（微电子学与固体电子学专业论文）弱信号gps接收机结构设计及验证.pdf

摘要 摘要 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) ，即g p s 系统，是由美国发 明的用来实现连续的实时三维导航的定位系统。g p s 接收机通过接收和处理卫星 信号，并经过软件解算，最终得出用户的相对位置、速度以及时间信息。 通常g p s 接收机接收到的都是直接传输来的强信号，但是当接收机处于障碍 物的遮蔽之下时接收到的信号就是弱信号，若g p s 接收机在处理弱信号时由于外 部条件的改变而突然接收到强信号，那么强信号就会对弱信号的处理产生影响， 导致接收机进行了错误的处理，最终得到错误的定位信息。为了使g p s 在弱信号 条件下也能正常工作，本文在传统的g p s 数字基带接收机的基础上设计实现了弱 信号g p s 接收机。 论文首先从介绍了g p s 系统中的信号结构和信号的内容，并讲述了g p s 定 位的原理及其实现方法，其次分析了在弱信号条件下产生误差的原因和消除方法， 即消除弱信号自相关中强信号的互相关的影响。然后描述了传统的g p s 数字基带 接收机的电路结构，并在已有电路的基础上添加了本文所提出的弱信号消除电路， 通过软件和硬件的协同操作，实现了弱信号g p s 接收机的结构设计。最后给出了 弱信号g p s 接收机功能的验证方法以及仿真结果。对系统进行了测试，证明了所 提出电路结构的正确性，完全实现了性能要求，使得g p s 接收机在弱信号条件下 也能正常工作。 关键词：全球定位系统弱信号消除自相关互相关 a b s t r a c t a b s t r a c t g p s ，t h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，w h i c hw a si n v e n t e db ya m e r i c at or e a l i z e t h er e a l - t i m et h r e e d i m e n s i o n a ln a v i g a t i o nf u n c t i o n t h ef u n c t i o no fag p sr e c e i v e ri s r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gt h es i g n a lo fs a t e l l i t e ，a n dg e tt h ep o s i t i o ns p e e da n dt i m eo f t h eu s e r sb ys o f t w a r ec o m p u t i n g u s u a l l yt h es i g n a lg p s r e c e i v e rr e c e i v e di st h ed i r e c t t r a n s p o r t i n gs t r o n gs i g n a l ， b u tw h e nt h er e c e i v e r si sc o v e r e db yav e i l ，w h a ti tr e c e i v e di sc a l l e dw e a ks i g n a l i f t h er e c e i v e rc a t c h e sas t r o n gs i g n a lc a u s e db yt h ec h a n g eo ft h ee x t e r n a lc o n d i t i o n w h e np r o c e s s i n gw e a ks i g n a l ，t h e nt h es t r o n gs i g n a lw i l li n f l u e n c et h ew e a ks i g n a l p r o c e s s i n ga n dt h i sm a yb r i n g sw r o n gp o s i t i o ni n f o r m a t i o n t om a k es u r et h eg p s r e c o v e rc a i lw o r ki nt h ew e a ks i g n a lc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g na n dr e a l i z eaw e a k s i g n a lr e c e i v e ro nt h eb a s eo f t r a d i t i o n a lr e c e i v e r t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dc o n t e n to ft h eg p ss i g n a l , a n d n a r r a t e st h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o d ，w h i c hi se l i m i n a t