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(電子科技大學(xué), 電子科學(xué)技術(shù)研究院,四川 成都 611731)

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可配置多模GNSS信號(hào)捕獲技術(shù)研究

程亞文,郭承軍,張?chǎng)析?/p>

(電子科技大學(xué), 電子科學(xué)技術(shù)研究院,四川 成都 611731)

本文分析了四大衛(wèi)星系統(tǒng)之間的差異性,討論了衛(wèi)星信號(hào)兼容處理的可能性。使用了可配置的思想設(shè)計(jì)多模GNSS衛(wèi)星信號(hào)捕獲結(jié)構(gòu),主要分析了GPS L1、BDS B1I、GLONASS L1和GALILEO E1B頻點(diǎn)民用碼的捕獲方法。通過(guò)設(shè)置初始化參數(shù),可以配置其中關(guān)鍵部分的組成,使其在每一次處理過(guò)程中都可以處理特定的衛(wèi)星信號(hào)。最后,使用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)其中的部分子單元進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

可配置;多模GNSS;兼容性;可編程邏輯器件

0 引 言

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面。大至地球地貌的測(cè)繪,電離層電子濃度的檢測(cè)[1],小到個(gè)人的生活出行,旅游規(guī)劃,都跟衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)息息相關(guān)。然而,在一些復(fù)雜的環(huán)境中,單一的衛(wèi)星系統(tǒng)由于難以接收到足夠的衛(wèi)星數(shù)[2]、多徑效應(yīng)等因素常常會(huì)導(dǎo)致定位精度不佳。為了解決這個(gè)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外開(kāi)始大力研究多模衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。

GNSS主要包括四大衛(wèi)星系統(tǒng):美國(guó)的GPS,歐盟的GALILEO,俄羅斯的GLONASS和中國(guó)的BDS。GPS、GALILEO和GLONASS技術(shù)發(fā)展都日趨成熟,我國(guó)的北斗系統(tǒng)也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段,已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)定位的功能[3]。目前在多模導(dǎo)航技術(shù)的研究中,文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于GPS/BDS導(dǎo)航接收機(jī)的雙模捕獲技術(shù),使用時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)降低硬件面積。文獻(xiàn)[5]提出了可兼容GPS和GALILEO的VLSI結(jié)構(gòu),可對(duì)GPS信號(hào)時(shí)域并行搜索和GALILEO信號(hào)時(shí)域部分并行搜索。

目前,絕大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)都是GPS接收機(jī),而多GNSS系統(tǒng)接收機(jī)仍很少。文獻(xiàn)[6]研究了GPS、GLONASS、BD和GALILEO多系統(tǒng)兼容的意義,提出了基于Soc的信號(hào)處理結(jié)構(gòu),但是對(duì)于GALILEO信號(hào)中的BOC信號(hào)卻沒(méi)有深入探討。本文主要對(duì)多GNSS系統(tǒng)兼容性問(wèn)題進(jìn)行了分析,并設(shè)計(jì)一種可配置的衛(wèi)星信號(hào)捕獲結(jié)構(gòu),通過(guò)配置關(guān)鍵參數(shù),該GNSS接收機(jī)可以捕獲GPS L1、GLONASS L1、GALILEO E1B或者BDS B1I的信號(hào)。

1 GNSS信號(hào)兼容性分析

1.1 GNSS信號(hào)兼容性問(wèn)題分析

GNSS信號(hào)捕獲的實(shí)質(zhì)是利用導(dǎo)航信號(hào)中PRN碼強(qiáng)自相關(guān)從噪聲中識(shí)別出導(dǎo)航信號(hào)的過(guò)程,為了避免四大衛(wèi)星系統(tǒng)在接收機(jī)處理時(shí)出現(xiàn)相互干擾,GNSS信號(hào)之間存在著許多的差異。

1) 四大衛(wèi)星系統(tǒng)區(qū)別衛(wèi)星的方式不同,其中GPS、GALILEO和BDS使用的是CDMA的調(diào)制方式,即通過(guò)PRN碼來(lái)識(shí)別不同的衛(wèi)星,而GLONASS使用的是FDMA的方式來(lái)識(shí)別衛(wèi)星,所有的衛(wèi)星都使用同一個(gè)PRN碼,通過(guò)頻率不同來(lái)識(shí)別衛(wèi)星。

2) 四大衛(wèi)星系統(tǒng)載波頻率不同,本文主要討論的是GPS L1、GALILEO E1B、GLONASS L1和BDS B1I,其中GLONASS是頻分多址,衛(wèi)星載波頻率范圍為1598.0625～1609.3152 MHz,GPS L1和GALILEO E1B的載波頻率都為1575.42 MHz,BDS為1561.098 MHz.

