（空间物理学专业论文）星载双频软件gps接收机研究.pdf

摘要y7 3 5 s 8 2 摘要 2 0 0 2 年1 2 月3 0 日，9 2 i 一期神舟四号飞船发射成功后，对飞船轨道进行了 四次单频g p s 、s l r 和u s b 联合观测。定轨径向精度优于2 米，满足预定任务指 标要求。9 2 1 二期飞船综合精密定轨项目对定轨的精度提出了更高的要求。单频 g p s 接收机无法直接进行电离层传播时延观测，电离层传播时延改正方法又不足 以满足定轨的精度要求，所以必须开展星载双频g p s 接收机的研究。 本文主要研究面向星载用户的高性能双频g p s 接收机的解决方案和具体实 现。在目前的条件下，考虑和北斗等其他导航系统的兼容，研究出适合于航天器 使用的高精度双频g p s 接收机。要求接收机可以工作于高动态、弱信号的环境下， 实现g p s 的c a 码伪距、i 1 载波相位、i 。2 载波相位以及电离层时延的跟踪输出， 为后续的应用提供基础。 本文首先研究基于软件无线电的通用导航接收机的体系结构。基于软件无线 电的通用导航接收机，采用宽频天线等通用的硬件平台，通过加载不同的应用程 序实现不同的功能，解决现有的几种卫星导航系统融合问题，兼容包括北斗导航 系统、俄罗斯的g l o n a s s 导航系统欧洲的伽俐略导航系统等卫星导航系统。基于 软件无线电的通用导航接收机有着传统接收机所没有的众多优点。由于软件接收 机数据存储的特点，接收机可以实现非常复杂的算法，从而在精度、抗干扰、弱 信号处理等方面有着极大的优势。 本文接着研究了基于软件无线电技术的接收机的信号捕获和跟踪算法。此算 法充分考虑了星载接收机多普勒频移大、换星快、掩星条件下信号弱、电离层传 播时延变化范围大的特点，可以很好地适应星载高动态的工作环境。 本文还研究了g p s 的l 2 波段载波跟踪算法。由于a s 技术的影响，通常的途 径无法实现g p s 的l 2 波段跟踪。本文通过对a s 技术的进一步深入研究，获得了 码的时序特性。把对g p s 系统l 2 频段信号传统的无码跟踪转变为在p 码辅助 下的半无码跟踪。这从根本上改变了l 2 载波跟踪的方法，相对于平方、交叉等 跟踪方法，大幅度地提高了跟踪的信噪比。在此基础上，本文设计了全新的基于 贝叶斯滤波器的动态跟踪模型。这个模型是基于概率意义上的最优化滤波模型， 可以在高动态和强干扰的条件下工作，可以最大程度克服由于模型误差和模型的 非线性性带来的收敛性等问题，同时也进一步地提高了跟踪的信噪比。测试的结 果表明，本文提出的跟踪算法在a s 技术条件可以获得和授权用户基本一致的跟 踪性能。 本文研究的星载双频软件g p s 接收机完全自主开发，是9 2 1 二期精密定轨、 g p s 无线电大气掩星探测等的技术基础，有着广阔的应用前景，也为下一步高性 能航天应用导航接收机的开发打下了良好的基础。 关键字：g p s 高动态a s 技术双频软件无线电贝叶斯滤波器 英文摘要 a b s t r a c t a f t e rs h e n z h o u u n m a n e ds p a c e c r a f tl a u n c h e ds u c c e s s f u l l yo nd e c3 0 2 0 0 2 ，t h eo r b i to ft h es p a c e c r a f th a db e e no b s e r v e df o u rt i m e sw i t h s i n g l e f r e q u e n c yg p sr e c e i v e r ，s l ra n du s b t h er a d i a la c c u r a c yw a sb e t t e r t h a n2m ，m e tt h er e q u i r e m e n to ft h et a s k t h em i s s i o no f i n t e g r a t e d p r e c i s eo r b i td e t e r m i n a t i o ni nn e x ts t a g eo fc h i n e s em a n e ds p a c e c r a f t m i s s i o n r e q u i r e s b e t t e r a c c u r a c y b e c a u s e t h e s i n g l e - f r e q u e c y g p s r e c e i v e rc a n to b s e r v et h ei o n o s p h e r i cd e l a yd i r e c t l ya n dt h ei o n o s p h e r e c o r r e c tio n sc a n tm e e tt h ed e m a n do ft h e a c c u r a c y ，t h e r e s e a r c ho f s p a c e c r a f th e l dd u a l f r e q u e n c yg p sr e c e i v e rm u s tb ed e p l e y e d i