【正文】 展望 本文以我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號作為輻射源，研究了基于北斗衛(wèi)星的無源定位的方法，盡管提出了一些定位方法，能夠解決無源定位領(lǐng)域內(nèi)的一些問題，但是關(guān)于定位的測量技術(shù)、方法以及測量的精度仍需改進和提高，許多問題仍要進一步的研究和解決。載波的同步采用了數(shù)字Costas環(huán)技術(shù)，為了保證精度并對其進行了改進；擴頻碼的捕獲采用串并結(jié)合的方法，采用8路并行捕獲，使捕獲時間大大縮短；擴頻碼的跟蹤則采用非相干雙ΔDLL跟蹤算法。同時，對數(shù)字Costas環(huán)進行了仿真驗證。為了驗證趨于不同值，對信息碼的影響，在仿真過程中，取信息碼。為了能更好的證明Costas環(huán)跟蹤相位正確，運用式（536）求出， 式（536），由于一個PN碼周期才得到一次相位信息，從圖中可以看出，相位是一個振蕩收斂過程，使得相位誤差為零。 （5）程序?qū)崿F(xiàn)： 根據(jù)公式，需要的已知數(shù)據(jù)為：地球赤道半徑＝ 6378137m，橢圓度f=1/，光速C＝300000m/s，初始鐘差deltT，用戶高程h，按公式(512)，式(519)得到觀測矩陣H，： 無源定位流程圖 （6）采用大地坐標(biāo)系時，地球表面可以擬合為一個橢球面，當(dāng)用戶處在海平面，即海拔高度為0時，用戶三維坐標(biāo)滿足如下方程： 式（526） 為赤道半徑，為地球極半徑，在WGS84坐標(biāo)系中，為6378137m，f為橢圓度，1/。在線性化解算時，采用增量迭代逼近法，假定用戶位置和時鐘偏差的標(biāo)稱值為， ，而為偽距標(biāo)稱值，為標(biāo)稱值和真值之間的增量，那么求得增量之后，就可按下式求 式（59）將偽距方程在處按泰勒級數(shù)展開，則有 式（510） 其中， 式（511） 引入新變量以簡化公式： 式（512） 則方程可以簡記為 式（513） 寫成矩陣形式： 式（514） 即 式（515）這樣就可以完成偽距觀測方程的線性化和增量迭代化?？臻g直角坐標(biāo)系的三個量（X，Y，Z）不是獨立的。坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化采用七參數(shù)變換法： 式（51） 式中，為平移轉(zhuǎn)換參數(shù)，旋轉(zhuǎn)參數(shù)，k為尺度因子。 （2）BJZ54坐標(biāo)系 我國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用的是BJZ54坐標(biāo)系統(tǒng)。第二類是天球坐標(biāo)系，該類坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，又稱為空固坐標(biāo)系，一般用來描述衛(wèi)星的運行狀態(tài)和確定衛(wèi)星軌道。為了計算的方便，我們首先要進行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，把北斗使用的參心坐標(biāo)系BJZ54轉(zhuǎn)化成GPS使用的WGS8地心坐標(biāo)系。為了使用戶接收機能同時接收到來自三顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，要求這三顆地球靜止同步衛(wèi)星之間相對于地心的夾角不能太大，例如相鄰兩顆衛(wèi)星相對于地心的圓心角可以取30度。在本章中同時分析研究了非相干雙跟蹤算法。設(shè)對兩支路的超前累加值和滯后累加值進行平方和運算，并對其平方和進行開方運算，其結(jié)果分別為 ，,，即 式（425） 式（426） （4）求超前序列和滯后序列之間運算后的誤差即 式（427） （5）將誤差值送入環(huán)路濾波器，通過環(huán)路濾波器去除誤差值上的高頻噪聲，然后去調(diào)整一個數(shù)控振蕩器NCO，最終將輸出一個十分精確的PN碼鐘(該PN 碼鐘將分別送至PN碼序列的捕獲電路和Costas環(huán)路中)。也就是說超前碼序列和滯后碼序列分別對I支路信號進行能量累加（亦稱數(shù)字相關(guān)運算），并對應(yīng)為， .即 式（423） 式（424） 其中，上式中括號里的求和表示數(shù)字相關(guān)器，括號外的求和表示數(shù)字積分清零器。于是，超前碼序列和滯后碼序列分別對I支路信號進行能量累加，并對應(yīng)為、即 式（421） 式（422）其中，上式中括號里的求和表示數(shù)字相關(guān)器，括號外的求和表示數(shù)字積分清零器。 根據(jù)PN碼自相關(guān)特性，將滯后L、超前E兩支路相關(guān)特性相減，得到鑒相特性曲線L?E，在之間鑒相特性具有很好的線性關(guān)系。VCO可以調(diào)節(jié)PN碼發(fā)生器的時鐘，當(dāng)PN碼發(fā)生器落后與輸入序列相位時，它就促使時鐘變快，反之亦然。