衛(wèi)星定位接收機(jī)原理

1、第4章 衛(wèi)星定位接收機(jī)原理,目錄,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類 4.2 接收機(jī)的射頻部分組成及工作原理 4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲 4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤 4.5 定位導(dǎo)航解算方法 4.6 衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)原理和架構(gòu),4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,分類,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,1) 導(dǎo)航型接收機(jī),主要用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的定位與導(dǎo)航，可以實(shí)時(shí)給出用戶的位置和速度。 通常用民碼(如GPS的C/A碼)進(jìn)行偽距測(cè)量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為10m。 價(jià)格相對(duì)便宜，應(yīng)用廣泛。 根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，可進(jìn)一步分為：車載型接收機(jī)、航海型接收機(jī)、航空型接收機(jī)和星載型接收機(jī),按工作場(chǎng)

2、景來(lái)分，分為三類,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,主要用于定位精度要求較高的工程領(lǐng)域，如精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。 通常采用載波相位測(cè)量值進(jìn)行相對(duì)定位，定位精度很高，能達(dá)到厘米級(jí)。 結(jié)構(gòu)和較為復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)較貴,主要用于提供高精度的時(shí)間服務(wù)和頻率控制。 通過(guò)利用導(dǎo)航衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，通常用于天文臺(tái)及無(wú)線通信中時(shí)間同步。 例如：基于CDMA體制移動(dòng)通信系統(tǒng)，就是通過(guò)GPS所提供的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全網(wǎng)授時(shí)的,3) 授時(shí)型接收機(jī),2) 測(cè)量型接收機(jī),4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,只能接收單一頻點(diǎn)的GNSS導(dǎo)航信號(hào)，例如，GPS L1單頻定位接收機(jī)只能接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的L1頻點(diǎn)的

3、導(dǎo)航信號(hào)，而不能接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的其它頻點(diǎn)上的導(dǎo)航信號(hào)。 GNSS單頻接收機(jī)不能有效消除電離層延遲對(duì)導(dǎo)航信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?單頻接收機(jī)通常適用于短基線(一般小于15 km)的精密定位,能夠同時(shí)接收兩個(gè)頻點(diǎn)上的GNSS導(dǎo)航信號(hào)。例如，GPS雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收GPS衛(wèi)星的L1頻點(diǎn)和L2頻點(diǎn)。 GNSS雙頻接收機(jī)能夠利用電離層對(duì)兩個(gè)頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)傳輸時(shí)延的不同，有效消除電離層延遲對(duì)定位結(jié)果造成的影響。 GNSS雙頻接收機(jī)可用于基線長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位,按工作頻率來(lái)分，分為兩類,單頻接收機(jī),2) 雙頻接收機(jī),4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,導(dǎo)航定位接收機(jī)只能接收來(lái)自某一特定衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的導(dǎo)航

4、信號(hào)，而不能接收其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的信號(hào)。 例如：GPS單模接收機(jī)只能接收和處理來(lái)自GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，而不能接收和處理來(lái)自Galileo、GLONASS和BeiDou等衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)。 衛(wèi)星導(dǎo)航定位發(fā)展初期，只有GPS一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，因而所有的接收機(jī)都是單模的，但是隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多樣化發(fā)展，單模接收機(jī)正逐漸被能夠接收多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號(hào)的多模接收機(jī)所取代,按接收機(jī)對(duì)不同衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的兼容性來(lái)分，可分為兩類,1) 單模接收機(jī),4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,利用兩個(gè)或者多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，將兩個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)來(lái)使用。 增加了

5、衛(wèi)星的數(shù)量，大大提高了接收機(jī)的導(dǎo)航定位精度及可用性、連續(xù)性。這些優(yōu)點(diǎn)使雙?；蚨嗄＝邮諜C(jī)成為GNSS接收機(jī)研發(fā)的一個(gè)主要發(fā)展方向。 目前，世界上已經(jīng)有很多接收機(jī)生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了這種能夠兼容多種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的多模接收機(jī)，例如GPS/GLONASS雙模接收機(jī)、GPS/Galileo雙模接收機(jī)等。 我國(guó)的東方聯(lián)星公司已經(jīng)推出了能夠同時(shí)兼容GPS、BeiDou和GLONASS三種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的多模接收機(jī)產(chǎn)品CNS100-B1B3GG，該產(chǎn)品支持三系統(tǒng)聯(lián)合定位、雙系統(tǒng)聯(lián)合定位及單系統(tǒng)定位等多種模式，并同時(shí)接收四個(gè)頻點(diǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),2) 多模接收機(jī),4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,按定位接收機(jī)的通道

6、數(shù)來(lái)分類，可分為兩類,只包含有一個(gè)接收機(jī)通道，通過(guò)接收機(jī)內(nèi)部的定時(shí)控制機(jī)制，用一個(gè)接收機(jī)通道轉(zhuǎn)換完成捕獲、跟蹤和提取來(lái)自不同GNSS衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，進(jìn)而完成定位，也稱為序貫跟蹤通道接收機(jī)。 隨著用戶對(duì)導(dǎo)航定位實(shí)時(shí)性要求的越來(lái)越高，單通道接收機(jī)已經(jīng)不能滿足大多數(shù)應(yīng)用需求，因而，目前的接收機(jī)幾乎都是多通道接收機(jī),1) 單通道接收機(jī),4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,一般都包含至少4個(gè)以上的接收機(jī)通道，能夠同時(shí)捕獲、跟蹤和處理至少4顆以上衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)。 目前大多數(shù)接收機(jī)都是多通道接收機(jī)，并且接收機(jī)通道數(shù)都在12個(gè)以上，能夠同時(shí)處理接收到的12顆衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)。 具有較好的實(shí)時(shí)性，能夠滿足對(duì)

7、導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用需求。 硬件結(jié)構(gòu)要比單通道接收機(jī)復(fù)雜，也被稱為平行跟蹤通道接收機(jī),2) 多通道接收機(jī),4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,相關(guān)型接收機(jī)指的是偽碼相關(guān)型接收機(jī)，通過(guò)偽隨機(jī)碼的互相關(guān)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)頻碼的解擴(kuò)，并提取出導(dǎo)航信息，進(jìn)而得到偽距觀測(cè)值，完成位置的計(jì)算。 (2) 平方型接收機(jī)利用對(duì)載波信號(hào)的平方處理去掉導(dǎo)航信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)，恢復(fù)完整的載波信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)載波相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，得到偽距觀測(cè)值。 (3) 混合型接收機(jī)混合型接收機(jī)是綜合了相關(guān)型接收機(jī)和平方型接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以通過(guò)碼相位的測(cè)量得到偽距，也可以通過(guò)載波相位測(cè)量得

8、到偽距,按接收機(jī)工作原理來(lái)分，可分為三類,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,硬件接收機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)的天線、射頻前端、信號(hào)處理、信息提取和定位解算等所有功能模塊都是基于硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，這類硬件接收機(jī)模塊越來(lái)越小型化，并且定位實(shí)時(shí)性較高。傳統(tǒng)衛(wèi)星定位接收機(jī)都是硬件接收機(jī),按衛(wèi)星定位接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式，可分為兩類,2) 軟件接收機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)的天線和射頻前端部分用硬件實(shí)現(xiàn)，而后續(xù)的捕獲、跟蹤等信號(hào)處理部分以及后面的信息提取和導(dǎo)航定位解算部分都是通過(guò)軟件無(wú)線電技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 便于高性能GNSS接收機(jī)的研發(fā)，可很方便地將所開(kāi)發(fā)的高性能捕獲、跟蹤和位置解算算法移植到軟件

