（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）極低譜密度大頻偏信號的捕獲與跟蹤.pdf

摘要 摘要 g p s 可以在全球范圍內為數(shù)量不限的海陸空用戶提供全天候的、連續(xù)精確的位置、速度和時間 信息，其建成和成功應用是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的結晶，是導航技術現(xiàn)代化的重要標志，為美國帶來 了巨大的軍事和經濟利益，也引起了世界各國的普遍關注。g p s 應用的關鍵在于其接收設備，而捕 獲與跟蹤是接收機設計的關鍵部分，同時也是g p s 接收機的技術難點。隨著基于位置服務需求的日 益增長，特別是城市、室內等微弱衛(wèi)星信號環(huán)境中應用需求的擴展，一種更高性能的接收機高 靈敏度接收機成為導航領域研究的熱點。 本論文主要討論極低譜密度大頻偏信號的捕獲與跟蹤，重點研究現(xiàn)有g p s c a 碼接收機的捕獲 算法。主要包括以下幾個方面的內容： 首先，簡要介紹了g p s 信號接收機的工作原理和g p s 信號結構，對g p s 信號捕獲的方法進行 了研究。分析了單次捕獲判決，引出多駐留檢測器，分析了多普勒效應和采樣頻偏等對捕獲的影響。 討論了幾種經典的捕獲算法，包括t o n g 搜索檢測器，提出t o n g 改進算法，將原t o n g 搜索的單周期 統(tǒng)計判決改進為連續(xù)兩周期聯(lián)合統(tǒng)計判決，提高了檢測性能。 其次，研究了極低譜密度大頻偏信號的捕獲。對相干積分、非相干積分和差分相干積分進行了 詳細的數(shù)學分析，利用差分相干進行頻偏的精確估計，討論了載噪比的估計和部分相干積分，為極 低譜密度大頻偏信號的捕獲提供了依據(jù)。 最后，簡要介紹了g p s 信號的跟蹤方法。詳細分析了偽碼跟蹤環(huán)和載波頻率跟蹤環(huán)的工作原理， 基于實際采集的g p s 數(shù)據(jù)進行捕獲和跟蹤算法的仿真，解調出數(shù)據(jù)比特 關鍵字：極低譜密度，大頻偏，g p s ，捕獲，跟蹤，相干積分，非相干積分，差分相干積分 a b s t r a c t a b s t r a c t g p sc a l lp r o v i d e2 4h o u r sa n da c c u r a t ei n f o r m a t i o no fl o c a t i o n ，v e l o c i t ya n dt i m ef o r c o u n t l e s su s e r so nt h es e a ，l a n da n ds p a c ea l lo v rt h ew o r l d i tn o to n l yb r i n g sh u g eb e n e f i to f m i l i t a r ya n de c o n o m yf o ra m e r i c a , b u ta l s oa t t r a c t st h ea t t e n t i o nf r o mt h ew h o l ew o r l d t h e s t i c k i n gp o i n to ft h ea p p l i c a t i o no fg p si si t sr e c e i v e r , a n dt h ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gp a r ti st h e k e yp a r to ft h er e c e i v e rd e s i g n a n di ti sa l s ot h ed i f f i c u l t yo ft h eg p s r e c e i v e rt e c h n i q u e w i t ht h e g r o w i n gd e m a n df o rl o c a t i o nb a s e ds 睨 v e r s ，p a r t i c u l a r l yt h eg r o w i n gd e m a n df o ra p p l i c a t i o no f u r b a na n di n d o o rp o s i t i o n i n g ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c e 他c e i v e r h i g hs e n s i t i v i t y r e c e i v e rh a sb e c o m eah o ti nt h en a v i g a t i o nf i e l d t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so na c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gf o rs i g n a l sw i t hl o wp o w e rs p e c t r a l d e n s i t ya n dl a r g ef r e q u e n c yo f f s e t , e s p e c i a l l yr e s e a r c h e st h ea c q u i s i t i o na l g o r i t h m sf o rg p s c a c o d er e c e i v e r i tm a i n l yc o n t a i n st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e so fg p sr e c e i