總的來說，跟蹤環(huán)為了使接收機擴頻碼序列同步，至少需要采用兩個相關(guān)器，即超前相關(guān)器和滯后相關(guān)器。驗證是捕獲過程中的重要環(huán)節(jié)，通過對同步態(tài)進行驗證，可以避免系統(tǒng)同步于錯誤的狀態(tài)，降低虛警概率。當(dāng)積分器的輸出大于設(shè)定的門限時，就完成了對接收擴頻碼序列相位的捕獲，門限比較器的輸出不再改變時鐘電路的工作狀態(tài)，同時輸出一信號給同步跟蹤電路，進入擴頻碼序列的同步跟蹤。接收信號經(jīng)相關(guān)處理后，變?yōu)橹蓄l窄帶信號，經(jīng)平方檢波后送到積分器。這樣兩個碼序列從相位上看好像在相對滑動。匹配濾波器可用表面聲波延時線濾波器和數(shù)字移位寄存器來實現(xiàn)。假設(shè)數(shù)據(jù)序列是慢變化的即處理增益很高，可看成是等于177。 匹配濾波器的沖擊響應(yīng)為 式（414）式(414)中是與擴頻碼同長度的逆時間序列，為匹配濾波器中心頻率與輸入信號載頻差。 以上的隨機性因素決定了擴頻碼同步捕獲一般有以下幾個步驟： （1）確定要搜索的擴頻碼相位的區(qū)域； （2）調(diào)整本地參考擴頻碼的相位； （3）求解擴頻碼的相關(guān)函數(shù)值；（4）對所求相關(guān)值進行判決。其本原多項式分別為和 并聯(lián)產(chǎn)生GOLD碼序列的邏輯圖由于 Gold 碼有平衡和非平衡之分，所謂平衡 Gold 碼為指碼序列1比0的個數(shù)僅多一個的序列，而非平衡Gold 碼序列指0和1個數(shù)之差不再是1的序列。 Gold碼具有三值互相關(guān)函數(shù)，其值為 式（49）其中 式（410） 式（411）當(dāng)r為奇數(shù)是，Gold碼序列族中約50%的碼序列歸一化互相關(guān)函數(shù)值為。設(shè)A是對應(yīng)于n級本原多項式 所產(chǎn)生的m序列，B是對應(yīng)于n級本原多項式所產(chǎn)生的m序列，當(dāng)它們的互相關(guān)函數(shù)滿足 式（48）則和產(chǎn)生的m序列A和B就構(gòu)成一對優(yōu)選對。已知本原多項式為：，共有5級寄存器，其周期為。 產(chǎn)生m序列的充要條件為：定理42 設(shè) ，是域上的多項式,以代表由特征多項式所產(chǎn)生的所有非零序列的集合。 m序列的構(gòu)造 產(chǎn)生m序列的充要條件由下述定理給出。在0~一個周期內(nèi)，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義，有： 式（46）m序列波形的連續(xù)相關(guān)函數(shù)，即： 式（47）。將m序列的每一比特變換為寬度為、幅度為1的波形函數(shù)，當(dāng)m序列為0元素時，波形函數(shù)取正極性，否則取負極性。 而且 R ( j )是偶函數(shù)，即有： 式（45）由此可見，m序列的自相關(guān)函數(shù)只有兩種取值(1和?1/N)。m 序列的周期為，為反饋移位寄存器的級數(shù)。長度為 。這個性質(zhì)很重要，因為碼序列中直流分量將決定碼的平衡性，用一個碼序列去調(diào)制載波時，“0”和“1”的平衡性將決定載波的抑制度。 m序列是一種偽隨機序列，它具有下面的五個特性： （1）01 分布特性。假設(shè)在二元域上的n級線性反饋移位寄存器所產(chǎn)生的非零序列之周期為，稱這個序列為n級最大周期線性移位寄存器序列，簡稱m序列。此外，m序列也是研究和構(gòu)造其他序列的基礎(chǔ)。由于這種碼具有類似白噪聲的性質(zhì)，相關(guān)函數(shù)具有尖銳的特性，功率譜占據(jù)很寬的頻帶，因此易于從其它信號或干擾中分離出來，具有優(yōu)良的抗干擾特性。白噪聲是一種隨機過程，它的瞬時值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬的頻帶內(nèi)都是均勻的。 偽隨機編碼的基本理論 在擴頻通信系統(tǒng)中有一個偽隨機碼發(fā)生器，它是構(gòu)成擴頻通信系統(tǒng)不可缺少的一部分。 （5）高分辨率測距。 （4）頻譜密度低，對其他通信系統(tǒng)的干擾小。擴頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)基本與待傳輸?shù)男畔o關(guān)，主要由擴頻碼來決定。當(dāng)網(wǎng)內(nèi)所有接收機都指定了不同的擴頻碼后，網(wǎng)內(nèi)的任一發(fā)射機可通過選擇不同的擴頻碼來與使用相應(yīng)擴頻碼的接收機相聯(lián)系。擴頻通信系統(tǒng)具有極強的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能力，有利于電子反對抗，特別適合軍事通信系統(tǒng)中運用。 （2）頻率跳變系統(tǒng) 頻率跳變系統(tǒng)是頻率跳變擴展頻譜通信系統(tǒng)的簡稱，或更簡單地稱為跳頻系統(tǒng)，確切地說應(yīng)叫做多頻、選碼和頻移鍵控通信系統(tǒng)。由式(41)可知，信道容量C與信號帶寬成正比，增加B 勢必會增加C，但當(dāng)B增加到一定程度后，C增加緩慢。由式(25)可知，B與C成正比，而C與 S/ N呈對數(shù)關(guān)系，因此，增加B比增加S/N更有效。擴頻通信的基本理論根據(jù)是信息論中的信道容量公式（香農(nóng)公式）： 式（41）式中： C—信道容量，單位為 b/s； B—信道帶寬，單位為 Hz； S—信號功率，單位為 W； N—噪聲功率，單位為 W。 擴頻通信基本理論 擴頻通信理論基礎(chǔ) 擴頻技術(shù)是將要發(fā)送的信息頻譜拓寬到一個很寬的帶寬上進行發(fā)射，接收端利用相關(guān)接收的原理將其帶寬壓縮，恢復(fù)成原來的窄帶信號。在所有擴頻通信系統(tǒng)中擴頻碼的同步都是必不可少的，本地產(chǎn)生的參考擴頻碼是否與接收到 的擴頻碼同步是對期望信號實現(xiàn)解擴和對非期望信號進行頻譜擴展的關(guān)鍵。一個相干的鎖定、分別來自I、Q兩支路信號自乘后，在進行相加運算，對其結(jié)果用積分清零器進行濾波后跟門限進行比較，并輸出鎖定指示結(jié)果。（6）鎖定和假鎖檢測器 鎖定和假鎖檢測器主要完成Costas環(huán)的鎖定指示和假鎖指示功能。 積分累計值輸出采樣值輸入 與 門清零脈沖累加脈沖 積分清零器的基本結(jié)構(gòu) （4）數(shù)字相位誤差檢測器 由于整個數(shù)字Costas環(huán)采用補碼運算，相位鑒相其就采用I支路數(shù)據(jù)乘以Q支路數(shù)據(jù)，得到的誤差信號送入到環(huán)路濾波器中進行高頻噪聲濾波處理， 所示。在PN碼進入精確跟蹤后，送來的精確PN碼鐘進入該環(huán)路的解擴單元完成其擴頻碼片數(shù)據(jù)的解擴功能。因為第一級積分清零器具有下采樣作用，為了保證精度，為此移除了第一級積分清零器。I 支路低通濾波器的輸出為a點信號，Q支路低通濾波器的輸出為d點信號 。科斯塔斯環(huán)又稱IQ環(huán)，壓控振蕩器用來產(chǎn)生載波參考信號，輸入信號與參考信號的同相信號及正交（相移 90176。 1/2壓控振蕩器 平方環(huán)鎖相環(huán)解調(diào)原理方框圖 平方鎖相環(huán)比較常用，優(yōu)點是把雙邊帶抑制載波信號經(jīng)平方后產(chǎn)生二倍頻的載波，便于載波提取，實現(xiàn)載波的跟蹤與同步。被跟蹤的二倍頻載波經(jīng)二分頻并移相90176。1，低通濾波器的輸出經(jīng)符號檢測器后，就可以把基帶數(shù)字信號恢復(fù)出來了。理論分析也表明，對相位估計的統(tǒng)計分析，最佳的估計設(shè)備必然為一個鎖相環(huán)路。 基帶解調(diào)與載波同步擴頻信號經(jīng)解擴（去掉擴頻碼調(diào)制）之后，剩下的問題就是從已被解擴了的帶有信息的中頻信號中，檢測出發(fā)射端發(fā)送的基帶數(shù)字信號。首先是對擴頻信號（直接序列信號，頻率跳變信號，各種混合擴頻信號）進行解擴（或解跳）。而方法（2）需要用戶機配備大容量的存儲器，這會使用戶機的體積、重量和功耗很大，滿足不了用戶的使用要求。 通過分析知道，用戶的空間直角坐標(biāo)的3個量不是獨立的，無法拆開用某一方法測得其中一個量。實際上兩個時間不可能完全同步，在不對時的情況下用戶時鐘與系統(tǒng)時鐘之間就有一個時間偏差，這樣用戶機測的到衛(wèi)星的距離就會存在一個誤差，它作為一個未知量帶到了3個球面距離方程中。而ρu 可表示為： 式（21） 式(21)中， 代表用戶在空間直角坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)， 代表第i顆同步衛(wèi)星在空間直角坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，為已知量。通過這個距離差和直接波路徑（同有源雷達測量距離方法相同）就可以得到目標(biāo)到衛(wèi)星和目標(biāo)到接收機的距離和。 北斗一號導(dǎo)航系統(tǒng)有源定位的工作原理 北斗一號無源定位原理 北斗一號無源定位原理是：一個北斗衛(wèi)星源源不斷的向地面接收站發(fā)射信號，無源雷達的地面接收站可接收來至衛(wèi)星的信號。 C、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)容進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。 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行位置解算。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)到達用