i^g)}^2+{(y_i^s-y_i^g)}^2+{(z_i^s-z_i^g)}^2}+\sqrt{{(x_i^s-x_i^u)}^2+{(y_i^s-y_i^u)}^2+{(z_i^s-z_i^u)}^2}-{\mathrm{cdt}}_u$

式中，i=1,2,·,6，dt_u用户时钟误差，，c是常量、代表光波或电磁波在真空中的传播速度，上述定位方程有4个未知数，如果能够同时观测到4颗以上卫星，就能实现用户的实时定位功能。

Claims (8)

1.基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法，其特征在于包括如下步骤：

a)根据用户容量和导航的精度确定测距码；

b)对所需传输的用户通信信息和测距码进行差错控制编码后形成基带信号；

c)将编码后的基带信号信息进行Gold码扩频和二进制偏置载波调制；

d)将扩频和调制后的基带信号上变频到C波段，并经功率发大后通过发射天线发射出去；

e)上述步骤d)所得信息经过4-6颗CAPS卫星转发后，被地面接收站的4-6面接收天线接收，其中1面接收天线对应1颗卫星；

f)接收天线接收下来的4-6路信号采用合路器合成，合成后的信号经过下变频后变为基带信号送入数据处理单元；

g)数据处理单完成基带信号的解扩、解调和测距后获得用户通信信息和测距信息ρ_i；

h)利用已知的地面接收站4－6面接收天线的位置精确

通过网络实时获得的卫星位置

和卫星速度这两项星历信息、以及上述获得的测距信息ρ_i，通过定位方程可求解出用户的三维信息

其中上述定位方程为：

${\mathrm{\ρ}}_i=\sqrt{{(x_i^s-x_i^g)}^2+{(y_i^s-y_i^g)}^2+{(z_i^s-z_i^g)}^2}+\sqrt{{(x_i^s-x_i^u)}^2+{(y_i^s-y_i^u)}^2+{(z_i^s-z_i^u)}^2}-{\mathrm{cdt}}_u$

式中，i=1,2,·,6，dt_u用户时钟误差，c是常量、代表光波或电磁波在真空中的传播速度。

2.根据权利要求1所述的基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法，其特征在于：步骤b)中所采用差错控制编码包括纠正随机性错误的前向纠错编码和纠正突发性的错误交织编码。

3.根据权利要求1所述的基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法，其特征在于：步骤c)中所述二进制偏置载波调制为BOC调制、MBOC调制或AltBOC调制。

4.根据权利要求1所述的基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法，其特征在于：所述发射天线为C波段微带或贴片全向天线。

5.根据权利要求1所述的基于回传通信信号体制的卫星导航实现方法，其特征在于：所述CAPS卫星中至少有1-2颗为小倾角的同步轨道卫星。

6.基于回传通信信号体制的卫星导航系统，主要由用户终端、CAPS卫星组和地面接收站组成，其特征在于：

所述用户终端包括基带信号处理单元、上变频单元和发射天线；基带信号处理单元经由上变频单元与发射天线相连；

所述CAPS卫星组包括4-6颗的CAPS卫星；

所述地面接收站包括4-6面接收天线、地面站数据处理中心、和CAPS测轨站；上述每面接收天线分别对应1颗卫星，4-6面接收天线的输出端和CAPS测轨站的输出端均与地面站数据处理中心相连；

通信信息在基带处理单元完成差错控制编码、Gold码扩频和二进制偏置载波调制后，经上变频单元把基带信号转变为C波段射频信号，该C波段射频信号由发射天线发射出去；上述C波段射频信号经由4-6颗的CAPS卫星转发；转发后的信号由4-6面接收天线接收，天线接收到的信号送到地面站数据处理中心统一处理，CAPS测轨站也将其通过网络实时获得的星历信息送入地面站数据处理中心，地面站数据处理中心完成信号的合成、下变频、解扩、解调和测距后获得用户通信信息和测距信息，并利用星历信息和测距信息完成用户的定位和测速。

7.根据权利要求6所述的基于回传通信信号体制的卫星导航系统，其特征在于：所述发射天线为C波段微带全向天线或C波段贴片全向天线。

8.根据权利要求6所述的基于回传通信信号体制的卫星导航系统，其特征在于：所述CAPS卫星组中至少有1-2颗CAPS卫星为小倾角的同步轨道卫星。

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