李 奎,高 揚(yáng),王成賓,烏 萌

1.西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710054

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北斗衛(wèi)星信號捕獲策略

李 奎1，2,高 揚(yáng)1，2,王成賓1，2,烏 萌1，2

1.西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710054

首次定位時(shí)間是決定用戶機(jī)RNSS性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文在分析用戶機(jī)在不同啟動(dòng)方式下的先驗(yàn)信息和衛(wèi)星星座特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化衛(wèi)星列表排列方案，設(shè)計(jì)了“3+1+R”的選星策略，并對P碼的時(shí)間不確定度進(jìn)行精確計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該捕獲策略有效縮短了捕獲時(shí)間，進(jìn)而縮短了首次定位時(shí)間。

衛(wèi)星列表；選星策略；時(shí)間不確定度

1 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是繼美國的GPS(Global Position System)系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)系統(tǒng)之后的全球第三個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它能夠在區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、高精度、高可靠性的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)，且具有獨(dú)特的短報(bào)文通信功能[1]。為了能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航定位功能，用戶機(jī)首先需要捕獲到衛(wèi)星信號，然后對信號進(jìn)行解析，提取導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)和觀測量。因此，作為導(dǎo)航信號解析的第一步，捕獲策略的好壞直接決定著導(dǎo)航定位性能的優(yōu)劣，捕獲速度的快慢也在很大程度上決定了RNSS工作模式下的首次定位時(shí)間。只有快速捕獲到衛(wèi)星信號，才能夠在很短的時(shí)間內(nèi)，解析出導(dǎo)航電文，獲取導(dǎo)航定位信息，快速實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位和導(dǎo)航功能。

本文首先通過分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星星座的特點(diǎn)與用戶機(jī)在冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)方式下所獲得不同的先驗(yàn)信息(有效輔助定位信息)，優(yōu)化衛(wèi)星列表排列方案，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星列表為“3+1+R”的選星策略；然后精確計(jì)算P碼的時(shí)間不確定度；最后通過測試，證明該捕獲策略能夠有效縮短捕獲時(shí)間。

2 衛(wèi)星信號捕獲

2.1 捕獲原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號由載波信號(B1、B2和B3)、測距碼(C/A碼、P碼)和數(shù)據(jù)碼(D碼)組成。用戶機(jī)通過內(nèi)部產(chǎn)生的載波和測距碼信號剝離所接收到信號的載波和測距碼，得到導(dǎo)航電文和定位時(shí)間信息。由于傳輸路徑延遲，信號到達(dá)地面的相位時(shí)延就變成了一個(gè)不定值，因此信號捕獲首先需要得到偽隨機(jī)碼(Pseudorandom noise，PRN碼)碼相位。一方面，PRN碼可以被看作當(dāng)前信號數(shù)據(jù)塊的時(shí)間信息，利用在本地復(fù)現(xiàn)有時(shí)延的PRN碼與接收到的PRN碼作相關(guān)運(yùn)算，可得到PRN碼碼相位，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號PRN碼的剝離，得到的PRN碼相位誤差在半個(gè)碼片之內(nèi)；另一方面，系統(tǒng)用不同的PRN碼來區(qū)分衛(wèi)星，要從信號中解調(diào)出衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文就必須知道當(dāng)前接收到的衛(wèi)星信號來自于哪幾顆衛(wèi)星，即對可見衛(wèi)星進(jìn)行確定[2]。

由于衛(wèi)星以一定速度繞地球旋轉(zhuǎn)以及用戶機(jī)位置的變化，導(dǎo)致衛(wèi)星和用戶機(jī)之間存在相對速度分量。由于多普勒(Doppler)頻移效應(yīng)，接收到的信號頻率將偏離發(fā)射時(shí)的中心頻率，用戶機(jī)收到的信號不僅在偽碼相位上存在不確定度，而且在載波頻率上也存在一定的不確定度，因此,捕獲還需要得到載波頻率。這里的載波頻率是經(jīng)過下變頻模塊進(jìn)行混頻并經(jīng)過低通濾波之后得到的中頻信號頻率，而不是天線端接收到的衛(wèi)星信號載波頻率[3]。

2.2 二維搜索過程

通過上述分析可知，為了能夠得到數(shù)據(jù)碼，必須得到信號的多普勒頻率，同時(shí)還必須得到PRN碼。因此，捕獲是一個(gè)在載波和碼相位兩個(gè)方向上的二維搜索過程，目的是為了獲得多普勒頻率和碼相位的粗略值，而且這兩個(gè)粗略值也是跟蹤所需要的重要參數(shù)[4-5]。二維搜索過程的具體流程如圖1所示。