nt h i sp a p e r ，s p a c e c r a f th e l dd u a l f r e q u e n c yg p sr e c e i v e rh a sb e e n d e s i g n e d t h er e c e i v e ri sc o m p a t i b l ew i t ho t h e rn a v i g a t i o ns y s t e m ss u c h a sg l o n a s sn a v i g a t i o ns y s t e me t c ，a n dc a nw o r ki nh i g hd y n a m i ca n dw e a k s i g n a l se n v i r o m e n t i t so u t p u t si n c l u d et h ec ap s e u d r a n g e ，l 1c a r r i e r p h a s e ，l 2c a r r i e rp h a s ea n dt h e l 2 i o n o s p h e r i cd e l a y s b a s e do nt h es o f t w a r er a d i ot h e o r y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h es t r u c t u r e o fg e n e r a ln a v i g a t i o nr e c e i v e rf i r s t t h eg e n e r a lr e c e i v e rc o n s i s t so f b r o a d b a n da n t e n n a sa n do t h e r g e n e r a l h a r d w a r e p l a t f o r m s i ti s c o m p a t i b l ew i t ho t h e rn a v i g a t i o ns y s t e m ss u c h a sg l o n a s s ，g a l i l e oa n d b e i d o ub y l o a d i n gv a r i o u ss o f t w a r e s c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lr e e e i v e r s ， s o f t w a r er a d i ob a s e dr e c e i e rc a ni m p l e m e n tm o r ec o m p l e xa l g o r i t h m sa n d o b t a i n sg r e a ta d v a n t a g e si nt r a c k i n ga c c u r a c y ，a n t i i n t e r f e r e n c ea n dw e a k s i g n a l sp r o c e s s i n g t h es p a c e c r a f th e l dg p sr e c e i v e rm u s tw o r ki nh i g hd y n a m i ce n v i r o m e n t ， s oi tw i l le n c o u n t e r h i g hd o p p l e rf r e q u e n c y ，w e a ks i g n a l s ，g r e a t i o n o s p h e r i cd e l a yr a n g e ，e t c t h i s k i n do fg p sr e c e i v e r sa n dr e l e v a n t t e c h n o l o g i e s w h i c hi n v o l v es u c hs e n s i t i v ef i e l d ss u c ha sm i li t a r ya r e b l o c k e df r o mt h ef o r e i g nt oo u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r ，t h e s es i g n a l s a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h m sf o rh i g hd y n a m i cc i r c u m s t a n c e sh a v e b e e nd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y f i n a l l y ，t h et r a c k i n ga l g o r i t h m so fg p sl 2s i g n a l sa r e d i c u s s e di n t h i sp a p e r b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fa