（通信与信息系统专业论文）高动态环境下极低谱密度gnss信号的跟踪技术研究.pdf

r e s e a r c ho nt r a c k n gf o rg n s s s i g n a l s w i t hl o wd o w e rs d e c t r a ld e n s i t yw l t n1 0 wd o w e rs d e c t r a lc i e n s l t v i nh i g hd y n a m i ce n v i r o n m e n t a t h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 时 f o rm ea c a d e m i cd e 伊e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y b a ix u e s u p e r v i s e db y p r o fw a n gj i e s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i l l g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u 叫2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：鱼童 日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文文件，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文文件 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学 研究生院办理。 研究生签名：鱼多导师签名：期： 摘要 摘要 全球卫星导航系统( c 烈s s ) 具有重要的军事地位，受到了各国的高度重视。卫星导航技术无论在 军事还是在民用领域都已经取得了广泛的应用g n s s 应用的关键在于其接收设备，而跟踪模块是 接收机设计的关键部分，同时也是g n s s 接收机的技术难点。 本文主要研究c n s s 接收机中的跟踪技术，首先详细介绍了载波跟踪环和码跟踪环的基本原理 及环路组成。其中，载波跟踪环详细介绍了c o s t a s 锁相环( p l l ) 及锁频环( f l l ) ，并分析了各环路 的噪声误差及动态应力特性：码跟踪环采用一阶的变带宽延迟锁定环( d l l ) 来实现，且详细介绍了 码的多普勒效应及码的采样和定时恢复问题。 本文仿真实现了对g p s 及g l o n a s s 系统导航信号的跟踪，鉴于软件接收机具有较好的灵活性。 本文采用了基于软件实现的跟踪方案，该方案将信号的跟踪过程分为五个状态：初始状态、宽带锁 频环、窄带锁频环、锁频环辅助锁相环、锁相环状态，利用状态判决器来控制跟踪状态之间的逐步 转换，从而实现对信号的稳定跟踪，通过仿真说明。在低动态环境下该跟踪方案具有可行性。 对于在高动态环境中的信号跟踪，本文采用2 阶f l l 与3 阶p l l 级联的结构，分别采用两个独 立的载波发生器，构成两个独立的环路。该结构充分利用了f l l 较好的动态特性和p l l 精确跟踪相 位的特性，环路的第一级采用锁频环，可以在比较大的初始频偏下快速跟踪载波频率，并且在高动 态环境中，降低频率的动态变化阶数。经第一级锁频环跟踪后输出的信号已经变成一个低动态信号。 此时利用第二级的锁相环对载波的相位进行高精度的跟踪，通过仿真说明，该方法不但具有比2 阶 f l l 更高的动态特性，而且能够实现精确的相位跟踪。 文章最后给出了定点化仿真结果及定点化带来的性能损失。 关键字sg n s s ，高动态，跟踪。锁相环，锁频环，延迟锁定环，定点化 a b s 仃a c t a b s t r a c t q 寸s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e r n ) h 弱锄i i i l p o n 卸tm i l i t a 巧p o s i t i o n 锄dh 弱b e 锄a 位a c h e d g r e a ti n l p o r t 锄c et oa nc o 咖i e s s a t e l l i t en a v i g a t i o nt e c h o l o g yl l a sb 嘲w i d e