ＧＰＳ接收機(jī)快速熱啟動(dòng)的分析與設(shè)計(jì)

秦　奮　楊　軍　劉新寧

摘 要：針對(duì)GPS接收機(jī)上電開(kāi)機(jī)后熱啟動(dòng)問(wèn)題,闡述一種新型的快速熱啟動(dòng)方法。首先研究了衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)距定位原理,在此基礎(chǔ)上深入分析接收機(jī)基帶信號(hào)處理鏈路。當(dāng)處于衛(wèi)星信號(hào)跟蹤狀態(tài)下,利用接收機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC直接預(yù)測(cè)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間,省去了通常耗時(shí)的子幀同步過(guò)程。此快速熱啟動(dòng)策略,相比傳統(tǒng)方法,既滿足了定位速度要求,又具有較高時(shí)間準(zhǔn)確度,熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間大為縮短。

關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī);熱啟動(dòng);偽距;首次定位時(shí)間

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-011-03

Analysis and Design of Fast Hot-start in GPS Receiver

QIN Fen,YANG Jun,LIU Xinning

(National ASIC System Engineering Research Center,Southeast University,Nanjing,210096,China)

Abstract：For the question of fast hot-start in the GPS receiver after power-on,a new fast hot-start method is introduced.The analysis is presented for the method of pseudorange measurement in navigation and positioning at first.Base on this,the baseband signal process is researched.While the signal from the satellite is tracked,the new hot-start method is assistant by the RTC of the receiver,and the conventional subframe synchronization could be avoided,which costs much time.Compared with the conventional way,the time to first fix in the hot-start is shortened sharply.

Keywords：GPS receiver;hot-start;pseudorange;time to first fix

0 引 言

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的應(yīng)用開(kāi)發(fā),已具備了全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn),贏得了廣大用戶的信賴,已從最初的軍事應(yīng)用,逐漸過(guò)渡到國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。在性能上,衛(wèi)星導(dǎo)航用戶產(chǎn)品朝著快速定位、高靈敏度、高精度、小型化、低功耗、組合導(dǎo)航等方向發(fā)展。導(dǎo)航接收機(jī)的快速定位能力,主要由首次定位時(shí)間(Time To First Fix,TTFF)這項(xiàng)指標(biāo)決定。提高首次定位時(shí)間這項(xiàng)性能,無(wú)論對(duì)于車載導(dǎo)航市場(chǎng),還是導(dǎo)彈導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域,都尤為重要［1］。但是,由于這項(xiàng)技術(shù)在商用以及軍事應(yīng)用的保密性和敏感性,國(guó)內(nèi)一直無(wú)法獲得國(guó)外的相關(guān)成熟技術(shù)。因此,深入研究這項(xiàng)技術(shù)就顯得非常重要。

根據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)開(kāi)機(jī)上電時(shí)的不同實(shí)際情況,首次定位過(guò)程有冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)三種模式。冷啟動(dòng)模式基本沒(méi)有可用信息,啟動(dòng)過(guò)程在40 s左右；溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)模式,是分別利用衛(wèi)星歷書(shū)和衛(wèi)星星歷,明確當(dāng)前用戶位置可見(jiàn)衛(wèi)星號(hào),進(jìn)行定位。國(guó)外導(dǎo)航接收機(jī)知名公司如Sirf、U-Blox的導(dǎo)航產(chǎn)品,熱啟動(dòng)在2～4 s［2］;國(guó)內(nèi)接收機(jī)目前熱啟動(dòng)時(shí)間在9 s,快速定位技術(shù)和國(guó)外差距較大,還不成熟。現(xiàn)以接收機(jī)的熱啟動(dòng)為例,在分析導(dǎo)航接收機(jī)的首次定位過(guò)程基礎(chǔ)上,提出新型快速熱啟動(dòng)策略,提升50％～60％的熱啟動(dòng)性能。

1 定位測(cè)距原理

GPS系統(tǒng)中,采用本地時(shí)間減去衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間,可以獲得單顆衛(wèi)星的偽距。但是,衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘偏差以及各種誤差源都會(huì)使衛(wèi)星到用戶的幾何距離測(cè)量不準(zhǔn)。誤差源包括大氣延遲、接收機(jī)噪聲、多徑等［3］。由這些誤差引起的時(shí)間偏差為：

