衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì)——之二

+ 劉天雄

衛(wèi)星課堂

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì)——之二

+ 劉天雄

第二十六講

2　接收機(jī)組成

2.1天線

2.2射頻前端

2.2.1結(jié)構(gòu)組成

2.2.2信號(hào)帶寬

2.2.3從射頻信號(hào)到中頻基帶信號(hào)

2.3數(shù)字信號(hào)處理模塊

3　工作流程

上世紀(jì)九十年代，全球只有美國(guó)的GPS和俄羅斯的Glonass兩大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其中美國(guó)的GPS系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，第一代GPS用戶接收機(jī)可以同時(shí)處理4～5路導(dǎo)航信號(hào)，只能給出用戶的位置坐標(biāo)信息。目前隨著歐洲的Galileo以及中國(guó)的北斗（BDS）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)相關(guān)技術(shù)也日臻完善，目前一般的導(dǎo)航接收機(jī)可以同時(shí)處理10或12路導(dǎo)航信號(hào)，某些高端接收機(jī)甚至可以同時(shí)處理上百路導(dǎo)航信號(hào)，極大地改善了信號(hào)的完好性和位置解算精度。

盡管對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)接收機(jī)的解算需求可能不同，由此導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式可能也不完全相同，例如某些導(dǎo)航接收機(jī)還需要處理一些電離層改正、系統(tǒng)差分、信號(hào)完好性等輔助參數(shù)，但是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理沒(méi)有發(fā)生變化，不同類型的接收機(jī)工作過(guò)程基本相同。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)工作過(guò)程分為3個(gè)階段，第一階段為信號(hào)接收的射頻前端處理，第二階段為基帶信號(hào)處理，包括信號(hào)的捕獲和跟蹤，第三階段是求解PVT。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的每個(gè)基帶信號(hào)處理通道均是獨(dú)立工作，即，每個(gè)通道被接收機(jī)分配處理某顆衛(wèi)星的某路信號(hào)。每個(gè)通道有捕獲（Acquire）或跟蹤（Track）兩種工作模式。在捕獲工作模式下，為了評(píng)估導(dǎo)航衛(wèi)星（信號(hào)）是否在視界范圍內(nèi)，每個(gè)通道開(kāi)展偽碼延遲（code delay）和多普勒頻移（Doppler frequency）二維搜索（2D search）。直到接收機(jī)檢測(cè)到導(dǎo)航信號(hào)、同時(shí)估算出接收到的導(dǎo)航信號(hào)的偽碼延遲和多普勒頻移為止，基帶信號(hào)處理通道始終保持在捕獲工作模式。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的捕獲、跟蹤及位置解算流程如圖12所示。

信號(hào)捕獲后，基帶信號(hào)處理通道進(jìn)入跟蹤工作模式，根據(jù)載波頻率和偽碼相位的粗略估計(jì)值，跟蹤電路利用延遲鎖定環(huán)DLL和頻率鎖定環(huán)FLL不斷分別進(jìn)一步對(duì)碼相位和載波頻率進(jìn)行更精確的同步，直到接收機(jī)本地生成的復(fù)制測(cè)距碼信號(hào)與接收到的導(dǎo)航測(cè)距碼信號(hào)完全同步，由此解調(diào)出導(dǎo)航電文。

在信號(hào)跟蹤工作模式下，為了評(píng)估導(dǎo)航信號(hào)的跟蹤狀態(tài)，基帶信號(hào)處理通道需要監(jiān)控信號(hào)跟蹤結(jié)果的質(zhì)量。如果跟蹤環(huán)路鎖定檢測(cè)指標(biāo)低于設(shè)定的門限，則接收機(jī)認(rèn)定信號(hào)處于失鎖狀態(tài)，基帶信號(hào)處理通重新回到捕獲工作模式，再次啟動(dòng)上述工作流程。導(dǎo)致信號(hào)失鎖的原因有多種，例如衛(wèi)星信號(hào)被遮擋、信號(hào)發(fā)生周跳（cycle slips on the signal）或者僅僅是初始捕獲過(guò)程中信號(hào)噪聲過(guò)大。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的處理流程簡(jiǎn)述如下：

?天線單元接收衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)低噪放大器濾波放大后輸出；

圖12　衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的捕獲、跟蹤及位置解算流程

?射頻模塊進(jìn)行下變頻、功率放大、濾波等處理，輸出中頻模擬信號(hào)；

?信號(hào)采樣對(duì)中頻模擬信號(hào)進(jìn)行AD采樣，輸出數(shù)字中頻；

?數(shù)字信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)碼跟蹤、載波跟蹤等處理，輸出測(cè)量結(jié)果；