l yu s e di nm ef i e l do f m i l i t a 叮锄dc i v i i i 锄1 1 1 ee s s t i a lo f 吐抢印p l i c a t i o no fg n s si si t sm c e i v 锄dt l l ek e yp a no fr e c e i v 盯 d e s i g ni st r a c k i n g ，w h i c hi sa i s ot h ed i f f i c u l t yo f t i l eg n s sr e c e i v e rt e c l l n i q u e t h i sp 印e rm a i n i yr e s e a r c h e so nt 量l e 仃a c k i n gt e c l l l l o l o g yi i lg n s sr e c e i v 既f i r s t l y t l l i s p 印e r i n 订o d u c e st h e 昀d i t i o n a l 昀c k i n gt e c l l i l i q u e s 锄dt l l o r o u g h l yd e s c m e st h ec o m p o s i t i 锄锄dm c t i o no f c 枷e rn a c k i n gl o o p 锄dt h ec o d e 舰c k i n gl o o p d w i i l gt 量l ed i s c u s s i o no nt l l e 州e rt r k i i l g ，t l l ec o s t 笛 p l l ( p h 嬲e l o c k e d1 0 0 p ) 锄df l l ( r e q u 锄c y - l o c k e di o o p ) a 豫锄a l y z e di i ld e t a i l ，t i 璩p e r f o m 锄c ec u r v eo f m m o np l l 蚴df l ld i s c r i m i n a t i o r sa 他s i i i l u l a t e d 锄dc o m p 盯e d t h ec o d et m c k i i l gl o o pi si m p l e m e m e d b yad l l ( d e l a y l o c k e d1 0 0 p ) w i t hv 盯i a b i eb 锄d w i d m ，i ed o p p l 盯e 虢c to fp nc o d e 锄dt i m i n gr e c o v e d r 盯ed i s c u s s e d t h i sp a p 盯h 勰s i m u l a t e dt h e 仃k i n go fg p s 锄dg l o n a s s s i 伊m 1 s i n c et h en e x i b i l i 锣o fs o f h ，a v e 佗c e i v e r t h i sp 印e ra d 叩t sas o f h v a v e - b 舔e d 仃a c k i i l gp r 0 鲫n t h i sp r o f 锄h 铋f i v en 曩c k i i l gp r o c e s s s 协t e s t l l es i g n a l 订k i n gi s h i e v e db yt h ec o n v e r s i o nb e m nd i 仃e r e n tp r o c e s ss t a t e s i f il o wd y n 锄i c 饥v i r o n m e n t ，t h ev a l i d a t i o no f m i sp r o g r a mi sv e r i f i e db a s e do n l es i i l l u l a t i 既p 硝m 跚t s d u r i n gt h ed i s c u s s i o n t i l es m g a lt r k i n gi l lh i g l ld y n 锄i ce n v i r o n m e n t ，ai o o pc a s c a d e db yf l l 锄dp l li sp r o p o s e dt o 舰c k i n gc a 丌i e r m i s1 0 0 pu t i