2.5　卫星导航系统

导航是指确定移动平台或物体相对于已知基准的位置和速度的能力。在本节中，我们先简单回顾军事领域普遍关注的无线电导航系统的工作原理，而后我们将重点讨论卫星导航系统。卫星导航系统凭借其精确的三维测绘能力，已成为无人武器系统和弹药的有力制导系统。

五种基本无线电导航技术如下。

（1）信标标识：接收到信标信号就表明平台处于发射机附近。

（2）定位和标高技术，如甚高频全向信标（VOR）或仪表着陆系统（ILS）。使用时，基准站发出随传输方向变化的信号，因而能够使接收平台无需定向天线就可以获取相对于基准站的方位角和俯仰角。

（3）无源测距或到达时间（TOA）系统，如各种全球导航卫星系统（GNSS）。使用时，平台在接收到基准站发出的时基信号后，可推断出其与发射机的距离。这需要对发射机和接收机时钟进行同步。

（4）双程测距系统，如测距设备（DME）。使用时，平台向基准站发送呼叫，然后由基站在预先确定的时间间隔后返回该信号。这样就无需时钟同步，但是限制了用户数量和重复率。

（5）双曲线测距系统，如远程导航（LORAN）系统。使用时，平台接收机测量自两个基准站接收信号的时差，而不需要同步接收机的时钟。时差测量得到的平台位置轨迹为双曲线。

GNSS是利用在轨卫星发射的无线电信号进行无源测距，为用户提供三维定位解决方案的导航系统的总称。当前此类系统中有些还在使用，但仅有三种能够覆盖全球（译者注：实际上应为四种，包括中国的北斗）：GPS、GLONASS以及Galileo。其中最有名的是由美国政府所有并运作的导航卫星计时测距系统GPS。

架构、业务以及通过测距来确定用户的位置和速度超出了本书范畴，我们建议有兴趣的读者参阅文献［13］以深入了解相关内容。本书仅描述GNSS信号的结构，因为它们是现代扩频通信系统的一个良好实例。接近地面的接收机使用扩频调制从接收到的弱信号获取精确的距离测量结果［2～6 m（rms）量级］；由于该信号是距离地球几万千米的卫星发送的，因此容易受到干扰。

GNSS信号在1.1～1.6 GHz范围内的若干频段上发射，发送时常采用正交调制（见附录D）。所有的GNSS信号均采用右（旋）圆极化。

GNSS信号将一个包含导航数据消息D（t）的载波和一个扩频码或测距码C（t）结合起来，两者均采用BPSK调制。总发射信号表示为：

式中，P=信号功率；fc=载波频率，φc=相位偏移，C和D的幅值均为±1，并随时间改变。

数据速率fd一般在50～500码片/秒的范围内变动（消息位的持续时间Td=1/fd），而扩频码率ν的变化范围为0.511～10.23兆码片/秒（持续时间Tc=1/ν）。因此每位能量为E=PTd。

图2.84为扩频通信的示意图，图中j（t）表示一个干扰信号（包括无意或有意的干扰信号）。扩频码C（t）由一个接收机已知的PRN序列组成。扩频码用于增加导航消息的双面带宽，以使扩频码码片率翻倍，同时成比例地减小功率谱密度。相关信号D（t）、C（t）和x（t）的表示如图2.85所示。图中假设干扰的载波频率与信号的载波频率相同。

在接收机中，输入的扩频信号首先乘以发射机振荡器信号cos（2πfct+φc）的副本，也就是一个同步的副本

然后再乘以扩频码C（t）的复本，最后得到DR（t）（为了简化，假设φc=0）：

通过滤除高频项，得到：

第一项就是扩频信号的相关，由于两个PRN产生器是同步的，对所有C2（t）=1，它等于消息信号乘以一个常数；第二项为干扰信号j（t）被扩谱到比频谱信号更宽的频带上的结果。因此在消息带宽Bd=1/Td中的能量非常低（如果Pj是干扰在带宽Bj中的功率，则在接收机输出端，其为Pj/ν）。

完整调制和解调过程中信号频谱的变化如图2.86所示。

如果信号和接收机产生的扩频码不同，两者之间的相关将远低于两者相同且对齐时的情况。因此可在同一载波频率采用信道码分多址技术同时发射扩频码不相同的不同信号。

接收机按需要的卫星信号选择PRN扩频码。如果接收机产生的PRN码相位与传输信号未对齐，接收机将调整该相位，以便对其PRN码的所有相位进行搜索，直至找到相关峰值。该过程称为发射信号的捕获。捕获完成后，接收机即能以低于捕获的信噪比工作，因为它可能稍微改变接收机产生的码相位来重获相关峰值。该过程称为发射信号跟踪。同样，跟踪GNSS信号的载波分量以强化对PRN码的捕获和跟踪。

许多较新的GNSS信号对数据消息D（t）使用FEC技术。这就在数据中引入了冗余，虽然必须使用较高的符号率才能确保消息传输的时间不变，但在较差的信噪比环境中能够成功地解码数据消息。

大多数新的GNSS信号使用二进制偏移载波（BOC）调制代替BPSK调制。这就为信号增加了额外成分：子载波G（t），一种频率为fg的方波信号，它将信号扩展为两个以fc±fg为中心的子载波。该信号的表达式为：

BOC调制可以与BPSK信号共享同一载波频率而将干扰减到最小。

为分离这些边带的主瓣，fg必须至少等于扩频码码片率，即为fg≥ν。通常的选择为fg=2ν。二进制偏移载波调制有两种类型：正弦相位，该类型中，子载波传输与扩频码传输同相；或为余弦相位，该类型中，子载波传输与扩频码传输异相，错开四分之一子载波周期。当其类型为正弦相位调制时，二进制偏移载波调制表示为BOC（fg，ν），或当其类型为余弦相位调制子载波功能时，则表示为BOC（fg，ν），fg和ν通常为1.023MHz的倍数。BOC（fg，ν）和BOC（fg，ν），如图2.87所示。