印度NAVIC系统SBand信号接收解决方案

摘 要：本文介绍基于司南自研K8系列产品接收印度NAVIC（Navigation with Indian Constellation）系统的S-Band信号。 根据S-Band信号频率高的特点，采用新的四通道射频芯片搭载S-Band接收天线完成S-Band信号接收研发，并输出载波、伪距、载噪比（CN0）等观测量信息，为后续的S-Band信号定位提供技术支撑。

关键字：卫星导航信号；基带信号处理；NAVIC；S-Band；观测量；

引 言

纵观全球卫星导航系统，主要分为全球性卫星导航系统和区域性卫星导航系统，全球性卫星导航系统有中国的北斗卫星导航系统，美国的GPS卫星导航系统，欧盟的伽利略卫星导航系统和俄罗斯的GLONASS卫星导航系统，区域性卫星导航系统目前主要有日本的QZSS卫星导航系统和印度的NAVIC卫星导航系统，区域性导航系统主要是对GPS卫星导航系统的扩展，在该国家及周边区域和GPS卫星一起提供卫星导航服务的卫星。伴随卫星信号的发展，区域性卫星导航信号在原有L1、L2、L5频点之外，又拓展出了新的频点卫星信号，比如QZSS系统的L6频点信号，频段位于1.278GHz左右，还有就是本文提到的NAVIC系统设计的S-Band频点信号，中心频点频率为2.498028 GHz。

NAVIC系统可以提供标准定位服务（SPS）、精密定位服务（PPS）和政府特许用户（RS）服务，其中标准定位服务和精密定位服务信息调制在S-Band和L5频点上，并且同时接收S-Band信号和L频点信号对双频定位具有重要作用，现在市面上对L5频点信号接收已经普遍存在，所以对S-Band信号接收对NAVIC定位功能和性能具有重要意义。

1 算法原理

1.1 S-Band信号介绍 

根据NAVIC系统的标准服务协议[1][2]，NAVIC系统服务主要通过L5频点和S-Band信号提供，其中L5频点与GPS系统的L5频点的频率相同、调制方式相同，S-Band信号频段为2483.50MHz~2500MHz，中心频点为2492.028MHz，带宽16.5MHz，载波上调制有BPSK(1)、数据通道BOC(5,2)和导频通道BOC(5,2)三种码，本文主要接收S-Band信号的标准定位服务BPSK(1)信号。S-Band信号卫星码主要采用基于码分多址（CDMA）的类似于GPS C/A信号的金码，伪码速率为1.023Mcps，周期为1ms，伪码长度为1023码片。S-Band信号的导航电文的速率为1/2 FEC编码后的50sps。本文根据S-Band信号特点设计S-Band信号接收机方案。

1.2硬件总体架构

传统普通多模全频点接收机产品一般主要支持L-Band信号，包括接收L1频点、L2频点、L5频点信号。为了接收NAVIC的S-Band信号，需要在硬件上新增加2.4GHz信号接收射频通道，所以接收S-Band信号的硬件架构调整如图1所示。

首先天线接收到全频点信号，通过射频前端滤波器滤波，分别L-Band信号和S-Band信号，将这信号分别输入到射频不同的通道内，经过增益、降变频等处理输出中频信号，最后L-Band和S-Band的中频信号都输入到基带处理芯片，完成所有频点L-Band和S-Band信号的接收。为了接收S-Band信号，在硬件天线的选型上与普通天线也有所不同，需要选用能够接收2.4GHz信号的天线。

图1.S-Band信号接收的硬件总体架构

1.3基带信号处理

根据S-Band信号公开服务标准化文件，S-Band信号接收的基带处理[3]如图2所示。首先射频输出包含S-Band信号的中频信号，其次可以对中频信号做抗干扰[4][5]等处理，然后进入捕获模块，完成对信号捕获处理输出多普勒频率和码相位，再依次完成对信号的宽相关信号跟踪、窄相关信号跟踪，输出高精度载波、伪距以及载噪比、锁定时间等观测量，在信号跟踪的过程中，依次完成信号的位同步、帧同步，得到卫星播发电文[3]，再对电文做解码和校验处理得到卫星信号的导航电文，导航电文内主要包括卫星星历、历书以及其他精密导航电文。

图2. S-Band信号接收基带信号处理示意图

S-Band信号基带信号处理整体和其他普通信号处理相似，信号跟踪、电文解码、观测量输出、导航电文输出等处理也基本相似，本文就不进行展开。S-Band信号本身比较特殊的是信号频率为2.492028G，信号频率多普勒为同卫星上L5频点1.17645MHz的2倍多，即L5频点上如果有4000Hz的多普勒，则S-Band上有8000Hz的多普勒，在信号捕获上存在载波多普勒大的特点，所以本文主要提供直接快速捕获处理、L5频点辅组捕获处理两种方式来加快S-Band信号的捕获。