st e c h n o l o g y ，t h ec o n n o nw a yt o a c c e s st h el 2s i g n a l so fg p si sf o r b i d d e n i nt h i sp a p e r ，w eo b t a i nt h e t i m i n g i n f o m a t i o na b o u twc o d eb yt h ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o n s i na s t e c h n o l o g y t h u s ，w ec h a n g e st h et r a d i t i o n a ll 2s i g n a l sc o d e l e s st r a c k i n g l i i 星塾翌塑竺堡q 堕堡坚塑堡塞 i n t opc o d ea i d e ds e m i c o d e l e s s t r a c k i n g s e m i - c o d e l e s st r a c k i n gc a n i m p r o v et r a c k i n gs n rg r e a t l yw i t hc o m p a r e dt oc o d e l e s st r a c k i n gs u c ha s s q u a r i n g ，c r o s s c o r r e l a t i o n ，e t c f u r t h o rm o r e ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e d an e w d y n a m i ct r a c k i n g m o d e lb a s e d m e d i a n f l l t e ra n db a y e s i a n f i l t e r t h i s m o d e li st h eo p t i m a lf i i t e rm o d e li np o s i b i l i t ym e a n i n g ，i tc a nw o r ku n d e r h i g hd y n a m i ca n ds t r o n gi n t e r f e r e n c ec i r c u m s t a n c e s t h i sm o d e la l s oc a l l a v o i dt h es l o wc o n v e r g e n c eo r d i s p e r s e m e n tp r o b l e mw h e nt h em o d e li s i n a c c u r a t eo rn o n l i n e a r t h et e s tr e s u l t ss h o w t h ep e r f o r m a n c eo ft h i s r e c e i v e r ，w i t ha so n ，i sa sg o o da so t h e rr e c e i v e r sw i t ha u t h o r i z a t i o n t h e s p a c e c r a f t h e l d d u a l f r e q u e n c y g p sr e c e i v e rh a s d e v e l o p e d i n d e p e n d e n ti nt h i sp a p e r t h er e c e i v e ri st h eb a s i so ft h em i s s i o no f i n t e g r a t e do r b i td e t e r m i n a t i o na n dt h em i s s i o no ft h er a d i oa t m o s p h e r e d e t e c t i o n i th a sc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n s ，a n dl a y st h eb a s i sf o r e x p l o r i n gh i g hp e r f o r m a n c es p a c en a v i g a t i o nr e c e i v e r s k e y w o r d s ：g p s ，h i g hd y n a m i c ，a st e c h n o l o g y ，d u a l f r e q u e n c y ，s o f t w a r e r a d i o ，b a y e s i a nf i i t e r 第一章基础和背景 1 。