衛星導航系統接收機原理與設計——之二

+ 劉天雄

衛星課堂

衛星導航系統接收機原理與設計——之二

+ 劉天雄

第二十六講

2　接收機組成

2.1天線

2.2射頻前端

2.2.1結構組成

2.2.2信號帶寬

2.2.3從射頻信號到中頻基帶信號

2.3數字信號處理模塊

3　工作流程

上世紀九十年代，全球只有美國的GPS和俄羅斯的Glonass兩大全球衛星導航系統，其中美國的GPS系統得到了廣泛應用，第一代GPS用戶接收機可以同時處理4～5路導航信號，只能給出用戶的位置坐標信息。目前隨著歐洲的Galileo以及中國的北斗（BDS）全球衛星導航系統的建設，衛星導航接收機相關技術也日臻完善，目前一般的導航接收機可以同時處理10或12路導航信號，某些高端接收機甚至可以同時處理上百路導航信號，極大地改善了信號的完好性和位置解算精度。

盡管對于不同的應用場景，對接收機的解算需求可能不同，由此導航接收機的實現方式可能也不完全相同，例如某些導航接收機還需要處理一些電離層改正、系統差分、信號完好性等輔助參數，但是衛星導航接收機的工作原理沒有發生變化，不同類型的接收機工作過程基本相同。衛星導航接收機工作過程分為3個階段，第一階段為信號接收的射頻前端處理，第二階段為基帶信號處理，包括信號的捕獲和跟蹤，第三階段是求解PVT。

衛星導航接收機的每個基帶信號處理通道均是獨立工作，即，每個通道被接收機分配處理某顆衛星的某路信號。每個通道有捕獲（Acquire）或跟蹤（Track）兩種工作模式。在捕獲工作模式下，為了評估導航衛星（信號）是否在視界范圍內，每個通道開展偽碼延遲（code delay）和多普勒頻移（Doppler frequency）二維搜索（2D search）。直到接收機檢測到導航信號、同時估算出接收到的導航信號的偽碼延遲和多普勒頻移為止，基帶信號處理通道始終保持在捕獲工作模式。衛星導航接收機導航信號的捕獲、跟蹤及位置解算流程如圖12所示。

信號捕獲后，基帶信號處理通道進入跟蹤工作模式，根據載波頻率和偽碼相位的粗略估計值，跟蹤電路利用延遲鎖定環DLL和頻率鎖定環FLL不斷分別進一步對碼相位和載波頻率進行更精確的同步，直到接收機本地生成的復制測距碼信號與接收到的導航測距碼信號完全同步，由此解調出導航電文。

在信號跟蹤工作模式下，為了評估導航信號的跟蹤狀態，基帶信號處理通道需要監控信號跟蹤結果的質量。如果跟蹤環路鎖定檢測指標低于設定的門限，則接收機認定信號處于失鎖狀態，基帶信號處理通重新回到捕獲工作模式，再次啟動上述工作流程。導致信號失鎖的原因有多種，例如衛星信號被遮擋、信號發生周跳（cycle slips on the signal）或者僅僅是初始捕獲過程中信號噪聲過大。

衛星導航信號的處理流程簡述如下：

?天線單元接收衛星信號，經低噪放大器濾波放大后輸出；

圖12　衛星導航信號的捕獲、跟蹤及位置解算流程

?射頻模塊進行下變頻、功率放大、濾波等處理，輸出中頻模擬信號；

?信號采樣對中頻模擬信號進行AD采樣，輸出數字中頻；

?數字信號處理模塊實現碼跟蹤、載波跟蹤等處理，輸出測量結果；

?定位解算處理模塊根據導航電文獲取衛星坐標信息和其它信息，利用多顆衛星的偽距等導航信息結果進行用戶坐標定位解算，最終輸出NMEA0183標準的用戶坐標、時間等數據。