i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e s t r o n gs i g n a lc r o s s c o r r e l a t i o no ft h ew e a ks i g n a ls i g n a la u t o c o r r e l a t i o n n e x ta n a l y z e s h o wt h ee r r o rp r o d u c e da n dt h em e t h o do fe l i m i n a t i o nu n d e rt h ew e a ks i g n a lc o n d i t i o n t h e nd e s c r i b e dt h et r a d i t i o n a lg p sd i 班a lb a s eb a n dr e c e i v e r sc i r c u i ts t r u c t u r e , a n d a d d st h ec i r c u i to fw e a ks i g n a le l i m i n a t i o no i lt h ee x i s t e dc i r c u i t ，r e a l i z et h ed e s i g no f w e a ks i g n a lr e c e i v e rs t r u c t u r e f i n a l l yg i v et h ew e a ks i g n a lg p sr e c o v e rf u n c t i o n v e r i f i c a t i o na sw e l l 勰t h es i m u l a t i o nr e s u l t c a r t i n go i lt h et e s tt ot h es y s t e m ，p r o v e t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n tc o m p l e t e l y e n a b l et h eg p sr e c o v e rw o r k i n gn o r m a l l y u n d e rt h ew e a ks i g n a lc o n d i t i o n k e y w o r d ：g p s w e a ks i g n a le l i m i n a t e c r o s s c o r r e l a t i o na u t o c o r r e l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的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中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得两安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同：盘对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担二切的法律责任。 本人签名：烃i 焦垃 i 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允 许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单 位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在：年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期翌堕：! ：f 塞 日期孕出i 霉 第一章引言 第一章引言 1 1g p s 概述 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的英文缩写，它可以用来 实现连续的实时三维导航。导航的定义是“引导运载体或人员从一个地方到达另一 个地方的科学”。在日常生活中，每一个人都在进行某种形式的导航【l 川。开车去 上班或步行去商店需要使用基本的导航技能。对于大多数人来说，这些技能需要 利用人们的眼睛、常识和地标。然而在一些情况下需要更精确的知道人们的位置、 遵循的航向和到达所希望的目的地的待航时间，此时便要用不同于地标的导航装 置。这些导航装置也许仅仅是一个时钟，以确定经过已知距离的速度；或者是汽 车里的里程表，以随时知道已跑过的距离。其他一些导航装置要复杂一些，而且 要发射电子信号，这些导航装置称为无线电导航装置【1 1 。 来自一个或多个无线电导航装置的信号，使人们( 下文称之为用户) 能够计 算出其位置( 某些无线电导航装置还提供速度确定和时间广播的能力) 。重要的是 要注意到，正是用户的无线电导航接收机在处理这些信号和计算用户位置。在一 些应用中，有可能接收机只处理所接收到的信号，而由分离的处理器完成导航解 算。 导航装置各式各样，通常可以把它们分为陆基和星基两大类。大多数路基无 线电导航装置，其精度与他们的工作频率成正比。