δt〥=δt゛tm + δt﹏oise + δt﹎p + δt﹉w + δt㏒A

(1)

式中,δt゛tm 為大氣層引起的延遲；δt﹏oise為接收機(jī)噪聲和分辨率偏差；δt﹎p為多徑偏差；δt﹉w為接收機(jī)硬件偏差；δt㏒A為GPS選擇可用性(SA)偏差。

這樣,如圖1所示,包含了各種誤差的偽距計(jì)算式：

ρ=c*［

T′u-

T′s

］=

c*(Tu+δtD+tu)–c*(Ts+δs)=

r+c*(δtD+tu-δs)

(2)

式中,Δt為幾何距離時(shí)間等效值；Ts為信號(hào)離開(kāi)衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)；Tu為無(wú)δtD的條件下,信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的系統(tǒng)時(shí)(理論上的精確值)；Tu+tu=無(wú)δtD的條件下,信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)的接收機(jī)RTC(Real Time Clock)時(shí)鐘讀數(shù)；

T′u

=Tu+δtD+tu為有δtD的條件下,信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)的接收機(jī)RTC時(shí)鐘讀數(shù)；δs為衛(wèi)星時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)的偏差；tu為接收機(jī)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)的偏差；T′s=Ts+δs為信號(hào)離開(kāi)衛(wèi)星時(shí)的衛(wèi)星時(shí)鐘讀數(shù)；c為光速；r=c*(Tu-Ts)。

圖1 偽距測(cè)量時(shí)間關(guān)系

經(jīng)過(guò)衛(wèi)星時(shí)鐘偏差校正、大氣延遲校正后,得到了修正過(guò)后的偽距ρ′：

ρ′=ρ–c*(δtD-δs)=r+c*tu

(3)

如果此時(shí)能夠獲得至少4顆衛(wèi)星的修正偽距,同時(shí)根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間Ts計(jì)算出相應(yīng)衛(wèi)星坐標(biāo),則可以通過(guò)最小二乘法計(jì)算出接收機(jī)的準(zhǔn)確位置［4］。

2 快速熱啟動(dòng)算法的設(shè)計(jì)

2.1 熱啟動(dòng)首次定位過(guò)程分析

由上一節(jié)的分析可以看出,本地時(shí)間可以由接收機(jī)RTC單元提供,屬于已知量。那么,計(jì)算偽距的關(guān)鍵在于獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間,也就是式(2)所討論的。本小節(jié)結(jié)合圖2,分析GPS接收機(jī)信號(hào)處理流程中如何獲得衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間。

圖2 GPS接收機(jī)信號(hào)處理流程圖

每顆GPS衛(wèi)星廣播兩種類型的PRN測(cè)距碼：一種是C/A碼,另一種是P碼。本文以C/A碼為例進(jìn)行分析和研究。C/A碼有1 ms的周期,1 023個(gè)值為+1或-1的碼恒定地重復(fù),碼的編號(hào)為1～1 023。GPS導(dǎo)航電文按子幀播發(fā),每子幀共300 b的數(shù)據(jù),每比特?cái)?shù)據(jù)周期20 ms,C/A碼在此20 ms內(nèi)重復(fù)20次［5］。

跟蹤狀態(tài)下,本地復(fù)現(xiàn)碼對(duì)接收到的C/A碼進(jìn)行“跟蹤”。從圖2可以看出,跟蹤衛(wèi)星信號(hào)之前,先完成了比特同步,即20 ms數(shù)據(jù)邊界的判定［6］。那么進(jìn)入信號(hào)跟蹤以后,接收機(jī)本地復(fù)現(xiàn)碼與衛(wèi)星發(fā)射碼精確對(duì)準(zhǔn)。此時(shí),可以認(rèn)為衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻

T′s

,由20 ms以內(nèi)部分tゝraction_20和20 ms以上整數(shù)部分t﹊nteger_20。而tゝraction_20通過(guò)跟蹤已經(jīng)獲得,只是t﹊nteger_20還屬于未知量。此時(shí):

T′2＝tゝraction_20+t﹊nteger_20*20

(4)

