中国第一代导航卫星系统北斗一号无线电波的频谱特征

中国第一代导航卫星系统北斗一号无线电波的频谱特征 测绘科学 131 No15 Vo l第 31卷第 5期 Sc ience of Su rveying and M app ing Sep 2006年 9月 中国第一代导航卫星系统北斗一号 无线电波的频谱特征 陈俊勇 () 国家测绘局 , 北京 100830 【摘 要 】北斗一号是中国第一代区域性卫星导航和定位系统 。本文综合国外对该系统的无线电波的频谱特征作 一综合介绍 。论述了北斗一号导航和定位系统的构成 、工作频率和地面待定点的定位精度 , 论述了该系统的工作 程序和北斗卫星的频谱 , 以及北斗卫星信号的特征图 。 【关键词 】北斗 ; 导航 ; 频谱 ( ) 【文章编号 】1009 Ο 2307 2006 05Ο 0011Ο 02 【中图分类号 】 P228 【文献标识码 】A 求定位的信号 , 最好 能包含 用 户 的 粗 略 高 程 。中 央 控 制 1 引言 站收到由北斗一号卫 星 转 发 的 用 户 信 号 后 , 根 据 两 颗 北 北斗 一 号 是 中 国 第 一 代 区 域 性 卫 星 导 航 和 定 位 系 斗卫星传输至中央控 制 站 的 两 个 信 号 的 时 间 差 , 就 可 以 [ 1, 2 ] 统 。该系统为军事和民用用户提供区域性的全天候 、全 计算用户的二维点位 。这个点位和控制站的 D TM 进 行比 天时 、二维定位数据和简约的通讯功能 。该系统的上述功 较 , 就可以得到用户 的三维 点 位 。然 后 再 通 过 北 斗 卫 星 (能覆盖 中 国 及 其 周 边 地 区 东 经 70 ,? 140、?北 纬 5 ,? () 告知用户 。若用户事 先给 出 了 用 户 所 在 点 待 定 点 的 [ 3 ] ) 55 ?。北斗一号卫星星下点的覆盖区参见图 1。高程 , 则有利于提高 用户 待 定 坐 标 的 精 度 和 缩 短 对 用 户 的应答时间 。 表 1 北斗一号导航和定位系统的卫星有关 卫星名 升空日期 /年月日 位置 近地点 / km 远地点 / km 倾角 2000 10 30 35722 35803 1A ?E 0110 ? 北斗Ο140 80 ?E 0100 ? 北斗Ο1B 2000 12 20 35753 35821 北斗Ο1C 11015 ?E 0130 ? 2003 05 24 35760 35836 图 1 北斗卫星星下点的覆盖区 2 北斗一号导航和定位系统的组成和工作程序 (北斗一号导航和定位系统由三颗静止卫星组成 其中 [ 4, 5 ] ) () 一颗是备份 参见表 1。它们于 2003 年 5 月全面完 成部署 , 分别位于东经 140?, 11015和? 80。?这个系统主要 是[ 3 ] 基于 Geo sta r和 Loc sta r的概念 。该导航系统的工作频率 为 2491175MH z。地面待定 点 的 定 位 精 度 为 100m , 若 提 供 该待定点的高程或其他的地理参考数据 , 则定位精度可提 高到 20m。该系 统 和 用 户 之 间 可 以 进 行 简 约 的 文 字 通 讯 , 电 文全文不能超过 120 个中文字符 。该系统的 容量为每小 时[ 4, 5 ] 不超过 540 , 000用户 。 图 2 北斗一号卫星导航示意图 3 北斗卫星的频谱 () 北 斗一号的导航和定 位 工 作 程 序 参 阅 图 2 首 先 ( ) 法国空间中心 CN ES在其 L eehe im 观测站上可以观 是中央控制站 通过北 斗 卫 星 发 出 给 用 户 的 信 号 , 当 用 户 测到位于东经 80的那颗?北斗卫星 , 其方位角为 10312 , ? 高 () 收到北斗卫星 的信号 后 , 它 向 北 斗 卫 星 两 个 发 出 请度角为 314 。?CN ES研究人员对中心频率为 2491175MH z的 北斗卫星的频谱进行了测量和分析 , 这些测量的详细过 程 参阅文献 [ 3 ] 和 [ 5 ]。 (图 3显示了北斗卫星的频谱 , 横向是 20MHz带宽 在 ) 中央频率周围 , ?10MHz。图 3中蓝线表示北斗的谱 , 它取 ( ) 作者简 介 : 陈 俊 勇 1933 Ο, 男 , 教 自北斗卫星频谱的 50, 000个样品的平均值 ; 图 3 中绿线则 授 , 中国 科 学 院 院 士 , 原 国 家 测 绘 局 表示噪声谱 , 也取自北斗卫星频谱的 50, 000 个样品 。在测 (试时 , 随着天线指向离开卫星 在测试时 , 人为地将天线方 局长 , 国家测绘局特邀顾问 。 ) 向偏离卫星中心 215?而得到背景的噪声 ; 图 3中红线是表 [ 3 ] 示上述二者之差值 , 也用谱的形式表示 。 收稿日期 : 2006Ο08Ο10 图 6 北斗卫星信号的频谱曲线 图 3 对中心频率为 2491175M Hz的北斗卫星 的频谱进行测量 图 4和图 5 则分别表示北斗卫星频谱的较低和较高侧 瓣 , 以及噪声水平低于或高于这些侧瓣的情况 。 图 7 北斗卫星信号在 100m s中的特征表示 率 5 0 0 KH z的频率 范 围 时 , 为 了 补 偿 这 一 信 号 功 率 的 变 化 , 这些频率变化在 作某些 削 弱 的 基 础 上 进 行 平 均 , 降 低了噪声 平 台 。从 这 些 测 试 工 作 可 以 观 测 到 北 斗 一 号 卫 星 发 射 频 率 线 的 分 布 间 隔 , 约 为 16 10 3 KH z, 假 如 给 定其芯片 速 率 为 4 10 9 2M H z, 则 25 5 芯 片 的 码 的 序 列 将 产生 16 10 47 KH z的 码 重 复 率 , 这 看 起 来 和 观 测 到 的 频 4 北斗卫星频谱较低 图 谱线是一致的 。 