衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì)
——之三(上）

+ 劉天雄

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì)
——之三(上）

+ 劉天雄

第二十七講

圖14 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理

3 工作流程

3.1 民用C/A碼GPS接收機(jī)的工作流程

3.2 軍用P(Y)碼型接收機(jī)的工作流程

3.2.1 利用C/A碼引導(dǎo)捕獲P(Y)碼

3.2.2 直接捕獲P(Y)碼

4 工作原理

導(dǎo)航射頻信號(hào)經(jīng)天線放大、濾波處理后，送入射頻前端下變頻（down-converted）處理后得到模擬中頻信號(hào)，進(jìn)一步對(duì)導(dǎo)航信號(hào)放大、濾波處理后，由射頻前端模數(shù)轉(zhuǎn)換處理模塊（ADC）對(duì)模擬中頻信號(hào)采樣處理并得到離散數(shù)字中頻導(dǎo)航信號(hào)（digitized GNSS signal），然后將離散數(shù)字中頻導(dǎo)航信號(hào)送入基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊，基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)捕獲、跟蹤、解調(diào)采樣信號(hào)，精確估算導(dǎo)航信號(hào)偽碼相位（Code phase）、多普勒頻移（Doppler frequency）、載噪比（Carrier-to-Noise ratio）以及信號(hào)鎖定指示（lock indicators）等參數(shù)，利用捕獲環(huán)路和跟蹤環(huán)路實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)同步，得到解擴(kuò)和解調(diào)的基帶信號(hào)，并據(jù)此估算出偽碼測(cè)距（code pseudoranges）、載波相位測(cè)量（carrier phase measurements）以及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)（navigation data）。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的工作原理如圖14所示，

4.1 導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)航衛(wèi)星一般在軌道空間上連續(xù)播發(fā)兩個(gè)或多個(gè)L頻段衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，導(dǎo)航信號(hào)包含偽隨機(jī)測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，接收機(jī)可在任何時(shí)刻/歷元（epoch）計(jì)算導(dǎo)航信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播時(shí)間，傳播時(shí)間乘以無線電信號(hào)傳播速度得到星地之間的距離，根據(jù)導(dǎo)航方程，接收機(jī)觀測(cè)到與四顆衛(wèi)星之間的距離后，即可解算出接收機(jī)的位置坐標(biāo)（coordinates）。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)由載波、測(cè)距碼及導(dǎo)航電文三種信號(hào)分量組成，簡(jiǎn)述如下：

·載波（Carrier）：給定頻點(diǎn)的正弦波無線電信號(hào)；

·測(cè)距碼（Ranging code）：由“0”和“1”組成的數(shù)字序列（Sequences），如圖15所示。接收機(jī)利用測(cè)距碼計(jì)算導(dǎo)航信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播時(shí)間，測(cè)距碼為偽隨機(jī)噪聲（Pseudo-Random Noise）序列，簡(jiǎn)稱PRN碼；

圖15 由“0”和“1”組成的測(cè)距碼數(shù)字序列

·導(dǎo)航電文（Navigation data）：二進(jìn)制編碼電文，為用戶提供衛(wèi)星星歷（ephemeris）、衛(wèi)星原子鐘偏差（clock bias parameters）、歷書（almanac）、衛(wèi)星健康狀態(tài)（satellite health status）等信息，其中星歷是每顆衛(wèi)星的精確的Keplerian軌道參數(shù)或者衛(wèi)星的位置和速度，歷書是星座所有衛(wèi)星軌道參數(shù)估計(jì)值。

測(cè)距碼信號(hào)與導(dǎo)航電文信號(hào)“異或處理”生成直接序列擴(kuò)頻頻信號(hào)，然后將直接序列擴(kuò)頻頻信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)上，衛(wèi)星將載波信號(hào)放大后播發(fā)給地面用戶。

4.1.1 載波信號(hào)（Carrier signal）

載波是能夠攜帶調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波，其振幅、頻率和相位都能隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。載波信號(hào)通常就是咱們常見的正弦波（sinusoidal）信號(hào)，但是信號(hào)的頻點(diǎn)確有嚴(yán)格的規(guī)定。導(dǎo)航信號(hào)頻率分配（Frequencies allocation）原則首先是多重的服務(wù)和不同的導(dǎo)航用戶共用在同一個(gè)頻率范圍內(nèi)，其次同樣的頻率范圍在不同的國(guó)家可以劃分給不同的用戶。

