北斗卫星信号捕获策略

李 奎,高 扬,王成宾,乌 萌

1.西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054



北斗卫星信号捕获策略

李 奎1，2,高 扬1，2,王成宾1，2,乌 萌1，2

1.西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054

首次定位时间是决定用户机RNSS性能的一项重要指标。本文在分析用户机在不同启动方式下的先验信息和卫星星座特点的基础上，通过优化卫星列表排列方案，设计了“3+1+R”的选星策略，并对P码的时间不确定度进行精确计算。实验结果表明，该捕获策略有效缩短了捕获时间，进而缩短了首次定位时间。

卫星列表；选星策略；时间不确定度

1 引 言

北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星定位系统，是继美国的GPS(Global Position System)系统和俄罗斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)系统之后的全球第三个卫星导航系统，它能够在区域范围内实现全天候、高精度、高可靠性的导航定位和授时服务，且具有独特的短报文通信功能[1]。为了能够实现导航定位功能，用户机首先需要捕获到卫星信号，然后对信号进行解析，提取导航电文数据和观测量。因此，作为导航信号解析的第一步，捕获策略的好坏直接决定着导航定位性能的优劣，捕获速度的快慢也在很大程度上决定了RNSS工作模式下的首次定位时间。只有快速捕获到卫星信号，才能够在很短的时间内，解析出导航电文，获取导航定位信息，快速实现卫星定位和导航功能。

本文首先通过分析北斗卫星导航系统卫星星座的特点与用户机在冷启动、温启动和热启动方式下所获得不同的先验信息(有效辅助定位信息)，优化卫星列表排列方案，设计了卫星列表为“3+1+R”的选星策略；然后精确计算P码的时间不确定度；最后通过测试，证明该捕获策略能够有效缩短捕获时间。

2 卫星信号捕获

2.1 捕获原理

北斗卫星导航信号由载波信号(B1、B2和B3)、测距码(C/A码、P码)和数据码(D码)组成。用户机通过内部产生的载波和测距码信号剥离所接收到信号的载波和测距码，得到导航电文和定位时间信息。由于传输路径延迟，信号到达地面的相位时延就变成了一个不定值，因此信号捕获首先需要得到伪随机码(Pseudorandom noise，PRN码)码相位。一方面，PRN码可以被看作当前信号数据块的时间信息，利用在本地复现有时延的PRN码与接收到的PRN码作相关运算，可得到PRN码码相位，实现对卫星信号PRN码的剥离，得到的PRN码相位误差在半个码片之内；另一方面，系统用不同的PRN码来区分卫星，要从信号中解调出卫星播发的导航电文就必须知道当前接收到的卫星信号来自于哪几颗卫星，即对可见卫星进行确定[2]。

由于卫星以一定速度绕地球旋转以及用户机位置的变化，导致卫星和用户机之间存在相对速度分量。由于多普勒(Doppler)频移效应，接收到的信号频率将偏离发射时的中心频率，用户机收到的信号不仅在伪码相位上存在不确定度，而且在载波频率上也存在一定的不确定度，因此,捕获还需要得到载波频率。这里的载波频率是经过下变频模块进行混频并经过低通滤波之后得到的中频信号频率，而不是天线端接收到的卫星信号载波频率[3]。

2.2 二维搜索过程

通过上述分析可知，为了能够得到数据码，必须得到信号的多普勒频率，同时还必须得到PRN码。因此，捕获是一个在载波和码相位两个方向上的二维搜索过程，目的是为了获得多普勒频率和码相位的粗略值，而且这两个粗略值也是跟踪所需要的重要参数[4-5]。二维搜索过程的具体流程如图1所示。

图1 二维搜索过程

设F为频率偏移不确定度，P为码相位偏移不确定度，Δf为频移步长，Δp为码移步长，则搜索单元的数量Ns可表示为：

(1)

由式(1)可知，如果提高搜索速度，一种方法是增大搜索单元面积，但这样会导致得到的频率偏移值和码相位偏移值不精确；另一种方法是利用先验信息，尽可能地减小频率搜索范围和码相位搜索的范围，比如为了能够快速搜索到多普勒频率，最直接的方法就是精确地获取相对速度。当完成了多普勒频率和码相位的搜索之后，对信号进行相干积分，确定同相信号和正交信号，将积分结果和判决门限进行比较。若积分结果大于判决门限，则认为捕获成功；反之，则认为捕获失败，需要按照一定的步长和变化方式调整载波，重新进行码相位的搜索，最终找到符合条件的载波频率和码相位，完成对卫星信号的捕获。