圖1 二維搜索過程

設(shè)F為頻率偏移不確定度，P為碼相位偏移不確定度，Δf為頻移步長，Δp為碼移步長，則搜索單元的數(shù)量Ns可表示為：

(1)

由式(1)可知，如果提高搜索速度，一種方法是增大搜索單元面積，但這樣會(huì)導(dǎo)致得到的頻率偏移值和碼相位偏移值不精確；另一種方法是利用先驗(yàn)信息，盡可能地減小頻率搜索范圍和碼相位搜索的范圍，比如為了能夠快速搜索到多普勒頻率，最直接的方法就是精確地獲取相對速度。當(dāng)完成了多普勒頻率和碼相位的搜索之后，對信號進(jìn)行相干積分，確定同相信號和正交信號，將積分結(jié)果和判決門限進(jìn)行比較。若積分結(jié)果大于判決門限，則認(rèn)為捕獲成功；反之，則認(rèn)為捕獲失敗，需要按照一定的步長和變化方式調(diào)整載波，重新進(jìn)行碼相位的搜索，最終找到符合條件的載波頻率和碼相位，完成對衛(wèi)星信號的捕獲。

3 衛(wèi)星信號捕獲策略

為了縮短捕獲時(shí)間，可利用衛(wèi)星列表控制捕獲策略。衛(wèi)星列表是根據(jù)先驗(yàn)信息而得到的一個(gè)關(guān)于捕獲衛(wèi)星優(yōu)先順序的列表，它決定了衛(wèi)星的捕獲順序。本文根據(jù)用戶機(jī)在不同啟動(dòng)方式下的先驗(yàn)信息和衛(wèi)星星座特點(diǎn)，通過優(yōu)化衛(wèi)星列表排列策略，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星列表“3+1+R”選星策略，并精確計(jì)算P碼時(shí)間不確定度，縮短捕獲時(shí)間，進(jìn)而縮短首次定位時(shí)間。

3.1 用戶機(jī)啟動(dòng)模式

根據(jù)用戶機(jī)上電啟動(dòng)時(shí)先驗(yàn)信息的不同，用戶機(jī)的啟動(dòng)方式通常分為冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)、熱啟動(dòng)三種，表1為用戶機(jī)在這3種啟動(dòng)方式時(shí)各種已知的有效輔助定位信息[6]。

表1 冷、溫、熱啟動(dòng)數(shù)據(jù)要求

先驗(yàn)信息冷啟動(dòng)溫啟動(dòng)熱啟動(dòng)星歷無無√歷書無√√概略位置無√√概略時(shí)間無√√

冷啟動(dòng)所需時(shí)間最長，整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間需要大概數(shù)分鐘；溫啟動(dòng)首次定位時(shí)間較短，一般在1min左右；熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間最短，一般在10～20s左右。

3.2 衛(wèi)星列表“3+1+R”選星策略

從捕獲角度講，衛(wèi)星仰角越高，信號強(qiáng)度越強(qiáng)，越容易捕獲；從定位精度角度講，衛(wèi)星幾何分布(DOP值)越好，定位可信度就越高。因此,衛(wèi)星列表的排列應(yīng)兼顧衛(wèi)星仰角和衛(wèi)星幾何分布[7-10]。現(xiàn)階段北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座由5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、4顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星和5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星組成。由于GEO衛(wèi)星屬于靜止衛(wèi)星，處于赤道上空，衛(wèi)星仰角較高，用戶機(jī)對GEO衛(wèi)星的捕獲較快，所以衛(wèi)星列表起始位置放3顆GEO衛(wèi)星；MEO/IGSO衛(wèi)星屬于傾斜軌道面衛(wèi)星，和GEO衛(wèi)星之間的幾何分布較好，所以在GEO衛(wèi)星后應(yīng)捕獲MEO/IGSO衛(wèi)星，當(dāng)用戶機(jī)捕獲到前4顆衛(wèi)星時(shí)，可快速定位；最后將剩余衛(wèi)星進(jìn)行排列，對定位結(jié)果進(jìn)一步修正。因此衛(wèi)星列表設(shè)計(jì)為“3+1+R”方案，即3顆GEO衛(wèi)星，1顆MEO/IGSO衛(wèi)星，R顆剩余(therest)衛(wèi)星。

3.2.1 3顆GEO衛(wèi)星的選擇遵循仰角優(yōu)先策略

在冷啟動(dòng)情況下，無仰角信息，則根據(jù)GEO衛(wèi)星分布，依次選擇3/1/2號衛(wèi)星；在熱啟動(dòng)或溫啟動(dòng)情況下，根據(jù)星歷或歷書以及概略位置計(jì)算衛(wèi)星的仰角，根據(jù)仰角和幾何分布選擇3顆GEO衛(wèi)星。