國(guó)際電信聯(lián)盟I T U（I n t e r n a t i o n a l Telecommunications Union）是聯(lián)合國(guó)（United Nations）下屬負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)全球無線電頻譜的辦事機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)涉及電視（television）、廣播（radio）、蜂窩電話（cell-phone）、雷達(dá)（radar）、衛(wèi)星廣播（satellite broadcasting）、甚至微波爐（microwave ovens）的頻譜規(guī)劃等領(lǐng)域。國(guó)際電信聯(lián)盟ITU同時(shí)還負(fù)責(zé)無線電衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)RNSS（Radio Navigation Satellite Services）的頻率規(guī)劃工作，2000～2003年間召開的世界無線電通信會(huì)議（World Radio Communication Conferences）確定了GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）的頻率范圍，RNSS無線電衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)的頻率范圍如圖16所示。

圖16 GPS, GLONASS 和 Galileo 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)頻率范圍

由圖15可知，在無線電衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)RNSS的頻帶范圍內(nèi)，有兩個(gè)頻段劃分給了航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)ARNS（Aeronautical Radio Navigation Service），由于這兩個(gè)頻段沒有分配給其他用戶使用，因此不會(huì)對(duì)航空無線電導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生干擾，由此特別適合于開展生命安全（Safety-of-Life）相關(guān)業(yè)務(wù)。這兩個(gè)頻段分別是L頻段的上邊帶（1559 - 1610 MHz）和下邊帶（1151 - 1214 MHz），目前上邊帶有GPS系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)信號(hào)，Galileo系統(tǒng)的E1頻點(diǎn)信號(hào)以及GLONASS系統(tǒng)的G1頻點(diǎn)信號(hào)；下邊帶有GPS系統(tǒng)的L5頻點(diǎn)信號(hào)，Galileo系統(tǒng)的E5頻點(diǎn)信號(hào)，其中E5a和L5信號(hào)頻點(diǎn)及頻帶完全一致。在L頻段剩下的1215.6 - 1350

MHz頻率范圍被分配給地基于地基雷達(dá)（ground radars）的無線電定位服務(wù)（Radio-location Services）和RNSS無線電衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)，目前有GPS系統(tǒng)的L2頻點(diǎn)信號(hào)，Galileo系統(tǒng)的E6頻點(diǎn)信號(hào)以及GLONASS系統(tǒng)的G2頻點(diǎn)信號(hào)，因此，在此頻段內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)很容易受到雷達(dá)信號(hào)的干擾。

目前世界上有美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo以及中國(guó)的BDS（北斗）四大GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，此外還有日本的QZSS（準(zhǔn)天頂）及印度的IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)基本都在L頻段，各導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率范圍如圖17所示。

圖17 GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率范圍（來源：Stefan Wallner）

例如，美國(guó)GPS系統(tǒng)目前有L1、L2兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)，中心頻率分別為1575.42 MHz、1227.6 MHz，未來將增加中心頻率為1176.45 MHz的L5載波信號(hào)，主要為航空用戶服務(wù)。其中民用C/A碼信號(hào)帶寬2.046 MHz，軍用P（Y）碼信號(hào)帶寬20.46 MHz，L1、L2頻點(diǎn)信號(hào)中心頻率及帶寬如圖18所示，

圖18 GPS衛(wèi)星L1、L2頻點(diǎn)信號(hào)中心頻率及帶寬

4.1.2 偽隨機(jī)噪聲測(cè)距碼（Pseudo Random Noise codes）

四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，美國(guó)的GPS、歐洲的Galileo以及中國(guó)的北斗系統(tǒng)（BDS）均采用CDMA碼分多址導(dǎo)航信號(hào)技術(shù)，給空間段不同的導(dǎo)航衛(wèi)星分配不同的且是唯一的偽隨機(jī)噪聲碼（PRN碼），即導(dǎo)航衛(wèi)星與偽隨機(jī)噪聲碼一一對(duì)應(yīng)，用戶接收機(jī)利用信號(hào)相關(guān)處理技術(shù)來識(shí)別不同的衛(wèi)星并測(cè)定衛(wèi)星至接收機(jī)的距離，所以偽隨機(jī)噪聲碼又稱為測(cè)距碼，或偽碼。俄羅斯的Glonass系統(tǒng)采用FDMA頻分多址技術(shù)來區(qū)分不同的衛(wèi)星，通過不同的中心頻點(diǎn)來區(qū)分導(dǎo)航衛(wèi)星及其播發(fā)的信號(hào)，或者說使用不同的載波頻率傳輸多個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，導(dǎo)致用戶接收機(jī)相對(duì)復(fù)雜。