9、接收機(jī)平臺(tái)上，進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。 通常軟件接收機(jī)的實(shí)時(shí)工作性能要比硬件接收機(jī)差,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類,模塊： 天線和射頻（RF）前端處理； 基帶數(shù)字信號(hào)處理； 定位導(dǎo)航解算,功能： 接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，并經(jīng)過(guò)基于硬件或者軟件的信號(hào)處理和信息處理，給出用戶位置（P）、速度（V）和時(shí)間（T）信息,衛(wèi)星定位接收機(jī),目錄,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類 4.2 接收機(jī)的射頻部分組成及工作原理 4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲 4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤 4.5 定位導(dǎo)航解算方法 4.6 衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)原理和架構(gòu),天線(1/8,信號(hào)：為保證

10、定位解算時(shí)能夠同時(shí)利用高仰角和低仰角衛(wèi)星信號(hào)，天線設(shè)計(jì)應(yīng)具有較寬的空間角，接收盡可能多的衛(wèi)星信號(hào)。考慮地物遮擋等因素，一般要求天線能夠接收仰角高于5的所有衛(wèi)星信號(hào),注意： 仰角為90的衛(wèi)星與仰角為0的衛(wèi)星距離接收機(jī)的距離不同，這種距離差異，在不同地點(diǎn)對(duì)同一顆衛(wèi)星的觀測(cè)會(huì)有所不同，信號(hào)強(qiáng)度相差約2.1dB,系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在選擇接收衛(wèi)星數(shù)量和系統(tǒng)抗干擾性間進(jìn)行權(quán)衡,干擾：由于對(duì)衛(wèi)星定位接收機(jī)的干擾信號(hào)大多來(lái)自于地面，仰角較低，有時(shí)要采用較窄的空間角以避免干擾,遠(yuǎn)近效應(yīng)：作為CDMA系統(tǒng)的一種，希望接收到的所有衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度一致，以避免互相關(guān)干擾，因此定位衛(wèi)星的發(fā)射天線在設(shè)計(jì)時(shí)就適當(dāng)?shù)臏p小了中心方向上

11、的增益，使其略小于周邊增益,系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在選擇接收衛(wèi)星數(shù)量和系統(tǒng)抗干擾性間進(jìn)行權(quán)衡,GPS系統(tǒng)：在地面仰角為5，40，90方向上，衛(wèi)星發(fā)射天線的增益分別為12.1dB，12.9dB和10.2dB左右，綜合發(fā)射增益和傳播距離等因素后，當(dāng)?shù)孛嬗^測(cè)仰角為40左右時(shí)接收到的信號(hào)強(qiáng)度最大,天線(2/8,對(duì)于無(wú)線信道，多徑效應(yīng)是造成信號(hào)失真的重要原因，對(duì)于衛(wèi)星定位系統(tǒng)而言，多徑效應(yīng)主要來(lái)自于地面對(duì)于信號(hào)的反射。影響接收機(jī)環(huán)路特性,多徑效應(yīng)的影響,為了應(yīng)對(duì)多徑效應(yīng)影響，在天線設(shè)計(jì)方面有兩種手段： （1）利用衛(wèi)星定位信號(hào)的極化特性。以GPS系統(tǒng)為例，GPS信號(hào)采用的是右旋圓極化波，而右旋圓極化波反射后會(huì)成為左

12、旋圓極化波。通過(guò)這一特性，衛(wèi)星定位接收機(jī)中采用右旋圓極化天線則會(huì)對(duì)多徑信號(hào)產(chǎn)生較好地抑制。 （2）由于多徑信號(hào)是由地物反射而來(lái)，所以其入射仰角較低，系統(tǒng)可以通過(guò)減小的天線后瓣，比如加入接地板等方式，來(lái)減小多徑信號(hào)的影響。由于衛(wèi)星定位信號(hào)的傳播路徑比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)極化和入射方向等方式抑制多徑干擾，可使衛(wèi)星定位系統(tǒng)較普通的無(wú)線通信系統(tǒng)受多徑干擾的影響更小,天線設(shè)計(jì)方面的手段,天線(3/8,有源天線指的是在天線的后端直接連接一個(gè)低噪聲放大器（LNA），而無(wú)源天線則是單純的天線。由于LNA屬于有源器件，所以有源天線需要饋電線路，以保證天線工作。 注意：天線有無(wú)單獨(dú)的饋電線路不能夠作為判斷其是否是有源

13、天線的依據(jù)，因?yàn)楹芏嘤性刺炀€是通過(guò)信號(hào)傳輸?shù)耐S電纜進(jìn)行饋電的，而且在這種情況下，連接有源天線的射頻前端也必需具有饋電能力，若將這種射頻前端直接連接到信號(hào)源等試驗(yàn)設(shè)備上，則會(huì)造成設(shè)備損壞,有源天線和無(wú)源天線,天線(4/8,系統(tǒng)總的噪聲溫度主要取決于第一級(jí)器件的噪聲溫度以及第一級(jí)放大器的增益。第一級(jí)器件的噪聲越低，放大增益越高，系統(tǒng)總的噪聲就越低,天線(5/8,無(wú)源天線：天線與放大器分離，中間存在一段饋線，饋線的噪聲將會(huì)完全的加入到系統(tǒng)總噪聲中去，饋線越長(zhǎng)，系統(tǒng)噪聲越大,有源天線：放大器直接連接天線，避免了饋線帶來(lái)的噪聲影響，而且放大器較大的增益可以有效抑制后面各級(jí)電路的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)為

14、減少有源天線本身噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，天線后端連接的放大器要求較高，不僅要有很大的增益，而且還要具有較低的噪聲系數(shù),系統(tǒng)整體：雖然有源天線在本身的噪聲抑制上不占優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)于改善系統(tǒng)的整體性能是有幫助的。對(duì)于無(wú)源天線，在應(yīng)用中為降低系統(tǒng)的噪聲，而且考慮到接收到的衛(wèi)星定位信號(hào)本身非常微弱，其饋線長(zhǎng)度一般不超過(guò)1m,天線(6/8,阻抗匹配問(wèn)題：高頻電路阻抗匹配問(wèn)題格外重要，若兩個(gè)器件間阻抗不匹配則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在兩個(gè)器件間往復(fù)反射，無(wú)法有效并可靠的傳遞。不過(guò)在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，阻抗問(wèn)題并不需要設(shè)計(jì)者刻意設(shè)計(jì)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化的器件都服從各自的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，天線常用的阻抗多為50,體積：天線設(shè)計(jì)中一條簡(jiǎn)單而又重要的規(guī)

15、則就是，體積越大，性能越好，可以簡(jiǎn)單地表達(dá)成如下的公式 增益 x 帶寬 體積 = 常數(shù) 衛(wèi)星定位接收機(jī)天線的體積也必然是朝著小型化方向發(fā)展，但是為提高增益，提高抗多徑能力，天線的尺寸通常會(huì)變大，結(jié)構(gòu)變的更復(fù)雜,天線(7/8,目前比較流行的衛(wèi)星定位接收天線為四螺旋天線和貼片天線。具有體積較小，易集成的特點(diǎn)。 貼片天線：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，而且具有良好的抗多徑能力，但其對(duì)低仰角衛(wèi)星信號(hào)的接收能力不強(qiáng)。 四螺旋天線：靈敏度更高，而且對(duì)低仰角衛(wèi)星的接收能力更強(qiáng)，從而改善可見(jiàn)星的空間分布，提高定位精度，不過(guò)對(duì)多徑效應(yīng)的影響更加敏感。 扼流圈天線：在抗多徑能力和低仰角衛(wèi)星的接收能力上都很出眾，但其體積限制