3) PRN碼序列不同,GPS衛(wèi)星的C/A碼采用的是由兩個(gè)周期和速率相同而碼元結(jié)構(gòu)不同的10位m序列逐位進(jìn)行模2和構(gòu)成的Gold碼,BDS是11位m序列構(gòu)成Gold碼,GLONASS使用的一個(gè)m序列,GALILEO E1B信號(hào)的PRN碼在ICD文檔中沒(méi)有給出生成方式,只給出了每一顆衛(wèi)星所對(duì)應(yīng)的完整PRN序列[7]。

4) PRN碼的長(zhǎng)度與速率不同,GPS PRN碼長(zhǎng)度為1 023,周期為1 ms,碼速率為1.023 Mb/s,GALILEO的碼長(zhǎng)為4 092,周期為4 ms,碼速率為1.023 Mb/s,GLONASS的碼長(zhǎng)為511,周期是1 ms,碼速率為511 Kb/s,BDS的碼長(zhǎng)為2 046,周期為1 ms,碼速率為2.046 Mb/s.

5) 衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式不同,GPS、GLONASS和BDS使用的是傳統(tǒng)的二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制,而GALILEO信號(hào)采用的是BOC調(diào)制。

6) 載波頻率多普勒頻移搜索范圍不同,通過(guò)計(jì)算,GPS系統(tǒng)衛(wèi)星最大多普勒頻移為4.9 kHz,GALILEO為4.06 kHz,GLONASS為5.29 kHz,BDS為4.5 kHz.

1.2 GNSS信號(hào)兼容性處理

1) 在衛(wèi)星信號(hào)處理時(shí),首先需要使用前端天線將多模信號(hào)同時(shí)接收下來(lái),跟據(jù)國(guó)內(nèi)高校的一些研究[8],他們?cè)O(shè)計(jì)的全頻段寬帶圓極化微帶天線能夠滿(mǎn)足同時(shí)接收GPS/GALILEO/GLONASS/BDS衛(wèi)星信號(hào)的要求。

2) 由于四大衛(wèi)星系統(tǒng)的多普勒搜索范圍與步長(zhǎng)都有所差別,因此要求多模衛(wèi)星接收機(jī)的載波發(fā)生器能夠針對(duì)每一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的載波,具體結(jié)構(gòu)在第四節(jié)有深入研究。

3) 根據(jù)前面的討論,四大衛(wèi)星系統(tǒng)的PRN碼各不相同,在基帶處理的過(guò)程中,接收機(jī)需要正確復(fù)制出正在進(jìn)行捕獲的衛(wèi)星的PRN碼。本地PRN碼發(fā)生器可以將四大衛(wèi)星信號(hào)的PRN碼都存儲(chǔ)起來(lái),通過(guò)輸入的參數(shù)取出相應(yīng)的PRN碼。

2 GNSS信號(hào)兼容性捕獲分析

2.1 常規(guī)捕獲算法

衛(wèi)星信號(hào)的捕獲是對(duì)衛(wèi)星號(hào)、PRN碼的碼相位和載波多普勒頻移的三維匹配過(guò)程。傳統(tǒng)的衛(wèi)星捕獲算法主要有時(shí)域串行捕獲、并行頻域捕獲和并行碼相位捕獲。時(shí)域串行捕獲算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是完成一顆衛(wèi)星的搜索需要非常大的運(yùn)算量,花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。并行頻率捕獲算法是將搜索頻率并行化,例如對(duì)GPS L1信號(hào)使用并行頻率捕獲算法,那么一次性能將所有的頻率搜索完畢,但是需要搜索1 023個(gè)碼相位,相比較時(shí)域串行算法,該方法減少了很多的運(yùn)算量。并行碼相位捕獲算法是衛(wèi)星的碼相位搜索并行處理,一次性處理所有可能的碼相位空間,需要對(duì)所有可能的多普勒頻率空間進(jìn)行遍歷搜索。一般而言,信號(hào)的偽碼長(zhǎng)度的搜索范圍都比多普勒頻率搜索范圍要大,因此并行碼相位捕獲算法比并行頻率捕獲算法降低了搜索次數(shù),減少了捕獲時(shí)間。

