一种基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法

摘要

本发明涉及一种基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法，属于卫星导航技术领域。首先根据导航卫星的轨道半径R

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法，属于卫星 导航技术领域。

背景技术

码分多址(CDMA)体制是现代卫星导航系统的基础，扩频码在卫星 导航中的作用体现在两个方面：(1)多址，使用不同扩频码区分来自不同 卫星的信号；(2)扩频，将低速的导航电文扩频到宽带信号以提高定位精 度和抗干扰能力。美国的GPS导航系统的早期信号设计设计如L1C/A、 L1/L2 P(Y)信号都是以CDMA体制作为基础，现代化的信号如L5、L2C、 L1C民用信号和L1M、L2M军用信号也采用了CDMA体制，欧洲的Galileo 卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统也是以CDMA体制作为导航信 号的基础，俄罗斯的GLONASS卫星导航系统早期采用频分多址(FDMA) 体制作为多址方式，但自2011年开始在K-1卫星上进行CDMA体制信号 L3 OC的技术实验。

扩频码的数量及其分配方式对导航的影响主要体现在两个方面，首先 是冷启动搜索时间，由于定位需要至少4颗卫星的导航电文，因此导航接 收机在冷启动状态需要搜索所有可能的扩频码，搜索所需要的时间或者通 道数与扩频码个数成正比；其次是互相关性能，Welch门限表明当扩频码 数量增加时互相关干扰增大，要设计较好互相关性能的扩频码难度也会加 大。现有卫星导航系统如GPS、Galileo和北斗系统的扩频码分配都采用了 “一码一星”的分配原则，这种方法可以保证唯一地确定和识别一颗卫星 的信号，但是随着卫星数量的增加特别是区域卫星增强系统的建设，对扩 频码的需求快速增加，以GPS为例早期的信号接口文件(ICD)定义了37 组扩频码，其中在轨使用的扩频码为24至27组，后来新版本的ICD文件 定义的扩频码达到了210组，不仅设计难度加大而且接收机的实现也有相 当难度，目前大部分民用接收机只支持前32组扩频码。

导航卫星的星座通常由轨道面(Orbit plane)和轨道位置(slot)描述， 以GPS系统为例，如图1所示，卫星轨道分为A、B、C、D、E、F共6 个轨道面，每个轨道面分为1至6个轨道位置，不同轨道位置通过轨道根 数中的平近点角M0(Mean anomaly)区分。受限于空间位置的关系，导航 接收机是无法接收位于地球背面的卫星信号的，即最多只能接收全部卫星 中的一半卫星发出的信号，实际观测表明大部分情况下可见卫星为8至12 颗，地球背面的一半卫星对于导航性能并无贡献。通过对卫星轨道和运动 状态的分析，可以将同一轨道上卫星进行配对，每一个卫星配对(Satellite  Pair)通过轨道位置分析满足信号互不干扰条件，同一配对的2颗卫星可 以共用1个扩频码，即按照“一码一对”的原则分配扩频码。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有一码一星扩频码分配方式的冷启动搜索时间 长、相关性设计难度大的问题，提出一种基于卫星配对的卫星导航系统扩频码 分配方法。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法，包括如下步骤：

步骤1，计算导航卫星可视范围。

根据导航卫星的轨道半径R_s和地球半径R_e，计算地球上可以观测卫星的范 围角α为：

α＝2×arccos(R_e/R_s)

α单位为度(deg)。

步骤2，导航卫星配对分组。

根据卫星星座结构和步骤1得到的范围角α，以卫星轨道面和卫星轨道位置 为输入参数，配对分组在同一个轨道面内进行，将全部M颗导航卫星分成N个 卫星配对：所述卫星配对中的卫星数为1或者2，每一颗卫星属于而且只属于1 个卫星配对；当2颗卫星的平近点角角度差满足β≥α分为一组，当1颗卫星和 轨道面中的所有卫星都不满足β≥α则独立分成一个组，因此N≥M/2。

步骤3，选择导航信号扩频码。

按照卫星导航系统对扩频码的码长、相关性能等要求设计并选择N个扩频 码。

步骤4，分配扩频码。

根据步骤2中得到N个卫星配对和步骤3中得到的N个扩频码，将1个扩 频码分配给1个卫星配对。当卫星配对中包含2颗卫星时共用扩频码，包含1 颗卫星时则独立使用扩频码。

至此，基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配过程结束。

所述的基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法实现配对的2颗卫星 的信号互相不干扰，导航接收机在任何时间、地点只接收到配对卫星中1颗卫 星的信号。

有益效果

本发明提出的一种基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法，通过将 导航卫星进行分组配对，实现了“一码一对”的扩频码分配。对比现有“一码 一星”的扩频码分配方法，在不降低导航性能的前提下将扩频码的数量减少 50％，从而改善冷启动搜索时间和互相关性能。

