中国卫星定位与导航的研究与发展外文翻译资料

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中国卫星定位与导航的研究与发展

摘要:随着全球导航卫星系统（GNSS）的发展,大量相关的研究在中国出现并增长迅速，卫星导航领域内的各个组织都取得了成就，特别是有关北斗计划的，在文中，介绍了在中国的卫星定位和导航的现状和技术以及发展。首先，展示“北斗”项目的概况和其被称为针对不同服务的不断改进的三步走发展战略，然后讨论了北斗系统的信号设计，包括伪随机噪声码的产生（PRN），它作为目前可用的B1信号，还有研究的一个新的在B1C互操作性上关于开放频率的信号调制方案，B1C信号应符合复用二进制偏移载波（MBOC）的限制，以及被称为正交复用BOC（QMBOC）的调制，这相当于GPS的时间多路复用BOC（TMBOC）复合了伽利略的BOC（CBOC），同时克服了CBOC的缺点。此外，基于由国际电信联盟（ITU）提出的有效C/N0，论述了内外系统的兼容性。之后介绍了在充满挑战的环境中的接收机技术，如弱信号的采集和辅助GNSS（A-GNSS）。再者，一个在大间距天线阵列的自适应数字波束形成(ADBF)模糊抑制的方法被提出，通过干扰抑制是可行的。与此同时，还有尖端技术的引进，包括室内和室外的无缝导航以及协同导航。最后，工业和日常生活中的中国GNSS的应用，以及市场前景。

关键词：卫星导航、北斗、复用二进制偏移载波，导航接收机，信号设计

1.引言

美国拥有最早运营和目前最成功的全球定位系统（GPS），俄罗斯已经完成了全球导航卫星系统（GLONASS），而欧盟（EU）正在执行伽利略计划。近年来，中国一直在发展在20世纪90年代计划的北斗项目。目前的发展是北斗二号，即指南针。海湾战争中GPS的雇用和联邦政府的E911政策极大地推动了世界各地军事和民用领域的全球导航卫星系统（GNSS）的研究和开发。

中国的研究活动主要集中在北斗系统的建设和应用。北斗计划包括三个步骤：北斗一号是第一步，在2003年完成，被称为北斗导航实验系统; 第二步，预计到2012年，提供亚太地区的区域导航系统，是北斗二号的一部分; 在第三步，北斗二号计划在2020年完成并提供全球导航服务。 迄今为止，在渔业和救灾活动应用中已有超过15万用户注册北斗一号，而北斗二号仍在建设中，在现代化信号设计相关的工作中起着重要作用。

1999年，美国宣布了GPS现代化计划，并提出将为民用服务增加两个信号：L2C和L5。 为了实现在L1频带与伽利略的互操作性提出了GPS的另一个现代化信号L1C，它是由在1575.42MHz的复用二进制偏移载波（MBOC）以及伽利略的E1OS信号调制。类似地，指南针提出了在L1频带中由MBOC调制的B1C信号。此外，指南针在B2频带中与伽利略E5占据相同的频带，并且信号彼此重叠。因此，应考虑GPS /伽利略/指南针射频兼容性（RFC）。

本文介绍了目前在中国上述的研究和发展情况。本文的其余部分组成如下：

第二部分，北斗计划的详细介绍，从原计划到未来；第三部分中，给出了指南针B1信号的PRN码生成，并且对于开放服务信号B1C，描述了正交复用BOC（QMBOC）的调制；在第四部分，介绍了在中国研究的接收机技术，包括近年来出现的一些新颖和先进的方法； 在第五部分，介绍渔业救灾的实际应用，以及提出了未来应用的的行业和市场；第六部分，结语。

1. 北斗项目的发展

根据中国国家航天局（CN-SA），北斗计划分三个步骤进行。

2.1北斗导航经验系统（2000-2003）：北斗导航经验系统

北斗一号的卫星信息如表1所示。

表1 北斗一号卫星发射表

2003年BD-1C的发射意味着北斗一号导航系统的完成。前两颗发射的卫星用于定位和通信，第三颗卫星用于备份，而2007年发射的第四颗卫星是用于空间实验，以及用于早期三颗卫星的备份。 北斗一号不同于GPS或GLONASS，因为它是具有GEO卫星的区域主动导航系统。它包含三个部分：空间段，控制段（监控站）和用户终端。当需要定位时，用户向L波段的卫星发送请求信号，并且卫星将其传送到C波段的地面控制站，然后地面服务器根据卫星和地面控制站的已知位置以及算法计算用户的位置，之后，将位置发送到卫星，然后转送到远程终端。