v e ra n ds i g n a ls t r u c t u r ef o rg p s t h eb a s i c m e t h o df o rs i g n a la c q u i s i t i o na n ds o m ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ea c q u i s i t i o na r ea l s oi n t r o d u c e d s o m ec l a s s i ca c q u i s i t i o na l g o r i t h m sa r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt o n gs e a r c hd e t e c t o r a ni m p r o v e d t o n gs e a r c ha l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n di ti m p r o v e st h ed e t e c tp e r f o r m a n c e s e c o n d l i tr e s e a r c h e st h ea c q u i s i t i o na l g o r i t h mf o rs i g n a l sw i t hl o wp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y a n dl a r g ef r e q u e n c yo f f s e t c o h e r e n ti n t e g r a t i o n ，n o n c o h e r e n ti n t e g r a t i o na n d d i f f e r e n t i a l l y c o h e r e n ti n t e g r a t i o na r e a n a l y z e d , a n da c c u r a t e l y e s t i m a t e st h e f r e q u e n c y o f f s e t u s i n g d i f f e r e n t i a l l yc o h e r e n t i t a l s od i s c u s s e st h ee s t i m a t i o nf o rc a r r i e rt on o i s ep o w e ra n dp a r t i a l c o h e r e n ti n t e g r a t i o n f i n a l l y , i ti n t r o d u c e st h et r a c k i n gm e t h o df o rg p ss i g n a l s t h ep r i n c i p l e so fc ac o d e t r a c k i n gl o o pa n d c a r r i e r t r a c k i n gl o o p a r ea n a l y z e d ，a n ds i m u l a t e st h e a l g o r i t h m sa n d d e m o d u l a t e st h en a v i g a t i o nd a t af o r a c t u a lc o l l e c t e dd a t a k e y w o r d s ：l o wp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , l a r g ef r e q u e n c yo f f s e t ，g p s ，a c q u i s i t i o n ，t r a c k i n g ， c o h e r e n ti n t e g r a t i o n ，n o n c o h e r e n ti n t e g r a t i o n ，d i f f e r e n t i a l l yc o h e r e n ti n t e g r a t i o n i l 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構的學位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。 東南大學學位論文使用授權聲明 東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位論文的 復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內 容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可 以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內容。論文的公布( 包括刊登) 授權東南大學研 究生院辦理。 研究生簽名霧亟至壘器一導師簽名： 期： 第l 章緒論 第1 章緒論 在人類歷史中，似乎很早就發(fā)明了導航技術。根據(jù)我國的資料記載，在有歷史記錄以前， 指南針就已用于濃霧天氣條件下的戰(zhàn)爭中。有許多不同的導航技術用于海洋和空中運輸。導 航衛(wèi)星產生于2 0 世紀7 0 年代早期。在g p s 計劃之前就開發(fā)了3 個衛(wèi)星系統(tǒng)：美國海軍導 航衛(wèi)星系統(tǒng)( 也叫做子午儀，即t r a n s i t ) 、美國海軍的t i m a t i o n 和美國空軍6 2 1 b 計劃。