衛星導航系統接收機原理與設計
——之九

+ 劉天雄

衛星導航系統接收機原理與設計
——之九

+ 劉天雄

4.5 基帶數字信號處理

4.5.8 數據解調和數據處理Data Demodulation and Data Processing

為了解碼導航電文（navigation message），即調制有衛星軌道星歷（ephemeris）和衛星原子鐘鐘差（satellite clock information）等信息的導航數據信息比特（data bits），數據解調和數據處理模塊需要完成接收機本地復制信號與接收導航信號之間的位同步（bit synchronization）和幀同步（frame synchronization），由此從接收到的導航信號中提取碼元符號（symbols）。此外，根據衛星導航信號的時間標志（time tags），同步處理導航電文，將偽碼延遲估計轉換成為對星地之間偽距的估計。

在數據通信中最基本的同步方式就是“比特同步”（bit synchronization），又稱位同步。比特是數據傳輸的最小單位。比特同步是指接收端時鐘已經調整到和發送端時鐘完全一樣。一般的數字通信系統需要在接收端采用鎖相環等方法進行比特同步。

在GPS系統中，由于利用了信號擴頻技術，并且衛星上偽碼時鐘與比特時鐘有固定的相位關系，當偽碼精確同步時就可以得出比特同步的準確時鐘。例如，導航電文傳輸速率為50bps，偽碼速率為1.023Mbps，那么1比特所占的時間里擁有20460個chip，一旦偽碼同步就開始用偽碼的時鐘計時，從0計到20459輸出一個脈沖，再從0開始計數周而復始就產生了比特同步的時鐘。

4.5.8.1 基本概念

當數字信號處理模塊中的跟蹤環路提取導航信號的測距碼和載波信息，以同步接收機本地生成的復制偽碼信號與接收到的導航信號后，數字信號處理模塊中的數據解調和處理模塊將獲取偽距觀測量、多普勒頻移和導航電文，由此根據定位方程解算出接收機的位置、速度和時間。

數字信號處理模塊中輸入給跟蹤環路的信息是導航信號的測距碼、載波信息以及復制偽碼信號與導航信號的相關處理結果，相關術語解釋如下：

· 偽隨機碼元符號（Pseudo-symbol）：在一次積分累積時間間隔內，從碼元符號中提取相關的二進制信息，即在一個偽隨機噪聲碼周期內積分，從相關器輸出結果中提取碼元符號位。

· 碼元符號（Symbol）：匹配于導航電文編碼后的二進制信息，例如，對于GPS全球定位系統L1頻點C/A碼信號而言，符號與數據比特是一致的；但對于Galileo衛星導航系統的導航信號而言，每個數據比特都是利用帶有前向信道碼的二進制符號編碼的。

· 數據比特（Data Bit）：匹配于導航電文的二進制信息。

提取測距碼、載波以及復制偽碼信號與導航信號的相關結果等信息對于求解導航解的必要性在于：

· 同步（Synchronization）：包括數據比特/碼元符號同步以及信號幀同步。

· 數據解調（Data demodulation）：提取導航電文的數據比特。

· 生成衛星導航系統觀測量（Generation of GNSS observables）。

· 信號處理應用（Applications processing）例如定位、速度和時間等參數計算。

圖54　Galileo衛星導航系統信號數據調制和解調流程

以Galileo衛星導航系統信號為例，圖54給出了導航電文數據編碼到電文結構中的流程，每一幀數據由一系列相關的子幀數據組成

4.5.8.2 同步 Synchronization

GNSS接收機在計算偽距觀測量過程中需要完成兩類數據解調同步，一類是碼元符號同步（對于沒有利用帶有前向信道碼的二進制符號編碼的信號，也稱為比特位同步），一類是信號幀同步。