16、了其在個(gè)人定位領(lǐng)域的應(yīng)用,衛(wèi)星定位接收天線有很多不同的構(gòu)造，比如單極，偶極，螺旋，微帶和扼流圈天線等,天線(8/8,射頻前端： 將天線采集到的射頻信號(hào)變換成為方便處理的數(shù)字中頻信號(hào)，結(jié)構(gòu)包括濾波器、放大器、混頻器、本地振蕩器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器,射頻前端,為保證系統(tǒng)性能，系統(tǒng)需要射頻前端的噪聲小、功耗低、增益高，并且具有良好的線性特性。 對(duì)于弱信號(hào)來(lái)講，噪聲對(duì)信號(hào)的影響更為顯著，而對(duì)于強(qiáng)信號(hào)來(lái)說(shuō)，電路飽和以及系統(tǒng)的非線性問(wèn)題對(duì)信號(hào)處理的影響較大。 對(duì)于衛(wèi)星定位信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)強(qiáng)度很低，且信號(hào)強(qiáng)度變化范圍不大，這種信號(hào)特性，弱化了系統(tǒng)的非線性問(wèn)題對(duì)信號(hào)處理的影響。 能量消耗角度：由于射頻前端需要處理射頻信

17、號(hào)，不可避免的要工作在較高的時(shí)鐘頻率之下，這使得射頻前端的耗電量高于接收機(jī)上其他任何部件。為降低射頻前端能耗，而不影響其在高頻區(qū)的工作性能，可通過(guò)降低芯片額定電壓或者采取合理的休眠策略等手段來(lái)減少耗電量,對(duì)射頻前端的要求,射頻前端,濾波器,在射頻前端中，濾波過(guò)程是由分布在不同位置的多個(gè)濾波器綜合完成的。 對(duì)于處在前端的濾波器而言，根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)的噪聲計(jì)算公式，其噪聲越小，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲越低。 隨著信號(hào)處理的深入，信號(hào)的帶寬也會(huì)逐級(jí)變窄。減小信號(hào)的帶寬可以濾除更多的噪聲和干擾，而作為代價(jià)，衛(wèi)星定位信號(hào)中的高頻部分也將被濾除，這對(duì)后續(xù)的相關(guān)運(yùn)算會(huì)造成不利的影響。 衛(wèi)星接收機(jī)中常用聲表面波（SAW）帶

18、通濾波器（BPF），通帶響應(yīng)平穩(wěn)，通帶邊緣陡峭。對(duì)于處理微弱的衛(wèi)星定位信號(hào)而言，可以濾除各種干擾。缺點(diǎn)：不利于集成,射頻前端-濾波器,衛(wèi)星定位接收機(jī)天線后的首級(jí)器件可以選擇高增益的低噪聲放大器（LNA），或窄帶帶通濾波器。后者可使帶外的噪聲和干擾在放大之前濾除。前者可提供比后者低23dB的噪聲指數(shù)，但信號(hào)中可能存在的強(qiáng)干擾經(jīng)過(guò)放大后能使信號(hào)處理電路達(dá)到飽和，從而產(chǎn)生新的干擾。 射頻前端的放大過(guò)程可能是由多級(jí)放大器共同完成的，對(duì)于各級(jí)放大器的增益，需要根據(jù)各器件的噪聲指數(shù)、功耗和飽和情況來(lái)綜合考慮,射頻前端-放大器(1/5,對(duì)于LNA的增益，需要謹(jǐn)慎考慮： 采用較高增益的LNA，可以更好的抑制混

19、頻器的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，但其功耗更大，并且存在使混頻器飽和的可能。 采用較低增益的LNA，則需要使用低噪聲的混頻器，以減少系統(tǒng)噪聲，而低噪聲的混頻器一般需要使用幅值較大的本地振蕩器，這反而增加了混頻器的功耗，使得這種方案在功耗上不占有優(yōu)勢(shì),射頻前端-放大器(2/5,放大器總增益需要滿足的基本原則：使電壓信號(hào)充滿ADC的最大輸入電壓。 GPS的 頻段信號(hào)到達(dá)地面的信號(hào)強(qiáng)度至少為-130dBm。接收機(jī)天線處的熱噪聲功率為,對(duì)于一般的衛(wèi)星定位接收機(jī)，噪聲基底一般在-110dBm-120dBm之間，默認(rèn)值為 =-111dBm（即290K=16.85下），噪聲強(qiáng)于GPS的 信號(hào),射頻前端-放大器(3/5

20、,射頻前端-放大器(4/5,由于衛(wèi)星定位接收機(jī)接收到的信號(hào)電平較低，無(wú)法直接使用ADC進(jìn)行采集，所以射頻前端電路中需要加入放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，以匹配ADC的測(cè)量能力。由于信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲之下，所以放大器需要將噪聲的電平放大到ADC的最大量程處，而非將信號(hào)的電平放大到最大量程處,射頻前端-放大器(5/5,混頻器是實(shí)現(xiàn)下變頻的核心部件。據(jù)結(jié)構(gòu)不同，既可使頻率降低，也可用來(lái)使頻率升高，在衛(wèi)星定位接收機(jī)中由于在射頻區(qū)內(nèi)采樣和放大信號(hào)會(huì)帶來(lái)較大的功耗和較高成本，為便于系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，因此采用的是的下變頻混頻器,中頻頻率選擇： 要能夠容納足夠帶寬的衛(wèi)星定位信號(hào)，對(duì)于GPS

21、L1信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)主峰寬度約為2MHz，則中頻信號(hào)的中心頻率至少要大于L1信號(hào)的單邊帶寬。 較低的中頻頻率，有益于降低后續(xù)電路的成本和功耗。 較高的中頻頻率，更有利于抑制鏡像頻率的干擾。同時(shí)更高的中頻頻率也會(huì)使更多的信號(hào)高頻分量進(jìn)入后續(xù)電路。當(dāng)GPS系統(tǒng)中頻頻率為4.309MHz時(shí)，大概有90%C/A碼信號(hào)能量可通過(guò)混頻器,射頻前端-混頻器/本地振蕩器,功能：把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為適合后端進(jìn)行處理的數(shù)字中頻信號(hào)； 采樣率選擇：需滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣率必須高于信號(hào)最高頻率分量的兩倍，以防發(fā)生頻譜的混疊。 帶通采樣：由于衛(wèi)星定位信號(hào)屬于帶通信號(hào)，所以在采樣率的選擇上不必大于最高頻率的兩倍，而是按

22、照帶通采樣定理，大于信號(hào)帶寬B的兩倍即可,4.2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,射頻前端-模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(1/7,實(shí)際采樣方式：衛(wèi)星定位接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者一般通過(guò)采用過(guò)采樣的方式來(lái)使信號(hào)頻譜更加疏散，以減少信號(hào)混疊，方便濾波器的設(shè)計(jì)，從而提高信噪比。 過(guò)采樣代價(jià)：系統(tǒng)功耗增加，同時(shí)對(duì)后端處理的運(yùn)算量和運(yùn)算速度也提出了更高的要求。 針對(duì)上述的弊端，設(shè)計(jì)者可以采用變采樣的方式降低信號(hào)的采樣率。變采樣過(guò)程中首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通抗混疊濾波。此時(shí)信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)數(shù)字化，而相對(duì)于模擬環(huán)境，低通抗混疊濾波更容易在數(shù)字環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。濾波完成后再通過(guò)降采樣將信號(hào)的采樣率降低,射頻前端-模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(2/