附图说明

图1为背景技术中GPS系统导航卫星星座结构；

图2为本发明方法的流程图；

图3为具体实施方式中同一轨道面的卫星覆盖关系图；

图4为具体实施方式中使用新方法后扩频码相关性能改善曲线图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明的 技术方案作进一步说明。在本具体实施方式中，将使用中国北斗卫星导航系统 作为实例描述。

同一轨道面上的2颗卫星的位置关系如图3所示，卫星1、卫星2位于轨道 半径为R_s的同一轨道，二者的轨道周期和飞行角速度一样，因此卫星1、卫星2 相对位置固定。地球半径为R_e，则地球上可以观测卫星的范围角为 α＝2×arccos(R_e/R_s)，卫星1、卫星2的平近点角角度差为β，因此当满足β≥α时 卫星1、卫星2的信号覆盖区不会重合和互相干扰。当β＝180deg时，卫星1、卫 星2处于最为理想的相对位置。

北斗卫星导航系统是我国自行建设的卫星导航系统，系统由地球静止轨道 (GEO)5星、倾斜同步轨道(IGSO)3星、中轨道卫星(MEO)27星。实例 只针对MEO卫星分配伪码，27颗MEO卫星分布在3个倾角为55度的轨道平 面上，轨道高度为21500公里。由于目前北斗系统尚在建设和测试中，未公布 正式的ICD文件，本实例以GPS L1C/A信号的扩频码示范扩频码分配和优化的 过程，具体的扩频码为PRN1至PRN30，码长1023比特，未来北斗系统的 ICD文件中的真实伪码并不影响本实例的示范过程。

一种基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法，具体步骤为：

步骤1，计算导航卫星可视范围。

根据导航卫星的轨道半径和地球半径，计算卫星的观测范围角α。

地球半径R_e＝6378.14KM，北斗卫星导航系统的MEO卫星轨道半径R_s＝21500+6378.14＝27878.14KM，则MEO卫星观测范围α＝2×arccos(R_e/R_s)＝153.55 deg。

步骤2，导航卫星配对分组。

根据卫星星座结构和步骤1中的角度α，以卫星轨道面和卫星轨道位置为输 入参数，将全部M颗导航卫星分成N个卫星配对。

北斗卫星导航系统的MEO卫星分布在A、B、C三个轨道面上，卫星位置 用1至9表示，即A1至A9表示A轨道面的9个卫星位置，假设卫星均匀分布， 即卫星的平近点角M0如表1所示：

表1 A轨道面卫星分布

  卫星   A1   A2   A3   A4   A5   A6   A7   A8   A9   M0   0   40   80   120   160   200   240   280   320

按照平近点角角度差满足β≥α＝153.55度的准则对A1至A9卫星进行配对， 配对结果如表2所示：

表2 A轨道面卫星配对结果

  配对序号   卫星号   平近点角角度差   1   A1、A5   160   2   A2、A6   160   3   A3、A7   160   4   A4、A8   160

  5   A9 -

同样的，将B、C轨道面上的卫星分别分成5组，27颗卫星共分成15组。

步骤3，选择导航信号扩频码。

按照卫星导航系统对扩频码的码长、相关性能等要求设计并选择N个扩频 码。

按照扩频码的相关性优化准则对GPS L1 C/A码的PRN1至PRN30共30个 伪码进行优选，优选后的扩频码个数为15个。优选的结果如下表3所示：

表3 扩频码优选结果

  新序号   旧序号   新序号   旧序号   新序号   旧序号   1   PRN1   6   PRN7   11   PRN13   2   PRN3   7   PRN8   12   PRN16   3   PRN4   8   PRN9   13   PRN18   4   PRN5   9   PRN10   14   PRN19   5   PRN6   10   PRN12   15   PRN20

步骤4，分配扩频码。

根据步骤2中得到15个卫星配对和步骤3中得到的15个扩频码，按照1 卫星配对分配1个扩频码的原则将扩频码分配给卫星。当卫星配对中包含2颗 卫星时共用扩频码，包含1颗卫星时则独立使用扩频码。

至此，基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配过程结束。

为具体分析基于卫星配对的卫星导航系统扩频码分配方法的优势，从两个 角度分析新方法对导航性能的影响：(1)冷启动搜索时间，传统一码一星方案 共需要27个扩频码，新方案需要15个扩频码，冷启动搜索时间缩短(27-15) /27＝44.4％；(2)扩频码相关性，将27个扩频码优选后得到15个扩频码，相关 性能变化如表4和图4所示。新方法在没有改变星座结构和扩频码构造方法的 条件下改善了冷启动搜索时间和扩频码相关性。

表4 使用新方法后相关性能改善

  相关性能   30个扩频码数值   15个扩频码数值   改善   偶自相关   -23.94dB   -23.94dB   0   奇自相关   -17.85dB   -18.54dB   0.69dB   偶互相关   -23.94dB   -23.94dB   0

  奇互相关   -16.50dB   -17.98dB   1.48dB

本发明方法并不限定于特定的中国北斗卫星导航系统，而是适用于任意使 用CDMA信号作为导航信号的卫星导航系统。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属 于本发明的保护范围。