l i z e sn l ea d v 柚t a g e so f b o mf l l 锄dp l l 1 h i s 仃a c k i n gm e t h o dn o to n i yc a nt r a c kh i g l l e rd y n a m i cs i 弘a it l l 锄f l l ，b u ta l s oh 弱w e l la c c i l n l c y c h a r a c t e s t e c sa sw e l la sp l l f i i l a l l y t h i sp a p e rp r 0 v i d e sf i x e d p o i n ts i m u i a t i o n s u i t sa n dt h el o s so fp e r f o 册a n c ec 跏s e db yf i n i t e p 他c i s i o ni sp u tf o n v 盯d k e y w o r d 3 ：0 n s s h 讪d y n 锄i c ，臼k i n g ，p l l ，f l l ，d l l ，f i i l 沁p 他c i s i o n i i 目录 目录 摘要。i a b s 仃a c t i i 目录i i l 第一章绪论l 1 1g n s s 系统介绍1 1 1 1g p s 系统l 1 1 2g l ( ) n a s s 系统2 1 1 3g a l i l e o 系统2 1 1 4 中国北斗系统2 1 2g n s s 系统的发展前景3 1 3 课题研究背景及意义3 1 4 论文的内容安排4 第二章g n s s 系统基本原理5 2 1g n s s 信号结构特点5 2 1 1g p s 信号结构5 2 1 2g p sc a 码的产生5 2 1 3g l o n a s s 信号结构6 2 1 4g l o n a s s 粗码的产生7 2 1 5 伪随机码的相关性：7 2 2g n s s 接收机8 2 3 本章小结1 0 第三章g n s s 信号跟踪l l 3 1 跟踪环概述1 l 3 2 载波跟踪环13 3 2 1 锁相环13 3 2 2 锁频环15 3 2 3 环路滤波器1 7 3 3 码跟踪环18 3 3 1 码环鉴别器1 9 3 3 2 变带宽d l l 环2 0 3 3 3 码多普勒效应2 0 3 3 4 载波辅助技术2 2 3 3 5 码的定时恢复2 2 3 4 各跟踪环性能分析2 4 3 4 1p l l 性能分析2 4 3 4 2f l l 性能分析2 6 3 4 3d l l 性能分析2 8 3 5g p s 信号跟踪仿真2 8 3 5 1 软件跟踪方案2 8 3 5 2 跟踪指示器2 9 3 5 3 载噪比估计2 9 l 3 5 4 仿真参数3 0 3 5 5 仿真结果3 0 3 6g l o n a s s 信号跟踪仿真3 3 3 6 1 仿真参数3 3 3 6 2 仿真结果。3 4 3 7 本章小结。3 6 第四章高动态环境下信号跟踪3 7 4 1 高动态环境定义3 7 4 2 高动态对信号跟踪的影响3 7 4 3 高动态信号跟踪算法3 8 4 3 1d p l l 算法3 9 4 3 2c 队f c 算法4 0 4 3 3o d a f c 算法4 l 4 3 4e k f 算法4 3 4 4 各算法性能比较4 7 4 5 改进的高动态跟踪方案4 7 4 6 本章小结5 3 第五章定点化仿真5 5 5 1 输入数据的量化5 5 5 1 1a g c 量化5 5 5 1 2 截位方案5 5 5 1 3 位宽选取5 6 5 2 载波n c o 及码n c o 5 7 2 1n c o 丁作原理5 7 2 2 正弦存储表的实现。5 7 别器定点化运算5 9 路滤波器系数量化5 9 点化仿真结果5 9 章小结6 3 文总结6 5 究工作总结6 5 一步研究方向6 5 6 7 6 9 第一章绪论 1 1g n s s 系统介绍 第一章绪论 全球导航卫星系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，g n s s ) 是国民经济信息化建设的最要 组成部分和推动力量，是国家信息体系的重要基础建设设施，在国民经济建设中占有重要的地位。 同时，它的军民两用性质也决定了其作为关键技术对国家安全和战争成败的支撑作用。随着g n s s 的应用水平的不断提高，对卫星导航技术也提出了更多更高的要求，卫星导航相关领域的技术研究 进入了一个新的热点时期，也成为我国国家发展战略的迫切需求。 