?導航信息處理模塊得到標準NMEA0183數據后，根據應用功能的不同，將實現不同的作用，如顯示、導航控制等。

?用戶接口實現用戶與接收機的交互以及控制。

下面以美國GPS系統比較典型的普通民用C/A碼接收機和軍用P(Y)碼接收機為例，簡述導航接收機的工作流程

圖13　GPS接收機的

第一步：信號捕獲（signal acquisition）

捕獲載波頻率、碼相位，信號捕獲又稱相位搜索（Search phase）；

第二步：跟蹤衛星（Track satellites）

利用兩個耦合環路，偽碼－延遲鎖定環、載波－相位鎖定環，調整本地復制信號；電文數據解碼；

第三步：位置計算（position computation）

計算用戶接收機到衛星之間的距離，衛星的位置坐標為動態已知點，衛星的軌道位置以歷書和星歷形式精確確定；

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

3.1民用C/A碼GPS接收機的工作流程

對觀測導航衛星數量的需求取決于不同的應用場景，對于水面艦艇等二維平面定位需求用戶，導航接收機需要觀測到與三顆導航衛星之間的距離；對于空中飛機等三維立體定位需求用戶，接收機需要觀測到與四顆導航衛星之間的距離。一般C/A碼GPS接收機的工作流程如圖13所示，

此外，衛星導航接收機還能利用以往歷史定位解算數據或者最近解碼的信息幫助跟蹤環路提高信號捕獲、跟蹤的效率，例如，為了估計視場范圍內哪些導航衛星可見，并由此將基帶信號處理通道分配給可見的衛星，導航接收機可以利用存儲電文的歷書信息估計特定時段內可視導航衛星的編號，衛星編號與偽隨機測距碼一一對應，由此能夠有效地提高對導航信號的捕獲速度。因此，基帶信號處理通道對導航信號的捕獲方式可以分成“冷啟動（cold start mode）”、“溫啟動（warm start mode）”和“熱啟動（hot start mode）”三類，簡述如下：

?冷啟動（cold start mode）：接收機沒有關于自身位置和可視范圍內導航衛星的先驗信息。由此，接收機的每個通道不得不對所有可能的衛星（信號）以及所有可能的偽碼－多普勒頻移對進行大量的搜索工作。只有當某個基帶信號處理通道完全解碼一個完整的導航電文被后，接收機通過歷書信息才能推算可視范圍的導航衛星，其他基帶信號處理通道據此歷書信息搜索可視范圍表內的其他導航衛星；

?溫啟動（warm start mode）：接收機讀取自身的初始位置和衛星歷書信息，例如上次關機前的位置和衛星歷書信息，利用這些信息，接收機可以預測當前位置的可視范圍內可能有哪些衛星，同時估計這些衛星信號的偽碼延遲和多普勒頻移，因此可以減少信號捕獲的搜索空間。

?熱啟動（hot start mode）：接收機有當前自身位置和可視范圍內導航衛星的先驗信息，因此，可以大幅度減少信號捕獲的搜索空間，由此很快解算出用戶位置。

3.2 軍用P(Y)碼型接收機的工作流程

GPS系統能為用戶提供標準定位服務SPS和精密定位服務PPS，只有經過美國國防部授權的用戶才能使用精密定位服務PPS，該服務能夠提供更為精確的定位精度和授時精度。精密定位服務PPS以P(Y)碼為基礎，軍用接收機捕獲P(Y)碼有C/A碼引導捕獲和直接捕獲兩種方法。P(Y)碼是一種周期長、速率高的偽隨機碼，美軍最初的設計思路是利用C/A碼引導捕獲P(Y)碼，但在提高接收機抗干擾能力和反電子欺騙能力的訴求下，特別是對軍用M碼的直接捕獲的要求下，對P(Y)碼直接捕獲成為GPS軍用接收機的研究熱點。