1 背景和意义 第一章基础和背景 9 2 1 一期工程神舟四号飞船上安装的雷达高度计是我国首次进行空间飞行 的微波测高仪，它所测量的海面高度、有效波高、海面风速等参数可以用于海洋 动力学研究的各个领域，如海洋大地水准面测量、海洋重力场探测、海洋大中尺 度环流监测、厄尔尼诺现象监测等等许多方面，是目前能对全球范围的海水、海 冰表面拓扑进行全天候、连续、实时高精度测量的唯一手段，对全球自然灾害研 究和军事应用意义十分重大，对于我国遥感技术的应用和发展也具有非常重要的 意义。由于高度计测量的是飞船到海面的相对距离，如果要得到海平面到地球基 准椭球面的距离就必须精确地测量飞行器的位置，因此精密定轨任务就显得十分 重要。9 2 1 工程应用系统于1 9 9 5 年1 0 月成立了神舟四号飞船综合精密定轨专项 任务。 综合精密定轨的目的是为轨道舱上安装的多模态微波遥感器的高度模态( 高 度计) 测量提供精确的轨道位置。总体技术指标要求在定轨区域内，飞船轨道径 向误差为2 至3 米。综合精密定轨采用了联合g p s 、s l r 和u s b 三种观测数据， 并加以精密电离层传播时延改正的综合精密定轨方案。 2 0 0 2 年1 2 月3 0 日，神舟四号飞船发射成功后，共进行了四次单频g p s 、s l r 和u s b 联合观测。我国激光网第一次成功地对我国首颗安装了激光反射器的神舟 四号飞船进行了激光跟踪观测，获得了厘米级观测数据。数据后处理结果表明： 定轨径向精度优于2m ，满足预定任务指标要求，这是国内目前达到的最高定轨 精度。 综合精密定轨为多模态微波遥感器的高度模态测量提供了精确的轨道位置， 对研究神舟飞船的轨道特性也有重要价值，也可推广到其它空间对地观测应用。 9 2 1 二期飞船综合精密定轨项目对定轨的精度提出了更高的要求。由于单频 g p s 无法直接进行电离层传播时延观测，其他的电离层传播时延改正方法已不足 以满足定轨的精度要求。固而二期飞船综合精密定轨必须以船载软件无线电g p s 双频接收机加卫星激光测距为主要手段。精密定轨也是飞船空间交会对接等9 2 1 二期关键技术实现的基础。 g p s 无线电掩星大气探测也是9 2 1 二期工程的一部分。g p s 无线电掩星大气 探测具有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率、高精度、高长期稳定性等诸多优点， 通过反演可以得到大气参量( 折射率、气温、气压和水气) 的垂直分布，为大气 研究和预报提供了全球性的基础观测资料；还可以进行电离层探测反演得到电离 星载双频软件g p s 接收机研究 层电子密度剖面，对航天器无线电定轨中的电离层折射( 时延) 误差进行修正； 对地和对空通信误码率进行监测和预报，为航天器提供安全保障。 本文研究的星载双频软件g p s 接收机可为9 2 1 二期工程中航天器的精密定 轨、g p s 无线电掩星大气探测等提供必不可少的技术基础。 星载双频软件g p s 接收机的研究是基于软件无线电而展开的，基于软件无线 电思想的软件接收机，采用宽频天线等通用的硬件平台，通过加载不同的应用程 序实现不同的功能，可以很好地解决现有的几种卫星导航系统融合，兼容包括北 斗导航系统、俄罗斯的g l o n a s s 导航系统欧洲的伽俐略导航系统，是包含了最少 硬件的通用导航接收机。 星载双频软件g p s 接收机是面向星载用户的高动态接收机。星载g p s 接收机 的有几个特点：( 1 ) 多普勒频移大；( 2 ) 换星快：( 3 ) 掩星条件下信号弱：( 4 ) 电 离层传播时延变化范围大。这类涉及军工等敏感领域的g p s 接收机，国外的相关 技术或产品对我国是封锁的，有关的核心解决技术在各种文献中也见之甚少，相 关技术必须自主开发。 星载双频软件g p s 接收机还必须克服a s 技术的影响。反电子诱骗 ( a n t i s p o o f i n g ，a s ) 技术的目的在于防止对p 码用作精密导航定位的电子干扰。 这个技术的实施客观上造成了非美国军方及其特许的盟国无法利用l 2 波段进行 双频定位。所以星载双频软件g p s 接收机必须研究在a s 技术条件下，对l 2 波段 进行可靠跟踪的办法。 本文研究的星载双频软件g p s 接收机为完全自主开发，是9 2 1 二期精密定轨、 g p s 无线电大气掩星探测等的技术基础，有着广阔的应用前景，也为下一步高性 能航天应用导航接收机的开发打下了良好的基础。 1 2g p s 电离层时延的影响及研究现状 电离层是高度位于5 0 k m 至1 0 0 0 k m 之间的大气层。由于太阳的强烈辐射，电 离层中的部分气体分子被电离形成大量的自由电子和正离子。当电磁波信号穿过 电离层时，信号的路径会产生弯曲( 但对测距的影响很微小，一般可以不去顾及) ， 传播速度会发生变化( 其中自由电子起主要作用) 。所以信号传播时间乘以真空 中的光速并不等于卫星至接收机之间的几何距离。对于g p s 信号来讲，这种距离 差在天顶方向最大可达5 0 m ( 太阳黑子活动高峰年1 1 月份的白天) ，在接近地平 方向时( 高度角为2 0 。时) 则可达1 5 0 m 。电离层矫正方法对单频和双频接收机是 不同的。 ( 1 ) 双频接收机电离层矫正方法。电离层是一种散射介质，即其折射系数是 电波频率的函数。因此，它对l 1 和l 2 产生不同大小的扰动，双频接收机的观测 第一章基础和背景 值可借助这一特点基本消除电离层改正误差。