一种地面产生卫星转发导航信号的控制方法

摘要

本发明提供了一种地面产生卫星转发导航信号的控制方法，通过对包括码相位、码频率及载波频率的地面站发射信号参数进行调整，在信号发射之前对其参数进行预偏，实现在接收机端收到的信号类似于从卫星转发器发射天线相位中心直接发出的信号。本发明使建设周期短、成本低的卫星转发系统实现优于通用卫星导航系统的性能，使卫星转发的信号类似于直接从卫星转发器发射天线相位中心发射的信号，使卫星转发系统的用户接收终端与通用卫星导航系统的接收终端易于融合，提高了系统的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星转发系统码和载波参数的控制方法。

背景技术

20世纪80年代，美国建成GPS，前苏联建成GLONASS(GlobalNavigationsatellite system，GLONASS)，两者在星上都放置有高性能的星载原子钟，导航信号都在卫星 上产生，技术实现难度高、风险大，使系统的建设成本高、周期长。

2002年11月，中国科学院的科研人员提出了通过信号转发的方式组建中国区域 定位系统(ChineseAreaPositioningSystem,CAPS)的设想，利用商用通信卫星上的转发 器转发地面原子钟信号和导航电文，进行导航定位。2004年，中国的卫星转发导航定 位系统建成，具备导航、定位、授时服务能力。该系统的导航信号在地面产生，卫星 采用地球同步轨道(GEO)卫星或倾斜轨道同步(IGSO)卫星，不需要高精度的星载 原子钟，降低了系统建设技术实现难度，使系统建设成本降低、周期减短、风险降低。 同时，该系统信号产生功能在地面实现，可以采用高性能的地面钟组提供时频参考， 地面设备不受重量、体积等因素限制，系统的功能和性能指标能发挥到最佳水平。

卫星转发导航定位系统的工作模式是利用卫星的透明转发功能，将地面产生的导 航信号通过卫星转发给用户，其比通用的GPS导航信号多了一条上行链路，使系统用 户接收机收到的信号附加了该上行链路及卫星转发器的影响，使该用户接收机的工作 机制不用于普通用户接收机，增加了接收机的设计成本，使系统不易于同其他导航系 统无缝融合；而且，地面产生的高性能信号经过卫星转发器，其指标被恶化。为了使 卫星转发器对信号的影响在地面得到补偿，使系统的高性能指标能够体现到用户接收 端，同时，为了提高系统的适用性，使卫星转发系统的信号类似于卫星直发信号，以 更好的服务于用户，实现系统信号在地面的准确预调整是该系统亟需解决的一个问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种控制地面发射信号码和载波参数的方 法，使卫星转发导航信号同于卫星直发的导航信号，且性能更优。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，建立卫星转发系统码伪距观测模型，地面站到卫星再到地面站的环路观 测时延PR_loop＝PR_hw,up+PR_tr,up+PR_io,up+PR_sat+PR_io,d+PR_tr,d+PR_hw,d+2PR_gr，其中，PR_hw,up、 PR_hw,d分别为地面站上行和下行设备时延；PR_tr,up、PR_tr,d分别为上、下行对流层引起 的时延；PR_io,up、PR_io,d分别为上、下行电离层引起的时延；PR_sat为卫星转发器带来的 时延；PR_gr为卫星转发器到地面站几何距离时延；

步骤2，建立卫星转发系统频率观测模型，计算得到实测伪码速率 f_code＝f_code,nominal+f_ucode,dop+f_dcode,dop，计算得到实测载波速率 f_carri＝f_{carri,nominal}+f_ucarri,dop-f_sat,nominal+f_sat,offset+f_dcarri,dop，其中，f_code,nominal为标称伪码速率， f_ucode,dop为由星地相对运动引起的上行伪码多普勒频率，f_dcode,dop为由星地相对运动引起 的下行伪码多普勒频率，f_{carri,nominal}为标称载波速率，f_ucarri,dop为由星地相对运动引起的 上行载波多普勒频率，f_sat,nominal为卫星转发器工作搬移标称频率，f_sat,offset为卫星转发器 频率变换过程中引起的频率偏移量，f_dcarri,dop为由星地相对运动引起的下行载波多普勒 频率；

