一种北斗二代B1和B3双频接收机技术领域
本发明属于卫星导航领域，涉及一种北斗卫星导航接收机。
背景技术
北斗卫星导航定位系统是我国自行研制的，为用户提供快速定位、简短数
字报文通信和授时服务的新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统。北斗卫
星导航系统是一个庞大的系统工程，其技术复杂、应用范围广，填补了我国导
航系统的空白，开启了我国航天事业的新征程，使我国摆脱了对GPS系统的
依赖，为维护国家安全、推动经济文化全面发展提供了重要保障。北斗二代卫
星定位系统采用无源的定位方式，通过其发送的多频数据可以进行高精度的相
对定位，这对我国的经济发展具有重大的现实意义。通过北斗卫星获取定位信
息，用户便能根据获取的定位信息得知自身的位置信息，实现相应的导航等应
用或服务。
北斗B1频点信号的测距码以2.046Mcps的码速率调制在1561.098MHz
的载波信号上，北斗B3频点信号的测距码以10.23Mcps的码速率调制在
1268.52MHz的载波信号上。在相同的情况下，B3频点的码速率是B1频点的
5倍，因此理论上单B3频点的定位精度能达到单B1频点的5倍，而在观测条
件较差、可用卫星数较少的情况下，进行北斗卫星伪距单点定位时，单频伪距
单点定位性能急剧下降，但采用B1、B3双频伪距单点定位精度却可以较好的
约束误差的离散范围，提高接收机的定位精度和可用性。
然而目前的北斗导航接收机大部分只能接收单B1频点的信号，因此在民
用领域中，实现一种能够同时支持北斗二代B1、B3频点的导航接收机已经十
分迫切。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于北斗二
代导航系统的民用B1频点和B3频点的双频接收机，能够在观测条件较差、可
用卫星数较少的情况下，通过双频差分提供可靠的定位连续性和较高的实时定
位精度。
本发明的技术解决方案是：一种北斗二代B1和B3双频接收机，包括放大
滤波电路、功分电路、B1窄带带通滤波器、B3窄带带通滤波器、下变频及模
数转换采样电路、晶振、中频数字信号处理电路、测量数据预处理模块、组合
滤波模块、导航定位模块，其中：
放大滤波电路：接收外部输入的同时含有北斗卫星B1频点和B3频点的射
频信号，对射频信号进行放大并进行带通滤波得到包含B1频点及B3频点的全
频段信号，送至功分电路；
功分电路：将从放大滤波电路接收的全频段信号分为两路，其中一路送至
B1窄带带通滤波器，另一路送至B3窄带带通滤波器；
B1窄带带通滤波器：对接收到的全频段信号进行以B1频点为中心的带通
滤波，得到B1频点高频信号并送至下变频及模数转换采样电路；
B3窄带带通滤波器：对接收到的全频段信号进行以B3频点为中心的带通
滤波，得到B2频点高频信号并送至下变频及模数转换采样电路；
晶振：产生基准频率信号并送至下变频及模数转换采样电路；
下变频及模数转换采样电路：对B1频点高频信号和B3频点高频信号分别
进行下变频，并根据晶振提供的基准频率信号构建同步采样时钟，利用所述同
步采样时钟对下变频后的信号进行同步采样，得到B1频点中频数字信号和B3
频点中频数字信号，将B1频点中频数字信号、B3频点中频数字信号以及同步
采样时钟送至中频数字信号处理电路；
中频数字信号处理电路：对B1频点中频数字信号和B3频点中频数字信号
分别进行捕获跟踪，获取有效跟踪的各个北斗卫星的B1频点的原始测量数据
及B3频点的原始测量数据，所述的原始测量数据包括码计数、载波计数、多
普勒和原始电文，其中码计数和载波计数通过同步采样时钟获得；
测量数据预处理模块：针对中频数字信号处理电路传来的每一条测量数据，
通过码计数累加得到卫星的观测时间，结合载波计数修正后计算得到原始伪距，
通过多普勒与载波计数修正计算得到伪距率，通过对原始电文进行BCH解码，
得到解调电文；从组合滤波模块获取原始伪距修正量和伪距率修正量，利用原
始伪距修正量对原始伪距进行修正并送至导航定位模块，利用伪距率修正量对
伪距率进行修正并送至导航定位模块；
导航定位模块：根据修正后的各个导航卫星的原始伪距，分别进行卫星钟
差修正、电离层误差修正、电离层差分修正、对流层误差修正、地球自转误差