?定位解算處理模塊根據(jù)導(dǎo)航電文獲取衛(wèi)星坐標(biāo)信息和其它信息，利用多顆衛(wèi)星的偽距等導(dǎo)航信息結(jié)果進(jìn)行用戶坐標(biāo)定位解算，最終輸出NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)的用戶坐標(biāo)、時(shí)間等數(shù)據(jù)。

?導(dǎo)航信息處理模塊得到標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183數(shù)據(jù)后，根據(jù)應(yīng)用功能的不同，將實(shí)現(xiàn)不同的作用，如顯示、導(dǎo)航控制等。

?用戶接口實(shí)現(xiàn)用戶與接收機(jī)的交互以及控制。

下面以美國(guó)GPS系統(tǒng)比較典型的普通民用C/A碼接收機(jī)和軍用P(Y)碼接收機(jī)為例，簡(jiǎn)述導(dǎo)航接收機(jī)的工作流程

圖13　GPS接收機(jī)的

第一步：信號(hào)捕獲（signal acquisition）

捕獲載波頻率、碼相位，信號(hào)捕獲又稱相位搜索（Search phase）；

第二步：跟蹤衛(wèi)星（Track satellites）

利用兩個(gè)耦合環(huán)路，偽碼－延遲鎖定環(huán)、載波－相位鎖定環(huán)，調(diào)整本地復(fù)制信號(hào)；電文數(shù)據(jù)解碼；

第三步：位置計(jì)算（position computation）

計(jì)算用戶接收機(jī)到衛(wèi)星之間的距離，衛(wèi)星的位置坐標(biāo)為動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，衛(wèi)星的軌道位置以歷書和星歷形式精確確定；

基帶信號(hào)處理通道正常完成導(dǎo)航信號(hào)的捕獲、跟蹤后，給出偽距觀測(cè)量和導(dǎo)航電文等信息，基于“三角定位原理（triangulate）”，接收機(jī)由此解算出用戶的位置坐標(biāo)、速度和時(shí)間。工作流程。

3.1民用C/A碼GPS接收機(jī)的工作流程

對(duì)觀測(cè)導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量的需求取決于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于水面艦艇等二維平面定位需求用戶，導(dǎo)航接收機(jī)需要觀測(cè)到與三顆導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離；對(duì)于空中飛機(jī)等三維立體定位需求用戶，接收機(jī)需要觀測(cè)到與四顆導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離。一般C/A碼GPS接收機(jī)的工作流程如圖13所示，

此外，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)還能利用以往歷史定位解算數(shù)據(jù)或者最近解碼的信息幫助跟蹤環(huán)路提高信號(hào)捕獲、跟蹤的效率，例如，為了估計(jì)視場(chǎng)范圍內(nèi)哪些導(dǎo)航衛(wèi)星可見(jiàn)，并由此將基帶信號(hào)處理通道分配給可見(jiàn)的衛(wèi)星，導(dǎo)航接收機(jī)可以利用存儲(chǔ)電文的歷書信息估計(jì)特定時(shí)段內(nèi)可視導(dǎo)航衛(wèi)星的編號(hào)，衛(wèi)星編號(hào)與偽隨機(jī)測(cè)距碼一一對(duì)應(yīng)，由此能夠有效地提高對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的捕獲速度。因此，基帶信號(hào)處理通道對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的捕獲方式可以分成“冷啟動(dòng)（cold start mode）”、“溫啟動(dòng)（warm start mode）”和“熱啟動(dòng)（hot start mode）”三類，簡(jiǎn)述如下：

?冷啟動(dòng)（cold start mode）：接收機(jī)沒(méi)有關(guān)于自身位置和可視范圍內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星的先驗(yàn)信息。由此，接收機(jī)的每個(gè)通道不得不對(duì)所有可能的衛(wèi)星（信號(hào)）以及所有可能的偽碼－多普勒頻移對(duì)進(jìn)行大量的搜索工作。只有當(dāng)某個(gè)基帶信號(hào)處理通道完全解碼一個(gè)完整的導(dǎo)航電文被后，接收機(jī)通過(guò)歷書信息才能推算可視范圍的導(dǎo)航衛(wèi)星，其他基帶信號(hào)處理通道據(jù)此歷書信息搜索可視范圍表內(nèi)的其他導(dǎo)航衛(wèi)星；

?溫啟動(dòng)（warm start mode）：接收機(jī)讀取自身的初始位置和衛(wèi)星歷書信息，例如上次關(guān)機(jī)前的位置和衛(wèi)星歷書信息，利用這些信息，接收機(jī)可以預(yù)測(cè)當(dāng)前位置的可視范圍內(nèi)可能有哪些衛(wèi)星，同時(shí)估計(jì)這些衛(wèi)星信號(hào)的偽碼延遲和多普勒頻移，因此可以減少信號(hào)捕獲的搜索空間。