2.2 GALILEO信號(hào)捕獲

跟其他三大系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制方式不同,GALILEO信號(hào)采用的是BOC調(diào)制。BOC調(diào)制與BPSK調(diào)制的區(qū)別在于在信號(hào)被載波調(diào)制過(guò)后會(huì)有一個(gè)子載波對(duì)擴(kuò)頻碼信號(hào)進(jìn)行再次調(diào)制,將原信號(hào)的頻譜分成位于載波頻率上下的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)部分。BOC調(diào)制不僅減少了GALILEO信號(hào)與GPS L1信號(hào)的相互干擾,而且在多徑性能上也優(yōu)于GPS的C/A碼。但是BOC信號(hào)也存在著一些缺點(diǎn),圖1是BOC信號(hào)自相關(guān)與偽碼互相關(guān)圖形,由圖1可知,BOC(1,1)信號(hào)存在著兩個(gè)幅度很大的副峰,這對(duì)捕獲BOC信號(hào)帶來(lái)了一定的問(wèn)題。從圖1中又可知,BOC(1,1)信號(hào)的副峰跟BOC(1,1)與偽碼互相關(guān)的峰值的絕對(duì)值相等,基于這點(diǎn),加拿大的Olivier Julien提出了自相關(guān)旁瓣消除(ASPeCT)算法[9],通過(guò)兩種相關(guān)函數(shù)取模后進(jìn)行相減,消除BOC調(diào)制信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的副峰。

2.3 可配置捕獲總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可配置的思想是從各個(gè)單系統(tǒng)捕獲通道設(shè)計(jì)中找出捕獲通道中設(shè)計(jì)的共性和個(gè)性,讓這些具有共性的部分使用同一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于那些由于各個(gè)系統(tǒng)差異而導(dǎo)致的個(gè)性部分,可以將這些部分進(jìn)行整合,然后通過(guò)初始化的參數(shù)對(duì)這些差異的部分進(jìn)行配置,從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)信號(hào)的捕獲。

根據(jù)前面的討論,并行碼相位捕獲算法時(shí)間最短,性能最優(yōu),所以GPS、BDS和GLONASS信號(hào)的捕獲使用的是并行碼相位捕獲算法,而GALILEO信號(hào)由于存在副峰的干擾,采用的是ASPeCT算法,捕獲結(jié)構(gòu)的總體架構(gòu)圖如圖2所示。

在該結(jié)構(gòu)中,主要分為三種情況。

首先,如果捕獲的是GPS或者BDS衛(wèi)星信號(hào),那么PRN碼發(fā)生器需要產(chǎn)生兩顆衛(wèi)星的PRN碼,此時(shí)進(jìn)行的是并行處理兩顆衛(wèi)星的捕獲,分別對(duì)這兩顆衛(wèi)星相關(guān)結(jié)果進(jìn)行通道組合計(jì)算,判別是否捕獲到該衛(wèi)星信號(hào),此時(shí)不產(chǎn)生BOC載波信號(hào)。其次,如果是進(jìn)行GLONASS信號(hào)捕獲,由于GLONASS是頻分多址的方式來(lái)區(qū)分衛(wèi)星,此時(shí)PRN碼產(chǎn)生只產(chǎn)生一種PRN碼,對(duì)一顆衛(wèi)星的捕獲進(jìn)行兩次判決。第三,當(dāng)捕獲的是GALILEO信號(hào)時(shí),該結(jié)構(gòu)通過(guò)另外產(chǎn)生BOC信號(hào),使用ASPeCT算法對(duì)GALILEO信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和捕獲判斷。

多模可配置GNSS捕獲結(jié)構(gòu)主要包括以下模塊:

1) 載波剝離模塊:通過(guò)本地產(chǎn)生的正余弦載波將數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行載波剝離,將其變換到基帶;

2) 載波發(fā)生器模塊:通過(guò)輸入的初始化參數(shù),產(chǎn)生所需要捕獲的衛(wèi)星系統(tǒng)的中頻載波;

3) 快速傅立葉變換模塊:對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換,將時(shí)域信號(hào)變換到頻域;

4) 復(fù)數(shù)乘法器模塊:將經(jīng)過(guò)傅立葉變換的輸入信號(hào)和本地產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)FFT并共軛的信號(hào)進(jìn)行相乘;

5) 信號(hào)發(fā)生器模塊:根據(jù)所配置的參數(shù),輸出衛(wèi)星PRN碼;

6) BOC信號(hào)產(chǎn)生模塊:在捕獲GALILEO信號(hào)時(shí),產(chǎn)生本地BOC(1,1)副載波信號(hào);