( 式1 1 ) 可以用来计算双频接收机 的电离层误差： 铲= 磊慨， 笋九2 卜 n l 。一笋。：】 ( 式1 1 ) jl 2 ，l 2 其中，雠p 是l 1 上的电离层误差，单位m ；五。，五2 是l l 和l 2 的载波频率，单位h z 。 经过电离层效应距离改正后的g p s 双频载波相位观测成果，其改正残差源于 整周模糊度n 解算的不确定性( 包括周跳探测和修复之误) t u 载波相位观测误差。 所以，如何更好的固定模糊度成为双频修正的一个关键因素。 ( 2 ) 单频接收机电离层矫正方法。对于单频接收机而言，电离层改正方法主 要有相对定位法、模型改正法和半和改正法等。当进行短距离相对定位时( 例如 3 0 k m 以内) ，由于两测站上空的电子密度相关性很好( 尤其是晚上) ，卫星的 高度角也几乎相同。即使不进行电离层折射改正，也可以获得极好的相对定位精 度。但当电离层比较活跃，天顶方向电离层折射误差较大时，即便是短基线测量， 也不能忽视电离层折射的影响。另外，张孟阳等提出适用于单频接收机的伪码 载波相位电离层延迟改正方法，该方法的修正效果取决于模糊度的确定，而目前 单频接收机模糊度的确定尚无特别有效的方法，因而制约了该方法的推广。 电离层效应距离偏差( 电离层误差) 可以通过建立电离层误差改正模型来自0 弱，常用的模型有：k l o b u c h a r 模型，b e n t 模型，国际参考电离层模型i r i ，i c e d 模型，f a i m 模型等。k 1 0 b u b h a r 模型比较简单，容易实现，因而，被广泛用于 g p s 单点定位中。它把晚上电离层误差看成一个常数，白天的电离层效应距离偏 差是随时间变化的函数。这比较符合电离层效应距离偏差的时间变化规律，但它 没有考虑电离层高度变化对电离层效应距离偏差的影响，所以不太适用于对高空 目标的导航定位。而且，它未顾及电子密度的区域分布差别，对全球电离层修正 采用同样的模型，这样也会带来一定的误差。b e n t 模型、f a i m 模型等实现起来 较为麻烦。半和改正法采用载波相位观测值来改正伪距测量中的电离层效应距离 偏差，方法虽然简单，只需将同一观测时刻的载波相位观测值和伪距测量观测值 取中数( 伪距测量值与载波相位测量值的电离层效应距离偏差的大小相等，符号 相反) 即可消除电离层效应距离偏差。但这会引入一个整周模糊度，造成诸多不 便，故很少被采用。 目前，我国已经上天的星( 船) 载g p s 还限于单频接收机，电离层折射误差较 大。在s z 一4 精密定轨的专项任务中，虽然采取了专门的技术措施修正船载g p s 电离层折射误差，并取得了莨好的效果，但距离基于双频g p s 接收机的电离层折 射误差修正精度还有一定的距离。对于精密定轨精度为径向l m 的指标来说，如 果采用单频g p s 加电离层折射误差修正的方式，难以达到。 星载双频软件g p s 接收机研究 1 。3g p s 信号s a 、a s 政策的影响及研究现状 g p s 卫星网向地面发射两个定位码信号：即c a 码( 标准定位服务) 及p ( y ) 码( 精确定位服务) 。s p s 主要面向民用，p p s 主要对象是美国军事部门和其他特 许部门 3 6 。两种服务的单点定位精度如表1 1 。 表1 1g p s 单点定位精度( 单位：米) g p s 政策 s p sp p s s aa sc ap c ap o f fo f f4 0l o4 01 0 o no f f1 0 09 54 01 0 o no n1 0 04 01 0 o f fo n4 04 01 0 所谓s a 技术，简言之，就是一种导致非特许用户不能够获得高精度实时导 航定位的秘密方法。s a 技术包括对g p s 卫星基准频率所采用的占( d i t h e r ) 技术， 对导航电文采用的s 技术。s a 技术从1 9 9 1 年7 月1 日开始全面施行，在2 0 0 0 年5 月1 日零点开始终止。从1 9 9 4 年1 月开始，g p s 工作卫星全部实施了译密 技术，也称为反电子诱骗( a n t i s p o o f i n g ，a s ) 技术，a s 技术的目的在于防止敌方 对p 码用作精密导航定位的电子干扰。 在a s 技术作用下，p 码经过加密技术处理而变成了y 密码，它是由正常的p 码和机密的w 码之模二和而形成的。非特许用户不仅不能用p 码作实时导航定位 测量，而且不能进行p 码和c 码码相位测量联合解算，甚至p 码数据平滑。只 有特许用户才能拥有破译y 码的密钥，剔除w 码，恢复p 码，进而利用p 码作精 确的导航定位测量。通过高增益的碟形天线的测量，w 码的速率可以近似为 5 0 0 k h z 或是p 码速率的1 2 0 ，这样w 码和p 码之间的时序关系有可以近似地确 定。 由于在l 2 频段上没有调制c a 码。所以当a s 技术启动的时候，没有办法利 用y 码，也就没有办法利用l 2 频段。l 2 频段无法利用对许多用户来说是个很大 的问题。首先，没有办法测量和修正伪距测量上电离层折射的影响。当然这对标 准定位服务的用户来说由于其他的误差已经超过了电离层折射的影响，所以并不 造成太大的影响。但是如果用户使用差分技术来提高精度，电离层折射的影响就 很大了。