北斗衛星信號捕獲策略

李 奎,高 揚,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實驗室，陜西 西安，710054

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北斗衛星信號捕獲策略

李 奎1，2,高 揚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實驗室，陜西 西安，710054

首次定位時間是決定用戶機RNSS性能的一項重要指標。本文在分析用戶機在不同啟動方式下的先驗信息和衛星星座特點的基礎上，通過優化衛星列表排列方案，設計了“3+1+R”的選星策略，并對P碼的時間不確定度進行精確計算。實驗結果表明，該捕獲策略有效縮短了捕獲時間，進而縮短了首次定位時間。

衛星列表；選星策略；時間不確定度

1 引 言

北斗衛星導航系統是我國自主研發的全球衛星定位系統，是繼美國的GPS(Global Position System)系統和俄羅斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)系統之后的全球第三個衛星導航系統，它能夠在區域范圍內實現全天候、高精度、高可靠性的導航定位和授時服務，且具有獨特的短報文通信功能[1]。為了能夠實現導航定位功能，用戶機首先需要捕獲到衛星信號，然后對信號進行解析，提取導航電文數據和觀測量。因此，作為導航信號解析的第一步，捕獲策略的好壞直接決定著導航定位性能的優劣，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間。只有快速捕獲到衛星信號，才能夠在很短的時間內，解析出導航電文，獲取導航定位信息，快速實現衛星定位和導航功能。

本文首先通過分析北斗衛星導航系統衛星星座的特點與用戶機在冷啟動、溫啟動和熱啟動方式下所獲得不同的先驗信息(有效輔助定位信息)，優化衛星列表排列方案，設計了衛星列表為“3+1+R”的選星策略；然后精確計算P碼的時間不確定度；最后通過測試，證明該捕獲策略能夠有效縮短捕獲時間。

2 衛星信號捕獲

2.1 捕獲原理

北斗衛星導航信號由載波信號(B1、B2和B3)、測距碼(C/A碼、P碼)和數據碼(D碼)組成。用戶機通過內部產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，得到導航電文和定位時間信息。由于傳輸路徑延遲，信號到達地面的相位時延就變成了一個不定值，因此信號捕獲首先需要得到偽隨機碼(Pseudorandom noise，PRN碼)碼相位。一方面，PRN碼可以被看作當前信號數據塊的時間信息，利用在本地復現有時延的PRN碼與接收到的PRN碼作相關運算，可得到PRN碼碼相位，實現對衛星信號PRN碼的剝離，得到的PRN碼相位誤差在半個碼片之內；另一方面，系統用不同的PRN碼來區分衛星，要從信號中解調出衛星播發的導航電文就必須知道當前接收到的衛星信號來自于哪幾顆衛星，即對可見衛星進行確定[2]。

由于衛星以一定速度繞地球旋轉以及用戶機位置的變化，導致衛星和用戶機之間存在相對速度分量。由于多普勒(Doppler)頻移效應，接收到的信號頻率將偏離發射時的中心頻率，用戶機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過下變頻模塊進行混頻并經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，為了能夠得到數據碼，必須得到信號的多普勒頻率，同時還必須得到PRN碼。因此，捕獲是一個在載波和碼相位兩個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，而且這兩個粗略值也是跟蹤所需要的重要參數[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，但這樣會導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。當完成了多普勒頻率和碼相位的搜索之后，對信號進行相干積分，確定同相信號和正交信號，將積分結果和判決門限進行比較。若積分結果大于判決門限，則認為捕獲成功；反之，則認為捕獲失敗，需要按照一定的步長和變化方式調整載波，重新進行碼相位的搜索，最終找到符合條件的載波頻率和碼相位，完成對衛星信號的捕獲。

3 衛星信號捕獲策略

為了縮短捕獲時間，可利用衛星列表控制捕獲策略。衛星列表是根據先驗信息而得到的一個關于捕獲衛星優先順序的列表，它決定了衛星的捕獲順序。本文根據用戶機在不同啟動方式下的先驗信息和衛星星座特點，通過優化衛星列表排列策略，設計了衛星列表“3+1+R”選星策略，并精確計算P碼時間不確定度，縮短捕獲時間，進而縮短首次定位時間。

3.1 用戶機啟動模式

根據用戶機上電啟動時先驗信息的不同，用戶機的啟動方式通常分為冷啟動、溫啟動、熱啟動三種，表1為用戶機在這3種啟動方式時各種已知的有效輔助定位信息[6]。

表1 冷、溫、熱啟動數據要求

先驗信息冷啟動溫啟動熱啟動星歷無無√歷書無√√概略位置無√√概略時間無√√

冷啟動所需時間最長，整個啟動時間需要大概數分鐘；溫啟動首次定位時間較短，一般在1min左右；熱啟動首次定位時間最短，一般在10～20s左右。

3.2 衛星列表“3+1+R”選星策略

從捕獲角度講，衛星仰角越高，信號強度越強，越容易捕獲；從定位精度角度講，衛星幾何分布(DOP值)越好，定位可信度就越高。因此,衛星列表的排列應兼顧衛星仰角和衛星幾何分布[7-10]。現階段北斗衛星導航系統空間星座由5顆地球靜止軌道(GEO)衛星、4顆中圓地球軌道(MEO)衛星和5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星組成。由于GEO衛星屬于靜止衛星，處于赤道上空，衛星仰角較高，用戶機對GEO衛星的捕獲較快，所以衛星列表起始位置放3顆GEO衛星；MEO/IGSO衛星屬于傾斜軌道面衛星，和GEO衛星之間的幾何分布較好，所以在GEO衛星后應捕獲MEO/IGSO衛星，當用戶機捕獲到前4顆衛星時，可快速定位；最后將剩余衛星進行排列，對定位結果進一步修正。因此衛星列表設計為“3+1+R”方案，即3顆GEO衛星，1顆MEO/IGSO衛星，R顆剩余(therest)衛星。

