CN101887113A

CN101887113A - 导航和通信一体化的信号结构

Info

Publication number: CN101887113A
Application number: CN 200910084033
Authority: CN
Inventors: 施浒立; 崔君霞; 韩延本; 裴军; 杜晓辉; 胡正群; 纪元法; 王萌; 朱海龙
Original assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Current assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-17

Abstract

一种导航和通信一体化的信号结构，由电文、扩频码和载波等组成。其中电文包括待传输的通信电文，定位所需的卫星轨位、时间、坐标等有关的导航信息，以及误差修正模型的有关参量等。扩频码采用m序列码、混沌序列码或其他伪随机码，这些选用的伪随机码应有良好的自相关特性和互相关特性，可供多用户使用，应有良好的捕获与跟踪等特性，不但能起到扩频作用，而且还可以作为测距码，实现发端与收端之间的伪距和载波相位的精密测量。载波可以选用VHF、UHF、L、S、C、Ku、Ka等频段的载波，根据现有卫星资源，以C、S、L波段为宜。本发明可运用于有导航定位要求和通信传输要求的领域中，功能多、性能好、特别是抗干扰性能好。

Description

导航和通信一体化的信号结构

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是涉及无线电信息技术中的卫星通信和卫星导航领域。

背景技术

从上世纪晚期开始，导航技术，特别是卫星导航技术迅速发展，其中美国全球卫星定位***GPS的成功和广泛应用，引起社会的极大关注。现在除了GPS以外，又有前苏联建设的全球卫星导航***GLONASS，中国的北斗定位***(COMPASS)，以及中国区域定位***CAPS。在卫星导航***中，信号均采用伪码扩频体制。其中扩频码即为测距码，导航电文中提供时间刻度、轨道参数以及各类误差修正等有关参数。而在一般卫星通信***中，电文则是通信电文，通信电文直接调制到载波上。卫星通信中有一类卫星扩频通信，它与导航扩频类似，将基带信号d(t)与一个高速的伪码信号c(t)进行时域相乘，得到一个扩频码流，然后对扩频码流进行调制，再送入卫星信道。由于伪码速率远大于信号的信息传输速率，将基带信号与伪码信号进行时域调制，相当于在频域进行频谱的卷积，信号频谱被拓宽。这样功率谱密度被大大降低。而解扩后的中频信号带宽较窄，进入中频滤波器的干扰和噪声功率被降低，使解调器输入端的载噪比和信噪比被提高。从而提高了***的干扰抑制能力。同时扩频通信还具有抗截获、抗监测能力强、有较好的抗衰落和抗多径能力以及多址通信能力等特点。从中也可以看到，现有的卫星扩频通信和卫星导航扩频技术的应用是相通的，这样就提出一个问题，是否可以利用卫星通信中的扩频伪码，象它在卫星定位***中应用一样，不但用作为扩频码，也用作为测距码。若再加入一些简单的与定位有关的参数与信息，加上必要的时间刻度、卫星轨道以及与传输途径中的时延误差计算有关的参量，这样就能实现伪距测量，以及求解测量方程实现定位。这样的链路不但具有通信能力，还具有测量伪距和定位的能力。这时通信电文已是具有通信信息和导航定位信息的电文，我们称它为复合电文。2006年，施浒立、尚俊娜等登记的发明专利“复合导航电文”中对上述理念已作了初步阐述；2008年，施浒立和宁春林等又在发明专利“利用卫星对目标进行通信和定位的方法”(发明专利申请号：200810116829.2)中提出了定位和通信一体化设计理念；同年，施浒立、韩延本等在发明专利“地壳毫米级位移的实时精密测量方法”(发明专利申请号：200810240073.2)中，进一步提出了实现上述理念的***设计。

发明内容

本发明的目的是在现有理念和技术的基础上，公开一种导航和通信一体化的信号结构，在信号结构层面上，对“复合导航电文”作了进一步的发展。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种导航和通信一体化的信号结构，其电文包括待传输的通信电文，定位所需的卫星轨位、时间、坐标的有关导航信息，以及误差修正模型的有关参量；其扩频码采用m序列码、混沌序列码或其他伪随机码，扩频码又是测距码，调制的电文是导航通信组合电文；其中，