子 午儀采用連續(xù)波( c w ) 信號，通過測量最大的多普勒頻移。能得到衛(wèi)星的臨近點。t i m a t i o n 使用原子鐘改進衛(wèi)星軌道的預測并減少地面控制更新率?？哲? 2 1 b 計劃采用偽噪聲( p r n ) 信號調制載波頻率。g p s 計劃在1 9 7 3 年1 2 月才被認可。1 9 7 8 年發(fā)射了第一顆衛(wèi)星。1 9 9 3 年8 月，g p s 有2 4 顆在軌衛(wèi)星，同年1 2 月，具備了基本的工作性能。1 9 9 4 年2 月，聯(lián)邦 航空局( f a a ) 宣布g p s 準備投入航空使用。 本章簡要介紹了本文選題依據(jù)及研究意義、國內外的發(fā)展現(xiàn)狀和論文的章節(jié)安排本文 的工作對我國自主研制的“北斗導航系統(tǒng)”也有一定的參考價值 1 1 選題依據(jù)及研究意義 全球定位系統(tǒng)( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 作為新一代的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，經過 二十多年的發(fā)展，已發(fā)展成為一種被廣泛采用的系統(tǒng)目前，它在航空、航天、軍事、交通、 運輸、資源勘探、通信、j 氣象等幾乎所有的領域中。都被作為一項非常重要的技術手段和方 法，用來進行導航、定時、定位、地球物理參數(shù)測定和大氣物理參數(shù)測定等。現(xiàn)在正在運行 的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有美國的g p s 和俄羅斯的g l o n a s s 全球定位系統(tǒng)以及我國的北斗一代區(qū)域 定位系統(tǒng)。而正在建設中的還有歐洲的伽利略系統(tǒng)和我國的北斗二代系統(tǒng)。因此，衛(wèi)星導航 定位的產業(yè)化和競爭都將進入新的發(fā)展階段。隨著技術的不斷進步和發(fā)展，g p s 將深入到每 個人的日常生活中，成為人們生活的不可缺少的組成部分，并將從根本上改變人們的時空觀 和生活方式1 l - 【4 】。 g p s 應用的關鍵在于其接收設備能夠接收、跟蹤、變換和測量g p s 信號的接收機， 它已成為一些電子儀器廠家竟相生產的高技術電子產品而捕獲、跟蹤是接收機設計的關鍵 部分，同時也是g p s 接收機的技術難點。它包含偽碼和載波捕獲、偽碼和載波跟蹤環(huán)路兩 部分。g p s 信號接收機搜索、捕獲和跟蹤偽隨機碼及對其所傳送的導航電文的解調，這是 g p s 信號接收機測量g p s 信號的工作基礎。只有在捕獲和跟蹤到偽隨機碼的工作基礎上， 才有可能測量觀測點與衛(wèi)星之間帶有偏差的距離。 系統(tǒng)分析及研究一般g p s 接收機中的擴頻碼序列捕獲算法和跟蹤環(huán)路的結構及算法， 有利于優(yōu)化g p s 接收機數(shù)字信號基帶處理過程：迸一步提高偽距測量精度，提高g p s 定位 精度；對于開發(fā)g p s 接收機產品以及開展相關領域的研究工作都具有重要的意義另外， 東南大學碩士學位論文 由于g p s 衛(wèi)星信號是直接序列擴頻信號，它的接收技術和方法同樣適合于其他的直接序列 擴頻體制的電子系統(tǒng)中。直接序列擴頻技術作為擴頻技術的一種特殊形式，正迅速應用于各 個領域，例如測距、導航、軍事通信、雷達等越來越多地采用此形式的信號。所以，本文研 究的意義遠遠超出了g p s 的應用，它將作為一個通用的數(shù)字同步環(huán)路理論模式應用于各種 直接序列擴頻技術的應用領域中 1 2 國內外的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，全球有7 0 余家接收機生產制造廠家，共有5 0 0 多種型號的接收機進入商用市場。 g p s 接收機技術有了長足的進步，尤其在高端的科學和工程應用中，其功能越來越強大，能 同時接收所有可見衛(wèi)星信號，實現(xiàn)低噪聲測量及無碼與半無碼l 2 工作，實時動態(tài)求解整周 多義性。在低端應用中，具備了大批量進入大眾化應用的條件，手表型導航儀也已進入市場， 與無線移動通信結合的定位手機也業(yè)已出籠，個人應用市場展現(xiàn)了勢不可擋的發(fā)展前景。許 許多多的應用拓廣都歸功于g p s 接收機數(shù)字技術的進步【捫。 我國電子集團5 4 所、航天7 0 4 所、北京航空航天大學、國防科技大學、中科院以及多 攀家從事衛(wèi)星導航設備開發(fā)的公司都在g p s 接收機的研制方面投入了較大的人力物力，并 相繼嘗試開發(fā)g p s 接收機，且編寫了大量寶貴的資料，有的院所甚至研制了有自己獨立產 權的接收機芯片。但目前g p s 在我國的科研應用主要有如下明顯缺點： ( 1 ) 主要采用進口o e m 板作為g p s 接收機內核，并非自主研制； ( 2 ) 主要是進行產品的二次開發(fā)，如g p s g i s 地理信息系統(tǒng)： ( 3 ) 主要側重民用領域產品的開發(fā)，產品精度低、抗干擾性能差； ( 4 ) 主要集中在中、低動態(tài)應用領域，航空航天等高動態(tài)領域的g p s 接收機涉及不 多。因此，高動態(tài)g p s 接收機的研發(fā)在我國仍然處于起步階段，諸如高動態(tài)引 入的許多瓶頸問題并未得到徹底解決，突出表現(xiàn)在高動態(tài)g p s 接收機的信號處 理模塊。 另外，目前市場上所使用的g p s 接收機大多是采用全硬件實現(xiàn)，隨著計算機處理能力 的不斷提高，軟件接收機具有很多純硬件實現(xiàn)的接收機所不具備的許多優(yōu)勢。