高精度的系统一般在相对短的 波长上发射，用户必须保持在视距之内，而在较低的频率( 较长的波长) 上广播 信号的系统则不受视距的限制，但精度较低【2 】。 早期发展的星基系统有美国海军导航卫星系统( 称为子午仪，即t r a n s i t ) 和 俄罗斯的t s i k a d a 系统，他们提供两维的高精度定位服务。获得定位值的频度随 纬度而变化。理论上在赤道上的子午仪用户平均每1 1 0 分钟可获得一次定位，而 在8 0 0 的纬度上定位速率将改善到平均每3 0 分钟一次。这两种系统的缺点是，每 一次定位都需要1 0 1 5 分钟，用于接收及处理和用户位置评估。这样的特性适合 于船用导航( 因为其速度很低) ，而不适合用于飞机和高动态用户。正是因为这些 缺点，导致了将美国的全球定位系统( g p s ) 和俄罗斯的全球导航卫星系统 ( g l o n a s s ) 的发展川。 现在，g p s 已经是全运行的，而且满足2 0 世纪6 0 年代提出的最佳定位系统标准。 这个系统向有适当接收机设备的全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度 信息。g p s 也广播一种形式的世界协调时( u t c ) 。卫星星座由安排在6 个轨道平面 上的2 4 颗卫星组成，每个平面上4 颗。一个分布在全世界的地面控制监视网监视着 2 弱信号g p s 接收机结构设计及验证 卫星的健康与状态。这个网络也向卫星上行加载导航数据和其它数据。由于用户 接收机无源工作( 亦即只做接收) ，g p s 可向无限数目的用户提供服务。系统利用 单向达到时间( t o a ) 测距的概念。卫星以高精度的星载原子频率标准做基准进 行发射，而星载原子频标是与内在的g p s 系统是基准同步的。卫星用叫做码分多址 ( c d m a ) 的技术在两个频率上广播测距码和导航数据。也就是说，系统只使用 两个频率，称作l 1 ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 和l 2 ( 1 2 2 7 6 m h z ) 4 1 。每颗卫星都在这两个 频率上发射，但所使用的测距码与其他卫星所使用的不一样。这些码选择的依据 是他们两两之间有较好的互相关特性( 卫星信号特性将在后面讨论) 。导航数据提 供给接收机，以确定卫星在发射信号时的位置，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。这种技术要求用户接收机也包含 一个时钟。利用这种技术来测量接收机的三维位置时，要求测量到四颗卫星t o a 距离。如果接收机时钟已经是与卫星时钟同步的，便只需要三个距离测量值。然 而导航接收机中一般使用石英钟，以使接收机的价格、复杂性和尺寸减至最小。 因此，为测量用户的纬度、经度、高度和接收机相对于内在系统时的偏移，需要 有4 个测量值。如果系统时间或者高度已准确知道，便只需要四颗以下的卫星【5 1 。 g p s 提供两种服务：标准定位服务( s p s ) 和精密定位服务( p p s ) 。s p s 是 指定为民用社团使用的，而p p s 是指定为美国核准的军方用户和选定的政府部门 用户使用的，接入g p sp p s 是通过加密而受控的【6 1 。本文仅讨论标准定位服务。 标准定位服务队全世界的所有用户均是可用的。对s p s 的使用未设任何限制。 这种服务提供的测量精度为：在水平面内为：1 0 0 m ( 2 d r m s ，9 5 ) ；在垂直平面 内为1 5 6 m ( 9 5 ) 。u t c ( u s u o ) 时间广播精度在3 4 0 n s ( 9 5 ) 以内。这种服 务的精度是美国国防部和交通部根据美国的安全利益而共同规定的。一般来说， s a 是s p s 导出的定位值的主要误差源。 s p s 于1 9 9 3 年1 2 月开始工作，那时，原型卫星和生产卫星加起来已有2 4 颗，而且定位授时服务已符合规定的相应预测精度。目前，g p s 和g l o n a s s 都已从专门的军用系统演变成了真正的军民双用系统。卫星导航技术正被应用于 从休闲徒步到空问运载体引导等各式各样的民用与军事应用中。各门学科( 包括 各种形式的交通) 都受到了影响。用户再也不会因为陆基导航设施的精度和( 或) 覆盖的局限而被限制在特定的航路内。只要用户处于卫星的视距之内，便能够获 得精确的导航。为了说明卫星导航技术的各种应用，下面给出现在和计划中的几 个应用例子。 1 航空领域的应用 g p s 在导航领域的引用推动着全球卫星系统( g n s s ) 的发展，它可以提供 从航路知道精密飞行轨道阶段( 起飞、降落) 的引导。国际民用航空组织( i c a o ) 将g n s s 定义为一种至少包含一个或多个卫星导航系统的系统。g n s s 连续的全 第一章引言 球覆盖能力，使得飞机能够仅依赖g p s 直接从一地飞到另一地。在g n s s 接收机 中包含一个数据通信装置便能够将飞机位置发射到另外的飞机和空中交通管制 ( a r c ) 中心。这种功能叫做自动相关监视( a d s ) 。根据i c a o 未来空中航行系 统( f a n s ) 工作组的活动结果，a d s 正在用于一些太平洋区域。由此带来的主 要益处是a t c 的防撞监视，可以使用最佳航路来降低航行时间和油耗。