修正，得到最终可用于定位的修正伪距；同时，通过解调电文解算得到B1频
点各卫星以及B3频点各卫星的卫星参数，所述的卫星参数包括位置、速度、
钟差；利用修正伪距、卫星参数、伪距率解算出导航数据和1PPS后向外部输
出；
组合滤波模块：使用卡尔曼滤波算法对导航定位模块输出的导航信息进行
组合导航滤波，过滤导航信息中的异常值，结合双频接收机的速度、加速度以
及滤波处理后的导航信息，计算出原始伪距修正量和伪距率修正量并反馈至测
量数据预处理模块。
所述的中频数字信号处理电路包括捕获配置器、FFT捕获单元、通道配置
器、n个通道、相关运算单元和锁存采样单元，捕获配置器对FFT捕获单元进
行参数配置，FFT捕获单元依据配置参数对输入的B1频点中频数字信号与B3
频点中频数字信号进行捕获操作，捕获到的信号被送入通道配置器，通道配置
器将从n个通道中选择一个空闲通道对捕获到的信号进行跟踪，相关运算单元
使用相关时钟对所有n个通道同一时刻的信号进行相关计算，锁存采样单元使
用锁存时钟对所有n个通道同一时刻的信号进行参数跟踪采样并锁存采样值，
以此从各个通道中获取并输出B1原始测量数据与B3原始测量数据。
所述的B1窄带带通滤波器或者B3窄带带通滤波器为声表面波带通滤波
器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了民用北斗二代B1、B3双频接收机的整体解决方案，从
根本上解决了传统GNSS接收机对于GPS系统的依赖问题，有效改进了原有
北斗一代接收机及北斗二代B1频点接收机的定位精度，在充分利用北斗B3频
点来有效提高定位精度的同时，极大提高了系统的可靠性和稳定性；
(2)本发明提出的民用北斗二代B1、B3双频接收机，充分利用两种频点
的同步处理，使用双频差分技术提高定位精度的同时，有效提高系统的可靠性；
(3)本发明提出的民用北斗二代B1、B3双频接收机，采用双端口可选信
号输入，支持两路混合信号的选择输入，在保持传统GNSS接收机方案一致的
对外接口同时将输入接口扩展一倍，可以适应单天线、双天线及不同频点天线
组合输入等更加复杂的应用系统；
(4)本发明提出的民用北斗二代B1、B3双频接收机，射频处理链路设计
低噪声、高增益、宽带及窄带滤波及自动增益调节相组合的匹配电路设计方法，
有效保证B1、B3两种信号的传输质量，相比传统GPS接收机及B1频点接收
机，在保证信号传输高增益低噪声的同时极大放宽了链路处理信号的带宽，可
实现两个频点信号的完整处理与分离；
(5)本发明将B1、B3信号测量数据进行双频差分定位，利用B3频点自
身具有的高信号精度特点，使用双频差分消除电离层及对流层误差，同时采用
载波相位辅助伪距定位方法，大幅提高定位精度。
附图说明
图1为本发明接收机的原理框图；
图2为本发明接收机的一种硬件实现结构框图；
图3为本发明接收机的放大滤波设计原理图；
图4为本发明接收机的下变频及模数转换采样设计原理图；
图5为本发明接收机的数字中频处理设计原理图；
图6为本发明接收机的测量数据预处理设计原理图；
图7为本发明接收机的导航定位设计原理图；
图8为本发明接收机的时间同步设计原理图。
具体实施方式
本发明针对民用导航定位的高精度、稳定性及小型化要求，结合北斗导航
系统的能力与特点，设计了一种民用北斗二代B1、B3双频接收机。通过对北
斗二代B1、B3民用频点的信号进行接收、处理，采用差分定位，实现了快速
高精度导航定位目的。
1、系统方案设计
如图1所示，为本发明的民用北斗二代B1、B3双频接收机，包括信号合
路器、射频放大滤波电路、射频下变频及模数转采样换电路、中频数字信号处
理电路、测量数据预处理模块、导航定位模块、温补晶振、组合滤波模块等。
接收机设计采用双端可选输入方式，两个输入端口可独立或同时输入B1、B3
频点导航卫星信号，合路器将两个输入端口的信号合成一路后，混合信号通过
宽带滤波气后进入射频放大滤波电路，经过两级放大及宽带滤波电路后，混合
信号进入功分器分为2路放大混合信号；其中：一路放大混合信号经过窄带滤
波器作用变成B1频点信号，另一路则经过窄带滤波器作用变成B3频点信号；
最终两路信号同时进入下变频及模数转换采样电路，将B1、B3两频点高频信