首先是利用捕获模块完成S-Band信号捕获。通过调用捕获模块也有两种方式，如图3所示。其一是可以将S-Band信号直接给捕获模块，配置快速捕获NAVIC的S-Band信号参数，完成捕获后，反馈捕获结果包括多普勒和峰值码位置，然后进入信号跟踪处理。其二是可以将L5信号输入给捕获模块，配置捕获NAVIC的L5信号参数，完成捕获后，反馈捕获结果，再经过L5频点和S-Band频点换算关系换算后得到S-Band信号的多普勒和峰值码位置，然后进入信号跟踪处理。

图3.利用快速捕获模块捕获S-Band信号示意图

其次是利用L5频点信号跟踪信息完成S-Band信号捕获，如图4所示。在接收机已经接收到NAVIC的L5信号后，可以通过将L5的多普勒和码换算成S-Band信号的多普勒和码，然后启动S-Band信号通道直接进入信号跟踪。

图4.利用信号关系引导启动S-Band信号示意图

2测试

2.1 测试概述

本文测试主要目的是主要有两个，一是验证搭载新硬件平台的基础上，新技术接收S-Band信号的有效性，同时分析接收S-Band信号接收的观测量精度；二是分析NAVIC服务区域接收到的所有NAVIC卫星，并分析NAVIC卫星数据特性。

2.2 测试环境搭建

印度NAVIC的S-Band信号接收验证测试环境搭建如图5所示，首先选用可以接收S-Band信号的天线，搭载司南自研K8系列模块，支持全系统全频点接收，同时也支持接收NAVIC系统的S-Band和L5双频点信号，采集数据后处理分析S-Band信号接收稳定性和观测量精度。

图5. S-Band信号接收验证环境搭建

2.3 测试数据及结果分析

测试环境主要搭建的地理位置主要在中国上海和印度境内，测试时间周期为2023年8月~2023年10月，测试内容主要包括两点：

1．S-Band信号能量特性评估。NAVIC系统L5频点和S-Band信号的载噪比CN0稳定性及差异，其中稳定性通过均方差表示如式（1）所示，CN0差异通过一颗星L5频点和S-Band信号的能量差异均值表示，如式（2）所示：

其中Stdev()表示均方差计算，Averge() 表示均值计算，CN0表示信号载噪比，∆CN0表示CN0差值，D(CN0)表示CN0差的均方差。

中国上海S-Band信号接收的CN0测试结果如图6所示：

图6. 中国上海，观测时间内L5频点和S-Band的CN0均值、频间差以及频间差的均方差

印度境内S-Band信号的CN0测试结果如图7所示：

图7. 印度观测时间内L5频点和S-Band的CN0均值、频间差以及频间差的均方差

2．S-Band信号观测量精度评估。NAVIC系统L5频点和S-Band信号的观测量精度，其中伪距观测量精度主要基于L5频点伪距为基准评估S-Band频点伪距误差均方差表示，如式（3）所示，载波观测量精度主要通过L5频点和S-Band信号之间的GF组合均方差来评估，如式（4）所示：

其中GFL5,SBand表示L5频点和S-Band信号的载波GF组合[5]，Pr表示伪距，Cp表示载波，D(Pr)伪距观测量精度，D(Cp)表示载波观测量精度，∆Pr表示伪距差均值。

中国上海地区测试S-Band信号观测量精度测试结果如图8所示：

图8.S-Band信号频点的载波和伪距观测量精度评估结果

3．NAVIC系统的星座中S-Band信号特性评估。在测试时间、测试区域内，一共捕获过9颗L5信号，卫星号有1、2、3、4、5、6、7、9、10， S-band信号有8颗，卫星号为2、3、4、5、6、7、9、10，其中6号卫星为印度境内接收到卫星。根据测试结果显示：一是S-Band信号的1号卫星在测试区域一直未捕获成功，可能与官方公布的1号卫星异常有关；二是本次测试时间内，观测到NAVIC系统中星历标识为健康的卫星有2、3、6、9、10号卫星。

3 结论

本文提出了一整套硬件和软件设计方案，用于接收NAVIC系统的S-Band信号。通过测试结果分析，在测试时间段、测试区域内共观测到NAVIC系统的卫星共9颗，8颗搭载了S-Band信号，其中5颗卫星星历健康可用，观测量精度在正常范围标准内，基本满足伪距定位和载波定位需求，可以作为GPS系统卫星扩展的区域增强卫星，可以为印度本国及周边区域提供卫星导航服务。

参考文献

[1] IRNSS SIS ICD FOR STANDARD POSITIONING SERVICE VERSION 1.1,2017,.

INTERFACE CONTROL DOCUMENT (ICD) OF DISTRESS ALERT TRANSMITTER -  SECOND GENERATION (DAT-SG) VERSION -1.2,2021.

[2] 谢 刚, GPS原理与接收机设计[M]. 2017.

[3] 翟晓东,张禛君.浅析针对全球卫星信号的弱干扰消除方案[J].科学技术创新,2023(19):213-216.

[4] 翟晓东,徐敏.基于非相干积分的新型频域抗干扰系统设计[J].科学技术创新,2019(19):1-3.

[5] 丁志鹏, 贺凯飞, 刘笃学, 等. 基于GF组合自适应阈值模型的BDS周跳探测方法[J]. 大地测量与地球动力学, 2022, 42(7): 734-739.