GPS软件接收机的关键技术研究

1、GPS软件接收机的关键技术研究张彪1,2, 马红皎1Biao Zhang，Hongjiao Ma1. 中国科学院国家授时中心，西安 7106002. 中国科学院研究生院 北京 100039摘要 ：分析比较了传统GPS接收机和GPS软件接收机的设计结构，针对设计中的重要环节，介绍了GPS接收机的信号处理功能的硬件实现和GPS软件接收机的采样环节和信号处理流程，扼要阐述了GPS软件接收机的关键技术。最后介绍了GPS软件接收机的发展现状，并对未来做出了展望。 关键词：GPS软件接收机； PVT解算； 软件实现The Study of key technology of software GPS re

2、ceiverAbstract：The paper analyzes and compares the design structure of the traditional GPS receiver and the software GPS receiver. For the important part of the design, it introduces the realization of the GPS receiver signal processing functions of the hardware, and signal processing aspects of the

3、 sampling process of the software GPS receiver signal processing aspects of the sampling process, it describes the key technology of the software GPS receiver briefly. Finally it introduces the status of the GPS receiver software development and makes the future prospects .Key words: Software GPS re

4、ceiver, PVT Calculation, Realization of the softwareGPS为导航带来了革命性的变化，它在全球范围内为无限多的海陆空天用户提供精确的实时位置、速度和时间信息。现今，我们也可以通过编写软件程序，通过计算机处理接收的到卫星星历，进行调制和解算，从而达到定位和导航的目的。随着软件技术的发展，软件实现的各种通信结构系统已经成为热点中的热点。所谓的软件GPS接收机就是在接收机靠近天线的部分用 模/数 转换器将输入信号转换为数字信号。GPS软件接收机的射频前端仍然由硬件（数据采集卡）实现。通过数字信号处理得到必要信息，输入软件平台中，控制器（软件实现）控制

5、多通道相关器，实现对输入信号的跟踪，在进入相位锁定之后，提取伪距和多普勒观测量，解调卫星星历，最终实现定位结算。1.GPS全球定位接收机的基本结构和原理本文讨论的GPS接收机如图1所示。GPS卫星发射的信号被天线接收，通过射频链(RF)将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，再通过模/数转换器(ADC)将输入信号变成数字信号。这里天线、RF和ADC都属于硬件部分。图 1 GPS软件接收机的基本结构一个软件接收机的最终目的是实现导航定位，为了实现这个功能，软件接收机要完成位置、速度和时间的 PVT 解算。这些则需要完成下列的步骤：1）卫星信号捕获与跟踪GPS接收机中的信号捕获可

6、以认为是一个三维的搜索过程，第一维是从PRN码的方向，第二维是从伪码相位的方向，第三维是从多普勒频移的方向。 首先，为了确定大概的卫星位置，对目前天顶的卫星32位星座进行穷举，也就是PRN码穷举。接着是进行搜索，对伪码相位的搜索和载波频率的搜索是同时完成的， 然后进行相关运算,最后检查相关结果以决定是否实现了信号的捕获。在完成了信号的捕获以后，就对信号的载波频率和伪码相位有了粗略的估计。接着，在GPS接收机里，使用两个紧密耦合在一起的跟踪环，一个对GPS信号中的载波分量进行跟踪，一个对伪码分量进行跟踪。一旦实现了相位的稳定跟踪，接收机就可以实现位同步，然后就能解调导航电文比特。2）数据解调和观

7、测量的提取在跟踪环进入稳定的跟踪状态以后，接收机每20ms得到一个数据比特，对该比特进行数据搜索直到找到前导字符，接着进行比较运算，校验逻辑是否通过，然后根据导航电文数据和格式来解调数据。导航电文给出的星历数据被用来计算卫星位置和速度。导航电文每个子帧都以同步码开始, 同步码包含在遥测字(Telemetry Word)中,它使接收机能够探测到每个子帧的开头。交接字( Hand over Word, HOW) 可以识别每个子帧, 能帮助接收机正确地对子帧数据进行解码。只要知道了信号从卫星到用户的传输时间，就得到了从卫星到用户的距离，于是对距离的测量就被转化为对时间的测量。本地时钟和真实的接收时刻

8、存在一个不可预知的时间偏''差，表示为 tu=tu表示真实的接收时间，b是时间偏差，则卫星和用户之间真实距+b.tu离可以表示为'c(iu-tsv)=2。 (1)若用式中tu来计算卫星传输时间(tu-tsv)，并将其乘以光速就得到了伪距观测量.则伪距观测量为'=c(tu-tsv)+cb=2+cb (2)卫星信号在空间传输的过程中，由于卫星以34 km/s的速度高速飞行 ，同时用户也可能处于运动状态，所以用户接收到的卫星信号必然会有多普勒频移现象。多普勒观测量从物理意义来说可以看作伪距观测量的变化量，用fd表示多普勒观测量，则数学模型可以写作：fd=DC(vs-v