g n s s 系统是一种星基导航系统，一般由三大部分组成：卫星星座，地面控制监视网络和用户 接收设备。不同系统之间有不同的特点。但是原理和用途都是一致的。 早期发展的星基系统【l 】主要有：美国海军导航卫星系统( 也叫做子午仪，即t r 孤s i t ) 、俄罗斯的 t s i k a d a 系统。这两种系统存在一些严重的缺陷，每次定位需要1 0 1 5 分钟，定位更新很慢。鉴于早 期卫星导航系统的局限性，产生了现代g n s s 系统。目前，有两种正在运行的全球导航卫星系统： 一种是受美国政府管理的全球定位系统( g p s ) ：另一种是由俄罗斯联邦政府管理的全球轨道运行导 航卫星系统( g l o n a s s ) 。另外，在欧洲联盟( e u ) 和欧洲太空署( e s a ) 之间努力合作开发，并 即将实现的一种新的称之为伽利略( g a l i l e o ) 全球导航卫星系统，它将由民间来进行控制和管理。 同时，我国也正在加速开发“北斗卫星”第二代导航系统。 1 1 1g p s 系统 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i i l gs y s t 锄，g p s ) 是美国2 0 世纪三大空间技术之一，是当今世界 航天航空技术、无线电通信技术和计算机技术的综合结晶。目前，g p s 系统已经是全运行的，该系 统向具有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。 标称的g p s 卫星星座由安排在6 个轨道面上的2 4 颗卫星组成，每个平面4 颗。系统利用单向 到达时间( t o a ) 测距的概念，卫星以高精度的星载原子频率标准作为基准进行信号发射。卫星采 用码分多址( c d m a ) 技术在两个频率上广播测距码和导航数据，也就是说，系统使用两个频率， 分别称为l l ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 和l 2 ( 1 2 2 7 6 m h z ) ，每颗星都在这两个频率上发射，但所使用的测距 码与其它卫星所使用的不一样。这些码的选择依据是他们两两之间有较好的互相关特性。每颗卫星 产生一个称为粗捕获码或c ，a 码的短码和一个称为精码或p ) 的长码。导航数据为接收机提供了确 定卫星在信号发射时刻的位置的手段，而测距码使用户接收机能够确定信号的传输延时，从而确定 卫星到用户的距离。 1 9 9 9 年1 月，美国政府宣布了一项新的g p s 现代化提案，要求在新的g p s 卫星中增加两个民 用信号：l 2 c 和l 5 。l 2 c 信号位于l 2 频率上，将用于非生命安全类的应用；l 5 信号位丁航空无线 电导航服务( a r n s ) 的1 1 7 6 4 5 m h z 波段，l 5 信号预定用于生命安全应用。这些新增信号将为s p s 用户提供校正电离层延迟的能力，从而大大增加民用用户的精度。 1 东南大学硕士学位论文 1 1 2g l o n a s s 系统 g l o n a s s 系统是俄罗斯开发的导航系统。该系统由中轨道( m e o ) 卫星星座、地面控制区段 和用户设备组成。g l o n a s s 的目标是在2 0 1 0 2 0 1 1 年问达到2 4 颗星。2 0 0 3 年以来，一种新的民用 信号已投入使用，该信号由称为g l o n a s s - m 的两颗现代化卫星来广播。在g l o n a s s m 卫星之后， 将推出g l o n a s s k 卫星，它能够广播所有的传统信号，加上用于s o l 应用的第三个民用频率。 作为现代化计划的一部分，g l o n a s s m 卫星和g l o n a s s k 卫星设计中增加了卫星的可靠性， 而且g l o n a s s k 卫星还设计为同时广播完好性数据和广域差分改正数1 1 1 。 俄罗斯官方宣称，g l o n a s s 是双用系统，对于民用用户将是免费的。俄罗斯正与欧盟和美国 合作以达到g l o n a s s 与g a l i l e o 之间、g l o n a s s 与g p s 之间的兼容。同0 p s ，g a l i l e o 的互 操作性类似。达到互操作性的关键因素包括：兼容的信号结构，大地坐标参考框架以及时间参考系。 