a d s 技 术也正在用于同时对飞机和地面维护车辆的机场场地监视。 2 空间运载引导 从1 9 9 2 年起，g p s 接收机便被用于t o p e x p o s e i d o n 卫星上，这种卫星 是用于研究海洋环境的。这是n a s a ( 美国航空航天局) 和c n e s ( 法国空间局) 的联合项目。g p s 也已用于几种n a s a 航天机飞行。1 9 9 8 年，航天机预期预期 要将g p s 用于工作阶段的引导( 如地面反射) 、在轨、载人和着陆) 。国际空间站 ( i s s ) 将用g n s s 以支持控制功能、数据收集活动和导航。此外，g p s 将被用 于n a s a 的“小 卫星计划，比如l e w i s 和c l a r k 。 3 海洋应用 商业和娱乐海事企业都已在利用g n s s 。从洋面旅行到内河航路，尤其是艰 险的水域，所有船舶的导航都得到了提高。几个国家正在发展局域差分g l o n a s s 网络。广域差分g p s 已经在离岸石油勘测企业中应用了几年。差分g n s s 将起到 更大作用的一个领域是船舶交通服务( v t s ) 系统。它将数据链和差分g n s s 结 合起来，使得能将船只的位置广播到管制中心。v t s 用于在能见度受限和水上结 冰时防撞和加快交通流。v t s 可以和电子海图显示信息系统( e c d i s ) 联用。e c d i s 将船只位置与海图上的目标、导航台陆地以及看不见的危险联系起来显示。 4 陆用g p s 测绘行业依靠差分g p s 已经获得毫米级的测量精度。铁路部门利用类似的技 术获得相对于附近的铁轨组的火车位置。g p s 是智能交通系统( i t s ) 的关键组 成部分。在车辆应用方面，g n s s 将用于路径引导、跟踪和应急事故通报中。将 g n s s 与街道数据库数字活动地图显示和处理器集成起来，能使驾驶员获得引导 和距离最短、效率最高的路径。将此系统与蜂窝电话或数据链功能相结合，能完 成车辆跟踪( 即一种a d s 形式) 和或紧急事故通报，并将车的位置自动报告给 管制中心进行车队管理。驾驶员启动“紧急 按钮广播出紧急电文、车辆特性和 车辆位置，以提供给有关部门进行援助。 1 2 论文主要工作和内容安排 如今卫星定位系统已呈现全球多国争鸣的态势，美国的g p s 以其完整性和稳 定性暂时领先，俄罗斯的g l o n a s s 有逐渐衰落之势，欧盟的伽利略系统正在逐 步完善，有朝一日将会超越美国的g p s 系统而领先全球。而我国的北斗系统正在 3 4 弱信号g p s 接收机结构设计及验证 逐步发展和进一步完善，也终将成为全球领先的定位系统。因此，研究g p s 系统 意义重大。 本文首先在第一章中介绍了g p s 的基本知识。在建立这一基础后，在第二章中 描述g p s 系统的方案，包括硬件电路。在第三章中分析了弱信号条件下产生假捕获 的原因，即强弱信号问的互相关效应。在第四章中接下来给出了解决的算法及公 式推导，同时也给出了实现系统的方法和软硬件接口，最后在第四章中给出了仿 真与测试的结果。 第二章g p s 系统介绍 第二章g p s 系统介绍 2 1 g p s 接收机中信号介绍 g p s 卫星发射两个载波频率，分别被称作l 1 的主频率和l 2 的次频率。这些 载波频率由扩频码和导航数据电文所调制。所有卫星均在这两个相同的载波频率 上发射，但由于p r n 码( p s e u d o r a n d o mn o i s ec o d e ，简称p r n 码，或称伪随机 噪声码) 调制不同，因此无明显的相互干扰。由于每颗卫星分配有专门的p r n 码， 而且所有p r n 序列相互之间几乎是不相关的，各个卫星的信号便可以用作叫做码 分多址( c d m a ) 的技术区分开并检测出来。g p s 接收机为了跟踪器视界内的数 颗卫星的p r n 序列。提供两个载频是为了使双频用户能够测量电离层的时延。这 是因为这个时延是以一定的比例因子与信号到达时间之差相关联的。单频用户必 须利用卫星在导航电文中广播出来的关于电离层的模型参数估计这一时延【7 1 。 2 1 1g p s 信号结构 g p s 信号是一种调制波，它不仅采用l 波段的载波，而且采用扩频技术传送 卫星导航电文。所谓“扩频”，是将原来打算发送的几十比特速率的电文变换成发送 几兆甚至几十兆比特速率的由电文和伪随机噪声码组成的组合码。采用扩频技术 时，若信号功率仅为噪声功率的1 1 0 ，那么信号将深深地淹没在噪声之中而不易 被他人捕获，从而使得信号具有极强的保密性。 g p s 信号的调制波，是卫星导航电文和伪随机噪声码的组合码。卫星导航电 文是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串，称之为数据码，记作d ( 0 ，其码率为 5 0 b s 。对于距离地面2 0 0 ，0 0 0 k m 之遥的g p s 卫星，扩频技术能有效地将很低码率 的导航电文发送给用户。其方法是用很低码率的数据码作两级调制( 扩频) 。第一 级，用5 0 h z 的d 码调制一个伪随机噪声码，例如调制一个被叫做p 码的伪随机 噪声码，它的码率高达1 0 2 3 m h z 。