北斗系统设计及其关键技术朱联军（重庆邮电大学，重庆市，400065）中文摘要：北斗卫星导航系统是中国正自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。

与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。

本文中，对北斗系统的系统架构、信号结构、信号检测、关键技术以及取上述其他系统的区别做了一定程度的介绍。

中文关键词：北斗卫星导航系统；系统架构；信号结构；信号检测；关键技术The design of Beidou system and it’s key technologieszhulianjun（Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing，400065）Abstract: As a global satellite navigation system,the Beidou satellite navigation system is being developed by our country and it can run independently. The GPS of the United States,the Russia's GLONASS, the European Galileo satellite navigation system and the Beidou system said consist the world's top four satellite navigation system. In this paper, we will introduce the Beidou system’s architecture, the structure of the signal, the signal’s detection, key technologies ,and the different with the other’s satellite navigation system. the other of the above key technologies and systems to do a certain degree ofKey words：System’s architecture; signal’s structure; signal’s detection; Beidou satellite navigation system key technologies0.引言北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System)是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。

第一代北斗导航系统已于2003年建成并开通运行，目前在建设的是第二代北斗导航系统。

第二代系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

不同于GPS，北斗的指挥机和终端之间可以双向交流。

在2008年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流，通过北斗导航系统独有的报文功能发送了50多万条的短信，使外界在地震灾区各项通信中断的情况下了解到灾区的具体信息，为抗震救灾带来了巨大的便利。

截止目前，北斗二代导航系统已发射了16颗导航卫星，服务范围基本涵盖了我国及亚太周边地区。

预计到2020年，将基本建成服务范围涵盖全球的新一代北斗导航系统。

1.北斗系统的系统架构北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

1.1北斗系统的空中段结构北斗卫星导航系统的空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星，5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75、80°、110.5°、140、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。

至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）。

1.2北斗系统的地面段结构北斗系统的地面段由主控站、注入站、监测站组成。

主控站用于系统运行管理与控制等。

主控站从监测站接收数据并进行处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，而后交由注入站执行信息的发送。

注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理，在接受主控站的调度后，将卫星导航电文和差分完好性信息向卫星发送。

监测站用于接收卫星的信号，并发送给主控站，可实现对卫星的监测，以确定卫星轨道，并为时间同步提供观测资料。

1.3 北斗系统的用户段结构用户段即用户的终端，即可以是专用于北斗卫星导航系统的信号接收机，也可以是同时兼容其他卫星导航系统的接收机。

接收机需要捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定的方式进行定位计算，最终得到用户的经纬度、高度、速度、时间等信息2.北斗系统的信号结构Beidou I卫星导航系统主控站通过卫星向用户转发的信号包含同向（I）和正交（Q）两个通道，两个通道分别对信息进行卷积编码和扩频，然后采用QPSK方式调制到高频载波上，其中，I通道采用Kasimi码进行扩频，调制定位、通信、授时或其它服务信息；Q通道采用Gold码进行扩频，调制定位和通信信息。

Beidou I信号编码、扩频、调制过程如下图所示：导航型号的消息体如下：表中各参数说明如下：时刻：第一帧开始时对应的时刻，单位为min。

闰秒：Beidou I 系统时间与协调世界时之间相差的整秒数，单位为s。

时差：Beidou I系统时间与协调世界时之间的时间差，单位为ns。

卫星号：转发本次出站的授时数据对应的卫星号。

卫星位置：卫星在北京坐标系P54中的位置，单位为m。

卫星速度：卫星在北京坐标系P54中的速度，单位为m/s。

大气延时：从主控站到卫星的对流层/电离层延时，单位为ns。

电磁波传播修正模型参数：用于对电磁波传播延时进行模型修正，与系统选用的模型有关。

3.北斗系统的信号检测在北斗导航系统中，接收机与接收机之间、接收机与主控站之间均可实现双工通信。

每个接收机采用不同的加密码，所有的通信内容和指令均通过主控站进行转发。

主控站可以和系统中任何接收机利用时分多址方式进行通信，即主控站分不同时段向不同接收机发送信号，实现和不同接收机的通信。

每次通信可传送210个字节，即105个汉字。

当接收机需要和主控站通信时，通信内容存储在询问信号和回答信号的信息段中，由主控站对通信内容解调，获得原始信息，经卷积编码、扩频和调制后发送至卫星，并由卫星向接收用户转发。