1 1 3g a l i l e o 系统 伽利略( 0 a l i l e o ) 导航卫星系统是由欧共体发起，旨在建立一个由欧盟运行、管理并控制的 全球导航卫星系统。其总体设计思路有四大特点【2 l ：自成独立体系；能与其他的全球导航卫星系统 兼容，具备先进性和竞争力；公开进行国际合作。g a l i l e o 系统一旦建成，将向全球用户提供多种 形式的服务。计划中的五项服务是： 公开服务，不直接向用户收费。 商业服务。将增值数据结合到高精度的定位服务中。 生命安全服务。用于苛求安全的用户。 公共特许服务，仅为要求更高保护级别的政府授权用户提供服务。 对搜救服务的支持。 g a l i l e o 系统计划将包括由3 0 颗卫星组成的星座和遍布全球的地面控制区段。g a l i l e o 系统 的一个主要目标是与g p s 系统完全兼容。为了确保两个系统间的互操作性，正在采取一些措施。最 基本的互操作性因素包括：信号结构、大地坐标参考框架以及时间参考系。 1 1 4 中国北斗系统 中国北斗系统是一个分阶段演进的卫星导航系统，设计为中国军用和民用用户提供定位、集团 用户管理和精密授时服务。现阶段我们已经拥有北斗一代( b d - 1 ) 卫星定位系统，它是由中国建立 的区域导航定位系统，该系统由4 颗( 两颗工作卫星、两颗备用卫星) 北斗定位卫星( 北斗一号) 、 地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。中国官方新闻界将该卫星星座称为北斗 导航试验系统( b n t s ) 。b n t s 提供无线电测定卫星服务( r d s s ) 。l m s s 需要双向距离测量。北斗 定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的立即寻址服务。 正在开发中的北斗二代系统是一个真正的全球系统，北斗二代包括3 5 颗卫星，其中5 颗是地球 同步轨道，其余3 0 颗是中地轨道卫星，能真正覆盖全球。北斗二代将提供两层服务t 对中国民用的 免费服务，和军事用途的特许服务。民用免费服务定位精度将达到1 0 米，时钟同步精度达到5 0 纳 2 第一章绪论 秒，测速精度达到0 2 米秒。军用特许服务将提供更高的精度，可用于通信，并可以向用户反馈全 系统的状况。 1 2g n s s 系统的发展前景 未来的全球导航卫星系统，应具有四大特点：一是多层次增强，在全球系统之外。有区域系统 和局域系统对其进行增强；二是多系统兼容，通过g n s s 兼容与互用的合作实现l l 和l 5 卜的民 用信号的互用共享；三是多模化应用，除了导航外，还用于定位、授时，充分发挥其功能与能力； 四是多手段集成，除了卫星导航及其增强外，还利用非卫星导航手段，如蜂窝移动通信( u m t s ) 网络、w l f i 网络、i n t e r n e t 网络、惯性导航、伪卫星、无线电信标等。采取如此众多的对策措施， 旨在形成一个以g n s s 为主体的p n t 应用服务体系，真正做到任何时候、任何地方、全时段全时空 的无缝服务，实现产业的全球化、规模化、规范化和大众化发展。面对b d 2 、g p s 、g l o n a s s 、 g a l i l e o 四大系统l o o 余颗工作卫星在天空中盘旋的局面，用户有个最优化选择和最佳化应用的问 题，而四大系统及其它卫星导航服务提供者的各大强国必须认真思考和实现g n s s 的兼容与互用， 以及探索新一代民用g 附s s 体系的建设方式和实施办法，在可能的条件下酝酿共建共享的问题。 1 3 课题研究背景及意义 无线设备接收到的信号具有非常低的功率，由于周围环境所引起的衰落。例如，工作于室内或 浓密的植被下，通常信号的载噪比很小。以g p s 系统为例，静止轨道和h e o 卫星，他们位于g p s 星座之上，由于g p s 信号的高路径损失就使得接收的信号功率变得非常低。这是因为卫星发射天线 总是指向地球，所以传输信号不容易到达g p s 卫星以上的任何接收机。然而，天线的辐射方向图使 得这些信号可以覆盖地球以外的空间，因而，地球背面的接收机可以接收到该信号，但是可视卫星 的数量非常少，而且每个卫星只是在很短的时间可用。在高动态环境中，信号受多普勒影响严重， 传统的g n s s 接收机的跟踪性能大大降低，甚至无法跟踪。因此，一种更高性能的接收机动态 环境下高灵敏度接收机成为导航领域研究的热点。 g n s s 接收机主要由基带信号处理和导航解算两部分组成。