3.2.2 1顆MEO/IGSO衛(wèi)星的選擇采用DOP值優(yōu)先并兼顧仰角策略

冷啟動(dòng)情況下無先驗(yàn)信息，由于IGSO衛(wèi)星出現(xiàn)在視野內(nèi)的概率較大，應(yīng)遍歷捕獲1顆IGSO衛(wèi)星，定位后再根據(jù)星歷選擇捕獲其他衛(wèi)星；熱啟動(dòng)和溫啟動(dòng)情況下，通過歷書計(jì)算衛(wèi)星的方位角和俯仰角，采用近似公式計(jì)算DOP值組合，再利用DOP值和仰角綜合排序，確定后續(xù)捕獲順序。

3.2.3R顆剩余衛(wèi)星的選擇遵循仰角優(yōu)先策略

冷啟動(dòng)情況下，按照先IGSO后MEO的順序捕獲；熱啟動(dòng)和溫啟動(dòng)情況下通過歷書計(jì)算衛(wèi)星仰角，再按仰角高低順序?qū)⑹Ｓ嘈l(wèi)星排列到衛(wèi)星列表中。表2為“3+1+N”法的選星依據(jù)。

表2 “3+1+R”選星依據(jù)

啟動(dòng)方式衛(wèi)星種類冷啟動(dòng)溫啟動(dòng)熱啟動(dòng)3顆GEO衛(wèi)星3/1/2號GEO衛(wèi)星根據(jù)仰角和幾何分布選擇3顆GEO衛(wèi)星根據(jù)仰角和幾何分布選擇3顆GEO衛(wèi)星1顆IGSO/MEO先IGSO衛(wèi)星，后MEO衛(wèi)星根據(jù)DOP值和仰角值根據(jù)DOP值和仰角值R顆剩余衛(wèi)星先IGSO衛(wèi)星，后MEO衛(wèi)星按仰角順序按仰角順序

按照現(xiàn)階段北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星星座的分布，可知5顆GEO衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，依次為衛(wèi)星5、1、3、2、4，而我國的國土范圍(含南沙)大約為東經(jīng)75°～135°，北緯0°～55°。由于用戶機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)，沒有任何有效定位輔助信息，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在大部分地區(qū)按仰角大小排列，應(yīng)該是3號星>1號星>2號星。

3.3P碼時(shí)間不確定度的精確計(jì)算

由于P碼周期長，碼速率快，因此時(shí)間不確定度是P碼直接捕獲的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響其捕獲速度。在時(shí)間不確定度足夠準(zhǔn)確的條件下，時(shí)間不確定范圍越小，捕獲的速度越快。P碼時(shí)間不確定度的計(jì)算公式如下：

P=Δ+τ

(2)

其中，P為P碼時(shí)間不確定度；Δ為鐘差不確定范圍；τ為信號傳播時(shí)延。

在不同的場景下，可以通過先驗(yàn)信息精確估計(jì)，獲得時(shí)間不確定度的精確范圍，優(yōu)化捕獲策略：

(1)冷啟動(dòng)場景：冷啟動(dòng)情況下鐘差漂移范圍無法估計(jì)，鐘差不確定度范圍可設(shè)置為最大值，即Δ=[-1000ms,+1000ms]；冷啟動(dòng)時(shí)站星距無法估計(jì)，信號傳播時(shí)延用衛(wèi)星軌道高度代替，即τ≈衛(wèi)星軌道高度/c，c為光速。

(2)溫啟動(dòng)場景：溫啟動(dòng)情況下鐘差漂移范圍無法估計(jì)，鐘差不確定度范圍可設(shè)置為最大值，即Δ=[-1000ms,+1000ms]；溫啟動(dòng)時(shí)有歷書和概略用戶坐標(biāo)，可粗略估算信號站星距作為信號傳播時(shí)延的估算值，即τ≈站星距/c。

(3)熱啟動(dòng)場景：熱啟動(dòng)情況下由于守時(shí)精度較高，鐘差的漂略大于失鎖重捕場景，鐘差不確定度范圍可設(shè)置為Δ=[-100ms,+100ms]；熱啟動(dòng)時(shí)有較為精確的衛(wèi)星坐標(biāo)和用戶坐標(biāo)，可精確估算站星距，作為近似的信號傳播時(shí)延，所以信號傳播時(shí)延可設(shè)置為τ≈站星距/c。