而影響接收機 很重要的一個方面就是信號處理的性能，接收機處理信號主要包括捕獲和跟蹤兩個部分。 當前，g p s 接收機發(fā)展的主要趨勢是：( 1 ) 集成化和小型化。由于電子技術和微處理 技術的發(fā)展，g p s 接收機的集成化程度越來越高，整機尺寸和重量大大減少，價格也在下 降；( 2 ) 高動態(tài)、多通道。研制、生產高動態(tài)、多通道的接收機，對我國的航空航天事業(yè)和 國防建設具有很重要的現(xiàn)實意義；( 3 ) 差分g p s 接收機。這種接收機可進行實時差分導航 定位，以消除定位誤差，提高定位精度；( 4 ) 以g p s 為中心的組合導航系統(tǒng)：( 5 ) 動態(tài)高 精度載波相位測量g p s 接收機：( 6 ) g p s 與通信結合。目前很多國家在研究將移動通信結 合到g p s 中去，以實現(xiàn)雙向報文通信和定位報道。 因此，系統(tǒng)分析研究一般g p s 接收機中的信號處理算法有重要的意義 2 第l 章緒論 1 3 本文的研究內容和結構 本文的研究重點是極低譜密度大頻偏信號的捕獲與跟蹤，并對這一過程進行建模，針對 現(xiàn)有g p s c a 碼接收機的工作原理進行仿真，實現(xiàn)對實際采集g p s 信號的數(shù)據(jù)解調，同時 結合產生的g p s 仿真信號對捕獲和跟蹤算法進行分析和對比。本文采用全軟件的方法來實 現(xiàn)g p s 接收機中頻數(shù)字信號處理相應模塊的功能，重點在于如何實現(xiàn)g p s 信號的捕獲與跟 蹤。論文從第二章開始，具體結構安排如下： 第2 章，g p s 原理概述。本章首先介紹g p s 接收機的結構及工作原理；然后簡要介紹 了g p s 衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶的導航信號的結構，包括c a 碼、p 碼和導航數(shù)據(jù)等：最后重 點介紹了c a 碼的一些特性。 第3 章，g p s 信號捕獲方法的研究。首先介紹一些因素對捕獲的影響，如多普勒效應 和采樣頻偏等。然后介紹了各種捕獲方法；時域串行搜索、基于f f t 的頻域并行搜索和t o n g 搜索檢測器及其改進算法。 第4 章，極低譜密度大頻偏信號的捕獲。首先對相干積分、非相干積分和差分相干積分 進行了詳細的數(shù)學分析，然后比較了相干一非相干與差分相干兩種算法的捕獲性能，接著分 析了利用差分相干進行頻偏的精確估計，最后討論了載噪比的估計和部分相干積分為極低 譜密度信號的捕獲提供了依據(jù)。 第5 章，g p s 信號跟蹤方法的研究。首先介紹了鎖相原理，分析了載波跟蹤和偽碼跟 蹤的實現(xiàn)原理，并給出了環(huán)路的具體實現(xiàn)。然后利用實際采集的g p s 信號，對捕獲和跟蹤 進行算法仿真和數(shù)據(jù)解調。 第6 章，總結與展望?？偨Y概括了本文設計的捕獲和跟蹤算法，提出有待解決的問題和 下一步的研究方向。 3 第2 章g p s 原理概述 第2 章g p s 原理概述 g p s 是美國從本世紀7 0 年代開始研制，歷時2 0 年，耗資2 0 0 億美元，于1 9 9 4 年全面 建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。 它包含三大部分：空間部分g p s 衛(wèi)星星座：地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部 分g p s 信號接收機。 本章分為兩大部分。第一部分簡要介紹了g p s 系統(tǒng)的組成，以及g p s 信號接收機的基 本類型，分析了硬件以及軟件g p s 信號接收機的特點和區(qū)別，對g p s 信號接收機的工作原 理進行了詳細介紹，分析了信號捕獲與跟蹤實質都是一種對發(fā)送信號參數(shù)的估計；第二部分 首先介紹了g p s 衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶的導航信號的結構，包括c a 碼、p 碼和導航數(shù)據(jù)等， 然后重點介紹了c a 碼的產生方法和其自相關及互相關特性。 2 1g p s 系統(tǒng)的組成 g p s 系統(tǒng)主要由三大部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分【6 】 g p s 的空間衛(wèi)星星座有2 1 顆工作衛(wèi)星和3 顆在軌備用衛(wèi)星組成，2 4 顆衛(wèi)星分布在傾角 為5 5 度的6 個軌道平面內，軌道平均高度為2 0 2 0 0 k m ，衛(wèi)星運行周期為1 1 小時5 8 分，每 個軌道平面分布4 顆衛(wèi)星。g p s 星座的這一軌道布局可以保證在地球上任何時間、任何地 點至少可以觀測到4 顆衛(wèi)星( 最多可以達1 l 顆衛(wèi)星) ，因此也就保證了連續(xù)、實時的全球導 航能力。 g p s 的地面監(jiān)控系統(tǒng)由一個主控站、三個注入站和五個檢測站組成。檢測站的主要任 務是對每顆衛(wèi)星進行觀測，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。主控站則是整個g p s 系統(tǒng)的神經中 樞。而注入站定時的將主控站傳送的信息注入各個衛(wèi)星。 用戶設備的核心是g p s 接收機。其功能是接收g p s 衛(wèi)星信號，獲取定位觀測量，提取 導航電文信息，經數(shù)據(jù)處理完成導航定位任務。 2 2g p s 信號接收機 g p s 信號接收機，是g p s 導航衛(wèi)星的用戶設備，是實現(xiàn)g p s 衛(wèi)星導航定位的終端儀器。 