第一种信号结构是：在I支路上扩频调制简单导航电文，在Q支路上扩频调制通信电文，两支路是正交支路；一支路采用短码，采用低信息速率，这样利于捕获；另一支路采用长码，利于提高测距精度；两路信号扩频后合成再调制到载波上；

另一种信号结构是：在通信电文中加上最简单的与导航定位和伪码测量有关的参数，而调制的电文是通信电文与导航定位短电文交替的组合电文；通信段和导航定位段采用的伪码相同或不同，导航定位段采用短码，采用低信息速率传输，这样利于快速捕获，并引导通信段跟踪；通信段伪码采用长码，长码利于提高测距精度，不易破译、抗干扰性能好；接收端以扩频码作为测距码，测量伪距和完成导航定位计算；组合电文先调制到测距伪码上，最后调制到载波上；组合电文中有导航定位信息和通信信息，具有通信和导航定位双重功能。

所述的信号结构，其所述第一种信号结构中，I支路和Q支路的组合信号采用直接序列扩频技术扩频调制到载波信号上，传输时信号为：

其中，A_c为通信扩频码振幅；C_c(t)为通信的扩频码；D_c(t)为通信信息；f_sc为通信信息的载波频率；

为通信载波相位；A_p为导航定位扩频码振幅；P(t)为导航定位扩频码；D_p(t)为导航定位信息；f_sp为导航定位信息载波频率；

为导航定位载波相位。

所述的信号结构，其所述另一种信号结构中，信号传输格式为：

式中，A为扩频码振幅；P(t)为扩频码；D(t)为导航定位和通信信息；f_s为载波频率；

为相位。

所述的信号结构，其所述另一种信号结构中，链路只有一个支路，扩频码分为两段，一段是导航定位段，一段为通信段，其中，前段为捕获段，其上的电文有用户ID号、通信电文长度、时间信息以及导航定位相关信息；后段为跟踪段，调制通信电文，通信电文长度分固定长度与变长度两种；在捕获段采用短码利于快捕；在跟踪段采用长码，利于提高测距精度，不易破译，抗干扰能力强；后段的捕获由前段引导，或由前段辅助后段重捕；

两段不同的信号结构，交替传输。

所述的信号结构，其采用哪一类信号结构，由***的能力决定，当传输***中的功率(或载噪比)足够承担I支路和Q支路的传输要求时，采用第一种信号格式传输；当传输***中的功率(或载噪比)受限而不能承担两支路信号传输时，则采用单支路传输，即采用第二种信号传输格式。

所述的信号结构，其所述载波为VHF、UHF、L、S、C、Ku、Ka频段的载波。

所述的信号结构，其所述载波，依据现有卫星资源，优选为C、S、L波段。

本发明的一种导航和通信一体化的信号结构，可运用于有导航定位要求和通信传输要求的领域中去，具有功能多、性能好、特别是抗干扰性能好的特点。

附图说明

图1为第一类组合信号格式；

图2为第二类组合信号格式。

具体实施方式

本发明的一种导航和通信一体化的信号结构，它由电文、扩频码和载波等组成。其中电文包括待传输的通信电文，定位所需的卫星轨位、时间、坐标等有关的导航信息，以及误差修正模型的有关参量等。扩频码采用m序列码、混沌序列码或其他伪随机码，这些选用的伪随机码应有良好的自相关特性和互相关特性，可供多用户使用，应有良好的捕获与跟踪等特性，不但能起到扩频作用，而且还可以作为测距码，实现发端与收端之间的伪距和载波相位的精密测量。载波可以选用VHF、UHF、L、S、C、Ku、Ka等频段的载波，但根据现有卫星资源，以C、S、L波段为宜。