其中基带信号处理部分主要包括对 g n s s 信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据解码等工作；导航解算部分主要包括根 据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数对信号传输误 差、星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响等各种实时误差进行计算，并将其从伪距中消除； 根据上述结果进行接收机p v t 的解算；对各精度因子进行实时计算和监测来确定定位解的精度h 1 。 g n s s 信号的跟踪是接收机中基带信号处理的核心技术之一，也是影响接收机性能的丰要因素。 跟踪的性能直接影响着导航解算和定位的精度。系统分析及研究一般g n s s 接收机中的载波跟踪环 和码跟踪环的结构及算法，有利于优化数字接收机的数字信号基带处理过程；进一步提高伪距测量 精度，提高定位精度；对于开发g n s s 接收机产品以及开展相关领域的研究工作具有重要的意义。 可见。对g n s s 接收机中的关键技术之一的跟踪技术进行研究具有重要的现实意义。 3 东南大学硕士学位论文 1 4 论文的内容安排 本文的研究重点是高动态环境下c 烈s s 信号的跟踪，并对跟踪过程进行建模仿真，本文从第二 章开始，具体结构安排如下： 第2 章，g n s s 系统基本原理。介绍了g p s 系统及g l o n a s s 系统的信号组成及其伪随机码的 产生，重点讨论了粗捕获码的产生及其相关性；简单阐述了g n s s 接收机模型，介绍了跟踪模块的 基本组成。 第3 章，g n s s 信号跟踪。本章分别详细介绍了载波跟踪环和码跟踪环，对各跟踪环的组成及 其功能做了详细的介绍，仿真比较了常用的c o 妣鉴相器、f l l 鉴频器及d l l 鉴别器的特性曲线， 给出了各跟踪环的理论热噪声误差及动态应力特性。本章最后，采用软件实现的方式对g p s 及 g l o n a s s 系统的信号跟踪进行了仿真，并给出仿真结果，验证了该方案的可行性。 第4 章，高动态环境下信号跟踪。本章主要针对高动态环境下载波跟踪方法进行了分析。分别 介绍了d p l l 。cp ! a f c ，o d a f c ，e k f 等算法，给出了在高动态环境中进行仿真的结果，对各算法 性能进行了比较分析，本章最后采用一种改进的适合高动态环境的跟踪方案进行高动态环境下信号 跟踪的仿真。 定点化仿真。搭建g n s s 跟踪模块的仿真平台，用c 语言进行定点化仿真。并分析定 能损失。 全文总结。总结概括了本文的主要研究工作，提出有待解决的问题和下一步的研究方 4 第二章g n s s 系统基本原理 第二章g n s s 系统基本原理 2 1g n s s 信号结构特点 g n s s 系统的发射信号一般使用了直接序列扩频( d s s s ) 调制。d s s s 提供了发送测距码信号 和基本导航数据( 如卫星星历以及卫星健康状况等) 。测距信号是一些伪随机( p i 酬) 码，通过二进 制相移键控( b p s k ) 调制在卫星的载波上。下面分别介绍g p s 系统及g l o n a s s 系统的信号结构 及特点。 2 1 ig p s 信号结构 g p s 是直接序列扩频通信系统，它采用c d m a ( 码分多址) 技术。g p s 卫星发送测距码信号有 两种基本类型：精密码( p 码) 和粗捕获码( c a 码) ，两种均为伪随机码。p 码由两个伪随机码乘 积构成，码长很长，主要用于军事；另一种是c ，a 码，主要用于民用。 g p s 信号有两个载波频率：链路l ( l 1 ) 和链路2 ( l 2 ) 。l l 的中心频率是1 5 7 5 。4 2m h z ，l 2 4 ： 的中心频率是1 2 2 7 6m h z 。目前，l l 的频率上有c a 码和p 码信号，而l 2 的频率上只有p 码信号。 l l 频率上的c a 码和p 码信号的相位相互正交，l l 信号可表示为【4 】： j i = 4 尸( f ) z ) ( ，) c o s ( 2 万五i f + 妒) + 4 c ( f ) d ( f ) s i n ( 2 万五i f + 们 ( 2 1 ) 式中，是l l 频率上的信号，4 是p 码的振幅，尸倒= l 表示p 码，d 形= i 表示导航数据，五， 是l l 载波频率，妒是初始相位，彳。是c a 码的振幅，c = l 表示c a 码。 