【正文】 基于北斗衛(wèi)星無源定位方法研究畢業(yè)設(shè)計目 錄摘 要 IVAbstract V第一章 緒論 1 課題的研究背景及意義 1 無源定位的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 課題研究內(nèi)容及本文章節(jié)安排 3第二章 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航原理 4 北斗衛(wèi)星信號 4 北斗一號有源定位原理 5 北斗一號無源定位原理 6 本章小結(jié) 8第三章 數(shù)字載波跟蹤環(huán)設(shè)計 9 基帶解調(diào)與載波同步 9 鎖相環(huán)解調(diào)器原理 9 平方環(huán)解調(diào)器 10 科斯塔斯環(huán)解調(diào)器 10 數(shù)字科斯塔斯環(huán)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 12 數(shù)字科斯塔斯環(huán)詳細(xì)設(shè)計 12 本章小結(jié) 15第四章 擴(kuò)頻碼序列的捕獲及跟蹤 16 擴(kuò)頻通信基本理論 16 擴(kuò)頻通信理論基礎(chǔ) 16 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類 17 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) 17 偽隨機(jī)編碼的基本理論 18 m序列 19 Gold序列 23 擴(kuò)頻碼的同步捕獲 24 匹配濾波器法 25 滑動相關(guān)法 27 數(shù)字延遲鎖定跟蹤環(huán) 29 DLL基本原理 29 數(shù)字非相干雙ΔDLL跟蹤算法 30 本章小結(jié) 32第五章 北斗三星無源定位算法及相關(guān)仿真 33 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法 33 北斗無源定位算法實(shí)現(xiàn) 36 科斯塔斯環(huán)的MATLA仿真結(jié)果與分析 40 本章小結(jié) 43第六章 結(jié)論與展望 44 論文工作總結(jié) 44 展望 44參考文獻(xiàn) 45致 謝 47英文原文 48英文翻譯 57II第一章 緒論 課題的研究背景及意義 目前，世界上主要的導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲的GALIEO導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS、以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在以上四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中，前三個都是國外的導(dǎo)航系統(tǒng)，只有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，在實(shí)際的使用中，利用我國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，不會受到其他國家的影響和干涉，且可以完全保證對該系統(tǒng)的可用性。因此，一但發(fā)生戰(zhàn)爭，使用我國自己的導(dǎo)航系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)射的是地球靜止衛(wèi)星，并且衛(wèi)星的位置是已知和固定的，它可以覆蓋我國幾乎全部的區(qū)域和范圍，相對于地球的運(yùn)動很小，和其他的衛(wèi)星相比，北斗衛(wèi)星的輻射功率較大，在地面處用天線接收得到的接收功率較大，能使其作用的距離較遠(yuǎn)。因此，我國研究基于北斗衛(wèi)星無源定位技術(shù)更具有實(shí)際使用價值。 中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前還處于北斗一代的準(zhǔn)運(yùn)行階段，其有3顆衛(wèi)星部署在中國上空的地球同步軌道內(nèi)，2000年10月發(fā)射第一顆北斗衛(wèi)星，同年12月發(fā)射了第二顆衛(wèi)星，2003年5月發(fā)射了第三顆衛(wèi)星（即備份星），從而組成了中是屬于全天候的區(qū)域性導(dǎo)航定位系統(tǒng)。同時中國北斗二代進(jìn)入衛(wèi)星發(fā)射階段并將于2009年發(fā)射12顆衛(wèi)星，滿足中國及其周邊的地區(qū)的導(dǎo)航定位需要，最后組成一個30顆衛(wèi)星的全球?qū)Ш较到y(tǒng)。 衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有許多其他定位系統(tǒng)如陸基定位導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等所不具備的特點(diǎn)，如全球性、全天候、高精度等。這些特點(diǎn)使得衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。無論美國的GPS還是俄國的GLONASS，其最初研制和開發(fā)的主要目的都是為了滿足軍事上的需要。衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)可以為導(dǎo)彈、作戰(zhàn)飛機(jī)、軍艦、坦克及單兵提供實(shí)時、準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航信息，從而提高軍隊(duì)的作戰(zhàn)能力。 事實(shí)上目前世界上GPS的主要用戶為非軍事用戶，它們占GPS用戶的70%以上。綜上所述，開發(fā)我國自主的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)無論在軍事上還是在民用領(lǐng)域都將會有廣泛的市場。目前，利用我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為外輻射源的無源定位技術(shù)研究所的單位很少。鑒于我國利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行無源定位的有點(diǎn)，研究基于北斗衛(wèi)星的無源定位技術(shù)將更具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價值。 無源定位的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 . 二戰(zhàn)期間，產(chǎn)生于德國的“Klein Heidelberg”雷達(dá)通過采用接收“Chain Home”雷達(dá)發(fā)射出的信號，一路接收該雷達(dá)輻射的直達(dá)信號，另一路接收經(jīng)目標(biāo)反射回的信號，利用TDOA（到達(dá)時間差）和DOA（到達(dá)角）之間的關(guān)系，對空中的飛機(jī)進(jìn)行了探測，該次實(shí)驗(yàn)的精度大約為10千米。1982年, Forrest和Schoenenberger采用獨(dú)立的接收機(jī)，使用機(jī)場信號研制出外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)。1986年，英國的Griffiths ，探測 Heathrow 機(jī)場上空的飛機(jī)。1989年，美國的Thompson在一次雷達(dá)會議中發(fā)表的一篇文章中利用預(yù)警機(jī)作為外輻射源，采用了載頻等同步技術(shù)發(fā)現(xiàn)并探測到正在飛行的目標(biāo)。 上世紀(jì)90年代，LockheedMartin（洛克希德馬?。┕居昧?5年的時間，研制出了 Silent Sentinel（沉默哨兵）系統(tǒng)，該系統(tǒng)選取調(diào)頻廣播電臺作為非合作輻射源，觀測到了一百多英里以外的目標(biāo)。法國的 Lesturgie 和 Poullin 在1994年,利用5個電視信號發(fā)射臺，在巴黎附近跟蹤到了5km外的目標(biāo)軌跡15]。1997年，英國的 Hawkins 在一次雷達(dá)會議上寫的一篇文章中，介紹了一種利用交通管制雷達(dá)為非協(xié)作輻射源，利用全向天線，探測到130千米外的空中目標(biāo)。1998年，捷克臺斯拉（現(xiàn) ERA）公司研制出了“VERAE”系統(tǒng)，該系統(tǒng)在該公司上世紀(jì)70年代末研制的“RAMOHAKPTA81 Soft Ball”系統(tǒng)上進(jìn)行了改進(jìn)，可以同時跟蹤200個目標(biāo)。 2001年,美國空軍擔(dān)心自己國家的雷達(dá)信號會被其他國家所利用，對自己造成威脅，為降低該信號被其他國家的利用，在雷達(dá)發(fā)射信號上調(diào)制了一種干涉信號。2002年,德國公司用手機(jī)蜂窩通信信號，展示了對陸、海、空三地的目標(biāo)跟蹤以及在叢林、野外環(huán)境中對目標(biāo)的探測。2005年，英國的Weedon和Fisher二人在“ESM與PCR聯(lián)合”的研究報告中，分析了利用ESM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無源隱蔽雷達(dá)的方法。2007年，挪威的Olsen等人利用民用信號中的L波段的信號，對視頻信號進(jìn)行采集，采樣頻率選用10M赫茲。 法國的Poullin在實(shí)驗(yàn)中，對數(shù)字廣播信號進(jìn)行編碼調(diào)制，并對調(diào)制后的信號源做了詳細(xì)的分析，利用調(diào)制后的數(shù)字廣播信號作為輻射源進(jìn)行探測，獲得了良好的距離分辨力。華盛頓大學(xué)的JohnD. Sahr等人，研究分析了美國的GPS衛(wèi)星信號和俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星信號，并用它們作為雷達(dá)接收信號，研制出了Manastash Ridge無源雙基系統(tǒng)。南洋理工大學(xué)的Tan等人，采用濾波法檢測目標(biāo)，利用GSM基站作為外輻射源信號，并消除了直達(dá)波與多徑雜波。俄羅斯的Cherniakov等人在一次實(shí)驗(yàn)中探測到了30千米以外的空中目標(biāo)，他們用的機(jī)會輻射源是低軌道衛(wèi)星信號，采用相干積累的方法提高信噪比，檢測到目標(biāo)回波。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國自1970年以后才開始了對無源定位的研究。在上世紀(jì)70年代的無源探測技術(shù)研究中，首先選用了調(diào)頻廣播信號作為第三方輻射源，對目標(biāo)進(jìn)行探測，在該技術(shù)中，分析了雜波對定位的影響以及系統(tǒng)相位對定位的要求。