它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量g p s 衛(wèi)星導航定位信號的無線電接收設備既具有 常用無線電接收設備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理極弱衛(wèi)星信號的特性。 g p s 接收機可分為兩種基本類型：同時跟蹤p ( y ) 碼和c a 碼的p p s 接收機和只跟蹤c a 碼的s p s 接收機。p p s 接收機同時在l l 和l 2 波段上跟蹤p ( y ) 碼。p p s 接收機初始工作在 5 東南大學碩士學位論文 l l 上跟蹤c a 碼，然后轉換到在l 1 和l 2 上跟蹤p 0 0 碼。p ( 的碼跟蹤只有在加密單元的輔 助下才能產生。s p s 接收機只跟蹤l l 上的c a 碼。在這兩種基本接收機類型中，還有一些 變形，比如無碼l 2 跟蹤接收機。大多數(shù)接收機有多個通道，每個通道跟蹤來自一顆衛(wèi)星的 發(fā)射信號本文僅對c a 碼單頻g p s 導航接收機作研究。 2 2 1 硬件g p s 信號接收機結構 傳統(tǒng)的g p s 接收機通常有圖2 1 所示的結構【捫?；鶐?shù)字處理a s i c 部分完成基帶信號處 理( 捕獲和跟蹤的相關運算) ，微處理器從a s i c 輸出的相關輸出結果譯出導航數(shù)據(jù)，從而可 以得到衛(wèi)星星歷及偽距，星歷可用來得到衛(wèi)星位置，并最終可由衛(wèi)星位置及偽距解算出用戶 位置等信息。傳統(tǒng)硬件接收機底層的基帶數(shù)字信號處理部分是采用專用g p s 信號通道處理芯 片( a s i c ) 來執(zhí)行，這種a s i c 芯片運行速度快，但難以修改算法及缺乏靈活性。 天線 圖2 1 硬件g p s 接收機結構框圖 2 2 2 軟件g p s 信號接收機結構 限于目前的硬件技術水平，種可實現(xiàn)的軟件g p s 接收機的結構如圖2 2 所示【1 1 。 圖2 - 2 軟件g p s 接收機結構框圖 天線接收g p s 衛(wèi)星信號，通過射頻( r f ) 前端，輸入信號放大到合適的幅度并將頻率 轉換到需要的輸出頻率上，再通過模數(shù)轉換器( a d c ) 將輸出信號變成數(shù)字信號。天線、 r f 前端和a d c 仍由硬件實現(xiàn)。 在信號數(shù)字化以后，就可以用軟件進行信號處理了。捕獲的目的是發(fā)現(xiàn)某一衛(wèi)星的信號， 6 第2 章g p s 原理概述 跟蹤則是得到導航數(shù)據(jù)的相位變化。在傳統(tǒng)接收機中，捕獲和跟蹤由硬件實現(xiàn)。根據(jù)導航數(shù) 據(jù)的相位跳變，可以獲取導航數(shù)據(jù)的子幀，進而得到星歷數(shù)據(jù)和偽距，星歷數(shù)據(jù)用來獲取衛(wèi) 星的位置最后，通過衛(wèi)星的位置和偽距能計算出用戶的位置。至于軟件平臺，它可以是數(shù) 字信號處理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，也可以是通用p c 目前，實現(xiàn)軟件g p s 接收機的主要難點是實時性問題。 在接收機中盡可能靠近天線的位置，使用a d c 將輸入信號轉換為數(shù)字信號。一旦信號 被數(shù)字化，由軟件實現(xiàn)的數(shù)字信號處理將用于獲取需要的信息軟件無線電的主要目的是在 無線電設備中硬件的使用最少化。理論上，通過軟件可以調整，甚至改變無線電的功能，從 而可以實現(xiàn)極大的靈活性。 基帶數(shù)字信號處理部分的不同是傳統(tǒng)硬件接收機與軟件接收機結構的根本區(qū)別。軟件接 收機整個數(shù)字部分均采用通用處理芯片，包含較少的硬件，可編程性及靈活性均強于硬件接 收機，而且無需升級硬件僅加載不同的算法軟件即可實現(xiàn)g p s 接收機的升級。與傳統(tǒng)g p s 接收機相比，軟件實現(xiàn)賦予接收機一些新的優(yōu)越特性，如：數(shù)字處理模塊更靠近天線，使得 定位和測量精度的提高；軟件實現(xiàn)帶來的靈活性有力支持引入新的設計，并最小化實現(xiàn)代價； 硬件組件得以簡化及其通用性，使得設備成本降低及功耗降低等。 在不改變硬件設計的情況下，就很容易開發(fā)新的算法，這對研究一些新的問題尤其有用。 例如，為了研究抗干擾問題，我們可以收集一組帶有干擾信號的數(shù)字信號，然后采用不同的 方法來分析它。 2 2 3g p s 信號接收機的工作原理 g p s 信號接收機的工作原理是相當復雜的，這里只對其要點- - - - g p s 信號接收機如何 捕獲c a 碼，從而識別g p s 信號作一定的論述。g p s 信號接收機均采用先捕獲和跟蹤c a 碼，需要下述兩步才能完成： 第一步，逐元搜索，迫使c a 碼步入跟蹤區(qū)間。在搜索狀態(tài)下，存在下述兩種c a 碼： 其一是，接收到的來自g p s 衛(wèi)星的c a 碼接收碼；其二是，接收機本地發(fā)生器所產生 的c a 碼本地碼。與此相對應，還存在接收載波和本地載波。由于g p s 衛(wèi)星運行所導 致的多普勒效應接收載波的頻率是隨時間而不斷變化的。因此，搜索c a 碼的目的，既 要使得本地碼基本上對準接收碼，又要使得本地載波頻率鎖定在接收載波頻率上，亦即需要 在一個二維區(qū)間內搜索c a 碼。圖2 3 是c a 碼的捕獲和跟蹤電路框圖。 7 東南大學碩士學位論文 數(shù) 中 圖2 3c a 碼的捕獲和跟蹤電路框圖 第二步，精細調節(jié)，雙跟蹤環(huán)路解調出數(shù)據(jù)比特。c a 碼的上述搜索，只能解決本地碼 和本地載波基本上分別對準接收碼和接收載波的問題。