c a 码的码速率为i 0 2 3m h z ，因此，主瓣两个零值之间的频谱宽度是2 0 4 6m h z 。一个码周期 包括1 0 2 3 个码元，持续lm s ，因此，c a 码的时长为lm s ，每毫秒重复一次。c a 码是二相编码信 号，以1 0 2 3m h z 的速率在0 石之间改变载波相位。导航数据也是二相码，但是它的速率仪有5 0h z ， 就是说每个导航数据位长2 0m s ，一个导航数据位中就有2 0 个c a 码。 2 1 2g p sc a 码的产生 g p sc a 码信号属于称为g o l d 码的伪随机噪声( p r n ) 码系列，它由两个1 0 2 3 位的周期和速 率相同而码元结构不同的m 序列g l 和g 2 组合而成，g l 和g 2 都是由l o 位最大长度线性移位寄存 器产生的，并由1 0 2 3m h z 的时钟来驱动。图2 1 为c a 码生成原理图。 g l 和g 2 的特征多项式分别为【4 】： g i ( z ) = l + x 3 + x o ( 2 2 ) g 2 ( x ) = l + x 2 + 工3 + x 6 + x 。+ x 9 + x l o( 2 3 ) 一般来讲，将移位寄存器最后一位的输出作为序列输出，我们把这个输出称为最大长度序列 5 东南大学硕十学位论文 ( m a x i m u ml e n g t hs e q u e n - m l s ) 输出。然而，g 2 产生器不采用m l s 输出作为输出信号，它的 输出是由称为码相位选择的两个位的输出经另一个模2 加法器而产生的，如图2 1 所示。g 2 的这种 输出是延迟后的m l s 输出，延迟时间是由所选择的两个输出点的位置所决定的。 0 i 产生嚣 0 2 严生曩 图2 1g p s c a 码生成原理图 两个移位寄存器g l 和g 2 于每周日子夜零时在置“1 ”脉冲的作用下全处于“l ”状态，同时在码率 1 0 2 3 m h z 驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为_ 2 1 0 1 = 1 0 2 3 ，周期为l m s ，码速率 五崩= 1 0 2 3 m h z 的两个m 序列g l ( t ) 和g 2 ( t ) 。g 2 ( t ) 序列经过相位选择器，输出一个与g 2 ( t ) 延迟等价的 m 序列，然后与0 l ( t ) 模2 加，得到c a 码。 卫星表示号( i d ) 是根据g 2 产生器的两个输出位置来决定的。有3 7 个不同的输出序列，其中 3 2 个序列可为3 2 颗卫星的c a 码所用，但目前仅有2 4 颗卫星在轨。另外5 个输出序列留作它用。 2 1 3g l o n a s s 信号结构 与g p s 系统不同的是，g l o n a s s 系统采用f d m a ( 频分多址复用) 技术5 1 。系统内的不同卫 星的载波频率不同。每个g l o n a s s 卫星一般通过两个子载波l l 和l 2 传输信号，每颗卫星载波频 率大小定义如下t 五。= 石。+ k 锁 ( 2 4 ) 五2 = 厶+ k 鱿 ( 2 5 ) 其中，石表示在l l 和l 2 波段内传输的信号的载波个数，对g l o n a s s 系统内的每个卫星来说， 髟是一个确定的整数，它的取值范围是7 到1 3 。对于l l 波段，石，= 1 6 0 2 m h z ，4 乃= 5 6 2 5 l 【h z ：对于 l 2 波段，向；1 2 4 6 瑚z ：奶= 4 3 7 5 k h z 。 g l o n a s s 信号生成器吲如图2 2 所示，测距码信号有两种类型：一般精度码( s a ) 和高精度码 ( h a ) 。在图2 2 中，一般精度码的码片速率为5 ll 乜，高精度码的码片速率为5 1 l m h z ，导航数据 速率为5 0 h z 6 第二章g n s s 系统基本原理 2 1 4g l o n a s s 粗码的产生 图2 2g l o n a s s 信号发生器框图 g l o n a s s 一般精度码( s a ) 是对任何用户都可见的，s a 码与g p sc a 码一样，同属于伪随机 噪声码系列，但是s a 码是一般的m 序列码，它由一个9 位循环移位寄存器直接产生，其寄存器初 始化状态为( 1l lll il1 1 ) ，将第8 个寄存器的输出值作为输出序列，它的生成多项式为f 6 1 ： g ( x ) = l + x 5 + x 9( 2 6 ) 码速率为o 5 l l m l z ，码周期长度为5 l l b i t s ，码重复周期为l m s 。