基于北斗的基准站接收机卫星信号兼容性研究

熊辉 沈建军 孙鹏 廖威 文军福 文述生

摘  要：随着现代科学技术的发展，卫星的兼容性已经成为单北斗卫星基准站接收机的一个重要指标。在分析单北斗卫星基准站的接收机卫星信号兼容性时通常是采用载噪来表征基站接收信号的质量。目前卫星接收机卫星信号兼容性研究主要以计算机仿真为主，难以复制真正的接收机信号监测系统，所以基于单北斗的基准站接收机卫星信号兼容性研究对卫星的高质量运行具有十分重要的意义。文章基于基准站接收机卫星信号兼容性技术研究要点和目标、基准站接收机接收卫星信号系统的关键技术、基准站接收卫星信号算法以及系统的兼容性几个方面展开详细阐述，为实际的基于单北斗的基准站接收卫星信号兼容性研究提供一定的参考价值和依据。

关键词：北斗;基准站;接收机;卫星信号;兼容性

中图分类号：TN965.5       文献标志码：A 文章编号：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

衛星导航系统作为国家安全和社会发展的一项不可或缺的重要基础设施，主要显示着一个国家的经济实力和科技水平，对国家的综合国力具有十分重要的影响。建成北斗高精度数据播发系统，到2020年，在长江干线全区域实现基于AIS的北斗高精度数据播发服务;首先推动北斗系统在船舶监控管理领域应用。以“四类重点船舶”为重点，大力推动北斗系统在运输船舶的应用，利用单北斗高精度服务实现船舶精准管理，从功能和性能上逐步推动实现单北斗系统对其他卫星导航系统的替代应用;其次推动单北斗系统在长江航运行业的应用。到2019年底，选取长江干线部分船舶，研究应用标准统一、用途多样、功能兼容的单北斗船载智能终端，对现有各类船载终端进行功能整合，为船舶提供物流等信息服务;最后制定修订相关标准规范。从长江经济带发展战略考虑，长江干线的单北斗线兼容基站的建设对于经济的长期稳定发展具有十分重要的现实意义，对长江干线单北斗卫星基站的建设原则、关键控制点以及应用规划进行探讨，对顺应国家黄金水道建设长江经济带的国家战略具有十分重要的积极意义，加强长江干线单北斗线兼容性基站接收机的建设，支援沿长江经济建设和社会发展以及全面推动长江经济发展的转型发展显得十分重要。早期的网络系统其网络服务能力不足，只支持GPS卫星定位系统，与北斗不相兼容，基准站的沉降现象严峻，服务的承载能力设计不足，导致长江干线的一些终端设备不支持。在长江干线建立单北斗兼容基站接收机对于支撑长江经济带建设具有积极意义，沿长江干线建立兼容的单北斗基准站能为长江沿线的大规模网络建设以及信息发展的多精度定位提供了可能，避免了经济建设过程中大量的低水平导航设施的重新建设。在长江干线建立单北斗兼容基站对于北斗系统建设的国家战略和保卫国家安全具有提供了可靠保障。

3.3 电文解析

在单北斗星的软件接收机中，各种软件的电文解析操作流程与传统的操作流程是大同小异的。传统的GPS接收机系统假如在正常的工作条件下，那么一般可以得到36s的稳定数据，以此可以得到该卫星完整的星图，而现在的单北斗卫星接收器其接收数据的方式主要是利用现代的互联网技术对获得卫星实时的星历图，这样可以完成软件接收端和卫星软件接收机端数据的连续性，实现帧的同步，从而可以获得完整的定位结果。

3.4 伪距提取与定位解算

传统的接收机中，所有通道的测量值在测量中断之前就会被同时提取，这样可以保证各个通道之间信息的同步。一般在软件接收机中没有这样的同步机制，所以在进行信息定义时必须定义伪距的提取时间，并且需要计算各个卫星的发射时刻。一般伪数据规定需要从文件头开始就要定义，每隔5000个采样点就要对数据进行提取次。提取第n个发射时刻的定位数据可以分为以下三个步骤，如图5所示。

首先需要粗略计算卫星的发射时间，然后计算跟踪第n次数据卫星开始发射的时间，最后计算第n个伪距提取时刻发射时刻。通过以上三个步骤就可以完成卫星发射时刻数据的提取，减去发射本地的时间，得到的差值与光速的乘积就可以得到该点的伪距。

4 兼容性分析

4.1 等效载噪比模型分析

载噪比是衡量卫星接收机性能的一个重要因素，从载噪比中得到接收机端接收信号的质量，假定每个干扰信号之间是相互独立的，同时每一个信号传输信息之间没有关联性，从输出的信号可以等效转换噪声的功率频谱度，功率频谱度能够完好的捕获信号产生的谱，假如两个信号之间相互重合，那么每个信号之间的干扰性就越强，等效载噪比就会衰减系数就越大。基准站接收机在信息接收和处理上包括捕获、跟踪、比特同步、帧同步、导航电文提取、定位解算等环节。接收机首先是对GNSS卫星信号进行捕获，当跟踪上捕获的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距和多普勒，并解调出卫星轨道参数等数据。利用这些数据，接收机便可按照定位解算的方法进行定位解算，計算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

4.2 GPS系统等效载噪比分析

卫星接收机在处理信号时，由于信号之间会存在滤波和模数转换等，对接收机信号的转换会产生重要的影响，为了能够准确地分析各个信号间的信号干扰，首先需要计算等效载噪比，其次需要对接收机接收信号功率的分析，主要包括对卫星信号到达地面的功率分析、接收机天线增益分析、星座总功率的分析、等效噪声功率的计算，最后需要对等效载噪比进行计算，计算时需要靠热噪声的等效载噪比和抗自干扰的等效载噪比，通过在等效载噪比的有效分析可以得到多普勒频移对等效载噪比衰减的影响程度。接收机接收GNSS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量;对所接收到的GNSS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GNSS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GNSS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最后在进行等效载噪比的分析。

5 结束语

本文分析了单北斗卫星基站接收机信号兼容性，由于我国目前对卫星接收端信号的具体测评理论研究比较浅，没有经过大量的试验形成完整系统的理论，所以展开卫星基站接收机信号的兼容性研究对于提升我国的综合国力具有十分重要的影响。通过对信号兼容性分析，提出信号接收机的评估办法，为实际的卫星信号接收机的信号兼容性提供一定的参考价值。在长江干线建立单北斗兼容基站接收机对于发展长江经济带提供了可靠支撑。

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