?熱啟動(dòng)（hot start mode）：接收機(jī)有當(dāng)前自身位置和可視范圍內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星的先驗(yàn)信息，因此，可以大幅度減少信號(hào)捕獲的搜索空間，由此很快解算出用戶位置。

3.2 軍用P(Y)碼型接收機(jī)的工作流程

GPS系統(tǒng)能為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS和精密定位服務(wù)PPS，只有經(jīng)過(guò)美國(guó)國(guó)防部授權(quán)的用戶才能使用精密定位服務(wù)PPS，該服務(wù)能夠提供更為精確的定位精度和授時(shí)精度。精密定位服務(wù)PPS以P(Y)碼為基礎(chǔ)，軍用接收機(jī)捕獲P(Y)碼有C/A碼引導(dǎo)捕獲和直接捕獲兩種方法。P(Y)碼是一種周期長(zhǎng)、速率高的偽隨機(jī)碼，美軍最初的設(shè)計(jì)思路是利用C/A碼引導(dǎo)捕獲P(Y)碼，但在提高接收機(jī)抗干擾能力和反電子欺騙能力的訴求下，特別是對(duì)軍用M碼的直接捕獲的要求下，對(duì)P(Y)碼直接捕獲成為GPS軍用接收機(jī)的研究熱點(diǎn)。

3.2.1 利用C/A碼引導(dǎo)捕獲P(Y)碼

先捕獲C/A碼，再通過(guò)C/A碼信息捕獲P(Y)碼是時(shí)域處理中的一種簡(jiǎn)便方法。通過(guò)搜索和檢測(cè)，當(dāng)接收機(jī)本地復(fù)制碼和接收到的衛(wèi)星測(cè)距碼相關(guān)值最大時(shí)，表明接收機(jī)成功捕獲C/A碼。電文譯碼后，通過(guò)子楨遙測(cè)字TLM找到子楨的碼相位，通過(guò)子楨交接字HOW找到字符計(jì)數(shù)的起始時(shí)間。如果沒(méi)有出現(xiàn)誤碼，那么C/A碼和P碼是完全同步的，然后將C/A碼產(chǎn)生的脈沖輸入到P碼生成器，這時(shí)本地產(chǎn)生的P碼與接收到的P碼是同步的。然后和C/A碼捕獲過(guò)程一樣，對(duì)P碼進(jìn)行捕獲、跟蹤和解調(diào)，得到P碼偽距后解算得到用戶PVT。為防止漏捕，常常啟動(dòng)P碼生成器時(shí)提前幾個(gè)碼片時(shí)間，再向后搜索。

通過(guò)C/A碼信息捕獲P(Y)碼可以大幅度減少P碼捕獲的時(shí)間，利用C/A碼引導(dǎo)捕獲P(Y)碼的過(guò)程是：

?捕獲C/A碼Search for a PRN C/A code lock

?跟蹤C(jī)/A碼、跟蹤載波C/A code track, carrier track

?實(shí)現(xiàn)位同步、獲取導(dǎo)航電文Obtain bit synchronization with the navigation message

?實(shí)現(xiàn)幀同步，即獲取HOW和Z計(jì)數(shù) Obtain frame synchronization, ie. obtain HOW and Z count

?解碼Decoding

?剔除選擇可用性信息 （Remove SA）

?引導(dǎo)捕獲P(Y)碼，P(Y)碼鎖定，載波鎖定Transition to P(Y)-code, -code lock, -carrier lock

?P(Y)碼數(shù)據(jù)鎖定Data lock on P(Y) code

?搜索、捕獲、跟蹤第二顆～第四顆衛(wèi)星信號(hào)Search, acquire and track 2nd to 4th SVs, up to all in view

?計(jì)算偽距和偽距變化率Take range and range rate measurements

?求解定位方程Solve for range equations

?捕獲、跟蹤和解調(diào)L2頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)，完成雙頻電離層誤差修正，提高定位精度。P(Y) code measurements L2 to remove ionospheric delays and refine navigation solution.