号分别经过两次下变频处理后通过采样变成数字中频信号，同时通过锁相环将
温补晶振输入时钟变频后输出同步采样时钟。数字中频信号生成后进入中频数
字信号处理电路，通过FFT快速捕获，分别获取B1、B3两频点信号的粗略载
波多普勒和码相位值，并使用载波环与码环分别跟踪不同卫星信号，并提取原
始观测信息。测量数据预处理模块将原始观测信息中各个卫星的B1、B3频点
电文进行解调运算得到实时电文，同时计算各个卫星的原始伪距。在导航定位
模块中，使用星历数据计算各个卫星的实时位置及速度，再将各个卫星的伪距
进行修正后通过加权最小二乘计算，得到本地位置、速度信息，使用定位得到
的本地钟差及钟漂对本地时间进行修正得到精确本地时间并输出秒脉冲信号。
如图2所示，为本发明双频接收机的一种硬件结构：使用馈电选择开关、
低噪声放大器、声表面波滤波器、单端转差分巴伦、阻抗匹配电路等小体积元
件组合模块设计，实现两路射频信号输入后的合路、放大、降噪、功分及滤波
等高频信号处理；使用内部包含二次下变频、放大器、滤波器、AGC、锁相环
等完整电路的射频信号处理芯片实现下变频及模数转换功能；使用内部包含数
字信号处理电路、时钟系统、处理器、存储器及外部接口电路的SOC数字基
带芯片，实现数字信号的捕获跟踪、导航定位解算及对外数据与信号输出；使
用小体积LDO数字电源组合实现通用外部5V供电及内部所需的3.3V、1.8V、
1.2V电源转换与控制。
2、放大滤波设计
天线接收并传输给放大滤波电路输入的北斗卫星信号，包含所接收到的北
斗各个卫星信号的总和以及其它各种噪声和干扰，如公式(1)所示，其中n(t)
代表所有噪声量，任一北斗卫星(其PRN的编码为i)所播发的信号si(t)可以
表示为公式(2)所示，其中A代表信号振幅如公式(3)所示，而θi代表接收
到的信号的初相位如公式(4)所示。其中为天线接收到的第i颗卫星信号的
平均接收功率，xi(t)为该卫星所播发的C/A码，Di(t)为数据码，τi为信号的传
播延时，为信号的多普勒平移，f0为卫星播发信号的载波频率，为载波初
相位。
s ( t ) = Σ i s i ( t ) + n ( t ) - - - ( 1 ) ]]>
s i ( t ) = Ax i ( t - τ i ) D i ( t - τ i ) s i n ( 2 π ( f 0 + f d i ) t + θ i ) - - - ( 2 ) ]]>
A = 2 P c i - - - ( 3 ) ]]>
θ i = θ 1 i - 2 π ( f 0 + f d i ) τ i - - - ( 4 ) ]]>
如图3所示，接收机放大滤波电路设计支持对含有北斗B1、B3频点的混
合信号同时进行信号放大及带通滤波操作。其中，放大器设计采用低噪声放大
器，其放大设计放大增益为30～35dB；滤波器设计采用声表面波(SAW)带通
滤波器(BPF)，其带通范围应该完全覆盖B1、B3频点及其带宽范围，同时要
设计适当保留多普勒平移宽度，滤波器信号损失约为-1.5dB。如公式(5)所示，
Δf为带通滤波器所需带通频率，f1与f3为B1频点与B3频点中心频率，w1与w3
为B1频点与B3频点带宽，d1与d3为接收到B1频点与B3频点信号的多普勒
平移。
Δf＝(f1+w1+d1)-(f3-w3-d3)(5)
3、下变频及模数转换采样设计
如图4所示，由于B1与B3频点信号相差300MHz左右，中间包含较长
噪声带，因此无法直接宽带下变频及采样。因此将混合信号分成两路后需要通
过不同的窄带带通滤波器生成B1频点与B3频点的单独信号，如公式(6)、(7)
所示。
Δf1＝(f1+w1+d1)-(f1-w1-d1)(6)
Δf3＝(f3+w3+d3)-(f3-w3-d3)(7)
进一步对B1、B3两路信号进行两级下变频操作，再进行放大增益100dB，
之后送入AGC进行信号增益自动调节。下变频采用混频器将放大后的原始信
号与本地振荡器(温补晶振)产生的本振信号进行相乘，在滤除乘积中的高频
成分后，载波信号频率从射频下降到中频，因此将不适宜直接采样离散的高频
信号变为保留原有卫星信号调制数据适合采样的中频信号。本振信号sLO(t)如公
式(8)所示，其中ALO为本振信号振幅，fLO为本振信号频率，θLO为本振信号