d 码调制p 码的结果，便形成了一个组合 码p ( t ) d ( t ) ，使得d 码信号的频带宽度从5 0 h z 扩展到1 0 2 3 m h z ，也就是说， g p s 卫星从原来要发送5 0 b s 的d 码，转变为发送1 , 0 2 3 0 b s 的组合码p ( t ) d ( t ) 。在 d 码调制伪随机噪声码以后，再用它们的组合码去调制l 波段的载波，实现d 码 的第二级调制，而形成向广大用户发送的已调波。如图2 1 所示，d 码的数据首先 弱信号g p s 接收机结构设计及验证 同伪随机噪声码c a 码和p ( y ) 码模二加后，形成组合码c a ( t ) d ( t ) 和p ( t ) d ( t ) ，然 后才调制l 1 载波。需要注意的是，组合码c a ( t ) d ( t ) 和p ( t ) d ( t ) 是通过二进制相移 键控( b p s k ) 调制到l 1 载波上的。在l 1 载波上，c a ( t ) d ( t ) 调制和p ( t ) d ( t ) 调制 在相位上是正交的。因此在这两个合并的l 1 载波频率上的c a ( t ) d ( t ) 调制和p ( t ) d ( t ) 调制之间有9 0 0 的相移。l 2 载波上的调制过程与l 1 载波大致相同，不同的是l 2 载波可以用c a ( t ) d ( 0 码、p ( d d ( d 码或者p ( 码来调制。最后，卫星向地面发射这 两种已调波l 1 和l 2 。l 1 载波频率为1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 载波频率为1 2 2 7 6 m h z 引。 如图2 1 所示，经过载波和伪随机码扩频以及数据码的调制，形成g p s 信号。其 中载波分量包括l l 和l 2 两路。 2 。1 2c a 码简介 图2 1g p s 信号的构成 g p sc a 码是戈尔德码( g o l d 码) ，其序列长度为1 0 2 3 位( 码元数) 。因为c a 码的码元速率是1 0 2 3 m h z ，因此伪随机序列的重复周期是1 0 2 3 1 0 2 3 x 1 0 6 或l m s 。 图2 2 描述了g p sc a 码产生器的结构方案。 第二章g p s 系统介绍 图2 2c a 码产生器原理框图 7 在这个图中未示出为设定或读出寄存器或计数器的码相位所必需的控制。有 两个1 0 位的移位寄存器g 1 和g 2 ，他们产生长度为2 1 0 1 = 1 0 2 3 位的最大长度伪随 机噪声码( 移位寄存器不允许进入的一个状态是全0 状态) 。通常用1 - 1 , x i 形式的 多项式描述线性码产生器的方案，这里x 指移位寄存器的第i 级的输出用作模2 加 法器( 异或) 的输入，而1 指将加法器的输出反馈送到第1 级。c a 码的设计规范 要求g 1 移位寄存器的反馈抽头连到第3 和第1 0 级。这些寄存器的状态用异或电 路相互合并，并反馈到第1 级。描述这一移位寄存器的方案的多项式是 g l = l + x 3 + ，o 。每颗卫星专门的c a 码是经过时延的g 2 输出序列和g 1 直接输出 序列异或的结果。g 2 伪随机噪声码码的时延效果是由选择两个抽头的位置异或而 得到的，其输出叫( 3 2 1 。这是因为伪随机噪声码序列有这样的性质：与其自身的 相移序列相加，结果仍然是个伪随机噪声码序列，只是相位变了。图2 2 中g 移 位寄存器的两个抽头的功用是，相对于g 1 的码相位而移动的g 2 码相位，而不需 要外加一个移位寄存器以完成这一时延。每个c a 码p r n 号码与g 2 的两个抽头 位置相关聪9 1 。c a 码具有以下特点： ( 1 ) 由于c a 码的码长较短，易于捕获，而通过捕获c a 码所得到的信息， 又可以方便的捕获p 码，通常称c a 码为捕获码。在g p s 导航和定位中，为了捕 获c a 码以测定卫星信号传播的时间延迟，通常对c a 码进行逐个搜索，c a 码 总共只有1 0 2 3 个码元，若以5 0 码元每秒的速度搜索，仅需2 0 5 s 便可完成。 ( 2 ) c a 码的码元宽度较大。若两个序列的码元相关误差为码元宽度的1 1 0 - 1 1 0 0 ，此时对应的测距误差可达2 9 3 - 2 91 3 1 。其精度较低，称c a 码为粗捕获码。 c a 码具有良好的自相关特性，当初始相位完全对准时，c a 码的自相关就 会产生一个很大的峰值，而初始相位没有对准时，则不会产生一个很大的峰值。 g p s 接收机正是利用了这种重要的特性来对卫星信号进行接收。图2 3 和图2 4 分别展示了长度为1 0 2 3 个码元的一颗卫星的c a 码自相关以及两颗卫星的c a 码之间的互相关的功率谱密度【l0 1 。 弱信号g p s 接收机结构设计及验证 图2 3p r n 码的自相关 图2 4p r n 码的互相关 图2 3 表示的是由同一颗卫星所产生的c a 码的自相关的频谱图，由于c a 码有良好的自相关特性，所以在完全对准时会出现一个很高的峰值，这个峰值的 功率远远大于噪声的功率，从而很容易的将信号分辨出来，一个周期的相关值是 1 0 2 3 ) 而在没有对准时不会出现很高的峰值，如图2 4 ，所能产生的峰值仅为6 3 、 - - 1 、- - 6 5 这三种，信号淹没在噪声中不易分辨【1 1 】。 