23、7,4.2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,衛(wèi)星定位接收機(jī)中ADC采樣率不可以和信號(hào)擴(kuò)頻碼速率成整數(shù)倍關(guān)系。 當(dāng)信號(hào)采樣率和碼速率成整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，衛(wèi)星定位接收機(jī)將對(duì)一定的時(shí)間偏移量不敏感，因?yàn)樵谠摃r(shí)間偏移內(nèi)的采樣結(jié)果完全一樣，這將會(huì)導(dǎo)致定位精度的損失。對(duì)于非整倍數(shù)采樣，則不存在這一問(wèn)題。 在考慮系統(tǒng)采樣率和擴(kuò)頻碼速率的關(guān)系時(shí)需要考慮碼多普勒的影響。以GPS的L1信號(hào)為例，C/A碼的碼多普勒在6.32Hz以內(nèi)，則采樣率要避免與任何（ 6.32）Hz范圍內(nèi)的整數(shù)倍重合,射頻前端-模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(3/7,4.2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,對(duì)ADC量化位數(shù)要求： ADC的量化位數(shù)與其分辨率相關(guān)。n位的AD

24、C的分辨率為2n。 量化位數(shù)增加，ADC分辨率增加，量化噪聲也會(huì)隨之降低。 衛(wèi)星定位接收機(jī)ADC位數(shù)一般在14位之間。因?yàn)槔^續(xù)增加量化位數(shù)并不能帶來(lái)信噪比顯著的增加。 以GPS的信號(hào)為例，在有限帶寬的情況下，一位ADC的量化誤差損耗約為3.5dB，兩位ADC的量化誤差損耗約為1.2dB，三位ADC的量化誤差損耗約為0.6dB。 由于過(guò)多的量化位數(shù)會(huì)導(dǎo)致后續(xù)處理運(yùn)算量的增加，所以衛(wèi)星定位接收機(jī)的量化位數(shù)一般較低,射頻前端-模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(4/7,4.2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,為有效利用有限的量化位數(shù)，必須讓信號(hào)時(shí)刻充滿ADC的最大量程。由于接收信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著溫度和環(huán)境變化，所以在ADC前需

25、加入自動(dòng)增益控制（AGC）電路。衛(wèi)星定位接收機(jī)射頻前端的最后一級(jí)放大器件，AGC需要根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)調(diào)整增益。有些低端衛(wèi)星定位接收機(jī)采用一位量化的ADC，這種設(shè)計(jì)中并不需要,AGC問(wèn)題,增加量化位數(shù)雖然不能在信噪比上有更顯著提高，但對(duì)提高信號(hào)的抗干擾能力有幫助。對(duì)于對(duì)抗干擾能力有特殊要求的衛(wèi)星定位接收機(jī)，可以考慮采用較多的量化位數(shù)。 一般來(lái)說(shuō)，干擾信號(hào)會(huì)比衛(wèi)星發(fā)出的衛(wèi)星定位信號(hào)強(qiáng)度大很多，如果量化位數(shù)較少，真正的衛(wèi)星定位信號(hào)可能會(huì)被淹沒(méi)在量化誤差中，無(wú)法恢復(fù)。如果采用較多量化位數(shù)，即便干擾信號(hào)充滿了ADC量程，真實(shí)信號(hào)也依然保留在采樣點(diǎn)中，后續(xù)電路中可以通過(guò)特殊的算法將真實(shí)信號(hào)恢復(fù)出來(lái),抗干擾能

26、力與量化位數(shù)的關(guān)系,射頻前端-模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(5/7,4.2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,4.2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,射頻前端-模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(6/7,ADC主要參數(shù)： 1）分辯率(Resolution) ： 指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)表示。 2） 轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)： 指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。 積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級(jí)屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。 注意：采樣時(shí)間是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為保證轉(zhuǎn)換的正確

27、完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。常用單位：ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬(wàn)次（kilo / Million Samples per Second）。 3）量化誤差(Quantizing Error) ： 由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無(wú)限分辯率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB,4.2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,射頻前端-模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(7/7,ADC主要參數(shù)： 4）偏移誤差(Offset Error) ： 輸入信號(hào)為零時(shí)輸

28、出信號(hào)不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。 5）滿刻度誤差(Full Scale Error) ： 滿度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。 6）線性度(Linearity) ： 實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移,目錄,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類 4.2 接收機(jī)的射頻部分組成及工作原理 4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲 4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤 4.5 定位導(dǎo)航解算方法 4.6 衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)原理和架構(gòu),擴(kuò)頻接收機(jī)典型結(jié)構(gòu),4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)處理都是基于通道化結(jié)構(gòu)體系,捕獲過(guò)程提供對(duì)信號(hào)參數(shù)的粗略估計(jì)，這些參數(shù)通過(guò)碼跟蹤和載波

29、跟蹤進(jìn)行精確化；跟蹤完成后，進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取和偽距的計(jì)算,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,每個(gè)小方格被稱為一個(gè)搜索單元。 在時(shí)域上, 捕獲電路需要遍歷所有的碼相位，時(shí)域搜索的分辨率 tbin 一般為接收信號(hào)的采樣間隔。 在碼域上，捕獲電路需要遍歷所有在軌衛(wèi)星的 PN 碼。 在確定搜索的頻率步進(jìn)量 fbin 和碼相位步進(jìn)量 tbin 后，系統(tǒng)搜索單元總數(shù) Ncell 便可以確定。 系統(tǒng)在每個(gè)搜索單元上進(jìn)行搜索的時(shí)間被稱為駐留時(shí)間 Tdwell，系統(tǒng)遍歷所有搜索單元所需的時(shí)間記為 Ttot,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,每個(gè)小方格被稱為一個(gè)搜索單元。 在時(shí)

30、域上, 捕獲電路需要遍歷所有的碼相位，時(shí)域搜索的分辨率 tbin 一般為接收信號(hào)的采樣間隔。 在碼域上，捕獲電路需要遍歷所有在軌衛(wèi)星的 PN 碼。 在確定搜索的頻率步進(jìn)量 fbin 和碼相位步進(jìn)量 tbin 后，系統(tǒng)搜索單元總數(shù) Ncell 便可以確定。 系統(tǒng)在每個(gè)搜索單元上進(jìn)行搜索的時(shí)間被稱為駐留時(shí)間 Tdwell，系統(tǒng)遍歷所有搜索單元所需的時(shí)間記為 Ttot,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,例4. 2】假設(shè)接收機(jī)對(duì)某顆衛(wèi)星信號(hào)的頻率與碼相位的搜索范圍分別設(shè)置為10 kHz 與1023 碼片，采用500 Hz 的頻率搜索步長(zhǎng)和0. 5 碼片的碼相位搜索步長(zhǎng),試求該二維搜索的搜索單元總數(shù)。如