其次，l 2 频段的缺失使得载波相位差分或动态用户无法使用双频载波 相位平滑的技术提高精度。 载波测量的精度和载波频率是相关的，l l 载波的波长是1 9 c m ，l 2 载波的波 长是2 4 4 c m 。在这种情况下，为了获得更好的精度已经相继采取了一些措施。 第一章基础和背景 例如，c a 码的差分技术，可以达到米级的定位精度；无码技术，在测地时可以 达到厘米级的定位精度。通常情况下，载波测量可以达到的精度是波长的1 5 0 ， 这样载波测量得到的精度就大大地高于码测量。但是这个精度是必须在卫星和接 收机之间的载波变化的整周数确定的情况下获得。 解决静态接收机的整周模糊数的方法有许多种。通常情况下可以先放置两个 或更多的接收机收集一段时间同一组卫星的载波数据，基线的约简过程利用卫星 的几何分布可以求解载波的整周模糊数和基线矢量。一旦载波的整周模糊数求解 出来，定位的位置就可以计算出来，通常情况下，这种方法的定位精度可以达到 1 c m 。 也有很多算法被用来求解动态接收机的整周模糊数。比如，使用一台静态的 参考接收机测量码测量和载波相位测量过程中的系统误差然后实时传送给接收 机。一般情况下，这种模糊数的求解需要多个步骤。首先，码测量可以得到差分 精度大约为卜5 m ；然后，在差分测量的周围定义包含真值的的搜索区；最后， 进行搜索。这种方法至少要获得5 颗卫星的信号，其中一颗卫星用于估计残差， 而且需要较长的时间。搜索的过程之所以之所以费时，是因为假定某个值为真值 后，必须随时问更新真值，只有测量的误差不会随卫星的运动增加才表明搜索过 程的结束。 双频接收机的l 1 和l 2 载波相位以及双频码伪距测量能力为测量整周模糊数 提供了另外一种好办法。当l 1 和l 2 载波相位都可以得到的时候，可以消除电离 层的影响同时结合两个频率产生宽巷度量。较长的载波波长有非常大的好处。当 用于搜索平滑码双差测量的不确定性时，搜索立体范围的卜2 m 界限可以用 3 a 而不是l l 的1 1 如。这会导致必须在个给定历元内计算和检验的整 周多值性组的残差数成百倍地下降。 由于a s 技术的启动，l 2 载波相位测量的巨大好处就无法获得。这导致了多 种在a s 打开，l 2 载波无法用通常办法访问时可以获得需要测量值的办法的产生。 大部分的接收机使用混合技术，l 1 的载波相位通过c a 码的码相关办法得到， l 2 的相位使用无码或是半无码方法重建。在无码的技术中，假定不知道y 码的 任何知识。在半无码的技术中，我们知道公开的p 码的码速率是1 0 2 3 m h z ，而 且y 码是由p 码和一种加密、未知的w 码模二和而成，w 码的码速率近似为5 0 0 k h z 。 目前跟踪l 2 载波的技术主要有如下几种： 平方法( s q u a r i n g ) 平方法或与l 2 自动相关技术，在l 2 信号的二倍中心频率上产生一个半波长 载波信号，该技术如图1 1 所示。 星载双频软件g p s 接收机研究 图1 1 平方法 如果l 2 信号通过一个滤波器，很松散地与加倍前的p 码频谱相匹配，一个频谱 分量将会出现，它位于芯片速率处，其相位与l 2 副载波( 子载波) 上的l 2 分量 相位相匹配。这种将l 2 信号乘方用以恢复半波长载波信号和l 2 副载波的平方技 术由c h a r l e sc o u n s e l m a ni i i 提出并注册为美国专利号4 6 6 7 2 0 3 和4 8 9 4 6 6 2 。 c o u n s e l m a n 使用u x l ( u p p e rc r o s sl o w e r ) 技术来合成这些观测值。u x l 在免 除阻塞技术上强于平方法，然而结果却大同小异。 平方法作为恢复l 2 信息的一种手段，具有本质上的缺陷： 首先，将接收到的l 2 信号平方将导致很低的信噪比，粗略的讲比码相关低 3 0 d b 。 第二，平方法的过程将l 2 载波二等分，这将去掉8 6 c m 的l 2 一l 1 宽巷观测值 的使用，导致的无码宽巷的结果是3 4 c m 。 互相关技术( c r o s s - - c o r r e l a t i o n ) 将l 1 和l 2 信号交叉相关的方法使l l 信号路径产生可变延迟量，通过调整 此延迟量使l 1 和l 2 之间的相关性最大化，并记录相应的延迟。这个过程如图 1 2 所示。 图1 2 互相关 两个观测值结果来源于此过程：l 1 和l 2 的伪距差和一个相干频率载波( 即 l 2 相位减去l l 相位) 。 由于l 1 高精度伪距信号的发射能量是l 2 的两倍，将它们交叉相关将比l 2 信号平方的方法在信噪比上改善3 d b 。 码相关后平方法( c o d e - - c o r r e l a t i o nf o l l o w e db ys q u a r i n g ) 这种方法如图1 3 所示，利用本身产生的p 码的复制品与l 2 的y 码进行相 第一章基础和背景 关处理，将带宽窄化然后平方。 p 码 叫孓恒护踪- o 哪匦妒繇 图1 3 码相关后平方 这种方法提供了较之传统平方法的有很大的优势。最明显的好处是在信噪比 方面，利用p 码相关并在平方之前进行滤波处理，可以得到1 3 d b 的信噪比改善。 