本发明的一种导航和通信一体化的信号结构，在信号体系结构上，提出了实现导航通信一体化的信号设计，即扩频码也是测距码，调制的电文是导航通信组合电文。在信号结构设计上本发明具体提出两种设计方案。其中一种方案是在I支路上扩频调制简单导航电文，在Q支路上扩频调制通信电文，两支路是正交支路，两个支路上采用的扩频码可以不一样，一路采用短码，利于捕获；另一路采用长码，利于提高测距精度。两路信号扩频后合成再调制到载波上，组成导航通信一体化信号结构。

另一种方案是在通信电文中加上最简单导航定位和伪码测量等有关的参数，而调制的电文可以是通信电文与导航定位短电文交替的组合电文。组合电文先经测距伪码进行扩频，最后调制到载波上。通信段和导航定位段采用的伪码可以相同，也可以不同，导航定位段采用短码，利于快速捕获，并可引导通信段跟踪；通信段伪码采用长码，长码利于提高测距精度，还有不易破译、抗干扰性能好等特点。接收端可以利用本地伪随机码作为测距码，测量伪距和完成导航定位计算。因组合电文中有导航定位信息和通信信息，所以具有通信和导航定位双重功能。

一体化信号的跟踪完成精确测距段应采用宽带扩频体制，或特宽带扩频体制。这样能得到很高的扩频增益。在一体化信号传输过程中，信号埋在噪声底下，具有很好的抗干扰性能。

当多路传输时，测距为冗余测距，可提高测距精度。

上述两种方案中，前一种方案适宜于信号功率(或载噪比)较充裕的传输链路，后一种方法较适宜于功率(或载噪比)不充裕的传输链路。

本发明导航通信一体化信号结构具体实施方案有两类：

第一类是信号分I支路和Q支路，两支路信号正交，其中一路为通信信号传输支路；另一路是导航定位信号传输支路，两支路的组合信号采用直接序列扩频(DSSS)技术扩频调制到载波信号上。所以传输时信号为：

为通信载波相位；A_p为导航定位扩频码振幅；P(t)导航为定位扩频码；D_p(t)为导航定位信息；f_sp为导航定位信息载波频率；

为导航定位载波相位。

图1是第一类组合信号格式。

在通信传输支路中，主要是传送通信信息。在导航定位传输支路中，主要是提供时间信号、定位信息和导航电文。因信号结构能连续稳定地提供测距和导航定位信号，所以如GPS定位***一样，可以提供连续实时的导航定位。

在这类信号结构中，导航定位传输支路的扩频码，采用短码，短码利于快速捕获；在另一通信传输支路中，扩频伪码采用长码、长码的扩频增益高、测距精度高、抗干扰能力强。长码捕获可由短码引导。

导航定位信息支路中的扩频码，采用短码，这样捕获快，重捕也快，能起到捕获和跟踪双重功能；而通信支路上采用宽带扩频通信体制，扩频码采用长码，长码保密性好，扩频增益高，能起到跟踪和精密测时差的作用。它由易捕获的信息支路上的短码相关快捕后，引导实现精密跟踪。

第二类信号传输格式为

式中，A为扩频码振幅；P(t)为扩频码；D(t)为导航定位或通信信息；f_s为载波频率；

为相位。

图2为第二类组合信号格式，第二类信号结构，链路只有一个支路，不设正交支路信号，这时扩频码分为两段，其中前段为捕获段，其上的电文有用户ID号、通信电文长度、时间信息以及导航定位相关信息；后段为跟踪段，上面主要调制通信电文。通信电文长度分固定长度与变长度两种。在捕获段采用短码利于快捕；在跟踪段采用长码，利于提高测距精度，不易破译，还有抗干扰能力强等长处。

第二类不分I支路和Q支路，(或I支路和Q支路信号格式一样)，在一个支路上既有定位信息又有通信信息。只是分时传送导航定位或通信信息。其信号可以表示为两段，一段是导航定位段，一段为通信段。