3 卫星信号捕获策略

为了缩短捕获时间，可利用卫星列表控制捕获策略。卫星列表是根据先验信息而得到的一个关于捕获卫星优先顺序的列表，它决定了卫星的捕获顺序。本文根据用户机在不同启动方式下的先验信息和卫星星座特点，通过优化卫星列表排列策略，设计了卫星列表“3+1+R”选星策略，并精确计算P码时间不确定度，缩短捕获时间，进而缩短首次定位时间。

3.1 用户机启动模式

根据用户机上电启动时先验信息的不同，用户机的启动方式通常分为冷启动、温启动、热启动三种，表1为用户机在这3种启动方式时各种已知的有效辅助定位信息[6]。

表1 冷、温、热启动数据要求

先验信息冷启动温启动热启动星历无无√历书无√√概略位置无√√概略时间无√√

冷启动所需时间最长，整个启动时间需要大概数分钟；温启动首次定位时间较短，一般在1min左右；热启动首次定位时间最短，一般在10～20s左右。

3.2 卫星列表“3+1+R”选星策略

从捕获角度讲，卫星仰角越高，信号强度越强，越容易捕获；从定位精度角度讲，卫星几何分布(DOP值)越好，定位可信度就越高。因此,卫星列表的排列应兼顾卫星仰角和卫星几何分布[7-10]。现阶段北斗卫星导航系统空间星座由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、4颗中圆地球轨道(MEO)卫星和5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。由于GEO卫星属于静止卫星，处于赤道上空，卫星仰角较高，用户机对GEO卫星的捕获较快，所以卫星列表起始位置放3颗GEO卫星；MEO/IGSO卫星属于倾斜轨道面卫星，和GEO卫星之间的几何分布较好，所以在GEO卫星后应捕获MEO/IGSO卫星，当用户机捕获到前4颗卫星时，可快速定位；最后将剩余卫星进行排列，对定位结果进一步修正。因此卫星列表设计为“3+1+R”方案，即3颗GEO卫星，1颗MEO/IGSO卫星，R颗剩余(therest)卫星。

3.2.1 3颗GEO卫星的选择遵循仰角优先策略

在冷启动情况下，无仰角信息，则根据GEO卫星分布，依次选择3/1/2号卫星；在热启动或温启动情况下，根据星历或历书以及概略位置计算卫星的仰角，根据仰角和几何分布选择3颗GEO卫星。

3.2.2 1颗MEO/IGSO卫星的选择采用DOP值优先并兼顾仰角策略

冷启动情况下无先验信息，由于IGSO卫星出现在视野内的概率较大，应遍历捕获1颗IGSO卫星，定位后再根据星历选择捕获其他卫星；热启动和温启动情况下，通过历书计算卫星的方位角和俯仰角，采用近似公式计算DOP值组合，再利用DOP值和仰角综合排序，确定后续捕获顺序。

3.2.3R颗剩余卫星的选择遵循仰角优先策略

冷启动情况下，按照先IGSO后MEO的顺序捕获；热启动和温启动情况下通过历书计算卫星仰角，再按仰角高低顺序将剩余卫星排列到卫星列表中。表2为“3+1+N”法的选星依据。

表2 “3+1+R”选星依据

启动方式卫星种类冷启动温启动热启动3颗GEO卫星3/1/2号GEO卫星根据仰角和几何分布选择3颗GEO卫星根据仰角和几何分布选择3颗GEO卫星1颗IGSO/MEO先IGSO卫星，后MEO卫星根据DOP值和仰角值根据DOP值和仰角值R颗剩余卫星先IGSO卫星，后MEO卫星按仰角顺序按仰角顺序

按照现阶段北斗卫星导航系统卫星星座的分布，可知5颗GEO卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，依次为卫星5、1、3、2、4，而我国的国土范围(含南沙)大约为东经75°～135°，北纬0°～55°。由于用户机在冷启动时，没有任何有效定位辅助信息，依据经验，在大部分地区按仰角大小排列，应该是3号星>1号星>2号星。