同时它也产生l 2p 码伪距，对于载波相位整周模糊度的确定非常有用。最后，p 码参与的复合观测值大大改善了免除阻塞和抑制多路径的性能。这项技术由 k e e g a n 提出并注册为美国的专利号4 9 7 2 4 3 1 。遗憾的是，它提供的是半波长载波 相位观测值。 a s h t e c h 技术( z - - t r a c k i n g ) a s h t e c h 技术利用了y 码是p 码和一个本质上低比率的w 码之模2 和这一原 理。如图1 4 所示，进入的l 1 和l 2 信号与接收机本身产生的p 码信号的复制进 行相关，将带宽窄化至w 码的带宽，最后应用至反向频率信号处理。 r 码 图1 4z - t r a c k i n g 技术 在基本原理上，这项技术的核心来自于对发射在l 1 和l 2 信号上的w 码时序的估 算，并利用这个估算降低码加密效果。 与传统互相关技术相比，有一些很本质的优势。由于带宽在互相关处理之前 就被严格地限制在一个尺度为2 0 的比例因子上，结果观测值将被此比例系数所 改善。另外，l 1 和l 2y 码伪距也现实可用，这些和利用与p 码相关获得的观测 值精确一致。从直接码跟踪技术获得的全波长l 1 和l 2 载波相位真实可靠。晟后， 信噪比较之互相关技术有巨大的1 3 d b 的提高。 与码相关后平方法比较，a s h t e c h 技术亦有两个优势： 星载双频软件g p s 接收机研究 第一，信噪比高出3 d b 。 第二，更明显的是，a s h t e c h 技术产生一个全波长l 2 载波相位观测值以及来 自于l 1y 码信号的伪距和相位观测值。 a s h t e c h 技术( z - - t r a c k i n g ) 于1 9 9 2 年注册为美国专利号5 1 3 4 4 0 7 。 o p 码辅助互相关( p ，c o d e a i d e d c r o s sc o r r e l a t i o n ) 在这种方法中，l 1 和l 2 信号首先分别和本地的p 码相关，这样在p 码剥离 后，信号的处理带宽就从2 0 m h z 降低为1 m h z 。然后，l l 被延迟以补偿电离层的 影响，延迟后的l 1 再和l 2 信号相关。这样就可以恢复l 2 的全波长相位。如图 1 5 所示。 p l c o d e p 2 - c o d e p h a s e 图1 5p 码辅助互相关技术 这种技术保留了码相关后平方和互相关的所有优点，因此也可以在一定程度 上看为a s h t e c h 技术的简化。 后验概率最大化方法 这种技术是在w 码时序已知且w 码是随机而且未知的情况下，把后验概率最 大化理论用于寻找l 2 载波相位的最佳解调，如图1 6 。 w 2 - f l m l n o ( f r o mp 2 ) 图1 6 后验概率最大化技术 第一章基础和背景 如图所示，l 卜y 信号首先和本地产生的p 码相关，然后利用从c a 码跟踪得 到的l l 相位对l l 信号进行解调，然后对信号按照w 码的码元宽度进行累积。由 于l 1 的载波相位是跟踪信号得到，因此积分和累加滤波器可以很好地跟踪到w 码，当然由于单个w 码的能量很低，可能会有比较高的误码率。但是和l 2 信号 相关后依然有足够的能量进行窄带相位锁定。l 1 积分和累加滤波器的输出在和 l 2 信号相关前进行延迟以补偿电离层效应。 l 2 信号也同样先和本地产生的p 码相关，然后使用估计得到的相位对信号进 行解调。然后使得环路达到稳定状态，则得到了l 2 载波相位的最佳估计。 上述几种技术方法的比较，总结于表1 2 ，信噪比为和a s 关闭时的比较： 表1 2 技术总结 观测值 平方法互相关 码相关平z - t r a c k i n gp 码辅助互后验概率 参数方技术相关最大化 c a 码无有有有有有 y 码无y 2 一y 1 y 2y 1 和y 2y 1 和y 2y 1 和y 2 载波半波长全波长半波长全波长全波长全波长 信噪比- 3 0 d b 一2 7 d b1 7 d b一1 4 d b一1 4 d b1 1 d b 实现方式硬件硬件硬件硬件硬件硬件 1 4 本文讨论的主要问题和内容安排 1 4 1 本文讨论的主要问题 本文研究的主要内容是面向星载用户的高性能双频g p s 接收机的解决方案和 具体实现。在目前的条件下，考虑和北斗等其他导航系统的兼容，研究出适合于 航天器上使用的高精度双频g p s 接收机。要求接收机可以工作于高动态、弱信号 的环境下，实现g p s 的c a 码伪距、l 1 载波相位、l 2 载波相位以及电离层时延 的跟踪输出，为后续的应用提供基础。 本文首先研究基于软件无线电的通用导航接收机的体系结构。基于软件无线 电的接收机，可以采用宽频天线等通用的硬件平台，通过加载不同的应用程序实 现不同的功能，解决现有的几种卫星导航系统融合问题，兼容包括北斗导航系统、 俄罗斯的g l o n a s s 导航系统欧洲的伽俐略导航系统。基于软件无线电的g p s 接收 机有着传统接收机所没有的众多优点。由于软件接收机数据存储的特点，可以实 现非常复杂的算法，从而在精度、抗干扰、弱信号处理等方面有极大的优势。 本文接着研究了适合于基于软件无线电技术接收机的g p s 信号的捕获和跟踪 星载双频软件g p s 接收机研究 算法。