7) 快速傅立葉逆變換:將數(shù)據(jù)從頻域變換到時(shí)域;

8) 相關(guān)運(yùn)算模塊:根據(jù)所捕獲的衛(wèi)星系統(tǒng)的不同,對(duì)IFFT后的數(shù)據(jù)進(jìn)行通道組合運(yùn)算;

9) 捕獲系統(tǒng)控制子模塊:完成捕獲的總體控制,配置關(guān)鍵模塊的參數(shù),保證捕獲模塊的順利進(jìn)行。

可配置多模捕獲結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程如下:

1) 系統(tǒng)進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置;

2) 捕獲系統(tǒng)控制子模塊對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行判斷,判斷此時(shí)需要捕獲的信號(hào)是否GALILEO信號(hào);

3) 如果不是GALILEO信號(hào),那么本地載波發(fā)生器通過(guò)頻率控制字產(chǎn)生需要的載波信號(hào),PRN碼產(chǎn)生器通過(guò)控制模塊輸入的地址輸出兩路不同衛(wèi)星PRN碼,由于GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)是頻分多址,不同衛(wèi)星的PRN碼仍舊相同;

4) 如果是GALILEO信號(hào),那么PRN碼產(chǎn)生器輸出兩路相同衛(wèi)星的PRN碼,BOC信號(hào)產(chǎn)生器輸出BOC(1,1)信號(hào)對(duì)其中一路GALILEO信號(hào)進(jìn)行調(diào)制;

5) 運(yùn)用載波發(fā)生器產(chǎn)生的本地載波對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻,得到IQ兩路信號(hào);

6) 對(duì)IQ信號(hào)進(jìn)行整合傅立葉變換,然后與本地產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)FFT并共軛的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行傅立葉逆變換;

7) 通過(guò)配置的參數(shù),使用相關(guān)運(yùn)算模塊對(duì)步驟6)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的運(yùn)算;

8) 將7)中計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到控制模塊中,對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,如果捕獲成功那么就輸出多普勒頻移與碼相位偏移,如果沒(méi)有捕獲成功,那么改變多普勒頻率頻移量,繼續(xù)下一次運(yùn)算。

3 多系統(tǒng)兼容捕獲硬件設(shè)計(jì)

3.1 載波NCO模塊

載波NCO模塊用于產(chǎn)生一個(gè)理想的、頻率可控的正余弦信號(hào),與輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行相乘,然后通過(guò)低通濾波器就可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的下變頻。NCO的常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法主要有查找法和CORDIC算法,在ISE軟件中,集成了可以使用的IP核,它的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,通過(guò)輸入的頻率控制字,便可以得到需要的載波頻率。

DDS的輸出頻率為

fout=Kfclk/2N,

式中:K為頻率控制字;fclk是系統(tǒng)時(shí)鐘;N為相位寄存器的位寬。由此可得頻率控制字的計(jì)算公式為

K=fout×2N/fclk.

在硬件結(jié)構(gòu)中,根據(jù)前面給出的多普勒頻率搜索范圍,分別設(shè)置一定的頻率步進(jìn)數(shù),計(jì)算出相應(yīng)頻率控制字,然后將四大衛(wèi)星的頻率控制字存儲(chǔ)在一塊ROM中,在捕獲特定衛(wèi)星信號(hào)時(shí),通過(guò)初始化的參數(shù)取出對(duì)應(yīng)的頻率控制字即可。

3.2 快速傅立葉變換模塊

在四大衛(wèi)星系統(tǒng)兼容捕獲結(jié)構(gòu)中,由于四大系統(tǒng)的PRN碼的長(zhǎng)度不同,周期也有不同,導(dǎo)致在捕獲結(jié)構(gòu)中FFT變換的點(diǎn)數(shù)也不盡相同。GPS進(jìn)行并行碼相位捕獲時(shí)的FFT點(diǎn)數(shù)為1 023點(diǎn),GALILEO的為4 092點(diǎn),GLONASS是511點(diǎn),BDS是2 046點(diǎn),如果使用四個(gè)FFT變換核會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的硬件資源浪費(fèi)?？梢詫⑵渲蠫PS相干積分延長(zhǎng)至4個(gè)周期,FFT點(diǎn)數(shù)變?yōu)? 092點(diǎn),GLONASS的相干積分時(shí)間延長(zhǎng)至8個(gè)周期,也變?yōu)? 092點(diǎn),BDS延長(zhǎng)至2個(gè)周期。一般而言,FFT變換模塊都為基2或者基4算法,可以將這四個(gè)系統(tǒng)的碼片后面補(bǔ)0到4 096點(diǎn),那么這個(gè)兼容捕獲系統(tǒng)就可以使用同一塊4 096點(diǎn)FFT核。