9、a)+cb+nd其中 DC= -xs-xur -yu-ys r z- -uzs r. (3) ，表示的是用户和卫星之间的径向方向余弦矢量，T.vs=vsx,vsy,vsz是卫星的速度矢量，vu=vux,vuy,vuz nd是用户的速度矢量，b是钟漂，是总的噪声项。一般说来，要先计算出用户的位置后，才能得到多普勒观测量。3）定位和导航解算在定位和导航解算中，最常使用的有两种方法，一是最小二乘法(Least Square)，一是卡尔曼滤波法(Kalman Filter)。假设我们能够得到m颗卫星的伪距观测量，则根据伪距观测量的计算公式可以得到下列方程：21(xu)=1)+cb+n1 (4) 2(x

10、u)=2)2+cb+n2 2m(xu)=sm)+cb+nmT其中xu=xu,yu,zu,b，为需要求解的4个未知量。xu,yu,zu为用户的位置，b为用户本地时钟和GPST之间的偏差。已知量为伪距观测量i和卫星的坐标xsi,ysi,zsi(卫星的坐标由卫星星历计算出)。使用已知量经过一系列运算，最终完成用户的PVT解算。2.GPS软件接收机结构整个软件接收机的核心部分如下图所示，在具体的软件实现中被编译成一个动态链接库。整个软件的运行则需要外围应用软件，主要负责维护中频数据文件，读取中频采样，调用核心信号处理库函数，输入中频信号给核心信号处理模块完成信号处理，同时还需要接收核心处理模块的输出，

11、然后通过某种方式显示给用户，或者存储起来，以便于后续分析使用。图 2 软件GPS接收机的逻辑框图其中，控制器的任务包括多通道相关器，实现对输入信号的跟踪，在进入相位锁定之后，提取伪距和多普勒观测量，解调卫星星历，最终实现定位结算。辅助数学模块主要完成与定位结算相关的数学运算，电文解调模块主要负责导航电文的校验和星历数据的解调等，而矩阵运算模块提供各种矩阵运算。3.GPS软件接收机实现与展示本文讨论的GPS软件接收机，是基于VC+6.0编译实现的。应用软件负责设置数据文件，调用库函数，完成整个GPS软件接收机信号处理的流程。图 3应用程序的运行界面图3是程序运行时的界面。程序界面显示各个通道的跟

12、踪环状态和定位结算结果。通过这部分的显示就可以对某个通道的工作状态有个大概的了解。界面下部包括LS定位结果，Kalman定位结果，我们可以看到两种算法的结算结果精确度还是有所不同滴。图 4程序运行中实时显示跟踪环路的状态图4为当前跟踪环路的I、Q输出和超前码及中间码和滞后码的3个不同相位积分的结果。由图上半部分可知，在跟踪环路进入稳定的跟踪状态后，I路就输出0、1数据比特，而Q路输出则包含噪声能量。下半部分则表明，中间码的相关积分结果输出最大，而超前码和滞后码结果较小且基本相同。图 5 用户的位置图5显示的是LS解算下用户的ECEF坐标。可以观测到，用户位置大概在-2430670,-47041

13、52,3544315左右。4.GPS软件接收机的发展现状与展望由于GPS软件接收机潜在的巨大优点，国内外大量机构对此进行了研究。美国NAVSYS公司研究的GPS软件接收机运行在自己公司开发的GPS接收机硬件平台上，其他国外的一些机构也在不同平台上初步实现了单频的GPS接收机。丹麦Aalborg大学的Nicolaj Bertelsen等人在Pentium IV 2.8GHz的PC上实现了单频的GPS软件接收机，瑞典吕勒奥大学的Andresas Hansson等人在TMS320C6201平台上初步实现了单频软件接收机，等等。国内也有多家研究机构在进行GPS软件接收机的研发。北京航空航天大学用软件相

14、关器实现了12通道实时GPS软件接收机；中国科学院空间科学与应用研究中心在FPGA XILINX XC2V1000和DSP TMS320C6416上实现了GPS信号多通道实时处理；还有许多其他机构也在进行GPS软件接收机的研发。5.总结GPS软件接收机较之硬件实现的GPS接收机是一个巨大的进步，它充分发挥了软件的 灵活性，不仅可以利用软件方法的优越性开发新的导航定位算法，还可以在不改动硬件的 条件下进行传统算法的开发和验证，而且GPS软件接收机可以处理各种硬件收集的数据和 各种频率的采样信号，便于接收机的升级。GPS软件接收机的发展和成熟将是GPS现代化 的重要保证。参考文献1 Prate Misra,Per Enge ,Global Positioning System Signals ,Measurements andPerformance ,Publishing House Of Electronics Industry234567 徐敏，实时GPS软件接收