31、果接收機(jī)分別配置1 個(gè)和2046 個(gè)并行相關(guān)器進(jìn)行搜索，并且在每個(gè)搜索單元上的駐留時(shí)間為4 ms，試求在這兩種相關(guān)器配置資源情況下，搜索完整個(gè)搜索區(qū)間所需的信號(hào)搜索時(shí)間,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,捕獲電路核心是相關(guān)器： 為完成搜索功能，捕獲電路需要在不同頻率偏移下對(duì)不同的PN碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。在相關(guān)運(yùn)算中，當(dāng)輸入信號(hào)和本地信號(hào)完全同步時(shí)，相關(guān)器會(huì)輸出一個(gè)較大的分量，也就是PN碼的自相關(guān)峰。當(dāng)接收信號(hào)與本地信號(hào)不匹配或不同步時(shí)，相關(guān)器的輸出值會(huì)很小,注意：y(m-n)表示循環(huán)移位，所以若本地序列和接收信號(hào)序列長(zhǎng)度為N時(shí)，相關(guān)器輸出的相關(guān)函數(shù)序列長(zhǎng)度也為N，若N點(diǎn)中存在一個(gè)相關(guān)峰，則其位置就

32、反映了兩組信號(hào)的相位差,在GNSS信號(hào)捕獲電路中，采用的是循環(huán)相關(guān)的手段,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,4.3.2 時(shí)域搜索,時(shí)域搜索結(jié)構(gòu)包括,串行捕獲又叫做時(shí)域捕獲，并行捕獲又被稱作頻域捕獲。 注意：這里所說(shuō)的頻域捕獲是指將時(shí)域信號(hào)變換到頻域進(jìn)行分析，而非對(duì) 頻域進(jìn)行搜索，頻域捕獲的結(jié)果仍然反映的是時(shí)域上的延遲,串行捕獲； 并行捕獲,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,1. 串行捕獲,工作原理：信號(hào)與本地載波和本地PN碼相乘后，進(jìn)入積分器對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的所有采樣點(diǎn)進(jìn)行累加，累加結(jié)果取模則得到相關(guān)函數(shù)中的一個(gè)樣點(diǎn)。若該輸出值大于系統(tǒng)所設(shè)的門限值，則判定為信號(hào)同步，相關(guān)運(yùn)算到此結(jié)束，將參數(shù)傳遞給

33、下一級(jí)電路。若該采樣點(diǎn)未超過(guò)門限值，則將本地PN碼序列進(jìn)行一個(gè)采樣點(diǎn)的延遲后再次進(jìn)行上述操作，得到下一個(gè)相關(guān)函數(shù)值。 串行捕獲結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：占用硬件資源很少；缺點(diǎn)：運(yùn)算速度慢，實(shí)時(shí)性差,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,2. 并行捕獲,將N次碼相位搜索通過(guò)傅里葉變換一次完成，大大節(jié)約運(yùn)算時(shí)間,將式4.4進(jìn)行離散傅里葉變換得到Z(k)如下,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,2. 并行捕獲,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,并行捕獲結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：速度快，計(jì)算量少； 缺點(diǎn)：FFT運(yùn)算所占用的硬件資源較大，使得其硬件開(kāi)銷較串行捕獲結(jié)構(gòu)更大。 由于傅里葉變換為復(fù)數(shù)運(yùn)算，所以在這里將數(shù)據(jù)變?yōu)橄嗷フ坏腎/Q兩路進(jìn)

34、行FFT會(huì)有更高的效益。 注意：FFT運(yùn)算對(duì)于采樣點(diǎn)數(shù)有嚴(yán)格要求，對(duì)于GNSS信號(hào)捕獲而言，一個(gè)PN碼周期中所包含的采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)該是一個(gè)以2為底的冪。而系統(tǒng)射頻前端的采樣率并不一定滿足該要求，這就需要信號(hào)在進(jìn)入并行捕獲電路之前經(jīng)過(guò)變采樣處理,2. 并行捕獲,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,3. 頻域搜索,頻域搜索是捕獲電路的另一個(gè)基本功能，是基于數(shù)字下變頻電路實(shí)現(xiàn)的，下變頻的過(guò)程也被稱為載波剝離。 對(duì)于GNSS信號(hào)來(lái)說(shuō)，時(shí)域上的搜索實(shí)質(zhì)上是完成PN碼的同步，即解擴(kuò)的過(guò)程，而頻域上的搜索則是完成解調(diào)的過(guò)程,乒乓搜索 乒乓搜索就是將整個(gè)兒搜索頻域分成多個(gè)頻槽fbin，并在逐個(gè)頻槽上進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)

35、相關(guān)函數(shù)峰值足夠大時(shí)，認(rèn)為本地載波頻率已對(duì)準(zhǔn)信號(hào)頻率。 在確定多普勒搜索范圍后，乒乓搜索捕獲算法通常是從該范圍的中間頻槽開(kāi)始搜索，并向兩端左右交替地?cái)U(kuò)展搜索范圍。例如：假設(shè)多普勒頻移搜索范圍為5kHz，中心頻率為4MHz，頻槽寬度為500Hz，則系統(tǒng)在展開(kāi)搜索時(shí)，首先將本振頻率調(diào)到4MHz上進(jìn)行搜索，然后依次搜索4.0005MHz，3.9995MHz，4.0010MHz，3.9990MHz等共21個(gè)頻槽。這種“圣誕樹(shù)”狀的搜索順序，有助于提高接收機(jī)快速捕獲衛(wèi)星信號(hào)的概率,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,本地載波與接收信號(hào)載波之間的頻率差fe會(huì)在信號(hào)檢測(cè)量V，即相關(guān)峰值中引入值為|sinc(f

36、eTcoh)|的損耗，使系統(tǒng)產(chǎn)生漏警，這里的Tcoh表示系統(tǒng)相干累積的時(shí)間,3. 頻域搜索,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,接收機(jī)通常將這種損耗控制在3dB以內(nèi)，即|sinc(feTcoh)|2=0.5，所以頻率的絕對(duì)誤差fe不應(yīng)超過(guò)0.443/Tcoh，即頻槽寬度f(wàn)bin超過(guò)0.886/Tcoh，在實(shí)踐中，通常取 以2/3作為系數(shù)，可以保證每個(gè)3dB帶寬之間有一定的重疊，進(jìn)一步減小系統(tǒng)漏警,3. 頻域搜索,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,頻域搜索范圍需要根據(jù)接收機(jī)工作環(huán)境而定。靜止接收機(jī)頻域搜索范圍大約在5kHz之間，動(dòng)態(tài)接收機(jī)則需要根據(jù)情況擴(kuò)展搜索范圍。頻域搜索分辨率fbin與捕獲電路

37、的累積時(shí)間成反比，一般在幾十赫茲到幾百赫茲不等。以GPS L1信號(hào)為例，在系統(tǒng)不進(jìn)行累積時(shí)fbin一般定為500Hz。上述的情況基于系統(tǒng)冷啟動(dòng)的假設(shè)，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)時(shí)，情況會(huì)有所不同,捕獲電路在每個(gè)維度的搜索的范圍,檢測(cè)概率Pd，虛警概率Pfa以及捕獲速度等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)希望得到更大Pd的和更小的Pfa，而二者之間存在著相互矛盾的關(guān)系。 Pd及Pfa大小取決于門限值Vt的選取，較大的Vt可以降低Pfa，但Pd也會(huì)隨之降低，反之亦然。在捕獲電路設(shè)計(jì)中，為在保證Pd的條件下降低Pfa，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次捕獲并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，但這種方法將帶來(lái)時(shí)間上的額外開(kāi)銷,GNSS捕獲電路的性能指標(biāo),4.3 GN