偽隨機(jī)噪聲碼是一個(gè)脈沖序列，擴(kuò)頻處理后播發(fā)給用戶，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以空間信號(hào)接口控制文件（SIS ICDs）形式公開發(fā)布給用戶使用。有多種脈沖序列可用于測(cè)距，例如，

·GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)民用C/A測(cè)距碼信號(hào)采用Gold碼，Gold碼是一種由兩個(gè)最大長(zhǎng)度碼（maximum length code）組合而成的碼；

·G L O N A S S系統(tǒng)使用一中最大長(zhǎng)度碼（maximum length code），由于采用頻分多址（FDMA）信號(hào)體制，系統(tǒng)對(duì)測(cè)距碼之間具有較低的互相關(guān)（cross-correlation）特性要求不敏感；

·Galileo系統(tǒng)采用分層碼（tiered code），用一個(gè)中等長(zhǎng)度的一級(jí)編碼和一個(gè)短一點(diǎn)的二級(jí)編碼組成。二級(jí)編碼是一種存儲(chǔ)碼（memory codes），即存儲(chǔ)碼不是通過傳統(tǒng)的線性反饋移位寄存器LFSR（linear feedback shift registers）一個(gè)一個(gè)生成，存儲(chǔ)碼存儲(chǔ)在接收機(jī)內(nèi)存中，使用存儲(chǔ)碼的優(yōu)點(diǎn)是非授權(quán)用戶很難破解（譯碼）。

星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)測(cè)距碼的選擇需要折衷考慮碼長(zhǎng)（Code length）、碼片速率（Code chipping rate）以及編碼特性（Code characteristics），簡(jiǎn)要說明如下：

·碼長(zhǎng)（Code length）：測(cè)距碼位數(shù)越長(zhǎng)，碼之間的互相關(guān)特性越好，接收機(jī)捕獲測(cè)距碼信號(hào)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。測(cè)距碼的長(zhǎng)度受限于導(dǎo)航符號(hào)邊界（navigation symbol boundaries），因此與信號(hào)速率有關(guān)；

·碼片速率（Code chipping rate）：測(cè)距碼碼片速率越高，信號(hào)帶寬越寬，測(cè)距精度越高；

·編碼特性（Code characteristics）：雖然GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址（FDMA）信號(hào)體制，可以用不同的頻點(diǎn)區(qū)分不同的衛(wèi)星，系統(tǒng)對(duì)測(cè)距碼之間的低互相關(guān)特性要求不敏感，但是選擇那些具有高自相關(guān)（auto-correlation）和低互相關(guān)（crosscorrelation）特性的碼分多址CDMA測(cè)距碼，能夠確保多顆衛(wèi)星同時(shí)使用（播發(fā)）相同信號(hào)頻譜時(shí)，可以有效地分離地不同衛(wèi)星信號(hào)（衛(wèi)星與測(cè)距碼一一對(duì)應(yīng)），地面用戶機(jī)可以很方便地識(shí)別導(dǎo)航衛(wèi)星，目前GPS、Galileo以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均采用采用碼分多址（CDMA）信號(hào)體制。

偽隨機(jī)噪聲測(cè)距碼（PRN碼）具有如下特征：

·偽隨機(jī)噪聲碼（PRN碼）是一種可以預(yù)先確定其序列并可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制的二進(jìn)制碼序列，具有白噪聲類似的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性，自相關(guān)性（auto correlation）性強(qiáng)，互相關(guān)性（cross-correlation）弱；具有良好的識(shí)別特性，具有較高的測(cè)量精度和較低的信息傳輸誤碼率，可以用來測(cè)定距離和數(shù)據(jù)傳輸；

·當(dāng)由線性移位寄存器產(chǎn)生的m序列，PRN碼由長(zhǎng)度為n位的移位寄存器生成，PRN碼長(zhǎng)為；

·不同偽隨機(jī)噪聲序列（碼）之間幾乎是正交（orthogonal）的，信號(hào)具有高度自相關(guān)性（auto correlation），0延遲時(shí)，自相關(guān)取得最大值。