換言之，只能解決g p s 信號接收機 的“冷啟動”。兩者的一一精確對齊，還需依靠偽碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路，這兩者也是 相關型波道的主要組成部分。 g p s 信號接收機工作原理的關鍵，在于如何識別和鎖定來自不同g p s 衛(wèi)星的導航定位 信號，并逐一測量它們到達接收天線的傳播時間，由時間可以算出偽距。對于動態(tài)用戶所用 的接收機，是通過搜索、捕獲和跟蹤僅有1 0 2 3 個碼元的c a 碼，而識別來自不同衛(wèi)星的 g p s 信號。每顆g p s 衛(wèi)星所提供的星歷數(shù)據(jù)，可以顯著地縮短，甚至越過搜索過程，而加 速c a 碼的捕獲。因此，不少廠家的g p s 信號接收機已存有g p s 星歷數(shù)據(jù)，開機即可做導 航定位測量，稱為“熱啟動”。反之，稱為“冷啟動”。實際上，只要g p s 信號接收機做過 一次導航定位測量，它就往往存儲著星歷數(shù)據(jù)。后續(xù)的開機作業(yè)，都是“熱啟動”，開機作 業(yè)的間隔時間越短，啟動( 捕獲c a 碼) 就越快。 2 2 4 信號捕獲與跟蹤的實質 信號捕獲的目的是判斷并且確定接收信號的粗略的載波頻率和c a 碼相位，用于產生 本地載波和本地c a 碼。信號捕獲分為載波頻率捕獲和c a 碼相位捕獲。信號跟蹤的目的 是精確載波頻率和碼相位，并且當載波頻率和碼相位出現(xiàn)一定變化時，能夠使本地載波頻率 和本地c a 碼相位跟蹤上這種變化。信號跟蹤分為載波頻率相位跟蹤和碼相位跟蹤。 捕獲和跟蹤的實質都是一種對發(fā)送信號參數(shù)的估計。捕獲是在不具備接收信號參數(shù)準確 值的信息情況下，對接收載波頻率和發(fā)送碼字及相位的粗略估計。跟蹤是在具備對接收載波 頻率和發(fā)送碼相位的粗略估計信息的前提下，使用更好的估計手段，對發(fā)送信號的載波頻率 相位和發(fā)送碼相位的更精確估計【7 】 8 第2 章g p s 原理概述 2 3g p sc a 碼信號結構 g p s 衛(wèi)星發(fā)送測距碼信號有兩種基本類型：精密碼( p 碼) 和粗捕獲碼( c a 碼) ，兩 種均為偽隨機碼。p 碼由兩個偽隨機碼乘積構成，碼長很長，不易捕獲，需要利用c a 碼輔 助捕獲，不易破譯，主要用于軍事；另一種是c a 碼，用于民用。是民用g p s 技術研究的 重點。 g p s 信號有兩個載波頻率：鏈路l ( l 1 ) 和鏈路2 ( l 2 ) 。l l 的中心頻率是1 5 7 5 4 2m h z ， l 2 的中心頻率是1 2 2 7 6m h z 。目前，l l 的頻率上有c a 碼和p 碼信號，而l 2 的頻率上只有 p 碼信號。l 1 的頻率上c a 碼和p 碼信號的相位相互正交，可表示為【1 】： 、 l = a p p ( t ) d ( t ) c o s ( 2 7 r f t t + ) + 4 c ( t ) d ( t ) s i n ( 2 7 r f l t + ) ( 2 - 1 ) 式中，是l 1 的頻率上的信號4 是p 碼的振幅，p ( f ) = l 表示p 碼，d ( f ) = l 表示 導航數(shù)據(jù)比特，石是l l 頻率，是初始相位，如是c a 碼的振幅，c ( f ) = l 表示c a 碼。 c a 碼的碼速率為1 0 2 3m h z ，因此，主瓣兩個零值之間的頻譜寬度是2 0 4 6m h z 一 個碼周期包括1 0 2 3 個碼元，持續(xù)lm s ，因此，c a 碼的時長為1m s ，每毫秒重復一次。c a 碼是二相編碼信號以1 0 2 3m h z 的速率在0 - 萬之間改變載波相位。導航數(shù)據(jù)位也是二相 碼，但是它的速率僅有5 0h z ，就是說每個導航數(shù)據(jù)位長2 0m s 因為c a 碼周期是lm s ， 所以一個導航數(shù)據(jù)位中就有2 0 個c a 碼。這樣，在一個數(shù)據(jù)位中所有2 0 個c a 碼的相 位相同。如果存在由于導航數(shù)據(jù)位引起的相位跳變，相鄰的兩個c a 碼的相位就會相差萬， 這對信號捕獲非常重要。用戶可以在兩組連續(xù)的1 0m s 數(shù)據(jù)上去完成信號捕獲。因為在兩組 連續(xù)的1 0m s 數(shù)據(jù)中，最多只有一次導航數(shù)據(jù)位的相位變化。因此，其中一組數(shù)據(jù)中將不存 在相位跳變，相關捕獲應能得到理想的結果。 2 3 1c a 碼的產生 g p sc a 碼信號屬于稱為g o l d 碼的偽隨機噪聲( p r n ) 碼系列，它由兩個1 0 2 3 位的周 期和速率相同而碼元結構不同的m 序列g l 和g 2 組合而成，g l 和g 2 都是由1 0 位最大長 度線性移位寄存器產生的，由1 0 2 3m h z 的時鐘來驅動。如圖2 - 4 為c a 碼生成原理圖。 g l 和g 2 的特征多項式分別為 2 1 ： g i ( 力= 1 + 工3 + x o ( 2 2 ) g 2 0 【) = l + x 2 + p + 工6 + z 。+ ，+ x l o ( 2 3 ) 一般來講，將移位寄存器最后一位的輸出作為序列輸出，我們把這個輸出稱為最大長度 序歹l jr ( m a x i m u ml e n g t hs e q u e n c e - m l s ) 輸出。然而，g 2 產生器不采用m l s 輸出作為輸出 信號，它的輸出是由稱為碼相位選擇器選擇的兩個位的輸出經另一個模2 加法器而產生的， 9 東南大學碩士學位論文 如圖2 - 4 所示。g 2 的這種輸出是延遲后的m l s 輸出，延遲時間是由所選擇的兩個輸出點的 位置所決定的。 