星载双频软件g p s 接收机是面向星载用户的高动态接收机。星载g p s 接收 机的有几个特点：( 1 ) 多普勒频移大；( 2 ) 换星快；( 3 ) 掩星条件下信号弱；( 4 ) 电 离层传播时延变化范围大。这类涉及军工等敏感领域的g p s 接收机，国外的相关 技术或产品对我国是封锁的，有关的核心解决技术在各种文献中也见之甚少，相 关技术必须自主开发。 信号的捕获和跟踪算法包含高动态环境下的解决方案。研究的内容包括：( 1 ) 高动态环境下的g p s 信号捕获。由于接收机载体的高动态性，多普勒频移范围很 大，因此必须在整个码相位及频域上进行二维搜索。结合软件g p s 的特点，采用 基于f f t 捕获可以进行并行的捕获，适合于低信噪比、高动态的环境。( 2 ) 高动 态环境下的载波和码跟踪。高动态环境给g p s 信号接收机带来两个问题，一是高 动态使g p s 载波信号产生较大的多普勒频移，可能导致载波跟踪环失锁；二是多 普勒频移使得调制在载波上的伪码产生延迟，导致码跟踪环失锁。一般情况下 f l l 环动态性能优于p l l ，典型的军用高动态接收机均采用f l l 环进行载波跟踪， 采用载波辅助技术消除多普勒频移带来的伪码延迟。 本文讨论的最后一个问题是双频罪踪的问题。从1 9 9 4 年1 月开始，g p s 工作 卫星全部实施了译密技术，也称为反电子诱骗( a n t i s p o o f i n g ，a s ) 技术，a s 技术 的目的在于防止敌方对p 码用作精密导航定位的电子干扰。在 s 技术作用下，p 码经过加密技术处理而变成了y 密码，它是由正常的p 码和机密的w 码之模二和 而形成的。非特许用户不仅不能用p 码作实时导航定位测量，而且不能进行p 码和c a 码码相位测量联合解算，甚至p 码数据平滑。只有特许用户才能拥有破 译y 码的密钥，剔除w 码，恢复p 码，进而利用p 码作精确的导航定位测量。 因此必须研究普通用户恢复p 码进行p 码精确导航定位的测量技术。加载在 l 1 和l 2 波段的p 码结构和初始相位根据i c d g p s 一2 0 0 ，为已知。但是p 码经过 加密技术处理而变成了y 密码，它是由正常的p 码和机密的w 码之模二和而形成 的。通过高增益的碟形天线的测量，w 码的速率可以近似为5 0 0 k h z 或是p 码速 率的1 2 0 ，这样w 码和p 码之间的时序关系有可以近似地确定。w 码的周期大约 为2 0 个p 码周期长度，但并不是固定值。m 个长度为a 个p 码长度的w 码跟随 着n 个长度为b 个p 码长度的w 码，满足a m + b n = 4 0 9 2 l ，l 为大于1 的接数。 并且，这个w 码的模式总是和x i a 码是对齐的。这样就可以利用已知的p 码，w 码的特性，在l 卜c a 码跟踪的辅助下完成对l 1 一p 码和l 2 一p 码码相位和载波相 位的跟踪。 1 0 第一章基础和背景 1 4 2 本文内容安排 本文的后续部分首先介绍g p s 定位的基本原理( 第二章) 和软件无线电的基本 概念和基于软件无线电的通用导航接收机的体系结构( 第三章) ，然后介绍c a 码的捕获跟踪算法( 第四章) 和p 码的跟踪算法( 第五章) ，同时给出了算法仿真的 结果和详细的讨论( 第六章) ，本文的最后对全文进行总结，明确本文的创新点， 并对进一步的研究提出了设想和建议( 第七章) 。 第二章g p s 系统及其发展 第二章g p s 系统及其发展 2 1 卫星导航系统 当代的卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的星基无线电导航系统。相对 于近代发展的陆基无线电导航和自主式导航而言，是人类导航史上的一大飞跃。 它能为全球陆、海、空、天的各类军民载体，全天候提供高精度和高速度的三维 位置，速度和精密时间信息。 1 9 7 3 年，为了满足军事部门和民用部门对实时和三维导航的迫切要求，美国 军方制定了“授时与测距导航系统全球定位系统”( n a v i g a t i o ns y s t e m t i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m n a v s t a r g p s ) 计划，通常 简称为“全球定位系统”( g p s ) ，提供高精度的、可连续的、实时的导航定位服 务。它能同时提供用户的三维坐标、三维速度分量和精确定时。它是目前技术上 最成熟且已实用的一种卫星导航和定位系统。 2 2g p s 系统的构成 g p s 系统由三部分构成：空间星座部分、 地面监视与控制部分和g p s 用户设备部分。 ( 1 ) 空间星座部分 g p s 系统空间部分是指由多颗g p s 卫星 组成的星座。 该星座由2 1 颗工作卫星组成，均匀分布 在6 个倾角为5 5 度的轨道面上，每个轨道 有4 颗卫星。此外，还有3 颗有源备份卫星 在轨运行。这些卫星以约1 2 小时的周期运 行在地球表面以上约2 0 2 0 0 千米的六个近圆 图2 1g p s 工作卫星星座 轨道面上，形成同时覆盖全球的卫星网。这些g p s 导航卫星，借助地球自转，可 使地球上的任何地方至少能同时看到6 - i