【正文】 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。 第四章，分析PN碼的捕獲和跟蹤方式，采用改進的串并結合的滑動相關法進行八路同時捕獲后再用雙抖動超前滯后非相干跟蹤環(huán)來實現(xiàn)對北斗衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤。 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航系統(tǒng)有源定位和無源定位原理。 課題研究內容及本文章節(jié)安排 本課題是在某北斗導航定位系統(tǒng)研究項目的基礎上展開的，主要論述了北斗無源定位算法研究。西安電子科技大學深入的研究了無源探測技術的發(fā)展，分析了模糊函數(shù)對定位技術的影響，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驗系統(tǒng)。北京理工大學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。他們采用的外輻射源主要為FM調頻廣播﹑數(shù)字電視﹑移動手機信號﹑GSM信號等。近年來，我國也越來越重視對無源定位技術的研究，國防科技大學﹑北京航空航天大學﹑北京理工大學﹑西安電子科技大學﹑南京理工大學等高校都開始研究無源定位技術。在上世紀70年代的無源探測技術研究中，首先選用了調頻廣播信號作為第三方輻射源，對目標進行探測，在該技術中，分析了雜波對定位的影響以及系統(tǒng)相位對定位的要求。俄羅斯的Cherniakov等人在一次實驗中探測到了30千米以外的空中目標，他們用的機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，檢測到目標回波。華盛頓大學的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，并用它們作為雷達接收信號，研制出了Manastash Ridge無源雙基系統(tǒng)。2007年，挪威的Olsen等人利用民用信號中的L波段的信號，對視頻信號進行采集，采樣頻率選用10M赫茲。2002年,德國公司用手機蜂窩通信信號，展示了對陸、海、空三地的目標跟蹤以及在叢林、野外環(huán)境中對目標的探測。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70年代末研制的“RAMOHAKPTA81 Soft Ball”系統(tǒng)上進行了改進，可以同時跟蹤200個目標。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外的目標軌跡15]。1989年，美國的Thompson在一次雷達會議中發(fā)表的一篇文章中利用預警機作為外輻射源，采用了載頻等同步技術發(fā)現(xiàn)并探測到正在飛行的目標。1982年, Forrest和Schoenenberger采用獨立的接收機，使用機場信號研制出外輻射源雷達系統(tǒng)。鑒于我國利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行無源定位的有點，研究基于北斗衛(wèi)星的無源定位技術將更具有現(xiàn)實意義和實用價值。綜上所述，開發(fā)我國自主的衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)無論在軍事上還是在民用領域都將會有廣泛的市場。衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)可以為導彈、作戰(zhàn)飛機、軍艦、坦克及單兵提供實時、準確的定位導航信息，從而提高軍隊的作戰(zhàn)能力。這些特點使得衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)在軍事領域被廣泛地應用。同時中國北斗二代進入衛(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)的導航定位需要，最后組成一個30顆衛(wèi)星的全球導航系統(tǒng)。因此，我國研究基于北斗衛(wèi)星無源定位技術更具有實際使用價值。因此，一但發(fā)生戰(zhàn)爭，使用我國自己的導航系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性?；诒倍沸l(wèi)星無源定位方法研究畢業(yè)設計目 錄摘 要 IVAbstract V第一章 緒論 1 課題的研究背景及意義 1 無源定位的國內外研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 1 國內研究現(xiàn)狀 2 課題研究內容及本文章節(jié)安排 3第二章 北斗衛(wèi)星導航原理 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 8第三章 數(shù)字載波跟蹤環(huán)設計 9 基帶解調與載波同步 9 鎖相環(huán)解調器原理 9 平方環(huán)解調器 10 科斯塔斯環(huán)解調器 10 數(shù)字科斯塔斯環(huán)設計與實現(xiàn) 12 數(shù)字科斯塔斯環(huán)詳細設計 12 本章小結 15第四章 擴頻碼序列的捕獲及跟蹤 16 擴頻通信基本理論 16 擴頻通信理論基礎 16 擴頻通信系統(tǒng)的分類 17 擴頻通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點 17 偽隨機編碼的基本理論 18 m序列 19 Gold序列 23 擴頻碼的同步捕獲 24 匹配濾波器法 25 滑動相關法 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 32第五章 北斗三星無源定位算法及相關仿真 33 坐標系轉換算法 33 北斗無源定位算法實現(xiàn) 36 科斯塔斯環(huán)的MATLA仿真結果與分析 40 本章小結 43第六章 結論與展望 44 論文工作總結 44 展望 44參考文獻 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，世界上主要的導航系統(tǒng)有美國的GPS導航系統(tǒng)、歐洲的GALIEO導航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS、以及我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。在以上四大導航衛(wèi)星系統(tǒng)中，前三個都是國外的導航系統(tǒng)，只有北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是我國自己的導航系統(tǒng)，在實際的使用中，利用我國的衛(wèi)星導航定位系統(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。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。 中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)目前還處于北斗一代的準運行階段，其有3顆衛(wèi)星部署在中國上空的地球同步軌道內，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)域性導航定位系統(tǒng)。 衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)具有許多其他定位系統(tǒng)如陸基定位導航系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)等所不具備的特點，如全球性、全天候、高精度等。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。 事實上目前世界上GPS的主要用戶為非軍事用戶，它們占GPS用戶的70%以上。目前，利用我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為外輻射源的無源定位技術研究所的單位很少。 無源定位的國內外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 . 二戰(zhàn)期間，產(chǎn)生于德國的“Klein Heidelberg”雷達通過采用接收“Chain Home”雷達發(fā)射出的信號，一路接收該雷達輻射的直達信號，另一路接收經(jīng)目標反射回的信號，利用TDOA（到達時間差）和DOA（到達角）之間的關系，對空中的飛機進行了探測，該次實驗的精度大約為10千米。