的第一个侧瓣 图 7表示了在 100m s时间域内的北斗卫星信号的特 征 图 , 该图显示 了 在 与 卫 星 讯 号 相 应 时 间 内 的 功 率 图 形 中 , 有一个 大 体 为 3115m s 的 固 定 信 号 周 期 , 它 可 以 分 解 为 23m s和 815m s两部分 , 而在上 述 3115m s左 右 的 周 期 中 可 [ 3 ] 以出现 512个码重复率 。 CN ES认为上述这些结论只是根据初步观测得到的 , 还[ 3 ] 需要作进一步的测试和验证 。 参考文献 1 sinodefence1com / stra tegic / sp acec raft /1 h ttp: / /www[ 1 ] [ 2 ] Shaofeng B inan, J inhang J in and Zhaobao Fang, " The B e idou Sa te llite Po sition ing System and its Po sition ing A ccu racy " [ J ]. N aviga tion, Jou rna l of ION , 2005, ( ) 552 3 : 123 Ο1301 She rm an Lo, A lan Chen and D enn is A ko s e t a l, " [ 3 ] 图 5 北斗卫星频谱较高 GN SS A lbum Im age s and Sp ec tra l Signa tu re s of the N ew 的第一个侧瓣 ( ) GN SS Signa ls" [ J ]. In side GN SS, 2006 , 1 4 : 46 Ο561 图 3 Ο5 这几个 谱 图 的 描 绘 , 表 示 了 北 斗 一 号 卫 星 的 h ttp: / /www1gs1 rm it1edu1au / fa lin / [ 4 ] 信号频谱主 瓣带 宽 比 8M H z稍 大 一 些 , 或 者 说 一 个 芯 片 h ttp: / /www1em bu sa1e s / em b /p n tpo licxb1h tm l1 [ 5 ] ( ) ) (速率 ch ip ra te约为 4M cp s 即 每 秒 4 百 万 周 。若 我 [ 6 ] Thom a s G1 , L ione l R 1 , J eanΟL uc I1 , “N ew Sp ec tra l们假定一 个 参 考 频 率 为 1102 3M H z, 则 它 将 表 示 一 个 芯 M ea su rem en ts of GN SS Signa ls” [ A ]. P roceed ing of片速 率 为 4109 2M cp s。当 首 个 第 二 波 瓣 仅 为 2M H z 宽 , ION Techn ica l M ee ting [ C ] , M on te rey, 且有一个 小 于 相 应 的 主 波 瓣 为 20 dB 的 波 瓣 幅 度 时 , 它 [ 3 ] Canada, 20 06 1 能进行过滤 。 AB STRACTS O F TH E PR ESEN T ISSU E ?3? The spec trum cha ra c ter ist ic s of the ra d io frequen cy of C h in e se f ir st Ch ina 430077; ? Ch ine se academ y of su rveying and m app ing, B e ijing gen era t ion sa te ll ite na v iga t ion sy stem — Be idou I )100039, Ch ina A b stra c t: B e idou I is Ch ine se sa te llite naviga tion and po sition ing system of first gene ra tion1 It cove rs te rrito ry and its su rround ing a rea1 S tudy on the an t iΟso lu t ion of la t itude fun c t ion The sp ec trum cha rac te ristic s of the rad io signa l of“B e idou I”su rveyed A b stra c t: The e lem en ts of ea rthΟe llip so id such a s rad iu s M of cu r2 by fo re ign coun try a re in troduced in the p ap e r1 The con struc tion and va tu re in m e rid ian a re the func tion of la titude1 A cco rd ing to the defin i2 wo rk ing frequency of " B e idou ?" sa te llite naviga tion and po sition sys2 tion of func tion and an tiΟfunc tion, the au tho rs demon stra te the existence tem a s we ll a s po sition p rec ision of ground po in t to be loca ted a re d is2 of an tiΟso lu tion and deduce the an tiΟso lu tion fo rm u la of e lem en ta ry func2 cu ssed1 A t the sam e tim e, it give s the d iscu ssion of the system ’ s wo rk2tion1 They give the an tiΟso lu tion comp u ting p rogram of tran scenden ta l e2 qua tion fo r CA S IO fxΟ4800p ca lcu la to r1 The co rrec tne ss of a ll an tiΟso lu2 ing p rogram , the frequency sp ec trum of " B e idou " sa te llite a s we ll a s “B e idou”sa te llite’ s signa l1 the fea tu re m ap oftion p rogram have been p roofed by examp le comp u ta tion。 