2.2 快速熱啟動(dòng)策略

如何獲得t﹊nteger_20,決定了傳統(tǒng)熱啟動(dòng)方法和快速熱啟動(dòng)方法的不同。熱啟動(dòng)條件下,傳統(tǒng)方法是在完成子幀校驗(yàn)后,得到t﹊nteger_20；而快速熱啟動(dòng)方法是在跟蹤狀態(tài),使用本地RTC,基于接收機(jī)和衛(wèi)星距離,判定t﹊nteger_20。第一種方法,由于需要等待子幀校驗(yàn),最長(zhǎng)耗費(fèi)一個(gè)子幀的周期6 s時(shí)間才能完成；第二種方法,由于使用本地RTC,不需要等待子幀同步,那么在熱啟動(dòng)時(shí)間上就可以節(jié)省6 s的時(shí)間,進(jìn)行快速定位。

假設(shè)進(jìn)入跟蹤以后的RTC讀出的本地時(shí)刻T′u=T﹗+tu+δtD,式中參量含義見(jiàn)式(1),tu為接收機(jī)RTC時(shí)鐘單元與系統(tǒng)時(shí)的偏差,<10 ms。由于tu非常小,可以根據(jù)T′u估計(jì)出衛(wèi)星i坐標(biāo)(x﹊0,y﹊0,z﹊0)。這樣可以估算出衛(wèi)星i到接收機(jī)的幾何距離:

ρi=(x－x﹊0)2+(y－y﹊0)2+(z－z﹊0)2

(5)

所以,衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)刻

T′﹕i

T′u

-ρi/c,i代表了衛(wèi)星號(hào)。結(jié)合

T′﹕i

的近似值和已知的tゝraction_20_i,求解

T′﹕i和tu:

t﹊nteger_20=ceil((T′u－ρi/c－10－tゝraction_20_i)/20)

(6)

T′﹕i

＝20*ceil((T′u－ρi/c－10－tゝraction_20_i)/20)+

tゝraction_20_i

(7)

式(7)中,ceil表示對(duì)浮點(diǎn)數(shù)朝+∞方向取整的函數(shù)。

獲得了衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間T′﹕i,可以按照式(2)計(jì)算出衛(wèi)星i到接收機(jī)的偽距。這時(shí)基于星歷,重新計(jì)算衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻T﹕i的衛(wèi)星坐標(biāo)(x﹊,y﹊,zi)。基于上述過(guò)程,當(dāng)獲得了4顆以上衛(wèi)星坐標(biāo)和各衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距后,可以開(kāi)始結(jié)算出接收機(jī)坐標(biāo)［7］。

3 快速熱啟動(dòng)的失效檢測(cè)機(jī)制

由上一節(jié)可以看出,使用本文設(shè)計(jì)的方案前提條件就是本地時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)的偏差tu<10 ms。如果接收機(jī)熱啟動(dòng)時(shí),不能滿足快速熱啟動(dòng)的前提,那么該方案的有效性就無(wú)從談起。所以采用快速熱啟動(dòng)方案,必須配以相應(yīng)的失效檢測(cè)機(jī)制,如圖3所示。

圖3 快速熱啟動(dòng)含失效檢測(cè)機(jī)制的流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)GPS接收機(jī)熱啟動(dòng)首次定位過(guò)程進(jìn)行了研究,著重分析了本文設(shè)計(jì)的新型快速熱啟動(dòng)算法?；诳焖贌釂?dòng)原理,熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間將能提高5～6 s,相比傳統(tǒng)的熱啟動(dòng)性能(9 s左右),提高了50%～60％。隨著新一代GNSS(Global Navigation Satellite System)的不斷建設(shè)壯大,融合GPS,GLONASS,GALILEO和北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的接收機(jī)將成為市場(chǎng)和研究的熱點(diǎn),快速熱啟動(dòng)算法在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合時(shí)代的應(yīng)用,還需要進(jìn)一步的研究。

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作者簡(jiǎn)介秦 奮 男,1984年出生,碩士。2006年起參與了江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目《GPS導(dǎo)航SOC芯片及系列目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化》,目前的研究方向?yàn)镚NSS接收機(jī)基帶算法與定位解算數(shù)據(jù)融合。