3.2.1 3顆GEO衛星的選擇遵循仰角優先策略

在冷啟動情況下，無仰角信息，則根據GEO衛星分布，依次選擇3/1/2號衛星；在熱啟動或溫啟動情況下，根據星歷或歷書以及概略位置計算衛星的仰角，根據仰角和幾何分布選擇3顆GEO衛星。

3.2.2 1顆MEO/IGSO衛星的選擇采用DOP值優先并兼顧仰角策略

冷啟動情況下無先驗信息，由于IGSO衛星出現在視野內的概率較大，應遍歷捕獲1顆IGSO衛星，定位后再根據星歷選擇捕獲其他衛星；熱啟動和溫啟動情況下，通過歷書計算衛星的方位角和俯仰角，采用近似公式計算DOP值組合，再利用DOP值和仰角綜合排序，確定后續捕獲順序。

3.2.3R顆剩余衛星的選擇遵循仰角優先策略

冷啟動情況下，按照先IGSO后MEO的順序捕獲；熱啟動和溫啟動情況下通過歷書計算衛星仰角，再按仰角高低順序將剩余衛星排列到衛星列表中。表2為“3+1+N”法的選星依據。

表2 “3+1+R”選星依據

啟動方式衛星種類冷啟動溫啟動熱啟動3顆GEO衛星3/1/2號GEO衛星根據仰角和幾何分布選擇3顆GEO衛星根據仰角和幾何分布選擇3顆GEO衛星1顆IGSO/MEO先IGSO衛星，后MEO衛星根據DOP值和仰角值根據DOP值和仰角值R顆剩余衛星先IGSO衛星，后MEO衛星按仰角順序按仰角順序

按照現階段北斗衛星導航系統衛星星座的分布，可知5顆GEO衛星定點位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°、160°，依次為衛星5、1、3、2、4，而我國的國土范圍(含南沙)大約為東經75°～135°，北緯0°～55°。由于用戶機在冷啟動時，沒有任何有效定位輔助信息，依據經驗，在大部分地區按仰角大小排列，應該是3號星>1號星>2號星。

3.3P碼時間不確定度的精確計算

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

P=Δ+τ

(2)

其中，P為P碼時間不確定度；Δ為鐘差不確定范圍；τ為信號傳播時延。

在不同的場景下，可以通過先驗信息精確估計，獲得時間不確定度的精確范圍，優化捕獲策略：

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

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

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

4 實驗和分析

根據式(2)可知，在計算搜索單元數量時，不僅需要確定多普勒頻率和碼相位的搜索范圍，同時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值。

4.1 頻率搜索步長設置

當頻率搜索的范圍一定時，頻率搜索步長與捕獲速度成反比例關系，頻率搜索步長越大，則搜索的單元格越少，計算量越小，那么捕獲的速度也越快。為了獲得更快的捕獲速度，通常會選擇較小的數據長度。當選擇的數據長度為1ms時，輸入信號和相關信號的頻率差為1KHz，根據自相關特性，當兩個信號之間的時間偏差小于半個周期時所得的自相關值較大，因此輸入信號和相關信號的最大頻率差為500Hz。在多普勒頻率搜索范圍內，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到一次相關捕獲運算數據長度的倒數。

4.2 碼相位搜索步長設置

當碼相位搜索的范圍一定時，碼相位搜索步長與捕獲速度也成反比例關系，碼相位搜索步長越大，則搜索的單元格越少，計算量越小，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，而且還影響捕獲的精確度，兩者之間也成反比的關系。當碼相位搜索步長越小，捕獲的精確度就越高；相反，當碼相位搜索步長越大，捕獲的精確度就越低。通常當搜索步長在半個碼片內進行變化時，捕獲能力不會受到影響；當搜索步長超過半個碼片之后，捕獲能力會減弱。本文所使用的碼相位搜索步長為半個碼片。

4.3 實驗結果

本文所研究的衛星信號為經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，首次定位時間得到明顯優化。表3為優化前后的捕獲時間對比表。

表3 捕獲性能對比測試記錄

測試項目熱啟動時間溫啟動時間冷啟動時間優化前21s69s98s優化后11s38s72s

從表3可以得出，首次定位時間中，熱啟動時間提高了10s，溫啟動時間提高了31s，冷啟動時間提高了26s。從上述實驗結果可以看出，本文的啟動策略相對于傳統啟動策略有較大的改進。

5 結 論

本文根據用戶機在不同啟動方式下的先驗信息和現階段北斗衛星星座特點，通過優化衛星列表排列方案，設計了衛星列表為“3+1+R”的選星策略，并精確計算了P碼的時間不確定度，縮小了用戶機搜索范圍。實驗結果說明該捕獲策略能夠有效縮短捕獲時間，進而縮短首次定位時間。

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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，主要從事衛星導航方面的研究。

P208

B