Key word s: B e idou; naviga tion; sp ec trum Key word s: func tion of la titude; e lem en ta ry func tion; tran scenden2 ( ta l equa tion; an tiΟso lu tion p rogram B e ijing CH EN J un Οyong Sta te B u reau of Su rveying & M app ing, ?? ?? ?? )( 100830, Ch ina ZHON G YeΟxun, HUAN G J un Οhua, L I Zhan Οyuan? Guangxi R egiona l B u reau of Su rveying and M app ing1 N ann ing, 530023, D a ta un cer ta in t ie s in geogra ph ic in form a t ion sy stem Ch ina; ?Schoo l of R e sou rce & Environm en t, Guangxi Teache rs ’ Co l2 A b stra c t: B a sed on an ana lysis of the sta tu s quo and accomp lish2 lege, N ann ing 530001 , Ch ina; ? D ep a rtm en t of C ivil Enginee ring,m en t of re sea rch on G IS da ta unce rta in ty, the m a in fram e and system of )Gu ilin U n ive rsity of Techno logy, Gu ilin 541004 , Ch ina G IS da ta unce rta in ty is de sc ribed p rim a rily1 Then the co re theo rie s and the m a in issue s of G IS da ta unce rta in ty, e sp ec ia lly the po sition unce r2 Οsl ip de tec t ion an d correc t ion for GPS tr ip le Οfre2 A u tom a ted cyc le ta in ty, the a ttribu te unce rta in ty, the tempo ra l unce rta in ty, the sp read quen cy un d ifferen ced ob serva b le s and m anagem en t of unce rta in ty, a re d iscu ssed1 A t length, the m a them a t2 A b stra c t: In the p roce ss of GPS trip le frequency ob se rvab le s, the ica l m e thod s of re sea rch on G IS da ta unce rta in ty a re ana lyzed and con2 rm s of the in tege r am b igu ity isn ’t fit fo r de tec ting and co rrec ting cyc le slip s fo r the p seudoΟrange no ise1 The no ise w ill be reduced w ith a simp le c luded in de ta il1 runn ing ave rage filte r o r a p roce ss of com b ina tion fo r the raw ob se rva2 Key word s: unce rta in ty; da ta unce rta in ty; G IS ? ? ? ( b le s1 It is recomm ended tha t se lec ting ob se rvab le s afte r a runn ing ave r2 WU L un, CH EN G J iΟcheng, SH I W enΟzhong? In stitu te of age filte r o r com b ina tion a s a de tec tion ob se rvab le can de tec t and co rrec t R S and G IS, Pek ing U n ive rsity, B e ijing 100871, Ch ina; cyc le slip s fo r single frequency1 Fou r p rinc ip le s a re p ropo sed fo r con2 The Hong ?D ep a rtm en t of L