步骤3，建立卫星转发系统地面站发射信号参数预偏模型，码相位调整量 PR_Adj＝PR_hw,up+PR_tr,up+PR_io,up+PR_sat+PR_gr，码频率调整量载波 频率调整量$f_{carri,Adj}=f_{ucarri,dop}+f_{sat,offset}=\frac{{\stackrel{.}{PR}}_{loop}}{{\lambda }_{ucarri}}+f_{sat,offset},$其中，f_ucode,dop为卫星相对地面站 运动引起的上行信号码多普勒，f_ucarri,dop为卫星相对地面站运动引起的上行信号载波多 普勒，为伪距变化率，ΔPR为由上行链路包括上行电离层变化、对流层变化、星 地相对运动等因素在Δt时间段内引起的伪距变化，λ_ucarri为地面站发射信号上行载波波 长；

步骤4，采用PID控制方法对比例增益K_P、积分时间T_I、微分时间T_D和采样时间 T进行控制，其中，实时调整量u(t)＝K_P·e(t)-K_I·e(t-1)+K_D·e(t-2)，积分因子 K_I＝K_PT/T_I，微分因子K_D＝K_PT_D/T，e(t)为当前时刻t的调整量，即步骤3中的PR_Adj、 f_code,Adj或f_carri,Adj。

所述的比例增益K_P取值为0.1～0.5；积分因子K_I取值为0.01～0.5；微分因子K_D取 值为0.01～0.5；采样时间T取值为10ms～10s。

本发明的有益效果是：通过对地面站发射信号参数如码相位、码频率及载波频率 进行调整，即在信号发射之前对其参数进行预偏，实现在接收机端收到的信号类似于 从卫星转发器发射天线相位中心直接发出的信号。本发明使建设周期短、成本低的卫 星转发系统实现优于通用卫星导航系统的性能，使卫星转发的信号类似于直接从卫星 转发器发射天线相位中心发射的信号，使卫星转发系统的用户接收终端与通用卫星导 航系统的接收终端易于融合，提高了系统的适用性。

附图说明

图1是地面站产生卫星导航信号的控制框图；

图2是未调节之前不同发射节点处发射帧头与参考时间的关系示意图；

图3是在卫星转发器发射天线相位中心处信号的同步关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明将卫星转发导航信号控制到卫星转发器发射天线相位中心，使得卫星转发 导航系统提供给用户接收机的信号类似于从卫星直接发射的信号，以提高卫星转发系 统的适用性。本发明步骤如下：

步骤1：建立卫星转发系统码伪距观测模型，包括

PR_loop＝PR_hw,up+PR_tr,up+PR_io,up+PR_sat+PR_io,d+PR_tr,d+PR_hw,d+2PR_gr(1)

PR_loop为地面站到卫星再到地面站的环路观测时延，表示综合基带接收终端测量出 信号从综合基带发射终端发出，经射频发射通道、空间上行、卫星转发、空间下行、 射频接收通道和综合基带接收终端的时延；PR_hw,up、PR_hw,d分别为地面站上行和下行 设备时延；PR_tr,up、PR_tr,d分别为上、下行对流层引起的时延；PR_io,up、PR_io,d分别为 上、下行电离层引起的时延；PR_sat为卫星转发器带来的时延；PR_gr为卫星转发器到地 面站几何距离时延。

步骤2：建立卫星转发系统频率观测模型，包括：

f_code＝f_code,nominal+f_ucode,dop+f_dcode,dop(2)

f_carri＝f_{carri,nominal}+f_ucarri,dop-f_sat,nominal+f_sat,offset+f_dcarri,dop(3)

f_code为实测伪码速率，f_code,nominal为标称伪码速率，f_ucode,dop为由星地相对运动引起 的上行伪码多普勒频率，f_dcode,dop为由星地相对运动引起的下行伪码多普勒频率.

f_carri为实测载波速率，f_{carri,nominal}为标称载波速率，f_ucarri,dop为由星地相对运动引起 的上行载波多普勒频率，f_sat,nominal为卫星转发器工作搬移标称频率，f_sat,offset为卫星转发 器频率变换过程中引起的频率偏移量，f_dcarri,dop为由星地相对运动引起的下行载波多普 勒频率。