这类信号分为两段不同的信号结构，交替传输。前段主要功能是捕获和传输导航定位有关信息，亦可称导航定位段；后段主要是传输通信信息和实现精密测距。后段的捕获由前段引导，也可由前段辅助后段重捕。

上述两类信号除了要根据需求决定究竟采用哪一类信号结构以外，也要由***的能力决定。也就是说，当传输***中的功率(或载噪比)足够承担I支路和Q支路的功率要求时，可以采用第一类信号格式传输；但当传输***中的功率(或载噪比)受限而不能承担两支路时，则可以采用单支路传输，即采用第二类信号传输格式。

本发明的一种导航和通信一体化的信号结构，有别于卫星通信***和卫星导航定位***中已应用的信号传输结构。在电文中除了有通信内容外，还包括导航定位所需的相关信息，扩频采用的伪随机码除起到扩频作用外，同时又是测距码，可以精确测伪距。它与通信信号的区别在于可以测量伪距，可以定位导航；它与导航定位信号的不同在于它有很强的通信传输能力。也可以说，它在保留通信信号功能的同时，把信号功能扩展到可以测距定位。或者可以说，在通信信号中扩充了导航定位能力，在信号层面上实现了通信和导航定位组合的信号结构。

Claims

1.一种导航和通信一体化的信号结构，其电文包括待传输的通信电文，定位所需的卫星轨位、时间、坐标的有关导航信息，以及误差修正模型的有关参量；其特征在于，扩频码采用m序列码、混沌序列码或其他伪随机码，扩频码又是测距码，调制的电文是导航通信组合电文；其中，

第一种信号结构是：在I支路上扩频调制简单导航电文，在Q支路上扩频调制通信电文，两支路是正交支路；一支路采用短码，采用低信息速率，这样利于捕获；另一支路采用长码，利于提高测距精度，信息速率可以比I支路有所提高，两路信号扩频后合成再调制到载波上；

另一种信号结构是：在通信电文中加上最简单的与导航定位和伪码测量有关的参数，而调制的电文是通信电文与导航定位短电文交替的组合电文；

通信段和导航定位段采用的伪码相同或不同，导航定位段采用短码，采用低信息速率传输，这样利于快速捕获，并引导通信段跟踪；通信段伪码采用长码，长码利于提高测距精度，不易破译、抗干扰性能好；接收端以扩频码作为测距码，测量伪距和完成导航定位计算；组合电文先调制到测距伪码上，最后调制到载波上；组合电文中有导航定位信息电文和通信信息电文，具有通信和导航定位双重功能。

2.如权利要求1所述的信号结构，其特征在于，所述第一种信号结构中，I支路和Q支路的组合信号采用直接序列扩频技术扩频调制到载波信号上，传输时信号为：

为导航定位载波相位。

3.如权利要求1所述的信号结构，其特征在于，所述另一种信号结构中，信号传输格式为：

为相位。

4.如权利要求1或3所述的信号结构，其特征在于，所述另一种信号结构中，链路只有一个支路，扩频码分为两段，一段是导航定位段，一段为通信段，其中，前段为捕获段，其上的电文有用户ID号、通信电文长度、时间信息以及导航定位相关信息；后段为跟踪段，调制通信电文，通信电文长度分固定长度与变长度两种；在捕获段采用短码利于快捕；在跟踪段采用长码，利于提高测距精度，不易破译，抗干扰能力强；后段的捕获由前段引导，或由前段辅助后段重捕；

两段不同的信号结构，交替传输。

5.如权利要求1所述的信号结构，其特征在于，采用哪一类信号结构，由***的能力决定，当传输***中的功率或载噪比足够承担I支路和Q支路的传输要求时，采用第一种信号格式传输；当传输***中的功率或载噪比受限而不能承担两个支路传输要求时，则采用单支路传输，即采用第二种信号传输格式。

6.如权利要求1所述的信号结构，其特征在于，所述载波为VHF、UHF、L、S、C、Ku、Ka频段的载波。

7.如权利要求1所述的信号结构，其特征在于，所述载波，依据现有卫星资源，为C、S、L波段。