在多模卫星导航接收机中集成IRNSS

巴晓辉，李卓，罗士栋

（1 中国科学院微电子研究所，北京 100029; 2西北工业大学自动化学院，西安 710072）

0 引言

目前已经建成的全球卫星导航系统包括美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，在建的全球卫星导航系统包括中国的北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System，BDS）和欧盟的Galileo系统。还有一些区域卫星导航系统包括日本的准天顶星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）和印度的区域卫星导航系统IRNSS。

由于多个导航系统的存在，多模卫星导航接收机开始成为市场主流。多模卫星导航接收机能接收各个导航星座的卫星信号实现联合解算，相比单模接收机，可用卫星数量显著增多，因此定位精度、可用性、完好性和连续性等指标均得到改善。目前的多模导航接收机一般都支持 GPS、BDS、GLONASS、Galileo、QZSS，比如 u-Blox公司的UBX-M8030[1]和MTK公司的MT3333[2]等。IRNSS的ICD发布较晚（2014年9月发布[3]），因此支持IRNSS的接收机还较少。

IRNSS是由印度独立开发的区域卫星导航系统，由3颗GEO和4颗IGSO卫星构成，预计在2015年完成整个星座的建立[4]。系统建成之后可覆盖东经30°至东经130°、南纬30°至北纬50°的区域[5]。目前IRNSS系统已发射三颗卫星，IRNSS-1A于2013年7月2日发射，是IGSO卫星；IRNSS-1B于2014年4月4日发射，也是IGSO卫星；IRNSS-1C于2014年10月16日发射，是GEO卫星，所在经度为东经83°[6]。

IRNSS的主要覆盖区域是印度次大陆区域，次要覆盖区域也包括中国的大部分区域以及东南亚的大部分区域[7]。因此集成IRNSS的多模导航接收机一方面对中国建设海上丝绸之路提供更好的定位服务，另一方面对南亚区域、中国区域以及东南亚区域的用户也能带来更好的服务。

本文在第二部分介绍 IRNSS的卫星星座以及信号特点，第三部分介绍IRNSS的SPS信号特点，并与其他卫星系统信号做了对比，第四部分介绍了在多模导航接收机中集成IRNSS的SPS信号的方式，最后是总结。

1 IRNSS卫星系统介绍

1.1 卫星星座

IRNSS整个星座由7颗卫星构成，其中包括3颗地球静止轨道（GEO）卫星和4颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星。3颗GEO卫星分别位于东经32.5°、东经83°、东经131.5°。4颗IGSO卫星分布在两个轨道上，每个轨道上有两颗卫星，两个轨道在赤道上分别穿过东经55°和东经111.75°，倾角为29°[8]。

文献9给出了IRNSS星座的可视范围，如图1所示。图 1给出了东经 50°至东经 130°、南纬10°至北纬50°区域的IRNSS卫星可视情况。可见在中国西南与西北的大部分地区都能看到 6～7颗IRNSS卫星，在华中以及华东大部分区域都能看到5颗卫星。因此集成IRNSS的多模接收机在中国的大部分区域能得到较好的应用。

图1 IRNSS的可视情况

表1 IRNSS的信号特点

1.2 信号特点

IRNSS提供标准定位服务（Standard Position Services,SPS）和受限服务（Restricted Services,RS），受限服务被加密，仅授权用户可以使用。IRNSS使用L5波段和S波段提供定位服务，具体参数如表1[10]所示。SPS信号使用BPSK(1)调制，码长为 1023，码速率为 1.023MHz，这与 GPS的L1C/A信号一致。L5波段SPS信号到达地面的最小功率为-159dBw，S波段的SPS信号到达地面的最小功率为-162.3dBW。S波段与L5波段联合可实现双频电离层纠正。

1.3 调制方式

由于IRNSS在L5和S波段上都含有SPS信号、RS数据信号和RS导频信号，为保证从卫星发送的信号的包络为常数，IRNSS使用了 Interplex Modulation技术，便于使用效率高的功率放大器。Galileo E1信号中由于含有E1A、E1B和E1C信号，也使用了同样的调制技术[11]。