码生成原理如图2 3 所示i 2 1 5 伪随机码的相关性 移位寄存器移动方向 图2 3g l o n a s ss a 码生成原理图 输出序列 g n s s 伪随机码的重要特性之一是它们的相关特性。以g p sc a 码为例，高自相关峰值和低互 相关峰值能为信号捕获提供一个宽的动态范围。如果这些码是正交的，互相关的值就足零。g p sc a 码所属的g o l d 码虽然不是正交的，但是接近正交，这意味着其互相关值不为零，但是非常小。 7 东南大学硕士学位论文 g o l d 码的互相关性能在表l 中列出f 4 】。对于，= 偶数= 1 0 的c a 码，码周期p = 1 0 2 3 。利用表l 中的关系，得到互相关值为：6 5 1 0 2 3 ( 1 2 5 ) ，i 1 0 2 3 ( 7 5 ) 和6 3 1 0 2 3 ( 1 2 5 ) 。 表lg o i d 码的互相关性能 码周期 移位寄存器级数 归一化的互相关值值出现的概率 p = 2 “一ln 为奇数 匡 f o 2 5 o 5 【o 2 4 p = 2 “一ln 为偶数 2 ( ”+ 1 ) 2 + l p f o 1 2 5 l jo 7 5 j 口 【o 1 2 5 2 ) 7 2 + l 。 p 随机选取1 9 群卫星c a 码的自相关及其与3 l 撑卫星的互相关分别如图2 4 ( a ) 和图2 4 ( b ) 所示。 在图2 4 ( a ) 中，自相关峰值最大值是1 0 2 3 ，等于c a 码的长度。为了便于观察，将最大峰值的位 置特意转移到图的中心位置。其余的3 个相关值为6 3 ，一l 和一6 5 。图2 4 ( b ) 中的互相关也有3 个值，分别是：6 3 ，一1 和一6 5 。自相关和互相关的最大值之间的差异决定了信号的处理增益。 2 2g n s s 接收机 圈2 4 g p s c ，a 码的自相关和互相关 g n s s 接收机的目的是为计算出用户的三维地理位置，移动速度等提供相应的数据，为了达到 这个目的，c 烈s s 接收机必须能够实时捕获且跟踪输入信号的状态。当完成跟踪之后，接收机就可 以解调出导航信号，然后进行定位计算。 8 第二章g n s s 系统基本原理 大多数现代g n s s 接收机方案是数字接收机，其一般框图如图2 5 所示： 图2 5g n s s 数字接收机一般框图 天线接收g n s s 卫星信号，通过射频( r f ) 前端，输入信号放大到合适的幅度并将频率转换到 需要的输出频率上，即下变频信号处理过程。然后通过模数转换器( a d c ) 将输出信号变成数字信 号，即得到中频采样信号。天线、r f 前端和a d c 仍由硬件实现。 在中频信号数字化以后，就可以用软件进行信号处理了。捕获的目的是发现某一卫星的信号， 跟踪则是得到导航数据的相位变化，根据导航数据的相位跳变，可以获取导航数据的子帧，进而得 到星历数据和伪距，星历数据用来获取卫星的位置。最后，通过卫星的位置和伪距能计算出用户的 位置。至于软件平台，它可以是数字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a ip r o c e s s i n g ) 芯片。也可以是通用 p c 。目前，实现软件g p s 接收机的主要难点是实时性问题。 软件部分的信号处理模块包括对信号的捕获，跟踪，导航数据解调。每一个模块处理其对应的 特定卫星信号信息，因此，每一个处理模块叫做一个“接收处理通道”。一般来讲，软件接收机巾的 跟踪模块包括载波跟踪模块和码跟踪模块【7 】，如图2 6 所示。 图2 6 信号跟踪模块框图 卫星信号跟踪方法是利用反馈环从噪声的输入测量值中提取估计值的。基本反馈环主要包含3 个单元【7 1 ：变频单元、控制单元以及反馈单元。变频单元利用噪声的输入测最值和内部所产生的期 望测最值，产生一个与跟踪参数误差成函数的信号。该信号反馈到控制单元。控制单元利用鉴别器 的功能来获得一个与跟踪参数误差成比例的误差信号。误差信号又送至反馈单元，它将更新所期望 的测量值更新后的测量值再送至变频单元。因此，跟踪环的目的就是使得期望测最值与输入测最 值匹配。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章分为二部分，第一部分主要介绍了g p s 及g l o n a s s 系统的发射导航信号的结构，包括粗 码、精细码和导航数据等