步骤3：建立卫星转发系统地面站发射信号参数预偏模型，包括：

PR_Adj＝PR_hw,up+PR_tr,up+PR_io,up+PR_sat+PR_gr(4)

$f_{code,Adj}=f_{ucode,dop}+\frac{\Delta PR}{\Delta t}---\left(5\right)$

$f_{carri,Adj}=f_{ucarri,dop}+f_{sat,offset}=\frac{{\stackrel{.}{PR}}_{loop}}{{\lambda }_{ucarri}}+f_{sat,offset}---\left(6\right)$

PR_Adj为码相位调整量，f_code,Adj为码频率调整量，f_carri,Adj为载波频率调整量，f_ucode,dop为卫星相对地面站运动引起的上行信号码多普勒，f_ucarri,dop为卫星相对地面站运动引起 的上行信号载波多普勒，为伪距变化率，ΔPR为由上行链路包括上行电离层变化、 对流层变化、星地相对运动等因素在Δt时间段内引起的伪距变化，λ_ucarri为地面站发 射信号上行载波波长。

步骤4：各参数控制方法

由于卫星相对地面站的运动、地面站上空电离层和气象参数的变化，将引起上行 链路时延、码速率、载波频率的调整量随时间变化，如果按照实施测量得到的调整量 对上行信号直接进行调整，将引起各参数的阶跃跳变，使输出信号的相位不连续，整 个系统信号的质量被恶化，为了保证信号调整的速度能够及时跟随信号的变化，同时 解决相位不连续和信号质量恶化的问题，系统提出采用PID控制方法对各参数进行控 制。

u(t)＝K_P·e(t)-K_I·e(t-1)+K_D·e(t-2)(7)

K_I＝K_PT/T_I(8)

K_D＝K_PT_D/T(9)

T_I为积分时间；T_D为微分时间；K_P为比例增益，为了保证调整过程信号的连续性， 取值不宜过大，在这里取值为0.1～0.5；K_I为积分因子，这里取0.01～0.5；K_D为微分 因子，取值为0.01～0.5；上述参数的具体取值在实际使用中根据调整效果可以进行调 节。T为采样时间，根据卫星运动速率进行调整，卫星运行慢则取值可放大些，调整 精度高，卫星运动快则取值减小，可提高调整速度，这里取10ms～10s；e(t)为当前时 刻t的调整量，即步骤3中的PR_Adj或f_code,Adj或f_carri,Adj；最终得到的u(t)是链路时延、码 速率、载波频率的实时调整量。

本发明实施例的技术特征在于：通过对地面产生信号参数的调整，将其同步起始 点预置到卫星转发器发射天线相位中心出口，使地面接收终端收到的该信号类似于从 卫星直接发射的信号，使卫星转发系统发射的信号易于和其它通用卫星直接发射的信 号进行融合，提高卫星转发导航系统用户终端的通用性。该方法的实施基于以下条件： 1.1颗卫星；2.1个可收发卫星信号的地面站；3.地面站能够得到卫星的精密星历、 地面站上空的气象数据和电离层数据。同时，地面站具有对发射信号的码和载波参数 进行调整的功能。

在具体实施过程中，以国家授时中心(NTSC)在西安建设的卫星转发系统为测试 平台，试验和验证本发明提出方法的可行性和有效性。本发明的重点在于将地面产生 的信号预调整至卫星转发器发射天线相位中心，即，调整基带产生信号发射的时间和 信号频率，消除信号从地面产生至卫星转发器发射天线相位中心链路的影响。该调整 包含两部分：一是调整发射时间，使信号提前发出，提前量即为从地面站基带发射出 口至卫星转发器发射天线相位中心的信号传输时延。二是调整码频率和载波频率，消 除由卫星相对地面站运动对上行链路引起码多普勒和载波多普勒。如附图一所示，具 体实施步骤如下：

步骤1：计算卫星转发器时延：

PR_sat＝PR_loop-(PR_hw,up+PR_tr,up+PR_io,up+PR_io,d+PR_tr,d+PR_hw,d+2PR_gr)(10)