38、SS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,4.3.4 GNSS弱信號(hào)捕獲,在室內(nèi)，叢林，城區(qū)等高遮擋的環(huán)境下，GNSS接收機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)有很大的衰減，弱信號(hào)環(huán)境下的GNSS信號(hào)捕獲問(wèn)題主要采用信號(hào)累積的辦法來(lái)提高捕獲靈敏度,基本累積方法：相干累積，非相干累積和差分相干累積,特點(diǎn)： （1）相干累積對(duì)捕獲靈敏度的提升效果最顯著，但由于導(dǎo)航數(shù)據(jù)的存在，以及捕獲速度的代價(jià)，使得相干累積的長(zhǎng)度不能夠無(wú)限延長(zhǎng)。 （2）硬件系統(tǒng)晶體振蕩器的相噪也是制約累積長(zhǎng)度的一個(gè)因素，在晶振相噪的影響下，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)累積反倒會(huì)使捕獲的靈敏度下降。 （3）由于上述限

39、制因素，需要通過(guò)采用合理的累積策略將幾種基本累積方法結(jié)合使用，盡可能提高接收機(jī)捕獲靈敏度,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,1. 相干累積,原理：先對(duì)每一個(gè)搜索單元上的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行多周期的累加然后平方，即可獲得高信噪比的判決變量,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,1. 相干累積,設(shè)搜索單元( ,FD )所對(duì)應(yīng)的第 k個(gè)積分周期的相關(guān)值為 Yk( ,FD )，那么經(jīng) K個(gè)周期的累積之后，判決變量變?yōu)?在相干累積過(guò)程中，不同周期信號(hào)間是相關(guān)的，所以累積后的功率呈平方倍數(shù)增長(zhǎng)，而不同周期的噪聲滿足獨(dú)立的零均值高斯分布，所以相干積分的過(guò)程類似于平均作用，其功率只是線性增加。這樣，經(jīng)過(guò) 個(gè)周期的相干

40、累積后，判決變量的信噪比變?yōu)樵瓉?lái)的K倍?？梢詫⑾喔衫鄯e增益表示為,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,注意： （1）相干累積長(zhǎng)度受到導(dǎo)航數(shù)據(jù)的限制，以GPS L1信號(hào)為例，導(dǎo)航數(shù)據(jù)（D碼）的比特寬度為20ms，即每20ms導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特就可能翻轉(zhuǎn)一次，所以相干累積的時(shí)間不能超過(guò)20ms，否則翻轉(zhuǎn)后的信號(hào)求出的相關(guān)函數(shù)符號(hào)與先前的相反，這將導(dǎo)致靈敏度的損失。 （2） K個(gè)周期的相干累積會(huì)使系統(tǒng)的多普勒頻槽寬度f(wàn)bin變?yōu)樵瓉?lái)的1/K，相應(yīng)的，系統(tǒng)所需要覆蓋的搜索單元也就是原來(lái)的K倍，這樣系統(tǒng)的TTFF就與K值得平方成正比，從而使系統(tǒng)在捕獲速度上付出很大的代價(jià),1. 相干累積,4.3 GNSS接收機(jī)的

41、信號(hào)捕獲,2. 非相干累積,工作原理： 非相干累積法是將K個(gè)周期的相關(guān)平方值進(jìn)行線性累加，來(lái)提高判決變量的信噪比。它沒(méi)有利用不同周期信號(hào)之間的相位相關(guān)性，但是同時(shí)也避免了相位模糊對(duì)累積結(jié)果的影響，即不受導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)的影響。因此其非相干累積長(zhǎng)度不受導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)速率的限制，可以采用更長(zhǎng)的累積時(shí)間,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,2. 非相干累積,搜索單元( ,FD )的相關(guān)值經(jīng)過(guò)K個(gè)周期非相干累積后，生成的判決變量表示為,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,特點(diǎn)： 盡管非相干累積可以避免相位模糊的問(wèn)題，但是由于采用了先平方后線性累加的處理，其判決變量的信噪比會(huì)受到平方損失影響,若用S表示信號(hào)能

42、量，N表示噪聲能量，將之相關(guān)平方后有 (S+N)2=S2+N2+2SN,在平方去除相位相關(guān)性的過(guò)程中，噪聲和信號(hào)是同時(shí)被平方的，并且噪聲與信號(hào)的交叉乘積項(xiàng)成為新的噪聲引入到判決變量中。所以，非相干累積的增益實(shí)際上相當(dāng)于相同累積時(shí)間的相干累積增益減去平方損失的結(jié)果,2. 非相干累積,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,3. 差分相干累積,差分相干處理最初是為了減小CDMA系統(tǒng)中頻移和衰落引起的相位抖動(dòng)而提出的。 鑒于GNSS信號(hào)的傳輸過(guò)程也可以看作是慢衰落過(guò)程，因此差分相干累積方法被引入到信號(hào)捕獲后處理部分。 對(duì)于經(jīng)歷了慢衰落過(guò)程的導(dǎo)航信號(hào)來(lái)說(shuō)，相鄰兩個(gè)周期的相位可以認(rèn)為近似不變。這樣，用差分運(yùn)算

43、代替平方運(yùn)算，判決變量就變?yōu)?4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,3. 差分相干累積,在實(shí)際應(yīng)用中,一般取差分運(yùn)算結(jié)果的實(shí)數(shù)部分作為最終的判決變量，相應(yīng)的時(shí)域捕獲模塊如下,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,差分相干累計(jì)是利用相鄰周期信號(hào)相位的相關(guān)性，有效地去除隨機(jī)相位的影響，同時(shí)相鄰周期的噪聲相關(guān)性較差，經(jīng)過(guò)共軛相乘后放大相對(duì)較小。因此，差分相干累積法對(duì)信噪比的改善效果要優(yōu)于非相干累積法。 另一方面，由于差分相干運(yùn)算對(duì)比特翻轉(zhuǎn)不敏感，所以也有效地解決了相干累積時(shí)間 的選擇問(wèn)題。如果將相干和差分相干累積結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，那么就可以選擇較小的相干累積時(shí)間 ，這樣對(duì)頻率槽寬度 可以適當(dāng)放寬，減小搜索時(shí)間和

44、捕獲響應(yīng)時(shí)間,差分相干累積的特點(diǎn),4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,4. 半比特累積算法,上述三種方法在獨(dú)立使用時(shí)都面臨著較大的限制，所以在設(shè)計(jì)中往往通過(guò)一些累積算法將兩種以上的方法通過(guò)合理的安排進(jìn)行組合，消除導(dǎo)航數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)帶來(lái)的限制，增長(zhǎng)信號(hào)的累積時(shí)間,典型的累積結(jié)構(gòu)主要包括半比特法、全比特法、估計(jì)最佳導(dǎo)航數(shù)據(jù)組合的圓周算法等,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,工作原理：通過(guò)將接收到的信號(hào)分割成每10ms一段，進(jìn)行相干累積，相干累積的結(jié)果按照時(shí)間順序交替分配給奇偶兩路分別進(jìn)行非相干累積。累積結(jié)果中必然有一組的結(jié)果峰值要高于另一組，因?yàn)閷?dǎo)航數(shù)據(jù)周期為20ms，在每?jī)蓚€(gè)相鄰的10ms數(shù)據(jù)段中必然