2 2 1 导航电文格式 2 2g p s 卫星的导航电文 导航电文的基本单位是一个主帧( f r a m e ) ，每个主帧长度为1 5 0 0 比特，由5 个子帧( s u b f r a m e ) 组成，如图2 5 所示。 第二章g p s 系统介绍 1 帧含5 个子帧 1 帧含1 0 个子帧 l 帧含3 0 b i t 子帧4 、5 含2 5 页 i i 3 0 s i。 1 1 - r l ，2345 i 6 s 。l i二，7、(i i 一，l - 2 ll s | 4 5 1 fi 7 i 8 i 眵二凰羽 | ij | | li illi i | li li i | li 9 图2 5 导航电文的组成格式 每个子帧分别含有1 0 个字( w o r d ) ，每个字含3 0 比特电文，故每一子帧共含 3 0 0 比特电文。电文的传播速率是5 0b i t s ，所以发送一帧电文需要3 0 秒，而一帧 电文的持续发送时间为6 秒。 为了记载多达2 5 颗g p s 卫星的星历，规定4 、5 子帧各有2 5 个页面( p a g e ) 。 子帧1 、2 、3 与子帧4 、5 的每一页均构成一帧电文。每2 5 帧导航电文组成一个 子帧。在每一帧电文中，l 、2 、3 子帧的内容每3 0 秒重复一次，每小时更新一次， 而子帧4 、5 的内容仅在给卫星注入新的导航数据后才得以更新i l 到。 2 2 2 导航电文内容 g p s 卫星的导航电文是卫星以二进制码的形式发送给用户的导航定位数据， 故又称为数据码或d 码，是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星 星历、时钟修正、电离层时延修正、工作状态信息及c a 码转换到捕获p 码的信 息、全部卫星的概略星历，如图2 6 所示。第l 、2 、3 子帧发送该卫星的广播星历 及卫星时钟的修正参数，每3 0 秒( 一个主帧) 重复一次，内容每小时更新一次。 第4 、5 子帧播放所有空中g p s 卫星的历书( 卫星的概略坐标) ，完整的历书占2 5 帧，由于播放速度是5 0b s ，所以全部信息需要1 2 5 分钟才能够传送完。其内容仅 在卫星注入新的导航数据后才得以更新。 1 0 弱信号g p s 接收机结构设计及验证 目卜一二石丽忑忑雨再磊而i 一 子帧号 。 一个子帧6s 长，l o 个字，每个字3 0b i t 。 ， 至工垂三巫固 2 至工堕三亟口 3 臣 至二堕三堕固一1 5 图2 6 各帧导航电文的内容 遥测码( t e l e m e t r yw o r d ，t l w ) 位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数 据的状态，其3 0 比特中，第1 8 比特是同步码，为各子帧编码脉冲提供一个同 步起点，使用户便于解释导航电文；第9 - - 一2 2 比特为遥测电文，包括地面监控系 统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息；第2 3 和第2 4 比特是连接码； 第2 5 - 、一3 0 比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误【l 引。 转换码( h a n do v e rw o r d ，h o w ) 位于每个子帧的第2 个字码，其作用是提 供帮助用户从所捕获的c a 码转换到捕获p 码的z 计数。z 计数实际上是一个时 间计数，它以从每星期起始时刻开始发送的d 码子帧数为单位，给出了一个子帧 开始瞬间的g p s 时间。由于每一个子帧持续时间为6s ，所以下一子帧开始的时间 为6 zs 。用户可以据此将接收机始终精确对准g p s 时钟，并快速捕获p 码。 转换码的第1 8 比特表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩阵缺载现象；第 1 9 比特指示数据帧的时间是否同步；第2 0 - - - 2 2 比特为子帧识别标志；第2 3 2 4 比特为连接码：第2 5 一- - 3 0 比特为奇偶校验码。 第1 子帧的第3 1 0 字码称为第1 数据块，它的主要内容包括：标识码、时 延差修正、星期序号、数据龄期、卫星的健康状况、卫星时钟修正系统等。 ( 1 ) 星期序号( w e e k n u m b e r ) 。第3 字码的第l 1 0 比特，表示从1 9 8 0 年 1 月6 日子夜零点( u t c ) 起算的星期数，也称g p s 星期数。 ( 2 ) 第1 1 1 2 比特表示l 2 载波是采用p 码还是c a 码调制，“0 1 ”为p 码调 制，“1 0 ”为c a 码调制。 一 弧雠卜卜l，i帧 4 5 第二章g p s 系统介绍 ( 3 ) 第1 7 比特表示导航数据是否正常，“0 ，表示所有导航数据都正确，“1 ” 表示有错误。第1 8 , - - 一2 2 比特表示信号编码的正确性。 ( 4 ) 数据龄期( a o d c ) 。第3 字码的第2 3 、2 4 比特以及第8 字码的第1 8 比特，均表示卫星时钟的a o d c 。a o d c 是时钟修正数的外推时间间隔，它指明 卫星时钟改正数的置信度。 