其中，PR_hw,up为地面站发射设备时延，包含了从综合基带发射输出端口至天线相 位中心段的所有硬件设备时延，PR_hw,d为地面站接收设备时延，包含了从天线相位中心 至综合基带接收输入端口段的所有硬件设备时延，该部分时延可通过测量结合理论计 算的方法获得；PR_tr,up、PR_tr,d可根据地面站上空对流层部分气象参数，采用对流层模 型计算得到；PR_io,up、PR_io,d可采用IGS网站上公布的电离层数据，通过电离层计算模 型得到；PR_gr根据分布于国内各地观测值数据计算的精密星历及精确测量的地面站坐 标计算得到。

步骤2：计算卫星转发器频率变换过程中引起的频率偏移量:

f_sat,offset＝f_carri-(f_{carri,nominal}+f_ucarri,dop-f_sat,nominal+f_dcarri,dop)(11)

其中，f_{carri,nominal}、f_sat,nominal为系统已知量，f_ucarri,dop、f_dcarri,dop计算公式如下：

$f_{ucarri,dop}=\frac{{\stackrel{.}{PR}}_{loop}}{{\lambda }_{ucarri}}---\left(12\right)$

$f_{dcarri,dop}=\frac{{\stackrel{.}{PR}}_{loop}}{{\lambda }_{dcarri}}---\left(13\right)$

步骤3：初始码相位调整

从公式(4)可得到码相位的调整量PR_Adj，初始状态下PR_Adj包含了从基带信号输 出端口至卫星转发器发射天线相位中心的所有传输环节产生的时延，相对一个码片， 该时延值是一个相对比较大的时延值，基带可以通过调节发射时间进行粗调整。

在未调节之前不同发射节点处发射帧头与参考时间的关系如图2所示。图中， τ＝PR_hw,up+PR_tr,up+PR_io,up+PR_sat+PR_gr，参考时间1pps指外部时频基准参考系统提供的 参考时间秒脉冲信号，基带输出发射帧头指基带设备输出端口处基带信号中包含的发 射帧头脉冲，在未进行信号参数调整之前，这两个信号是保持同步的；

初始调节后，理论上应实现在卫星转发器发射天线相位中心处信号的同步关系如 图3所示。图中：

PR_Adj＝τ＝-(PR_hw,up+PR_tr,up+PR_io,up+PR_sat+PR_gr)(14)

ρ_d＝PR_io,d+PR_tr,d+PR_hw,d+PR_gr(15)

步骤4：码相位的精确控制

卫星相对地面站的运动、地面站上空电离层和气象参数的变化，将引起上行链路 时延随时间变化，这部分变化需要对信号进行精确实时调整，为了保证相位的连续性， 通过码速率的调整实现。

由于码速率在整个链路中是不变的，因此，由上行链路和下行链路引起的时延变 化时对等的，则对上行链路的码速率补偿值可通过下式进行计算：

$f_{code,Adj}=\frac{{\stackrel{.}{PR}}_{loop}}{{\lambda }_{code}}---\left(16\right)$

λ_code为地面站发射信号伪码码片长度。

步骤5：载波频率控制

在卫星转发系统中，由卫星相对地面站的运动引起的上、下行链路载波多普勒和 由卫星转发器变频引起的频偏均反映在信号接收端。载波频率控制主要对卫星相对地 面站的运动引起的上行链路载波多普勒和由卫星转发器变频引起的频偏进行控制，因 此，控制量计算如下：

$f_{carri,Adj}=f_{ucarri,dop}+f_{sat,offset}=f_{r,offset}-\frac{{\stackrel{.}{PR}}_{gr}}{{\lambda }_{dcarri}}---\left(17\right)$

f_r,offset＝f_r,carrier-f_{normi,carrier}(18)

式中，为由星地相对运动引起的几何距离变化，λ_dcarri为下行载波信号波长。 f_r,offset为接收机解调获得的载波频率与标称载波频率的差，f_r,carrier为接收机接收解调的 载波频率，f_{normi,carrier}为标称载波频率。