4 實(shí)驗(yàn)和分析

根據(jù)式(2)可知，在計(jì)算搜索單元數(shù)量時(shí)，不僅需要確定多普勒頻率和碼相位的搜索范圍，同時(shí)還需要確定多普勒頻率和碼相位的搜索步長。步長的大小同樣決定著搜索單元的多少，同時(shí)又間接地影響了捕獲的性能。因此，如何確定合適的多普勒頻率搜索步長和碼相位搜索步長，對于快速捕獲具有十分重要的意義和價(jià)值。

4.1 頻率搜索步長設(shè)置

當(dāng)頻率搜索的范圍一定時(shí)，頻率搜索步長與捕獲速度成反比例關(guān)系，頻率搜索步長越大，則搜索的單元格越少，計(jì)算量越小，那么捕獲的速度也越快。為了獲得更快的捕獲速度，通常會(huì)選擇較小的數(shù)據(jù)長度。當(dāng)選擇的數(shù)據(jù)長度為1ms時(shí)，輸入信號和相關(guān)信號的頻率差為1KHz，根據(jù)自相關(guān)特性，當(dāng)兩個(gè)信號之間的時(shí)間偏差小于半個(gè)周期時(shí)所得的自相關(guān)值較大，因此輸入信號和相關(guān)信號的最大頻率差為500Hz。在多普勒頻率搜索范圍內(nèi)，為了不遺漏捕獲信號，搜索的頻率步長為500Hz。一般情況下，綜合考慮各種因素，多普勒頻率的搜索步長范圍是從0到一次相關(guān)捕獲運(yùn)算數(shù)據(jù)長度的倒數(shù)。

4.2 碼相位搜索步長設(shè)置

當(dāng)碼相位搜索的范圍一定時(shí)，碼相位搜索步長與捕獲速度也成反比例關(guān)系，碼相位搜索步長越大，則搜索的單元格越少，計(jì)算量越小，那么捕獲的速度也越快。碼相位的搜索步長不僅與捕獲速度有關(guān)，而且還影響捕獲的精確度，兩者之間也成反比的關(guān)系。當(dāng)碼相位搜索步長越小，捕獲的精確度就越高；相反，當(dāng)碼相位搜索步長越大，捕獲的精確度就越低。通常當(dāng)搜索步長在半個(gè)碼片內(nèi)進(jìn)行變化時(shí)，捕獲能力不會(huì)受到影響；當(dāng)搜索步長超過半個(gè)碼片之后，捕獲能力會(huì)減弱。本文所使用的碼相位搜索步長為半個(gè)碼片。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文所研究的衛(wèi)星信號為經(jīng)下變頻后的輸出信號，載波頻率(中頻)為4.092MHz，采樣頻率為16.368MHz。采用上述捕獲策略后，首次定位時(shí)間得到明顯優(yōu)化。表3為優(yōu)化前后的捕獲時(shí)間對比表。

表3 捕獲性能對比測試記錄

測試項(xiàng)目熱啟動(dòng)時(shí)間溫啟動(dòng)時(shí)間冷啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化前21s69s98s優(yōu)化后11s38s72s

從表3可以得出，首次定位時(shí)間中，熱啟動(dòng)時(shí)間提高了10s，溫啟動(dòng)時(shí)間提高了31s，冷啟動(dòng)時(shí)間提高了26s。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文的啟動(dòng)策略相對于傳統(tǒng)啟動(dòng)策略有較大的改進(jìn)。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)用戶機(jī)在不同啟動(dòng)方式下的先驗(yàn)信息和現(xiàn)階段北斗衛(wèi)星星座特點(diǎn)，通過優(yōu)化衛(wèi)星列表排列方案，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星列表為“3+1+R”的選星策略，并精確計(jì)算了P碼的時(shí)間不確定度，縮小了用戶機(jī)搜索范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該捕獲策略能夠有效縮短捕獲時(shí)間，進(jìn)而縮短首次定位時(shí)間。

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Beidou Satellite Signal Acquisition Strategy

Li Kui1，2，Gao Yang1，2，Wang Chengbin1，2，Wu Meng1，2

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2.State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China

Time to first fix (TTFF) is one of the most important indicators of Beidou navigation receiver. Based on the analysis of the prior information of receiver with different startup mode and the satellite constellation characteristics, this paper proposes a new strategy to acquire Beidou signal and designs "3+1+R" satellites selection strategy by optimizing the arrangement of the satellite list scheme. Besides, the paper calculates the P-code's time uncertainty accurately. The experiments results show that the proposed acquisition strategy can shorten the capturing time effectively and then reduce the TTFF.

satellite list; satellites selection strategy; time uncertainty

2015-05-12。

李奎(1988—)，男，助理工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航方面的研究。

P208

B