a o d c = t o 。一 ( 2 - 1 ) ( 2 1 ) 中，f 0 ，表示第l 数据块的参考时刻；表示计算时钟修正参数所用数 据的最后观测时间。 ( 5 ) 时延差修正毛。时延差修正巧表示信号在卫星内部的时延差( - r , ：) ， 即日( 乃) 、最( 儿) 码从产生到卫星发射天线所经历时间的差异。 ( 6 ) 时钟修正。g p s 系统时间是以地面主控站的主原子钟为基准。由于主控 站时钟的不稳定性，使得g p s 时间和u t c 时间之间存在着差值。地面监控系统通 过检测确定出这种差值，并用导航电文发送给广大用户【1 4 】。 每一颗g p s 卫星的时钟相对g p s 系统时间存在着差值，需加以修正，这便是 卫星时钟修正，即 = a o + 口1 ( t 一卜a 2 ( t t o c ) 2( 2 - 2 ) ： ( 2 2 ) 中，f 0 ，是第1 数据块的参考时刻，在第8 字码的第9 - - 2 4 比特；是 卫星钟差( s ) 时间偏差，在第9 字码的第1 - 8 比特；皿是卫星钟速( s s ) 频率 偏差系数，在第9 字码的第9 2 5 比特；口，是卫星钟速变率( s s 2 ) 漂移系数，在 第1 0 字码的第1 2 2 比特。 第2 和第3 子帧组成第2 数据块，其内容为g p s 卫星星历，它是g p s 卫星为 导航、定位发送的主要电文，可向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。由卫 星每3 0s 发送一次，每1 小时更新一次。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下 列三类： ( 1 ) 开普勒轨道6 系数：a 为轨道长半轴的平方根；e 为轨道偏心率；m 。为 按参考历元t 计算的平近点角；i 。为按参考历元t 蚀计算的轨道倾角；g 为按参考 历元t 舱计算的升交点赤经；为近地点角距。 ( 2 ) 轨道摄动9 参数：a n 为平近地点角改正值；q 为升交点赤经变化率；f 为轨道平面倾角变化率；c ：、巳为纬度幅角的正、余弦调和改正想振幅；g 、c c 为轨道正面倾角的正、余弦调和改正项振幅；q 、q 为轨道半径的正、余弦调和 改正项振幅。 ( 3 ) 时间参数：瓦，为从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻；a o d e 为 星历表的数据龄期。一 1 2 弱信号g p s 接收机结构设计及验证 第3 数据块包括第4 子帧和第5 子帧，其内容包括所有g p s 卫星的历书数据。 当接收机捕获到某颗g p s 卫星后，根据第3 数据块提供的其他卫星的概略星历、 时钟修正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并 且较快的捕获到所选择的卫星。 第4 子帧中，第2 5 和第7 - 1 0 页面提供第2 5 - - 3 2 颗卫星的概略星历；第 1 7 页面提供专用电文，第1 8 页面给出电离层修正模型参数和u t c 数据；第2 5 页 面提供所有卫星的型号、防电子对抗特征符以及第2 5 - 3 2 颗卫星的健康状况；第 l 、6 、1 1 、1 2 、1 6 及第1 9 - - 2 4 页面作为备用；第1 3 - - 1 5 页面为空闲页。 第5 子帧中，第1 - 2 4 页面给出第1 - - 2 4 颗卫星的历书；第2 5 页面给出第1 2 4 颗卫星的运行状况和星期编号；在第3 数据块中，第4 子帧和第5 子帧的每个 页面的第3 字码，起开始的8 比特是识别字符，且分成两种形式： 第1 和第2 比特为电文识别( d a t a d ) ； 第3 8 比特为卫星识别( s vi d ) i ”】。 2 3 1 概述 2 3 卫星信号的捕获与跟踪 为了跟踪和解码g p s 信号，g p s 接收机需要进行捕获和跟踪的过程。捕获是 为了得到大概的码相位，而跟踪是为了得到精确的码相位。接收机首先要捕获到 g p s 信号，将捕获到的信号的必要参数立刻传递给跟踪过程，再通过跟踪便可得 到卫星的导航电文。g p s 卫星处于高速运动中，因此，其频率会产生多普勒频移。 载波频率与c a 码的多普勒频移将在下面详细讲述。当卫星与用户终端之间、卫 星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的发射段载频发生 频移，即多普勒效应引起的附加频移，称之为多普勒频移。多普勒频移对采用相 关解调的数字通信危害较大【1 6 1 。 为覆盖高速卫星预期中的所有多普勒频率范围，捕获方法覆盖的频率范围必 须在士1 0k h z 之内。一旦捕获到g p s 信号，立刻要去测量两个重要参数：c a 码 的起始点和载波频率( 因为多普勒频移而变化) 。接收机接收到的一系列数据往往 包含多个卫星信号，每个信号具有不同的c a 码的不同起始点和不同的多普勒频 率。针对某个特定的卫星信号，捕获过程就是要找到c a 码的起始点，并利用找 到的起始点展开c a 码频谱，一旦复现了c a 码的频谱，输出信号将变成连续波 ( c o m i n u o u sw a v e ，c w ) ，于是便得到其载波频率。