初相位。混频后经过窄带滤波生成中频信号sIF(t)如公式(9)所示，其中中频
信号振幅AIF如公式(10)所示，初相位θIF则如公式(11)所示，A为卫星发射
信号振幅，fIF为中频频率，fd为信号的多普勒平移，D(t)为数据码，θ代表输
入基带处理的数字中频信号相位。两次下变频后的中频频率约为15MHz。
sLO(t)＝ALOsin(2πfLOt+θLO)(8)
sIF(t)＝AIFx(t-τ)D(t-τ)sin(2π(fIF+fd)t+θIF)(9)
A I F = 1 2 AA L O - - - ( 10 ) ]]>
θIF＝θ-θLO+90°(11)
之后对信号进行4bit采样，采样时钟设计采用65MHz且不为中频信号的
整倍数，最终分别同步输出B1四路中频信号与B3四路中频信号。数字中频信
号如公式(12)所示，其中卫星i的信号为的离散量化形式，如公式
(13)所示，其中n代表第n个离散点，ω代表输入基带处理的数字中频信号
频率。
s I F ( n ) = Σ i s I F i ( n ) - - - ( 12 ) ]]>
s I F i ( n ) = A x ( n - τ ) D ( n - τ ) s i n ( ω n + θ ) - - - ( 13 ) ]]>
4、数字中频信号处理设计
如图5所示，B1及B3信号各有四路中频输入，设计一个FFT单元用于
信号捕获，通过配置器的控制，使得FFT单元能够遍历B1、B3两个频点的16
颗北斗卫星，每次捕获运算满足门限条件后，则将获取到的粗略载波多普勒及
码相位直接送入通道配置器，跟踪通道设计为并行独立同步通道，每个通道均
可用于各种频点及卫星信号的同步跟踪。通道配置器根据跟踪通道的运行情况
按照次序选择通道对捕获信号进行实时跟踪。跟踪通道设计采用自适应环路设
计，载波环设计采用锁频辅助锁相环路，码环设计采用延迟锁相环。实时根据
信号相关运算结果对信号进行跟踪功能选择，完成位同步、帧同步最终进入稳
定跟踪阶段。文献“GPS原理与接收机设计”中，对载波环、码环及相关运算
等内容有详细介绍。在通过跟踪通道对数字中频信号的稳定跟踪过程中，使用
相关时钟对所有通道进行相关计算，产生各个通道I、Q支路的早码Ei、Eq，即
时码Pi、Pq，晚码Li、Lq，送入码环与载波环进行环路计算，使用锁存时钟在同
一时刻将所有通道的码计数、载波计数、多普勒值进行锁存，同时在信号稳定
跟踪过程中，提取信号中C/A码形成原始电文，最终将码计数、载波计数、多
普勒、原始电文输出给测量数据预处理模块。通道设计同步相关运算及锁存采
样时钟，保证各通道间时延小于一个时钟周期。
5、测量数据预处理设计
如图6所示，B1、B3频点每一条原始测量数据，包括码计数、载波计数、
多普勒与原始电文。通过码计数累加得到卫星观测时间，通过与本地时间求差
再换算为距离则得到原始伪距，如公式(14)所示，其中ρ代表原始伪距，c代
表光速，tu代表本地时间，ts代表卫星观测时间；同时，载波计数通过消除整周
模糊度后再换算为距离也可得到原始伪距，如公式(15)所示，其中λ为波长，
为本地复制载波信号相位，为接收到的卫星载波信号相位，N为整周模糊
度。在接收机中根据运行策略选择公式(14)或公式(15)中一种伪距，叠加
组合滤波模块得到的修正量，最终给出原始伪距如公式(16)所示，其中ρΔ为
伪距修正量。送入导航定位模块。
ρ＝c(tu-ts)(14)
ρ＝ρ+ρΔ(16)
使用多普勒乘以光速得到伪距率如公式(17)所示，其中λ为波长，f为
多普勒，同时通过两次载波计数的变化量换算为距离也可以得到伪距率如公式
(18)所示，其中与分别为前后两次观测到的载波计数。在接收机中根据
运行策略选择公式(17)或公式(18)中一种伪距率，叠加组合滤波模块得到
的修正量，最终给出原始伪距率如公式(19)所示，其中ΔρΔ为伪距修正量。
在接收机中根据运行策略选择其中一种伪距送入导航定位模块。
Δρ＝λf(17)
Δρ＝Δρ+ΔρΔ(19)
使用BCH解码模块将原始电文解码得到解调电文，文献“北斗系统空间
信号接口控制文件”对BCH编解码给出了详细说明。最后将最终的原始伪距、
伪距率、解调电文送至导航定位模块。