1986年，英國的Griffiths ，探測 Heathrow 機場上空的飛機。 上世紀90年代，LockheedMartin（洛克希德馬丁）公司用了15年的時間，研制出了 Silent Sentinel（沉默哨兵）系統(tǒng)，該系統(tǒng)選取調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。1997年，英國的 Hawkins 在一次雷達會議上寫的一篇文章中，介紹了一種利用交通管制雷達為非協(xié)作輻射源，利用全向天線，探測到130千米外的空中目標。 2001年,美國空軍擔心自己國家的雷達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，在雷達發(fā)射信號上調制了一種干涉信號。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)實現(xiàn)無源隱蔽雷達的方法。 法國的Poullin在實驗中，對數(shù)字廣播信號進行編碼調制，并對調制后的信號源做了詳細的分析，利用調制后的數(shù)字廣播信號作為輻射源進行探測，獲得了良好的距離分辨力。南洋理工大學的Tan等人，采用濾波法檢測目標，利用GSM基站作為外輻射源信號，并消除了直達波與多徑雜波。 國內研究現(xiàn)狀 我國自1970年以后才開始了對無源定位的研究。1994年底，孫仲康教授組織了國防科技大學以及其他專家和學者，開始了我國對無源定位技術的探索和研究，取得一些成果。除此之外，中國電子科技集團第14﹑29﹑38﹑51等研究所也開始了對無源定位技術的研究。目前，我國也在研究基于GPS衛(wèi)星信號的無源雷達，同時，也在組建我國自己的北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并對基于北斗衛(wèi)星的無源定位技術進行探索與研究。國防科技大學2001年3月召開“雷達無源定位跟蹤技術”會議，分析了無源探測的原理，研究了調頻廣播信號以及電視信號的一些探測關鍵技術，指出了關鍵面臨的問題，擴展了無源定位的新思路。中電集團西南電子設備研究所在這方面也進行了一定的研究。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)星導航系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 第三章，主要分析載波跟蹤環(huán)原理及應用，并設計數(shù)字載波跟蹤環(huán)。 第五章，分析研究了不同坐標系的轉換關系，討論了利用兩顆北斗導航衛(wèi)星及一顆北斗備份衛(wèi)星實現(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證進行仿真。 “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)、標校系統(tǒng)和各類用戶機等部分組成。用戶響應其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應信號，經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)。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)星轉發(fā)到達用戶，用戶發(fā)出定位響應信號，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉發(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)星到達用戶，用戶發(fā)出響應信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。另外中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機內的數(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橢球面平行的橢球面上。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)能基本覆蓋我國的全部疆土，經(jīng)度范圍從東經(jīng)70176。緯度范圍從北緯5176。這三顆衛(wèi)星的位置分別位于東經(jīng)80176。和東經(jīng)110 .5176。I支路為民用信號，Q支路為軍用信號。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行調制，調制信號的速率為16kb/s。“北斗一號”導航衛(wèi)星信號的Q支路的Gold碼序列采用21級聯(lián)反饋作為寄存器；I支路的擴頻碼——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。 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)星信號調制結構圖 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)系導航定位衛(wèi)星，而無源定位是用戶直接與衛(wèi)星聯(lián)絡確定自己的位置。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)計算機里的數(shù)據(jù)對應確定用戶所在地的海拔高度。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)星轉發(fā)到達用戶，用戶發(fā)出定位響應信號經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉發(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)星到達用戶，用戶發(fā)出響應信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉發(fā)回地面站的延遲。另外地面站從存儲在計算機內的數(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橢球面平行的橢球面上。 北斗一代衛(wèi)星導航有源定位系統(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。 北斗一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的具體定位解算工作過程是： A、首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星1和衛(wèi)星2同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)器向服務區(qū)內的用戶廣播。 C、中心控制系統(tǒng)接收并解調用戶發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶的申請服務內容進行相應的數(shù)據(jù)處理。 D、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二顆衛(wèi)星的距離，從而知道用戶處于兩顆衛(wèi)星為球心的一個球面，另外中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機內的數(shù)字化地形圖查詢到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。 北斗一號導航系統(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。由于地面接收機接收這兩路信號的傳播距離不同，則它們之間必定有時間延遲（簡稱時延）。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）就可以得到目標到衛(wèi)星和目標到接收機的距離和。 由于地面控制中心到衛(wèi)星的傳播時延和衛(wèi)星的星歷可由北斗一號地面控制中心給出，并通過廣播的出站鏈路向全服務區(qū)的用戶廣播。而ρu 可表示為： 式（21） 式(21)中， 代表用戶在空間直角坐標系中的三維坐標， 代表第i顆同步衛(wèi)星在空間直角坐標系中的三維坐標，為已知量。 實際上此算法是在理想狀態(tài)下的算法，因為這種算法的前提是在一定條件下。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。這樣是3個方程、4個未知量，用戶無法求出地理位置。 通過分析知道，用戶的空間直角坐標的3個量不是獨立的，無法拆開