3.3P码时间不确定度的精确计算

由于P码周期长，码速率快，因此时间不确定度是P码直接捕获的一个重要参数，直接影响其捕获速度。在时间不确定度足够准确的条件下，时间不确定范围越小，捕获的速度越快。P码时间不确定度的计算公式如下：

P=Δ+τ

(2)

其中，P为P码时间不确定度；Δ为钟差不确定范围；τ为信号传播时延。

在不同的场景下，可以通过先验信息精确估计，获得时间不确定度的精确范围，优化捕获策略：

(1)冷启动场景：冷启动情况下钟差漂移范围无法估计，钟差不确定度范围可设置为最大值，即Δ=[-1000ms,+1000ms]；冷启动时站星距无法估计，信号传播时延用卫星轨道高度代替，即τ≈卫星轨道高度/c，c为光速。

(2)温启动场景：温启动情况下钟差漂移范围无法估计，钟差不确定度范围可设置为最大值，即Δ=[-1000ms,+1000ms]；温启动时有历书和概略用户坐标，可粗略估算信号站星距作为信号传播时延的估算值，即τ≈站星距/c。

(3)热启动场景：热启动情况下由于守时精度较高，钟差的漂略大于失锁重捕场景，钟差不确定度范围可设置为Δ=[-100ms,+100ms]；热启动时有较为精确的卫星坐标和用户坐标，可精确估算站星距，作为近似的信号传播时延，所以信号传播时延可设置为τ≈站星距/c。

4 实验和分析

根据式(2)可知，在计算搜索单元数量时，不仅需要确定多普勒频率和码相位的搜索范围，同时还需要确定多普勒频率和码相位的搜索步长。步长的大小同样决定着搜索单元的多少，同时又间接地影响了捕获的性能。因此，如何确定合适的多普勒频率搜索步长和码相位搜索步长，对于快速捕获具有十分重要的意义和价值。

4.1 频率搜索步长设置

当频率搜索的范围一定时，频率搜索步长与捕获速度成反比例关系，频率搜索步长越大，则搜索的单元格越少，计算量越小，那么捕获的速度也越快。为了获得更快的捕获速度，通常会选择较小的数据长度。当选择的数据长度为1ms时，输入信号和相关信号的频率差为1KHz，根据自相关特性，当两个信号之间的时间偏差小于半个周期时所得的自相关值较大，因此输入信号和相关信号的最大频率差为500Hz。在多普勒频率搜索范围内，为了不遗漏捕获信号，搜索的频率步长为500Hz。一般情况下，综合考虑各种因素，多普勒频率的搜索步长范围是从0到一次相关捕获运算数据长度的倒数。

4.2 码相位搜索步长设置

当码相位搜索的范围一定时，码相位搜索步长与捕获速度也成反比例关系，码相位搜索步长越大，则搜索的单元格越少，计算量越小，那么捕获的速度也越快。码相位的搜索步长不仅与捕获速度有关，而且还影响捕获的精确度，两者之间也成反比的关系。当码相位搜索步长越小，捕获的精确度就越高；相反，当码相位搜索步长越大，捕获的精确度就越低。通常当搜索步长在半个码片内进行变化时，捕获能力不会受到影响；当搜索步长超过半个码片之后，捕获能力会减弱。本文所使用的码相位搜索步长为半个码片。

4.3 实验结果

本文所研究的卫星信号为经下变频后的输出信号，载波频率(中频)为4.092MHz，采样频率为16.368MHz。采用上述捕获策略后，首次定位时间得到明显优化。表3为优化前后的捕获时间对比表。

表3 捕获性能对比测试记录

测试项目热启动时间温启动时间冷启动时间优化前21s69s98s优化后11s38s72s

从表3可以得出，首次定位时间中，热启动时间提高了10s，温启动时间提高了31s，冷启动时间提高了26s。从上述实验结果可以看出，本文的启动策略相对于传统启动策略有较大的改进。

5 结 论

本文根据用户机在不同启动方式下的先验信息和现阶段北斗卫星星座特点，通过优化卫星列表排列方案，设计了卫星列表为“3+1+R”的选星策略，并精确计算了P码的时间不确定度，缩小了用户机搜索范围。实验结果说明该捕获策略能够有效缩短捕获时间，进而缩短首次定位时间。

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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，助理工程师，主要从事卫星导航方面的研究。

P208

B