45、有一個(gè)是沒(méi)有遇到導(dǎo)航數(shù)據(jù)位比特反轉(zhuǎn)的。半比特法中將峰值更高的一組認(rèn)為是判決變量，通過(guò)觀察其峰值是否超越門限來(lái)判定信號(hào)的有無(wú),4. 半比特累積算法,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,4.3.5信號(hào)確認(rèn)算法,常用方法：Tong搜索和N之M算法,當(dāng)基本的捕獲過(guò)程完成后，系統(tǒng)需要保持當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次額外的捕獲，并通過(guò)多次捕獲的結(jié)果來(lái)降低系統(tǒng)的虛警概率，并對(duì)難以確認(rèn)的信號(hào)追加更多的搜索時(shí)間,Tong搜索也被稱作唐搜索，該算法可以對(duì)難以確定的信號(hào)追加更多捕獲時(shí)間，算法流程如下,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,工作原理： （1）Tong搜索包含一個(gè)計(jì)數(shù)變量K，而圖中的A與B分別是該計(jì)數(shù)變量的門限值

46、和初始值。 （2）首先，當(dāng)接收機(jī)在某個(gè)搜索單元開(kāi)始搜索信號(hào)時(shí)，搜索單元被預(yù)制成B； （3）接著，在每次相關(guān)運(yùn)算結(jié)束后都將檢測(cè)量V與捕獲門限值Vt相比較，若V大于Vt，則K值加1，反之K值減1； （4）當(dāng)K值達(dá)到門限值A(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定信號(hào)存在；若K值被減為0，則認(rèn)定信號(hào)不存在；若K值在0和A之間，則停留在此單元繼續(xù)搜索,4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲,注意事項(xiàng),A和B的選取需要考慮速度，檢測(cè)概率和虛警概率之間的平衡。 門限值A(chǔ)的取值一般在812之間，對(duì)于強(qiáng)信號(hào)捕獲需要采用更小的A值。 B值越小，搜索速度越快。 在某些特殊情況下，Tong搜索檢測(cè)法會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)，而無(wú)法給出定論的情況，針對(duì)這種

47、現(xiàn)象，往往在系統(tǒng)中加入搜索次數(shù)的上限，當(dāng)搜索次數(shù)過(guò)多時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)搜索單元上重新開(kāi)始搜索,目錄,4.1 衛(wèi)星定位接收機(jī)組成與分類 4.2 接收機(jī)的射頻部分組成及工作原理 4.3 GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲 4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤 4.5 定位導(dǎo)航解算方法 4.6 衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)原理和架構(gòu),4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,信號(hào)跟蹤階段： 信號(hào)通道從捕獲階段獲得的當(dāng)前這個(gè)衛(wèi)星的載波頻率和碼相位的粗略估計(jì)值出發(fā)，通過(guò)跟蹤環(huán)路逐步精細(xì)對(duì)這兩個(gè)信號(hào)參量的估計(jì)，同時(shí)輸出對(duì)信號(hào)的測(cè)量值，然后解調(diào)出信號(hào)中的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特,跟蹤主要分為兩部分：載波跟蹤和碼跟蹤，它們分別用于跟蹤接收信號(hào)

48、中的載頻和偽碼,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,載波跟蹤環(huán)的目的：盡量使所復(fù)制的載波信號(hào)與接收到的衛(wèi)星載波信號(hào)保持一致，從而通過(guò)混頻機(jī)制徹底地剝離衛(wèi)星信號(hào)中的載波。 若復(fù)制載波與接收載波不一致，則接收信號(hào)中的載波就不能被徹底剝離，則接收信號(hào)不能被下變頻到真正的基帶。 若復(fù)制載波與接收載波不一致，會(huì)導(dǎo)致碼環(huán)所得到的C/A碼自相關(guān)幅值受到削弱,4.4.1 載波跟蹤環(huán),4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,如果載波環(huán)通過(guò)檢測(cè)其復(fù)制載波與輸入載波之間的相位差異，然后再相應(yīng)地調(diào)節(jié)復(fù)制載波的相位，使兩者的相位保持一致，那么這種載波環(huán)跟蹤的形式稱為相位鎖定環(huán)路,4.4.1 載波跟蹤環(huán),如果載波環(huán)通過(guò)檢測(cè)其復(fù)制

49、載波與載波之間的頻率差異，然后再相應(yīng)地調(diào)節(jié)復(fù)制載波的頻率，使兩者頻率保持一致，那么這種載波環(huán)的實(shí)現(xiàn)形式稱為頻率鎖定環(huán)路,相位鎖定環(huán)路,頻率鎖定環(huán)路,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,一個(gè)典型鎖相環(huán)主要由相位鑒別器(鑒相器)、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器(VCO)三部分構(gòu)成,相位鎖定環(huán)路基本原理(1/7,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,相位鎖定環(huán)路基本原理(2/7,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,相位鎖定環(huán)路基本原理(3/7,環(huán)路濾波器是一個(gè)低通濾波器，其目的在于降低環(huán)路中的噪聲，使濾波結(jié)果既能真實(shí)的反映濾波器輸入信號(hào)的相位變化情況，又能防止由于噪聲的緣故而過(guò)激地調(diào)節(jié)壓控振蕩器,當(dāng)鑒相器輸出信號(hào)

50、經(jīng)過(guò)一個(gè)理想的低通濾波器后，它的高頻信號(hào)成分和噪聲被濾除，于是濾波器的輸出信號(hào),4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,相位鎖定環(huán)路基本原理(4/7,盡管輸入信號(hào)的初相位通常會(huì)隨著時(shí)間的不同而變化，但當(dāng)信號(hào)被鎖相環(huán)鎖定時(shí)，不僅輸出信號(hào)的角頻率相同 ，而且輸出信號(hào)的相位值也與輸入信號(hào)很接近，此時(shí)有,鑒相結(jié)果的濾波值與輸入、輸出信號(hào)之間的相位差 成線性正比關(guān)系。 注意：如果相位差很大時(shí)，線性化過(guò)程不成立,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,相位鎖定環(huán)路基本原理(5/7,鑒相結(jié)果濾波后，環(huán)路濾波器輸出信號(hào)接著作為輸入到壓控振蕩器的控制電壓信號(hào)。壓控振蕩器的基本功能是產(chǎn)生一定頻率的周期震蕩信號(hào)，且信號(hào)頻率變化

51、量與控制信號(hào)的大小成正比。 壓控振蕩器控制關(guān)系為,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,相位鎖定環(huán)路基本原理(6/7,由于角頻率對(duì)時(shí)間的積分為相位變化量，那么角頻率變化率的積分就相當(dāng)于初相位的變化量。因此可得VCO輸出信號(hào)的瞬間初相位為,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,相位鎖定環(huán)路基本原理(7/7,只要鎖相環(huán)輸入與輸出信號(hào)之間的相位存在一個(gè)不等于零的差異 ，那么不等于零的鑒相結(jié)果濾波值隨后就會(huì)相應(yīng)地調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率,鎖相環(huán)正是通過(guò)重復(fù)不斷地鑒別輸入與輸出信號(hào)之間的相位差異，并相應(yīng)地調(diào)整輸出信號(hào)的頻率，從而達(dá)到使輸出信號(hào)相位與輸入信號(hào)相位保持一致的目的,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,