1994年底，孫仲康教授組織了國防科技大學(xué)以及其他專家和學(xué)者，開始了我國對無源定位技術(shù)的探索和研究，取得一些成果。近年來，我國也越來越重視對無源定位技術(shù)的研究，國防科技大學(xué)﹑北京航空航天大學(xué)﹑北京理工大學(xué)﹑西安電子科技大學(xué)﹑南京理工大學(xué)等高校都開始研究無源定位技術(shù)。除此之外，中國電子科技集團(tuán)第14﹑29﹑38﹑51等研究所也開始了對無源定位技術(shù)的研究。他們采用的外輻射源主要為FM調(diào)頻廣播﹑數(shù)字電視﹑移動手機(jī)信號﹑GSM信號等。目前，我國也在研究基于GPS衛(wèi)星信號的無源雷達(dá)，同時，也在組建我國自己的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并對基于北斗衛(wèi)星的無源定位技術(shù)進(jìn)行探索與研究。北京理工大學(xué)對電視信號展開了研究，他們研究的是電視信號的非相干檢測，利用其它信號對電視信號進(jìn)行模擬，并分析了模擬信號的模糊函數(shù)；另外，他們還研究了基于數(shù)字電視信號和GSM信號的無源定位技術(shù)。國防科技大學(xué)2001年3月召開“雷達(dá)無源定位跟蹤技術(shù)”會議，分析了無源探測的原理，研究了調(diào)頻廣播信號以及電視信號的一些探測關(guān)鍵技術(shù)，指出了關(guān)鍵面臨的問題，擴(kuò)展了無源定位的新思路。西安電子科技大學(xué)深入的研究了無源探測技術(shù)的發(fā)展，分析了模糊函數(shù)對定位技術(shù)的影響，做出了大量的研究工作，并提出了消除雜波的方法，研制出了基于廣播的無源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。中電集團(tuán)西南電子設(shè)備研究所在這方面也進(jìn)行了一定的研究。 課題研究內(nèi)容及本文章節(jié)安排 本課題是在某北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)上展開的，主要論述了北斗無源定位算法研究。論文的具體安排如下： 第一章，主要討論本文的研究背景以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 第二章，主要分析了北斗衛(wèi)星信號性能并討論北斗一代導(dǎo)航系統(tǒng)有源定位和無源定位原理。 第三章，主要分析載波跟蹤環(huán)原理及應(yīng)用，并設(shè)計數(shù)字載波跟蹤環(huán)。 第四章，分析PN碼的捕獲和跟蹤方式，采用改進(jìn)的串并結(jié)合的滑動相關(guān)法進(jìn)行八路同時捕獲后再用雙抖動超前滯后非相干跟蹤環(huán)來實(shí)現(xiàn)對北斗衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤。 第五章，分析研究了不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，討論了利用兩顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星及一顆北斗備份衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)三星無源定位算法，并對本文提出的數(shù)字科斯塔斯環(huán)載波跟蹤方法的精度驗(yàn)證進(jìn)行仿真。第二章 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航原理 北斗衛(wèi)星信號 我國的北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由三大部分組成，它們分別是：空間部分、地面中心控制管理部分和用戶終端部分，各部分主要通過出站鏈路和入站鏈路相連接，其中，出站部分的路程由地面控制中心到北斗衛(wèi)星再到接收部分；入站鏈路是從用戶終端到北斗衛(wèi)星再到地面中心站的路徑。 “北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星(800e和1400e)、一顆在軌備份衛(wèi)星()、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)等部分組成。系統(tǒng)的工作過程是：首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星i和衛(wèi)星ii同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播。用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶的申請服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。