and Su rveying & Geo Ο Info rm a tic s, struc ting de tec tion ob se rvab le s and th ree geom e tryΟfree linea r com b ina2 )Kong Po lytechn ic U n ive rsity, Hong Kong tion s a re cho sen acco rd ing to the se p rinc ip le s1 Cyc le slip s can be de tec2 ted and co rrec ted fo r trip le Οfrequency und iffe renced ob se rvab le s w ith Un derwa ter po s it ion in g sy stem ba sed on D GPS the se se lec ted de tec tion ob se rvab le s1 inc lude s fou r p a rts A b stra c t: U nde rwa te r GPS po sition ing system Key word s: cyc le slip; am b igu ity re so lu tion; de tec tion ob se rva2 wh ich a re GPS d iffe ren tia l refe rence sta tion, GPS buoy sub system , un2 b le s; geom e tryΟfree p ha se com b ina tion; MW com b ina tion1 de rwa te r p inge r, sh ip Οba sed da ta p roce ssing and con tro l cen te r1 GPS d if2 ( FAN J ianΟjun , WAN G Fe iΟxue , GUO Gu iΟrong Sa te llite N aviga2 fe ren tia l sta tion p rovide s rea lΟtim e d iffe ren tia l co rrec tion da ta, and GPS tion R &D Cen te r , Schoo l of E lec trion ic Sc ience and Engingee ring, N a2 buoy rece ive s d iffe ren tia l co rrec tion da ta to ca lcu la te rea lΟtim e dynam ic tiona l U n ive rsity of D efence Techno logy, Changsha H unan Ch ina, po sition and ou tp u t rea lΟtim e buoy’s sp ace coo rd ina te, a t the sam e tim e )410073 GPS buoy a lso ge ts the hyd ro Οp hon ic signa l to m ea su re the d istance to the unde rwa te r ta rge ts1 The sh ip Οba sed da ta p roce ssing and con tro l cen2 te r is the mo st impo rtan t p a rt of the system1 A ll the da ta a re tran sm itted Robu st Ka lm an f ilter in g for the m a r in e soun d in g da ta to th is cen te r and the unde rwa te r ta rge t’s sp ace coo rd ina te s a re re so lved A b stra c t: A fte r ana lyzing the p a tte rn of sound ing, the mode ls in th is cen te r1 In th is p ap e r, the system struc tu re and each p a rt’s func2 ba sed on the a lgo rithm s of Ka lm an filte ring we re p re sen ted in th is p ap e r tion a re in troduced firstly1 Then, the tim e m ea su ring and po sition ing a l2 Οboa t po sition s and dep th s a long a sound ing line1 to filte r the su rvey go rithm a re deve lop ed1 Som e exp e rim en ts and num e rica l re su lts a re Howeve r, the existing m e thod s cou ld no t remove the a lia s sound ings in showed in the end1 fac t1 So, a filte ring m e thod w ith a trunca ted we igh t func tion is de signed Key word s: unde rwa te r po sition ing system; D GPS; GPS buoy; hy2 to remove ou tlie rs, such a s gro ss e rro rs, fa lse echo1 The