也就是说，捕获过程就是要 第二章g p s 系统介绍 获得输入信号的c a 码的起始点和载波频率，然后传递给跟踪过程。 捕获与跟踪过程所用到的数据都是从原始的卫星信号经过下变频器( 即与中 频混频) 之后收集到的，其中频( ) 为2 1 2 5 m h z ，采样频率为5 m h z 信号的 中心频率为1 2 5 m h z 。这组数据来源于实际中设计的卫星信号接收装置，但是用 模拟仿真算法也可以产生类似的数据，以验证本文介绍的卫星信号的捕获算法。 g p s 信号的捕获是一个搜索的过程。为了捕获卫星信号，需要同时复现卫星 的码和载波( 亦即要成功的两维匹配) ，其中距离维是与复现码相关联的。而多普 勒维则与复现载波相关联。初始搜索过程对于c a 码接收机来说总是作c a 码搜 索，而对于p ( y ) 码接收机来说一般开始时也是c a 码搜索。初始码搜索一般牵 涉到在距离维上复现所有的1 0 2 3 个c a 码相位状态。如果距离和多普勒的不确定 性是已知的，那么搜索范围应当包括整个不确定性的3 0 值范围。如果有一维或同 时两维的不确定性很大，那么搜索范围要相应变大，而且预计的搜索时间要加长。 必须建立某种准则以确定对一颗给定的卫星何时终止搜索过程并选择另一颗候选 卫星【1 7 1 。 下面的例子假设正在进行c a 码搜索，并且正在检验所有1 0 2 3 个c a 码相位。 典型情况下搜索码相位时用的是1 2 码元的增量。每个码搜索增量是一个码的分 格，一个码分格和一个多普勒分格合并起来成为一个方格。 。 价弋 i 一2 t i s , v i 器瑟 诖5 d o p p i 搜索序列 图2 7 两维c a 码搜索方式 图2 7 描述了这种二维的搜索过程。如果多普勒的不确定性是未知的而且卫星 的多普勒不能从对用户位置和对时间的知识，再加上卫星轨道数据而计算出来， 那么必须在从0 多普勒的两个方向上对用户的最大速度加上对于不动的用户来说 最大的卫星多普勒稍低于8 0 0r r g s ( 最坏情况) 进行搜索【18 1 。 一个多普勒分格将规定为2 ( 3 t ) ，这里t = 每方格的信号积分时间或者每方格 估t 黼 一勘 弱信号g p s 接收机结构设计及验证 的滞留时间。滞留时间是可变的，对于强信号来说可小于1m s ( 6 6 7h z 的多普勒 分格) ，对于弱信号可达到2 0 0 m s ( 3 3h z 的多普勒分格) 。预料的c n 越低，那 么为了达到合理的信号捕获成功率必须有更长的滞留时间和更长的搜索时间。但 是在捕获到卫星信号之前，实际的c 0 是不知道的。如果接收机有装置去测量输 入信号噪声和射频干扰，而且天线增益方向图是存储在其存储器中的，那么便可 以准确的预测最小c 0 ，除非遇到信号遮蔽。信号遮蔽( 树木、建筑、雪、或天 线上结的冰等等) 、射频干扰和天线增益的滚降会明显的降低c n 。卫星信号的 强度特性在整个寿命期间的变化对预料的c 0 影响是不大的【1 9 1 。然而用户可以 依赖于控制区段保障所有的卫星均满足最低信号强度，这个最低信号强度根据 i c d g p s 一2 0 0 来保证。 参照图2 7 ，搜索方式一般用恒定的多普勒分格，而在距离方向上是从超前到 滞后以避开多径效应。遭受多径的直达信号在时间上总是比反射的到达超前。在 多普勒分格方向上，搜索方式典型情况下是从多普勒不确定性的均值开始( 如果 不知道实际视距速度的估计值，那么以0 多普勒作均值) ，然后每次对称的向均值 的一边移一个多普勒分格，直到搜索完3 0 多普勒不确定性为止。然后搜索方式重 复进行，重复时典型情况下要降低搜索门限的刻度因子。重要的是要认识到，如 果c a 码自相关和互相关旁瓣足够大时，这些旁瓣有可能引起虚假的信号检测。 随着搜索滞留时间的下降旁瓣趋于增大。为了解决这一问题，在初始一轮搜索时， 综合采用增加滞留时间( 以减小旁瓣) 和设定高的检测器门限( 以拒绝旁瓣) 。在 继后的各轮搜索中，可降低滞留时间和门限。这种方案的代价是，当c n 低时， 搜索时间会增加【2 0 】。 在每个方格的滞留时间t 期间，对i 和q 信号进行积分和累加，并且计算或 估计包络，2 + q 2 。将每个包络与门限相比较，以确定卫星信号存在或不存在。 由于每个方格要么包含噪声与信号，或者只有噪声而没有信号，因此信号检测是 一个统计过程【2 。 2 3 2 唐搜索检测器 搜索算法的第一个例子是叫做唐检测器的依序可变滞留时间搜索检测器。图 2 8 示出了唐检测器的方框图。图2 8 中，l 表示标度因子，2 表示比较器，3 表示 包络 形，4 表示脯? ，5 表示k = 0 7 。 典型情况下搜索算法是作为接收机基带处理来实现的。由于它很简单，唐检 测器可以作为接收机相关和预处理硬件的一部分来实现，而其搜索参数由基带处 理来编程。唐检测器所需的计算量适中，用于检测这样的信号，即预计的c n 第二章g p s 系统介绍 图2 8 唐依序码搜索算法 为2 5 d b h z 或更高时其性能优良。如果要在严重干扰的条件下完成信号捕 获，此时c n 将低于上述数字，便应该用混合最大似然搜索检测器。一个纯最大 似然搜索检测器需要接收机硬件造成这样的结果，即所有的搜索滞留是并行的j 一般来说是不现实的。唐检测器是一个次最佳搜索算法。它在做出判决时只需要 比最大似然( 最佳) 搜索算法平均长1