3.2.2 直接捕獲P(Y)碼

P(Y)碼和C/A碼的捕獲過(guò)程都是用接收機(jī)本地復(fù)制偽碼與接收到的信號(hào)偽碼進(jìn)行匹配和相關(guān)峰值檢驗(yàn)，當(dāng)匹配正確時(shí)將得到最大的相關(guān)峰值，從而確定偽碼相位和載波頻率。由于軍用信號(hào)P(Y)碼的速率高達(dá)10.23 Mchips/s,周期長(zhǎng)達(dá)一星期，這就使得它不可能像C/A碼那樣在整個(gè)周期內(nèi)搜索，更不可能將整個(gè)碼信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中隨時(shí)讀取，在捕獲方法上與C/A捕獲存在本質(zhì)區(qū)別。

對(duì)P(Y)碼直接捕獲的基本原理也是一個(gè)二維搜索過(guò)程，一方面，接收機(jī)需要通過(guò)移動(dòng)本地偽碼的相位與衛(wèi)星信號(hào)測(cè)距碼進(jìn)行匹配，從而復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星的P(Y)碼；另一方面，由于衛(wèi)星與接收機(jī)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒效應(yīng)，還需要對(duì)載波頻率進(jìn)行搜索。假設(shè)Δt和Δf分別表示待搜索時(shí)間范圍和載波頻率范圍，σt和σf分別表示每次搜索的時(shí)間不確定度和載波頻率不確定度，那么所需搜索的時(shí)間頻率單元數(shù)為，

根據(jù)P(Y)碼的自相關(guān)特性，時(shí)間不確定度σt一般取?碼片長(zhǎng)度，載波頻率不確定度σf取值大小則與相關(guān)積分時(shí)間等因素有關(guān)。通過(guò)星歷信息和其他一些網(wǎng)絡(luò)輔助手段，可以估算待搜索時(shí)間范圍Δt和載波頻率范圍Δf。估算精度越高，Δt和Δf越小，所需搜索的時(shí)間頻率單元越小，搜索量越少，所需捕獲時(shí)間越短。

若以單向串行的方式進(jìn)行搜索，則平均捕獲時(shí)間為，

若以雙向方式從中心時(shí)刻依次向前后兩個(gè)方向進(jìn)行搜索，則當(dāng)初始碼相位服從高斯分布時(shí)對(duì)應(yīng)某個(gè)固定的載波頻率對(duì)碼相位進(jìn)行搜索的平均捕獲時(shí)間為，

式（10）中，為搜索一個(gè)時(shí)間頻率單元所耗費(fèi)的平均時(shí)間，每產(chǎn)生一次虛警所消耗的時(shí)間是2。為正確碼相位所在的位置。為時(shí)間頻率單元數(shù)。

如前述，對(duì)P(Y)碼直接捕獲的實(shí)質(zhì)也是用本地信號(hào)與接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行相關(guān)匹配，對(duì)P(Y)碼直接捕獲技術(shù)的研究大致分為兩類，一類是以使用大規(guī)模并行相關(guān)器為基礎(chǔ)的時(shí)域處理算法，在這方面以STS Y-EXPRESS ASIC為代表。另一類是以使用FFT處理技術(shù)為基礎(chǔ)的各種頻域處理算法，包括在此基礎(chǔ)上所衍生出來(lái)的各種改進(jìn)算法。兩類算法的核心均是提高并行相關(guān)的能力。

時(shí)域并行相關(guān)處理算法的核心是利用并行相關(guān)器同時(shí)對(duì)多個(gè)時(shí)頻單元進(jìn)行搜索。在搜索前，首先根據(jù)當(dāng)前接收機(jī)的位置信息、GNSS系統(tǒng)時(shí)間和導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道位置確定待搜索的時(shí)間頻率范圍。然后根據(jù)接收機(jī)自動(dòng)增益控制器AGC所確定的干擾狀況和要求的捕獲概率、虛警概率等參數(shù)確定積分周期。一旦確定積分周期，每次并行搜索所能覆蓋的時(shí)間頻率范圍以及搜索次數(shù)也就確定了。將經(jīng)接收機(jī)前端處理后的衛(wèi)星信號(hào)與本地偽碼在并行相關(guān)器中進(jìn)行相關(guān)處理，每次搜索完成后，將大于門限的峰值交給跟蹤進(jìn)程進(jìn)行驗(yàn)證，以確定衛(wèi)星信號(hào)的碼相位和載波頻率。

根據(jù)時(shí)域相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換等于時(shí)域傅立葉變換之積的原理，可以采用傅立葉變換來(lái)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，即頻域相關(guān)技術(shù)。頻域并行相關(guān)處理算法首先對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行緩存，并作FFT處理，同時(shí)對(duì)本地偽碼進(jìn)行FFT共軛處理并去除多普勒頻移影響，然后與衛(wèi)星信號(hào)FFT處理后的結(jié)果相乘，在做IFFT處理，進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)和峰值檢測(cè)。若找到大于門限者就表示捕獲成功，否則移動(dòng)本地偽碼相位，再次進(jìn)行搜索。