SPS信号可表示为

RS的数据信号可表示为

RS的导频信号可表示为

S波段或L5波段的复包络可表示为

此处cx(t)表示扩频码，Dx(t)表示调制数据，fsc表示子载波，sign(·)表示符号函数，I(t)是保证S(t)包络为常数而增加的分量，可表示为

由式（4）可知，S波段或L5波段的发送信号中有 88.88%的功率是有用的，剩下 11.11%的功率被浪费了，但得到的好处是使得信号包络变为常数。SPS信号占总功率的22.22%，RS的数据信号占总功率的 44.44%，RS的导频信号占总功率的22.22%。RS导频信号的功率比RS数据信号的功率要低3dB。Galileo E1波段的E1B数据信号和E1C导频信号功率是一样的。

2 IRNSS的SPS信号特点

本节对在IRNSS的SPS信号进行了具体的分析，并与其他卫星系统的民用信号进行了对比。SPS信号的设计特点使其可以容易的集成到现有多模接收机中。

2.1 扩频码

IRNSS的SPS信号使用与GPS一样的Gold码作为扩频码，码长为1023，扩频码速率为1.023Mcps。Gold码由两个10位m序列（G1和G2）的结果异或构成，G1的生成多项式为G1=1+x3+x10，G2的生成多项式为G2=1+x2+x3+x6+x8+x9+x10。这与GPS/QZSS/ SBAS的扩频码发生器一致。这给IRNSS的集成带来了便利，不需要设计新的码发生器硬件，只要配置不同的G2码初相即可得到IRNSS的扩频码。

2.2 FEC编码

IRNSS采用码率为1/2的（2,1,6）卷积码编码方式，其移位寄存器有 6级，生成多项式分别为G1=(171)8,G2=(133)8，编码器如图 2所示。这与SBAS和Galileo E1B信号使用的卷积码编码方式一样。这意味着它们可以共用相同的viterbi译码器。

图2 IRNSS系统中的FEC编码方式

2.3 帧格式

IRNSS每个主帧（Master Frame）有2400个符号，时长48秒，一个主帧包含4个子帧（Subframe），每个子帧有600个符号，时长12s，如图3所示。子帧1和子帧2传送主要导航参数，包括星历、星钟纠正参数、群延迟和卫星健康状况等。子帧3和子帧4传送辅助导航参数，包括历书、电离层延迟参数、UTC信息、差分信息等参数。每个子帧由16bit同步字开头，同步字为0xEB90，同步字不参与FEC编码，这与Galileo E1B信号使用的INAV电文一致。同步字之后是584bit信息，这584bit信息经过交织处理，交织方式为按列写入73列8行的矩阵，按照行的顺序读出作为交织结果。

这584bit的信息是由292bit电文进行3.2节描述的FEC编码产生，292bit电文中包括262bit数据，24bitCRC校验信息和6bit全零信息[12]，如图4所示。6bit全零信息是为了保证卷积码译码的完整。

图3 IRNSS系统中的帧结构

图4 IRNSS系统中的子帧结构

2.4 CRC校验

IRNSS使用24bit的CRC校验对每个子帧进行编码，生成多项式为

当i=0,1,3,4,5,6,7,10,11,14,17,18,23,24时gi=1；其他情况下，gi=0。

这与SBAS和Galileo中使用的CRC校验生成多项式一致。

2.5 系统时

IRNSS电文中含有10bit的周计数，周的起始为1999年8月22日0时，此时比UTC的时间快13s，这与GPS一致。周内计数由17bit组成，计数范围为1至50400，代表发送子帧的个数。GPS的周内计数也由 17bit表示，代表发送子帧的个数，其子帧时长为 6s，是 IRNSS子帧长度的一半，因此其计数范围是IRNSS的两倍，为0至100799。