3.2.1 利用C/A碼引導捕獲P(Y)碼

先捕獲C/A碼，再通過C/A碼信息捕獲P(Y)碼是時域處理中的一種簡便方法。通過搜索和檢測，當接收機本地復制碼和接收到的衛星測距碼相關值最大時，表明接收機成功捕獲C/A碼。電文譯碼后，通過子楨遙測字TLM找到子楨的碼相位，通過子楨交接字HOW找到字符計數的起始時間。如果沒有出現誤碼，那么C/A碼和P碼是完全同步的，然后將C/A碼產生的脈沖輸入到P碼生成器，這時本地產生的P碼與接收到的P碼是同步的。然后和C/A碼捕獲過程一樣，對P碼進行捕獲、跟蹤和解調，得到P碼偽距后解算得到用戶PVT。為防止漏捕，常常啟動P碼生成器時提前幾個碼片時間，再向后搜索。

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

?捕獲C/A碼Search for a PRN C/A code lock

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

?實現位同步、獲取導航電文Obtain bit synchronization with the navigation message

?實現幀同步，即獲取HOW和Z計數 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)碼數據鎖定Data lock on P(Y) code

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

?計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L2頻點導航信號，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碼的捕獲過程都是用接收機本地復制偽碼與接收到的信號偽碼進行匹配和相關峰值檢驗，當匹配正確時將得到最大的相關峰值，從而確定偽碼相位和載波頻率。由于軍用信號P(Y)碼的速率高達10.23 Mchips/s,周期長達一星期，這就使得它不可能像C/A碼那樣在整個周期內搜索，更不可能將整個碼信號存儲在存儲器中隨時讀取，在捕獲方法上與C/A捕獲存在本質區別。

對P(Y)碼直接捕獲的基本原理也是一個二維搜索過程，一方面，接收機需要通過移動本地偽碼的相位與衛星信號測距碼進行匹配，從而復現衛星的P(Y)碼；另一方面，由于衛星與接收機之間相對運動所引起的多普勒效應，還需要對載波頻率進行搜索。假設Δt和Δf分別表示待搜索時間范圍和載波頻率范圍，σt和σf分別表示每次搜索的時間不確定度和載波頻率不確定度，那么所需搜索的時間頻率單元數為，

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

若以單向串行的方式進行搜索，則平均捕獲時間為，

若以雙向方式從中心時刻依次向前后兩個方向進行搜索，則當初始碼相位服從高斯分布時對應某個固定的載波頻率對碼相位進行搜索的平均捕獲時間為，

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

如前述，對P(Y)碼直接捕獲的實質也是用本地信號與接收到的衛星信號進行相關匹配，對P(Y)碼直接捕獲技術的研究大致分為兩類，一類是以使用大規模并行相關器為基礎的時域處理算法，在這方面以STS Y-EXPRESS ASIC為代表。另一類是以使用FFT處理技術為基礎的各種頻域處理算法，包括在此基礎上所衍生出來的各種改進算法。兩類算法的核心均是提高并行相關的能力。

時域并行相關處理算法的核心是利用并行相關器同時對多個時頻單元進行搜索。在搜索前，首先根據當前接收機的位置信息、GNSS系統時間和導航衛星的軌道位置確定待搜索的時間頻率范圍。然后根據接收機自動增益控制器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間頻率范圍以及搜索次數也就確定了。將經接收機前端處理后的衛星信號與本地偽碼在并行相關器中進行相關處理，每次搜索完成后，將大于門限的峰值交給跟蹤進程進行驗證，以確定衛星信號的碼相位和載波頻率。

根據時域相關函數的傅立葉變換等于時域傅立葉變換之積的原理，可以采用傅立葉變換來進行相關計算，即頻域相關技術。頻域并行相關處理算法首先對衛星信號進行緩存，并作FFT處理，同時對本地偽碼進行FFT共軛處理并去除多普勒頻移影響，然后與衛星信號FFT處理后的結果相乘，在做IFFT處理，進行包絡檢測和峰值檢測。若找到大于門限者就表示捕獲成功，否則移動本地偽碼相位，再次進行搜索。