m e thod ha s p e rbo la been te sted u sing ob se rved da ta1 The re su lts show tha t the robu st Ka lm an ? ? ? WAN G Q uan, CH EN G Peng Ο fe i, ZHAN G Chuan Ο yin, filte ring w ith the trunca ted func tion is rea lly robu st in re sisting the ou tli2 ? ? ? ( WAN G ZeΟm in, CA I YanΟhu i, D IN G J ian?Ch ine se A cadem y of e rs in sound ings1 Su rveying and M app ing, 100039; ?No1 715 R e sea rch In stitu te of Sh ip 2 Key word s: m a rine sound ing; a sound ing line; robu st Ka lm an fil2 )bu ild ing Indu stry Co rp1 of Ch ina, 310012 te ring ??? ?? ?? L IM ingΟsan, L IU YanΟchun, BAO J ingΟyang, LV Zh i ? ?? ( Οp ing, X IAO Fu Οm in?D ep a rtm en t of H yd rograp hy & Ca rtogra2 Regu la r iza t ion error e st im a t ion of spher ica l ha rm on ic coeff ic ien ts from SGG ob serva t ion p hy, D a lian N ava l A cadem y, D a lian 116018, Ch ina; ? the Geom a tic s 2 A b stra c t: Gravity grad ien t is the second o rde r de riva tive of gravitaand App lica tion s L abo ra to ry, L iaon ing Techn ica l U n ive rsity, Fuxin tiona l po ten tia l, wh ich can be ob se rved by sa te llite grad iom e te r1 The 123000, Ch ina; ? In stitu te of Su rveying and M app ing, Info rm a tion En2 )ginee ring U n ive rsity, Zhenzhou 450052, Ch ina sp he rica l ha rmon ic coeffic ien ts of the gravity fie ld can be ob ta ined from gravity grad ien ts th rough regu la riza tion schem e1 B a sed on the ana lysis of the regu la riza tion schem e, a m e thod to e stim a te the e rro r of regu la riza tion 2 The prec is ion ana ly s is of sa te ll ite stereopho togramm e try u s in g phy sso lu tion is p re sen ted in th is p ap e r1 The re su lts of th is p ap e r w ill p rovide ica l m e thod to de term in e ex ter ior or ien ta t ion e lem en ts techn ica l m a te ria ls fo r Ch ine se fu tu re sa te llite gravity m ission1 A b stra c t: Th is p ap e r ana lyse s the p rec ision of sa te llite ste reop ho to2 Key word s: ea rth gravity fie ld; sa te llite gravity grad iom e te r; gramm e try in the ca se of u sing p hysica l m e thod to de te rm ine exte rio r o ri2 GOCE; regu la riza tion; e rro r e stim a tion en ta tion e lem en ts1 It infe rs theo re tica l p rec ision ca lcu la ting fo rm u la of ?? ? ?? ( CHAN G X iaoΟtao, ZHAN G ChuanΟyin, D IN G jian? L a2 sa te llite ste reop ho togramm e try and ca lcu la te s the theo re tica l p rec ision of bo ra to ry of D ynam ica l Geode sy, Ch ine se A cadem y of Sc ience s, W uhan, SPO T5 HR S1 M eanwh ile it m ake s a te st w ith few GCP s1 The exp e rim en t