因此，接收机不需要分辨率，卫星不需要原子钟。接收器和卫星的结构被简化。北斗卫星作为远程终端和地面站之间的通信中继。此外，其通信能力用于定位和数据通信情况（诸如交通，搜索和救援，调度等）比GPS更加充分。通信能力是最显著的优点，并且用户能够发送每次最多120个汉字短消息。

当定位和时间服务的精度受星座的限制，位置误差为100米，如果校准站可用，则为20米; 那么单向同步的定时误差为100 ns，双方向的定时误差为20 ns 。作为主动定位的结果，总定位请求的容量被限制在每小时540000次，并且卫星中继增加了实时移动的时间延迟。更糟糕的是，无法实现无线电静默，并且远程终端需要向卫星发送信号使得接收机成本上升和可移植性丧失，这对客户是不利的。

2.2北斗2（2007-2012）：覆盖亚太地区的区域导航系统

基于北斗一号系统的实验，北斗二号程序被设计为全球导航系统，并且通信频段和导航频段分离，可以显著提高通信能力。

北斗二号，被称为指南针计划，该计划分为两个阶段：到2012年覆盖亚太地区的区域导航系统和到2020年全球导航系统。第一步将在发射14颗卫星后完成，包括5颗GEO，5颗 IGSO和4个MEO卫星。迄今已有13颗北斗二号网络的卫星成功发射，在2012年8月和10月分别发射2颗MEO卫星和1颗GEO卫星。卫星发射信息如表2所示，2011年1月卫星轨道轨迹如图2所示。M3和M4的发射是中国第一次用一枚火箭发射两颗导航卫星用于北斗二号计划。

表2 北斗二号卫星发射表

图2 卫星轨迹图2011年1月

在这个阶段，有三个信号频率：B1，B2和B3，所有这些都由正交相移键（QPSK）调制。 定位和定时服务精度提高到10 m和50 ns，速度精度为0.2 m/s。B1和B2频率包含I和Q通道，I通道提供开放服务。中国于2011年12月27日开始试验北斗二号 。

2.3北斗-2（2012-2020）：全球导航系统

2012年以后，剩余的卫星将于2020年前完成发射组建北斗二号系统，这将是一个全球导航系统，包括5个GEO，3个IGSO和27个MEO卫星在三种类型的轨道。由于GPS仅包含MEO卫星，因此北斗二号可以在卫星可用性和GDOP（精度的几何削弱）方面提供比GPS更好的性能，特别是在亚太地区。而由不同轨道引起的远近效应需要纠正。此外，GEO或IGSO卫星的发射更加困难和昂贵。定位和定时精度对于开放服务将为10m和20ns，并且将存在不同的信号以提供1m精度定位服务。

在此阶段将调整B1和B2频段中的频率。 将添加频率1575.42 MHz的B1C信号，与GPS L1和伽利略E1OS频率相同，以实现与不同卫星系统的互操作。作为结果，互调信号将由MBOC（1,6,1/11）调制，与GPS L1C信号和频域中的伽利略E1OS信号相同。B2信号将全部开放服务，由ALTBOC（15,10）在1191.795MHz调制，与伽利略E5信号相同，这将是生活和安全服务通道。

1. 北斗信号设计与评估

2011年12月，中国卫星导航部发布了北斗导航卫星系统信号空间接口控制文件（ICD）的测试版本，其中提出了1561.098 MHz的B1信号规格。B1C信号的设计仍在重新探索，到目前为止，在时域中的实现还没有成为现实，在此部分将在后面讨论，以及介绍北斗系统的RFC。

3.1 B1信号的PRN码生成

B1信号载波频率为1561.098MHz，QPSK调制，测距码率和信道I的长度为2.046Mcps和2046个码片。通道I中的测距码是截断最后一个码片的平衡金码序列。金码通过G1和G2序列的模2加法产生，G1和G2序列分别从两个11位线性移位寄存器导出。G1和G2的生成多项式如下：

G1和G2的初始相位是G1：01010101010，G2：01010101010。载波B1的测距码发生器。

G2序列的不同相移由发生G2序列的移位寄存器中的相应抽头完成。通过对具有不同相移的G1和G2进行模2加法，即为每个卫星生成信道I中的测距码。

3.2 B1C信号的QMBOC调制

随着GNSS的现代化，在L1频带中存在更多的信号。RFC和互操作性成为GNSS的关键问题

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