3 在多模导航接收机中集成IRNSS

由于IRNSS的SPS信号与其他导航系统的信号有很多共同点，因此在多模接收机上集成IRNSS变得更加容易，以中国科学院微电子研究所自主研发的GPS/BDS/QZSS/SBAS多模接收机基带芯片为例（以下简称HX）说明在多模接收机中集成IRNSS的SPS信号的方式。HX多模基带芯片具有专用捕获引擎，可实现对 GPS和北斗信号的捕获；具有32通道跟踪引擎可实现最多32颗卫星的同时跟踪，并实现GPS/BDS/QZSS /SBAS的联合解算。

（1）IRNSS的SPS信号的扩频码与GPS L1C/A信号的扩频码产生方式一致，对于支持GPS的多模接收机来说不需要设计新的码发生器。

（2）SPS信号的符号速率也是50sps，与GPS L1C/A信号50bps的电文速率一致，再加上扩频码与GPS L1C/A信号一致，这使得HX芯片的捕获引擎不需修改即可支持IRNSS的SPS信号，且捕获灵敏度指标也与GPS L1C/A信号一致。HX芯片的跟踪引擎也不需修改即可完成对SPS信号的跟踪，且跟踪灵敏度也能做到与GPS L1C/A信号一致。

（3）SPS信号使用与SBAS和Galileo相同的FEC编码，这使得支持SBAS或者Galileo的多模接收机很容易完成对SPS信号的viterbi译码。HX芯片由于支持SBAS，设计了专用viterbi译码电路，无需改动即可实现对IRNSS的SPS信号的卷积码译码。

（4）SPS信号使用与SBAS和Galileo相同的CRC校验生成多项式。HX芯片有专用CRC校验电路，无需改动即可实现对IRNSS的SPS信号的支持。

（5）虽然 SPS信号的帧格式与其他卫星系统信号不同，但帧同步、帧解码等计算一般都是通过软件在处理器上完成，因此对于这些部分只需改动软件即可增加对SPS信号的支持。

因此在多模接收机中一般只需要增加 L5或者S波段的射频，其他硬件不需改动，只改动软件即可现对IRNSS的支持。

4 结论

本文描述了IRNSS的卫星星座、信号特点、调制方式等，分析了其SPS信号与其他卫星导航系统的差别，以HX多模接收机基带芯片为例描述了在多模导航接收机中集成IRNSS的SPS信号的便利之处，并且给出了能达到的性能指标。本文下一步的工作是使用S波段或者L5波段的射频，仅修改软件即在HX芯片中完成对IRNSS的SPS信号的支持。

[1]http://www.ublox.com/zh/gps-chips/stand-alone-gps-chips/ubx-m8030-ctktka.html.

[2]http://www.mtk.com.tw/en/products/connectivity/gps/mt3 333/.

[3]http://www.isro.org/satellites/navigationsatellites.aspx.

[4]http://www.navipedia.net/index.php/IRNSS.

[5]http://www.isro.org/satellites/irnss.aspx.

[6]http://gpsworld.com/india-launches-third-navigation-satell ite-irnss-1c/.

[7]Vyasaraj,G,G.Lachapelle and S.B.Vijaykumar.Analysis of IRNSS over Indian Subcontinent[C].in Proceedings of ITM2011,The Institute of Navigation,San Diego,24-26 Jan,2011,5:13.

[8]Gowrisankar and Kibe SV.India's satellite navigation programme[R],Hanoi Vietnam,and Space for Sustainable Development,December 10,2008.

[9]http://www.oosa.unvienna.org/pdf/pres/stsc2012/tech-43E.pdf.

[10]http://www.oosa.unvienna.org/pdf/sap/2011/un-gnss/05.pd f.

[11]K.Borre.The Galileo Signals with Emphasis on L1 OS [J].IEEE 12th International Power Electronics and Motion Control Conference,2006,8:2025-2030.

[12]V.Rao .G.Lachapelle.Proposed Single Frequency Signal Design for optimal TTFF in IRNSS[C].NAVCOM 2012 Pearl Jubilee International Conference on Navigation and Communication,Hyderabad,India,20-21 December 2012.