對定位申請，中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲：即從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經(jīng)某一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)用戶，用戶發(fā)出定位響應(yīng)信號，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲；和從中心控制發(fā)出詢問信號，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達(dá)用戶，用戶發(fā)出響應(yīng)信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的，因此由上面兩個延遲量可以算出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點(diǎn)的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶出于某一與地球基準(zhǔn)橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這個坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能基本覆蓋我國的全部疆土，經(jīng)度范圍從東經(jīng)70176。至東經(jīng)140176。緯度范圍從北緯5176。至北緯55176。這三顆衛(wèi)星的位置分別位于東經(jīng)80176。、東經(jīng)140176。和東經(jīng)110 .5176。 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星出站信號分兩路，一路為I支路，一路為Q支路。I支路為民用信號，Q支路為軍用信號。其中，I支路用Kasami小集碼擴(kuò)頻，擴(kuò)頻方式如下：基帶信號首先生成16kbit/s的數(shù)據(jù)流，然后生成的數(shù)據(jù)流再模2加上碼長為255位的Kasami碼，最后經(jīng)過擴(kuò)頻，；而Q支路不同，采用的是Gold 碼的方式對其擴(kuò)頻。北斗衛(wèi)星采用OQPSK（Offset Quadrature PhaseShaseShiftKeying）的偏移四相相移鍵控方式對廣播信息進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號的速率為16kb/s。I、Q兩支路的信號源首先分別生成雙極性非歸零碼，然后再分別與Kasami小集合碼和Gold碼相乘，隨之產(chǎn)生擴(kuò)頻信號?！氨倍芬惶枴睂?dǎo)航衛(wèi)星信號的Q支路的Gold碼序列采用21級聯(lián)反饋?zhàn)鳛榧拇嫫?；I支路的擴(kuò)頻碼——Kasami小集碼序列則采用了兩個反饋為寄存器，分別為4級和8級反饋移位寄存器。 圖21給出了北斗衛(wèi)星信號調(diào)制的具體過程。 帶通濾波器 時延基帶信號I路信號源 Kasami小集碼功率放大器 帶通濾波器基帶信號Q路信號源 Gold碼 圖 北斗衛(wèi)星信號調(diào)制結(jié)構(gòu)圖 北斗一號有源定位原理一代北斗系統(tǒng)采用的是有源定位，所謂有源定位就用戶需要通過地面中心站聯(lián)系導(dǎo)航定位衛(wèi)星，而無源定位是用戶直接與衛(wèi)星聯(lián)絡(luò)確定自己的位置。我國采用有源定位是因?yàn)閱慰侩p星定位只能確定用戶所在的兩維位置，不能同時得到用戶所在地的海拔高度。而地面中心站在獲得衛(wèi)星返回的用戶兩維位置后，可以根據(jù)計算機(jī)里的數(shù)據(jù)對應(yīng)確定用戶所在地的海拔高度。 北斗系統(tǒng)的定位原理是以2顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測定的本星至用戶機(jī)距離為半徑，形成兩個球面，用戶機(jī)必然位于這兩個球面交線的圓弧上。對定位申請，地面站測出兩個時間延遲：即從地面站發(fā)出詢問信號，經(jīng)某一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)用戶，用戶發(fā)出定位響應(yīng)信號經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回地面站的延遲；和從地面站發(fā)出的詢問信號，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達(dá)用戶，用戶發(fā)出響應(yīng)信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回地面站的延遲。由于地面站和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的，因此由上面兩個延遲量可以算出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點(diǎn)的橢球面之間的交線上。另外地面站從存儲在計算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶出于某一與地球基準(zhǔn)橢球面平行的橢球面上。從而地面站可最終計算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這個坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶。 北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航有源定位系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星( GEO)對用戶雙向測距，由一個配有電子高程圖庫的地面中心站進(jìn)行位置解算。定位由用