（1） 碼元符號同步Symbol Synchronization

對于GPS全球定位系統L1頻點C/A碼信號，其偽隨機噪聲測距碼（C/A碼）由1023個碼片（chip）組成，C/A碼的周期是1毫秒（ms）；一個數據比特（data bit）持續20ms，即在每個碼元符號（symbol）或數據比特中有20個偽隨機碼元符號（Pseudo-symbol）。也就是說，如果GNSS接收機正常跟蹤到導航信號，相關器在一個C/A碼的周期（1ms）完成積分累積計算，輸出結果是20個相同的偽隨機碼元符號的集合，每個集合對應一個碼元符號。

一般通過直方圖（histograms）和計數器（counters）獲得碼元符號同步。碼元符號同步后，GNSS接收機延長相關器的積分累積時間，直到一個碼元符號的持續時間（例如，對于GPS全球定位系統L1頻點C/A碼信號而言，持續時間是20ms）為止，然后開始輸出碼元符號，與此同時檢查直方圖分布不下滑。

（2） 信號幀同步Frame Synchronization

接收機解調出來的導航電文為二進制格式，在接收端，解擴解調之后得到的數據未經同步檢測，所包含的信息仍然無法正確解出。因此，需要通過幀同步檢測出每一幀的起始位置和結束位置，然后對每一幀中幀頭之外的數據進行譯碼，才能得到播發的導航電文信息。

信號幀同步目的在于從碼元符號序列中識別導航電文子幀，例如，對于GPS全球定位系統L1頻點C/A碼信號而言，幀頭（preamble）“10001011”是導航電文每個子幀的起始標志，也是識別電文的標志，通過尋找幀頭“10001011”就可以實現信號幀同步，因此幀頭“10001011”也稱為同步字SW（Synchronization Words）。還需要提醒兩點：

· 根據導航信號接口控制文件（SIS ICD）規定，導航接收機能夠解調出導航電文信息；

· 導航接收機能夠解調出導航電文每一個子幀的碼元符號。

4.5.8.3 數據解調Data Demodulation

數據解調目的在于以最大的置信度從導航電文中提取比特信息，這取決于接收信號的質量以及導航信號接口控制文件的復合程度，解調過程中的主要技術如下：

（1） 檢驗碼Parity Decoding

預先定義的比特集合（例如，字符）的奇偶性要與傳輸時計算的比特集合的奇偶性相匹配，且該集合應該在在導航電文的定義的符號集合內，只有這樣才能保證奇偶編碼后的電文能夠正常發送。奇偶編碼后的任何偏差意味著在導航電文里至少有一處存在誤差。

（2） 循環冗余校驗Cyclic Redundancy Checks（CRC）

循環冗余校驗，簡稱為CRC，用預先定義的多項式（polynomials）去比較和檢查接收機對導航電文的解調結果。

（3） 前向誤差修正Forward Error Correction（FEC）

導航電文是含有多個數據比特的塊，前向誤差修正編碼技術用多個碼元符號表示數據比特，這樣衛星導播發的航信號中包含冗余的信息，用戶接收機就能夠檢測并修正一些潛在的誤差，由此可以提高接收機信號接收通道性能。例如，Galileo衛星導航系統開放服務信號采用前向誤差卷積碼（forward error convolutional codes）對導航電文進行編碼，其中碼長7，編碼速率1/2，即用兩個碼元符號表示一個數據比特，用戶接收機采用Viterbi解碼技術解調出導航信號中的導航電文。

（4） 塊交織信道編碼Block Interleaving

塊交織信道編碼技術以不同的次序播發碼元符號，例如，Galileo衛星導航系統開放服務信號以M列N行矩陣組合碼元符號，然后轉置碼元符號矩陣并播發給用戶。用戶接收機接收到導航信號后，對矩陣進行逆變換以恢復原始碼元符號順序。塊交織信道編碼技術的優點是使得編排的導航電文具有更強的抗突發誤差能力，其原因是塊交織信道編碼技術將突發誤差造成的影響的也分散到導航電文的大部分區域，而且能夠恢復初始狀態，例如，可以利用前向誤差修正編碼技術具備的誤差修正能力，修正突發誤差造成的錯誤數據比特。