兩個移位寄存器g 1 和g 2 于每周日子夜零時在置“l(fā) ”脈沖的作用下全處于“l(fā) ”狀態(tài)， 同時在碼率1 0 2 3m h z 驅動下，兩個移位寄存器分別產生碼長為n = 2 m l = 1 0 2 3 ，周期為 lm s ，碼速率尼，= 1 0 2 3m h z 的兩個m 序列g l ( f ) 和g 2 ( f ) 。g 2 ( f ) 序列經過相位選擇器， 輸出一個與g 2 ( f ) 延遲等價的m 序列，然后與g l ( f ) 模2 加，得到c a 碼。 衛(wèi)星表示號( d ) 是根據(jù)g 2 產生器的兩個輸出位置來決定的。有3 7 個不同的輸出序 列，其中3 2 個序列可為3 2 顆衛(wèi)星的c a 碼所用，但目前僅有2 4 顆衛(wèi)星在軌。另外5 個輸 出序列留作它用，如用作地面發(fā)射等。 g i 產生器 2 3 2c a 碼的相關性 g 2 產生器 圖2 - 4 c a 碼生成原理圖 c a 碼的重要特性之一是它們的相關特性。高自相關峰值和低互相關峰值能為信號捕獲 提供一個寬的動態(tài)范圍。為了在有強信號存在的情況下能檢測到弱信號，弱信號的自相關峰 值必須比它與強信號的互相關峰值要強。如果這些碼是正交的，互相關的值就是零。g o l d 碼雖然不是正交的，但是接近正交，這意味著其互相關值不為零，但是非常小。 g o l d 碼的互相關性能在表2 1 中列出【1 1 。 對于咒= 偶數(shù)= 1 0 的c a 碼，p = 1 0 2 3 。利用表2 1 中的關系，得到互相關值為：一6 5 1 0 2 3 ( 1 2 5 ) ，- 1 1 0 2 3 ( 7 5 ) 和6 3 1 0 2 3 ( 1 2 5 ) 。 1 0 第2 章g p s 原理概述 表2 1g o l d 碼的互相關性能 碼周期移位寄存器級數(shù)歸一化的互相關值值出現(xiàn)的概率 p = 2 。一l n 為奇數(shù) 匡 0 2 5 0 5 o 2 4 p = 2 ”一1 n 為偶數(shù) 巨 0 1 2 5 o 7 5 0 1 2 5 隨機選取1 9 # 衛(wèi)星c a 碼的自相關及其與3 1 # 衛(wèi)星的互相關分別如圖2 5 ( a ) 和圖2 5 ( b ) 所示。在圖2 5 ( a ) 中，自相關峰值最大值是1 0 2 3 ，等于c a 碼的長度。為了便于觀 察，將最大峰值的位置特意轉移到圖的中心位置，其余的3 個相關值為6 3 ，一l 和一6 5 。圖 2 5 ( b ) 中的互相關也有3 個值分別是：6 3 ，一1 和一6 5 。自相關和互相關的最大值之間 的差異決定了信號的處理增益。 2 4 本章小結 e 0 0e 0 01 0 0 0 1 2 0 0 衛(wèi)星四衛(wèi)鼉甜卅時置棚_ 芙 圖2 5c a 碼的自相關和互相關 本章分為兩大部分。第一部分簡要介紹了g p s 系統(tǒng)的組成，以及g p s 信號接收機的基 本類型分析了硬件以及軟件g p s 信號接收機的特點和區(qū)別。對g p s 信號接收機韻工作原 東南大學碩士學位論文 理進行了詳細介紹，分析了信號捕獲與跟蹤實質上都是對發(fā)送信號參數(shù)的估計；第二部分首 先介紹了g p s 衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶的導航信號的結構，包括c a 碼、p 碼和導航數(shù)據(jù)等， 然后重點介紹了c a 碼的產生方法和其自相關及互相關特性。 1 2 第3 章g p s 信號捕獲方法的研究 第3 章g p s 信號捕獲方法的研究 為了跟蹤和解調g p s 信號，首先要捕獲到g p s 信號。將捕獲到的g p s 信號的必要參數(shù) 立刻傳遞給跟蹤過程，再通過跟蹤過程便可得到衛(wèi)星的導航電文。g p s 衛(wèi)星處于高速運動 中，因此，其頻率會產生多普勒頻移。為覆蓋高速衛(wèi)星預期中的所有多普勒頻率范圍，捕獲 方法搜索的頻率必須在1 0k h z 以內。一旦捕獲到g p s 信號，立刻去測量兩個重要參數(shù)： c a 碼的起始點和載波頻率( 因為多普勒頻移而變化) 。接收機接收到的一系列數(shù)據(jù)往往包 含多個衛(wèi)星信號，每個信號具有不同的c a 碼的不同起始點和不同的多普勒頻率針對某 個特定的衛(wèi)星信號，捕獲過程就是要找到c a 碼的起始點，并利用找到的起始點展開c a 碼的頻譜，一旦復現(xiàn)了c a 碼的頻譜，輸出信號將變成連續(xù)波，于是便可以得到載波頻率。 也就是說，捕獲過程就是要獲得輸入信號的c a 碼的起始點和載波頻率，然后傳遞給跟蹤 過程。 本章主要討論了一些經典的捕獲算法【8 h 1 3 】首先分析了單次捕獲判決。引出多駐留檢 測器；然后簡要介紹了一些因素對捕獲的影響，如多普勒效應和采樣頻偏等；最后討論了幾 種經典的捕獲算法，包括t o n g 搜索檢測器，提出t o n g 改進算法。 3 1c a 碼捕獲分析 g p s 衛(wèi)星信號采用碼分多址( c d m a ) 技術，采用不同的偽隨機碼對不同衛(wèi)星的導航數(shù) 據(jù)進行擴頻調制【。為了接收某一衛(wèi)星的導航數(shù)據(jù)，就必須復現(xiàn)調制該導航數(shù)據(jù)的偽隨機 碼，將復現(xiàn)的偽碼同輸入偽碼在不同相位差上作相關運算，使二者同步，從而完成對導航數(shù) 據(jù)的解擴，這稱為偽碼捕獲 由于g p s 衛(wèi)星在高速運動，其與接收機之間存在徑向移動，會產生多普勒頻移。因此 為完成對某一衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)的解調，必須搜索到相應衛(wèi)星所產生的多普勒頻移的數(shù)值，這稱 為載波捕獲。 