6、导航定位设计
如图7所示，所述的导航定位模块，根据修正后各个导航卫星的原始伪距，
分别进行卫星钟差修正、电离层修正、对流层修正、地球自转修正、差分误差
修正，得到最终可用于定位的修正伪距如公式(20)所示，其中，r代表修正
伪距，c为光速，δt(s)代表卫星钟差，I代表电离层延迟伪距误差，T代表对流
层延迟伪距误差，ερ代表地球自转伪距误差，ID代表电离层差分修正伪距误差。
电离层差分修正伪距误差计算如公式(21)所示，其中f1与f3分别为B1及B3
频点中心频率，ρ1与ρ3为B1与B3频点原始伪距。解调电文通过电文解算得到
卫星的星历及历书，采用实时星历计算得到各个卫星的卫星参数，包括卫星的
位置、速度、钟差，如公式(22)所示，其中Ps,Vs,t(s)分别代表卫星的位置、速
度、钟差，eph代表星历，通过历书中参数修正电离层参数并进行卫星分布预计；
最终将修正伪距、卫星参数、伪距率，通过加权最小二乘迭代计算得到本地位
置、速度及时间修正量，文献“GPS原理与接收机设计”中对使用星历和历书
计算卫星参数给出了详细说明。将计算结果使用卡尔曼滤波后形成规定接口的
导航数据。
r＝ρ-cδt(s)-I-T-ερ-ID(20)
I D = f 3 2 f 1 2 - f 3 2 ( ρ 3 - ρ 1 ) - I - - - ( 21 ) ]]>
{Ps,Vs,t(s)}＝F{eph}(22)
7、组合滤波设计
组合滤波设计采用卡尔曼滤波方法，对导航定位模块计算出的导航数据进
行滤波，卡尔曼滤波可以得到估计值与误差修正量，建立卡尔曼估算公式，如
公式(23)所示为状态向量x保护三维位置px,py,pz、三维速度vx,vy,vz、钟差δtu、
频漂δf，建立估计方程如(24)所示得到先验估计状态值其中下角标k代
表第k次取值点，上标∧代表估计值，上角标-代表先验量，I3×3代表单位3×3
单位矩阵，Ts代表第k取值点与第k-1取值点之间的间隔时间。最终通过与当
前实际值的验证后得到估计误差如公式(25)所示，其中K为卡尔曼增益
稳态值，R为协方差矩阵，定义为常值对称矩阵，为真实状态量，选取中
的钟差及频漂修正量反馈到测量数据预处理模块进行修正。时钟模型建立的过
程噪声协方差矩阵Qc如公式(26)所示，其中St为钟差噪声的功率谱密度，Sf
为频漂噪声的功率谱密度。
x＝[px,py,pz,vx,vy,vz,δtu,δfu]T(23)
x ^ k - = I 3 × 3 T s I 3 × 3 0 0 I 3 × 3 0 0 0 A c - x ^ k - 1 - - - - ( 24 ) ]]>
Δ x ^ k = K ( x ~ k - R x ^ k - ) - - - ( 25 ) ]]>
Q c = S t T s + S f T s 3 3 S f T s 3 2 S f T s 3 2 S f T s - - - ( 26 ) ]]>
8、时间同步与输出方案设计
如图8所示，接收机中时间同步于输出，设计北斗系统将北斗时TBDS同步
于卫星时间ts如公式(27)所示，其中δus为星上时间修正量，卫星时间ts通过
卫星信号下发地面设备，接收机通过接收卫星信号得到卫星时间，使用卫星时
间对本地时间tr进行初始化如公式(28)，其中δu0为初始信号传播时间，设置
为常数，同时，接收机将本地时间tr与根据信号接收时刻获取的卫星时间ts求差
得到伪距时间Δtρ如公式(29)所示，通过上一步中的导航定位解算，得到本地
时间修正量δur，将时间修正量δur反馈修正本地时间tr如公式(30)所示，通
过迭代计算后得到精确的本地时间tr并且与北斗时间TBDS相同步如公式(31)，
最终将本地时间tr换算到UTC时间如公式(32)，其中δuBDS-UTC为北斗时与标准
UTC时间的固定修正偏差。最终通过输出UTC时间和秒脉冲信号使得接收机
可以为用户提供授时服务。
ts＝TBDS+δus(27)
tr＝ts+δu0(28)
Δtρ＝tr-ts(29)
tr＝tr-δur(30)
tr≈TBDS(31)
tUTC＝tr-δuBDS-UTC(32)
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。