3.3 復(fù)數(shù)乘法器模塊

通常,每個(gè)復(fù)數(shù)乘法器可以使用4個(gè)實(shí)數(shù)乘法和2個(gè)實(shí)數(shù)減法(或者加法)得到,但在FPGA中會(huì)消耗較多資源。為了減少資源的使用,可以通過(guò)改變運(yùn)算順序,只需要使用3個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和5個(gè)實(shí)數(shù)加法器實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法器。實(shí)現(xiàn)規(guī)則如下

復(fù)數(shù)表達(dá)式

G=Gr+Gi=(mr+mi)(nr+ni)

=mrnr+mini+mrni+minr.

可以將Gr和Gi分別表示為

Gr=mr(nr+ni)-(mr+mi)ni,

Gi=mr(nr+ni)+(mr+mi)ni.

通過(guò)ISE綜合仿真得到的RTL級(jí)圖如圖4所示,經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證,可以得到正確的結(jié)果。

3.4 信號(hào)發(fā)生器模塊

在信號(hào)發(fā)生器模塊中,隨著輸入?yún)?shù)的變化,本地信號(hào)發(fā)生器需要產(chǎn)生特定衛(wèi)星的PRN碼。對(duì)于GALILEO信號(hào)而言,GALILEO的官方文檔沒(méi)有給出E1B信號(hào)的PRN碼的生成方式,而是給出了完整的50顆衛(wèi)星的PRN碼。因此需要采用先存儲(chǔ),在需要時(shí)再將信號(hào)取出的方式生成GALILEO衛(wèi)星的PRN碼。為了減少硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,可以將這四個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的PRN碼都進(jìn)行存儲(chǔ),通過(guò)訪問(wèn)一定的地址,取出相應(yīng)衛(wèi)星的PRN碼。在本地碼存儲(chǔ)ROM中,前32 736個(gè)地址存儲(chǔ)的是GPS信號(hào),接下來(lái)存儲(chǔ)的是GALILEO中50顆衛(wèi)星的PRN碼,需要的存儲(chǔ)地址為4092×50=204 600,然后是GLONASS的511個(gè)PRN碼地址和BDS的75 702個(gè)地址。

4 結(jié)束語(yǔ)

GNSS多系統(tǒng)兼容接收機(jī)無(wú)論是從可用性、可靠性、連續(xù)性和精度等各方面都比單系統(tǒng)有了更大的優(yōu)勢(shì)。本文從多衛(wèi)星系統(tǒng)兼容捕獲技術(shù)出發(fā),討論了多系統(tǒng)兼容捕獲的所存在的問(wèn)題,并對(duì)兼容性捕獲算法進(jìn)行了分析,然后提出了兼容捕獲四大衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)的總體結(jié)構(gòu)。通過(guò)配置初始化參數(shù),該系統(tǒng)可以依據(jù)用戶(hù)需求捕獲某些衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)。針對(duì)該方案,搭建了硬件模塊,對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析,實(shí)現(xiàn)了GPSL1、GALILEOE1B、GLONASSL1和BDSB1I信號(hào)的兼容捕獲處理。

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Research on Configurable Multimode GNSS Signal Acquisition Technique

CHENG Yawen, GUO Chengjun,ZHANG Xinxin

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ResearchInstituteofElectronicScienceandTechnology,Chengdu611731,China)

This paper first analyzes the differences between the four satellite systems, discusses the possibility of deal with multiple satellite signal compatibly. Then, a multimode satellite signal baseband processing structure is designed with configurable idea. The acquisition of GPS L1, BDS B1I, GLONASS L1 and GALILEO E1B codes are analyzed. By setting the initialization parameters, you can configure the key parts, so that in each treatment process can handle a particular satellite signal. Finally, the simulation of partial subunit is carried out by using Verilog HDL, which verifies the feasibility of the design.

Configurable; multimode GNSS; compatibility; FPGA

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.008

2016-11-21

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0039-05

程亞文 (1991-),男,碩士生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

郭承軍 (1985-),男,博士,研究方向?yàn)镚NSS互換性與泛位置服務(wù)、新時(shí)空體系、完好性及增強(qiáng)系統(tǒng)。

張?chǎng)析?(1990-),男,碩士生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

聯(lián)系人： 程亞文 E-mail:cristo336@126.com