如果系统中某一用户接收机收到主控站发来的第I帧信号，该接收机以此时刻为基准，延迟预定时间T0并截取一段足够长的信号，以避免丢失数据造成无法解调，在对接收信号的询问信号段的信息进行解扩、解调和解码后，即可得到主控站的通信内容。

信号接收完成后可向卫星发射应答信号，实现接收机对主控站的回复。

在上述通信过程中，主控站利用接收机的ID识别不同的用户。

当i接收机需要与j 接收机通信时，将j接收机的ID和通信内容置入其应答信号的通信信息段中，通过卫星转发给主控站，主控站将i接收机要发送的通信内容转存在询问信号中，j接收机接收到卫星转发的询问信号后，识别自己的地址码并获得i接收机发送的通信内容和i接收机的ID码，如果j接收机需要对i接收机进行回复，重复上述过程即可。

4.北斗系统的关键技术北斗系统关键技术有星载原子钟技术、伪卫星技术等一系列卫星导航系统核心关键技术。

4.1 星载原子钟技术首先，北斗系统突破了星载原子钟技术。

星载原子钟的精确、稳定与否直接影响到测距的精度,进而影响到定位的精度。

通常情况下,星载原子钟是准确、稳定的,但有时受自身物理特性改变和复杂太空电磁环境的影响可能会出现异常扰动。

因此,卫星导航系统需要对星载原子钟的状态进行监测,当星载原子钟运行异常时作出正确诊断。

4.2 伪卫星技术北斗提出了伪卫星技术。

基准站接收所有可见的北斗卫星信号和伪卫星信号,并把它们和已知基准站位置及伪卫星天线位置进行比较。

基准站控制伪卫星发射并提供导航电文。

用户设备同时接收北斗导航卫星和伪卫星的信号,实现快速精密定位。

解决信号干扰问题的技术方案设计伪卫星信号结构的一个重要问题是对北斗卫星信号的干扰问题。

假如用户在距伪卫星50km处,伪卫星信号与北斗卫星信号一样强,那么,当用户靠近伪卫星只有50m时,则此伪卫星信号将比北斗卫星信号强60dB。

因此伪卫星的信号结构设计要解决这种远-近效应问题。

即在最大范围内能提供足够强的伪卫星信号，又能在距伪卫星很近时不干扰北斗卫星信号。

这样要求设计接收机动态范围至少在60dB以上。

要达到60dB的动态范围，有以下三种方案可供选择：方案一，利用CDMA 码分多址技术利用不同C /A码的码间相关,只能分离25dB,剩下35dB。

方案二,利用FDMA频率偏值技术。

方案三,利用TDMA时分信号技术。

方案三是伪卫星工作的最佳方案。

5.北斗系统与其他卫星系统的区别北斗系统作为中国独立研发的卫星导航系统，他有其自己的特点。

1）“北斗”具有定位和通信双重作用,具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。

2）“北斗”"定位精度20米左右。

3）“北斗”终端价格已经趋于GPS终端价格。

4）.采用接收终端不需铺设地面基站。

5）灾难中心的船只一秒钟就可以发出信息。

5.1 北斗系统优点1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。

覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。

GPS是覆盖全球的全天候导航系统。

2、卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步颗卫卫星且两颗卫星间的赤道角距约60°。

GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。

航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

3、定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。

GPS三维定位精度P码己由16m提高到6m，C/A码己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。