52、GNSS接收機(jī)載波相位跟蹤環(huán)路-Costas環(huán),4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,Costas環(huán)路鑒相器,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,Costas載波相位跟蹤環(huán)路鑒相器的比較,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,頻率鎖定環(huán)路,鎖相環(huán)復(fù)現(xiàn)輸入衛(wèi)星的相位和頻率以完成載波剝離功能。鎖頻環(huán)(FLL)則通過(guò)復(fù)現(xiàn)近似的頻率以完成載波剝離過(guò)程，典型情況下允許輸入載波信號(hào)相位的翻轉(zhuǎn)。鎖頻環(huán)也稱為自動(dòng)頻率控制環(huán),鎖頻環(huán)功能：復(fù)制載波與接收載波之間的頻率保持一致，卻不要求兩者在相位上保持一致,注意：考慮用戶運(yùn)動(dòng)、接收機(jī)基準(zhǔn)頻率漂移和噪聲等不定因素，鎖相環(huán)所復(fù)制的載波與接收載波之間時(shí)不時(shí)地存在頻率差異 ，導(dǎo)致兩

53、者之間的相位差異會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,頻率鎖定環(huán)路,注意：角頻率誤差估算式的成立隱含一個(gè)假設(shè)，即相鄰兩段相位的相干積分時(shí)間必須對(duì)應(yīng)于同一個(gè)數(shù)據(jù)比特時(shí)沿,鎖頻環(huán)的頻率誤差鑒別結(jié)果經(jīng)環(huán)路濾波器的濾波后，施加在載波數(shù)控振蕩器的輸入端，從而調(diào)節(jié)載波數(shù)控振蕩器上讀到其所復(fù)制的載波頻率，從而推斷出該接收信號(hào)的多普勒頻移,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,頻率鎖定環(huán)路,FLL功能： 輸出最直接的多普勒頻移測(cè)量值； 鎖頻環(huán)通過(guò)載波積分器輸出積分多普勒測(cè)量值。若給定一個(gè)初始值，則積分多普勒測(cè)量值就變成了載波相位測(cè)量值,注意：盡管鎖頻環(huán)也產(chǎn)生了載波相位測(cè)量值，但是由于未進(jìn)行相位

54、差異校正，而是經(jīng)由多普勒頻移對(duì)時(shí)間的積分得到，因而這種載波相位測(cè)量值沒(méi)有鎖相環(huán)的載波相位測(cè)量值那樣精確,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,頻率鎖定環(huán)路鑒相器,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,頻率鎖定環(huán)路鑒別器的比較,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,碼環(huán)功能：復(fù)制出一個(gè)與接收信號(hào)中的測(cè)距碼相一致的碼，從而剝離GNSS信號(hào)中的測(cè)距碼，同時(shí)提高了原本淹沒(méi)在噪聲中的GNSS信號(hào)的信噪比,4.4.2 碼跟蹤環(huán),當(dāng)它們之間相位一致時(shí)，自相關(guān)值會(huì)達(dá)到最大，而相關(guān)運(yùn)算后的信號(hào)功率也達(dá)到最強(qiáng)； 否則當(dāng)兩者相位不一致時(shí)，它們之間的自相關(guān)值會(huì)很小，相關(guān)后信號(hào)功率會(huì)很低，該衛(wèi)星信號(hào)也很難被碼環(huán)所跟蹤,4.4 GN

55、SS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,延遲鎖定環(huán)的工作原理,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,延遲鎖定環(huán)的工作原理,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,2. 常用延遲鎖定環(huán)鑒別器,碼環(huán)鑒別器通常利用下面公式進(jìn)行非相干積分,以相關(guān)器間距為0.5碼片的常規(guī)接收機(jī)為例，介紹常見(jiàn)的碼環(huán)鑒別器,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,2. 常用延遲鎖定環(huán)鑒別器,上式假定了接收機(jī)得到的自相關(guān)幅值的最大值為1；否則，對(duì)上式進(jìn)行單位化，得到如下更為常用的鑒別公式,1) 非相干超前減滯后幅值法,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,2. 常用延遲鎖定環(huán)鑒別器,單位化計(jì)算公式,2) 非相干超前減滯后功率法,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,

56、2. 常用延遲鎖定環(huán)鑒別器,因?yàn)樵诜窍喔沙皽p滯后幅值法中的自相關(guān)幅值E和L需經(jīng)過(guò)開(kāi)根號(hào)運(yùn)算才能求得，而這種非相干超前減滯后功率法確可以免去開(kāi)根號(hào)運(yùn)算（平方運(yùn)算與開(kāi)根號(hào)運(yùn)算相抵消?。院笳叩挠?jì)算量比前者有所減少； 由于自相關(guān)幅值曲線與功率曲線不重合，因而非相干超前減滯后功率法會(huì)產(chǎn)生一定的鑒相誤差,2) 非相干超前減滯后功率法,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,2. 常用延遲鎖定環(huán)鑒別器,直接利用超前、時(shí)和滯后三條支路上的相干積分值。具體計(jì)算公式為,3) 似相干點(diǎn)積功率法,特點(diǎn)：所需計(jì)算量比前兩種非相干型鑒別器都要低，但是它至少需要三對(duì)相關(guān)器，而不再是兩對(duì),4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,

57、2. 常用延遲鎖定環(huán)鑒別器,當(dāng)載波環(huán)采用鎖相環(huán)的形式并且鎖相環(huán)工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，接收信號(hào)的所有功率全都集中在I支路上，Q 支路上的信號(hào)接近為0。則式（4.31）有,4) 相干點(diǎn)積功率法,單位化的計(jì)算公式為,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,2. 常用延遲鎖定環(huán)鑒別器,由上兩式所表達(dá)的相干點(diǎn)積功率法計(jì)算最為簡(jiǎn)單，然而它要求信號(hào)的功率集中在I支路上。 如果載波環(huán)采用鎖相環(huán)，或者作為載波環(huán)的鎖相環(huán)還未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，那么接收信號(hào)的一部分功率會(huì)在Q支路中流失，這使得I支路上輸出的信號(hào)功率未能達(dá)到最大，從而導(dǎo)致該鑒別器性能的下降。 在信號(hào)強(qiáng)度較弱的情況下，鎖相環(huán)解調(diào)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率的比特較高，此時(shí)Ip 的正負(fù)號(hào)不再可靠

58、。這會(huì)導(dǎo)致該鑒頻器失效。 采用相干點(diǎn)積功率法作為鑒別器的碼環(huán)被稱為相干碼環(huán)，但實(shí)際上大多數(shù)接收機(jī)都采用非相干形式的碼環(huán)和鑒別器,4) 相干點(diǎn)積功率法,4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,4.4.3 載波環(huán)輔助碼環(huán),4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,4.4.3 載波環(huán)輔助碼環(huán),載波環(huán)輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)一個(gè)比例器k后與碼環(huán)濾波器的輸出結(jié)果加在一起。它們的和用來(lái)部分控制C/A碼數(shù)控振蕩器的輸出狀態(tài)，碼環(huán)的這種運(yùn)行方式被稱為載波輔助。 由于不論是鎖相環(huán)還是鎖頻環(huán)，載波環(huán)的測(cè)量精度比碼環(huán)的測(cè)量精度要高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。載波環(huán)是一種跟蹤較緊密的環(huán)路，來(lái)自載波環(huán)的多普勒頻移測(cè)量值能較為準(zhǔn)確、即時(shí)的反映出接收機(jī)在其與衛(wèi)星連線方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,特點(diǎn),4.4 GNSS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤,4.4.3 載波環(huán)輔助碼環(huán),這種來(lái)自載波環(huán)的速度信息被用來(lái)輔助碼環(huán)控制碼環(huán)