因此，對g p s 衛(wèi)星信號的捕獲是一個二維搜索過程。捕獲結果是使本地參考碼和接收 碼相位差值小于一個碼元寬度，且收發(fā)碼時鐘頻率基本一致，同時使載波相互對準，從而實 現(xiàn)輸入信號與本地信號的粗同步。 3 1 1 二維搜索過程 g p s 的信號捕獲是一個二維搜索過程。為了捕獲衛(wèi)星信號，需要同時復現(xiàn)衛(wèi)星的c a 碼和載波( 即成功的信號匹配是二維的) 。其中距離維是與復現(xiàn)碼相關聯(lián)的，而多普勒維則 與復現(xiàn)載波相關聯(lián)。初始搜索過程對于c a 碼接收機來說總是做c a 碼搜索，而對于p ( y ) 1 3 東南大學碩士學位論文 碼接收機來說一般開始時也是c a 碼搜索。初始碼搜索一般牽涉到在距離維上復現(xiàn)所有的 1 0 2 3 個c a 碼相位狀態(tài)。如果距離和多普勒的不確定性是已知的。那么搜索范圍應當包括 整個不確定性的3 t r 值范圍。如果有一維或同時兩維的不確定性很大，那么搜索范圍要相應 變大，而且預期的搜索時間要加長，必須建立某種準則以確定對一顆給定的衛(wèi)星何時終止搜 索過程并選擇另一顆候選衛(wèi)星。 下面的例子正在進行c a 碼搜索，并且正在檢驗所有10 2 3 個c a 碼相位。典型情況下碼 相位以1 2 碼片的增量被搜索，每個碼相位搜索增量是一個碼的分格。每個頻率分格大概是 趴3 1 ) h z ，其中t 是搜索滯留時間( 滯留時間越長頻率分格越小) 。一個碼分格和一個多普 勒分格合并起來成為一個方格。圖3 1 表述了這種二維的搜索過程【3 】。如果多普勒不確定性 是未知的，而且衛(wèi)星的多普勒不能從對用戶位置和對時間的知識以及衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)而計算出 來，那么必須在從零多普勒開始的兩個方向上對用戶的最大速度加上對于靜止的用戶來說最 大的衛(wèi)星多普勒稍低于8 0 0m s ( 最壞情況) 進行搜索 17 | ，艟 ”“一+ 夕1 - 號遷移： ，f + ， 影 ； ；i 、 - - j ， 搜索方向 、 _ 多普勒 搜索序列 圖3 1 二維c a 碼搜索方案 如前所述，一個多普勒分格規(guī)定近似為2 ( 3 t ) ，這里t 表示每方格的積分時間或者每方 格的滯留時間滯留時間是可變的，對于強信號來說可小于1m s ( 6 6 7h z 的多普勒分格) 。 對于弱信號可大到2 0m s ( 3 3h z 的多普勒分格) 。預期的c 0 越低，則要達到合理的信號 捕獲成功率所需的滯留時間( 和總搜索時間) 就越長。遺憾的是，在捕獲到衛(wèi)星信號之前， 實際的c 0 是未知的。如果接收機有裝置去測量輸入信號噪聲和射頻干擾，而且天線增益 1 4 第3 章g p s 信號捕獲方法的研究 方向圖是存儲在其記憶體中的，那么便可以準確地預測最小c o ，除非遇到信號遮擋信 號遮擋( 樹木、建筑、天線上結的冰或雪等等) 、射頻干擾和天線增益的滾降會明顯降低 c o 搜索方案一般用恒定的多普勒分格，而在距離方向上是從超前到滯后以避開多徑，直到 對于每一個多普勒分格搜索完了所有的距離分格。遭受多徑的直達信號在時間上總是比反射 信號超前到達。在多普勒分格方向上，典型的搜索方案是從多普勒不確定性的均值開始( 如 果不知道實際視距速度的估計值，那么以零多普勒作均值) ，然后每次對稱地向均值的一邊 移一個多普勒分格，直到搜索完3 仃多普勒不確定性為止。然后，搜索方案重復進行，重復 時典型情況下要降低搜索門限的比例因子。重要的是要認識到，如果c a 碼自相關和互相 關旁瓣足夠大時，這些旁瓣有可能引起虛假的信號檢測。隨著搜索滯留時間的下降旁瓣趨于 增大。為了對付這一問題，在初始一輪搜索時，綜合采用增加滯留時間( 以減小旁瓣) 和設 定高的檢測門限( 以拒絕旁瓣) 在后續(xù)的各輪搜索中，可降低滯留時間和門限這種方案 的代價是，當c 0 低時，搜索時間會增加 3 1 2 單次捕獲判決 g p s 接收機的捕獲模塊將輸入的數(shù)字中頻采樣信號與本地復現(xiàn)的載波和偽碼相乘，之 后送入相干累加器進行一個或多個偽碼周期的相干累加，將輸出的信號取能量或者包絡作為 檢測統(tǒng)計量。該檢測統(tǒng)計置是偽碼相位偏差值和載波頻率偏差值的函數(shù)。當這兩個偏差值同 時趨近于零時，檢測統(tǒng)計量趨近最大值，而只要這2 個偏差值之一稍微變大，檢測統(tǒng)計量迅 速減小，趨近于零。因此，可以采用門限判決法進行信號捕獲。當統(tǒng)計量超過門限，則認為 當前信號已經對準，否則認為當前信號沒有對準，需要調整本地生成的載波頻率與偽碼相位， 繼續(xù)進行下一次的檢測。而這個調整過程可以看作一個在時間與頻率二維平面上的搜索過 程。一個碼相位搜索增量與一個d o p p l e r 頻移搜索增量合并起來成為一個搜索方格。 假設當前g p s 接收機接收到的某路衛(wèi)星信號為： ，( f ) = d ( o c ( o c o s ( o , j ) + 刀( f ) ( 3 - 1 ) 其中a 表示接收信號幅度，d ( f ) 表示衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)，c ( f ) 表示c a 碼，q 表示中頻載波， 刀( f ) 為零均值高斯帶通白噪聲。 l 、q 支路分別乘以本地同相和正交載波。再與本地復現(xiàn)的c a 碼進行相關，相關時間 為一個c a 碼周期。1 支路的相關結果為： 一i ，= d d o t , ) c o t , ) c o s ( e o j t , ) 2 c o s ( w l i t , ) - 氣( 呸) + 一 ( 3 - 2 ) j = 0 其申c 工( f ) 表示本地c a 碼，吼表