GNSS接收機(jī)失鎖重捕下位邊緣和幀同步判斷方法

黎博淵++王峰++朱海波++錢瑞琦++魏東明

摘要：在衛(wèi)星信號(hào)容易受到干擾的環(huán)境下，比如在高樓大廈密集的城市，汽車進(jìn)入隧道，會(huì)導(dǎo)致GNSS接收機(jī)無(wú)法捕獲跟蹤信號(hào)，導(dǎo)致定位中斷。正常情況下，接收機(jī)冷啟動(dòng)定位的時(shí)間大概在30秒以上，而我們針對(duì)信號(hào)失鎖的情況，希望盡快恢復(fù)定位。針對(duì)這種情況，該文提出了一種失鎖重捕下位邊緣和幀同步判斷的方法，該方法利用接收機(jī)之前的定位信息，根據(jù)失鎖時(shí)間，推出數(shù)據(jù)的位邊緣，完成位同步；重新估算衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)刻，進(jìn)而算出幀同步中的字和比特計(jì)數(shù)，完成快速幀同步。這樣一來(lái)，縮短了GNSS接收機(jī)的再次定位時(shí)間，達(dá)到1秒內(nèi)重新定位，有很好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：GNSS接收機(jī)；失鎖重捕；位同步；幀同步

中圖分類號(hào)：TN967 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）29-0167-03

隨著我國(guó)北斗事業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)航定位服務(wù)在人們?nèi)粘Ｉ钪姓紦?jù)越來(lái)越重要的位置。衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，GNSS導(dǎo)航接收機(jī)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲，跟蹤，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位同步，幀同步處理，進(jìn)而解析導(dǎo)航電文，得到衛(wèi)星星歷，偽距離等信息進(jìn)行定位解算。不過(guò)，很多時(shí)候，由于建筑物遮擋了衛(wèi)星信號(hào)，造成接收機(jī)通道的衛(wèi)星信號(hào)失鎖，當(dāng)多顆衛(wèi)星衛(wèi)星信號(hào)被遮擋，會(huì)造成定位中斷。在眾多的導(dǎo)航芯片中，重捕獲定位時(shí)間也是接收機(jī)重要的指標(biāo)。比如，UBLOX芯片公司的重捕獲時(shí)間大概在1秒左右，由于這涉及核心技術(shù)，這方面的具體算法并沒(méi)有公布。針對(duì)這種情況，本文對(duì)失鎖重捕獲進(jìn)行了比較深入的研究，提出一種GNSS接收機(jī)在失鎖重捕下位邊緣和幀同步判斷的方法，國(guó)內(nèi)大部分論文只是針對(duì)GPS接收機(jī)失鎖重捕做仿真分析，本文對(duì)GPS和北斗模塊用天線進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)接收處理，接收機(jī)失鎖跟蹤成功到定位只需要1秒。

圖1 失鎖重捕獲下接收機(jī)再次定位原理圖

本文研究基于ALTERA公司的FPGA開發(fā)板DE2115搭建硬件平臺(tái)，用天線接收實(shí)時(shí)的衛(wèi)星信號(hào)，在PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)處理GPS和北斗信號(hào)，實(shí)時(shí)解算衛(wèi)星和用戶的PVT信息。冷啟動(dòng)[1]，在沒(méi)有任何有用的信息時(shí)，用戶接收機(jī)進(jìn)行三維定位需要30秒以上的時(shí)間，針對(duì)接收機(jī)失鎖情況下重新定位，施行提出一種失鎖重捕情況下的GPS接收機(jī)快速幀同步方法[2]，能夠在1毫秒時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)幀同步，本文針對(duì)此算法做出了改進(jìn)，在短時(shí)間衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí)，把失鎖前的衛(wèi)星到用戶的偽距離鎖存起來(lái)，避免了衛(wèi)星位置的計(jì)算，減少了運(yùn)算內(nèi)存，加快了信號(hào)重新定位的時(shí)間；并且在此基礎(chǔ)上，提出一種位邊緣判斷方法，一般來(lái)說(shuō)，普通位同步成功需要的時(shí)間大概是幾百毫秒，這種判斷方法，使得不用經(jīng)過(guò)比特同步，也可以定位成功。接收機(jī)在失鎖下實(shí)現(xiàn)定位的具體算法流程如圖1所示。

1 失鎖重捕下接收機(jī)位邊緣推斷算法

一般來(lái)說(shuō)，接收機(jī)在正常接收處理信號(hào)時(shí)，捕獲信號(hào)進(jìn)入跟蹤通道，必須從數(shù)據(jù)中找到數(shù)據(jù)比特的邊緣，接著才能實(shí)現(xiàn)幀同步，才能解調(diào)導(dǎo)航電文上的信息。載波環(huán)在數(shù)據(jù)解調(diào)時(shí)，解調(diào)出1毫秒寬的數(shù)據(jù)電平，而衛(wèi)星電文中數(shù)據(jù)流持續(xù)20毫秒，所以要將20個(gè)1毫秒寬的數(shù)據(jù)合并起來(lái)組成一個(gè)20毫秒寬的正常數(shù)據(jù)比特。位同步之前并不知道那20個(gè)數(shù)據(jù)屬于同一個(gè)比特，位同步它是接收通道根據(jù)一定算法確定當(dāng)前接收信號(hào)在某一數(shù)據(jù)比特的位置，也就是比特起始邊緣位置。直方圖是一種比較基本穩(wěn)定的方法[3]，一般接收機(jī)正常的位同步成功需要耗掉大概幾百毫秒的時(shí)間，對(duì)于失鎖重捕獲狀況下，幾百毫秒的時(shí)間也是一個(gè)很大的比重。所以本文提出在重捕獲下一種位邊緣判斷方法，該算法利用了失鎖前的信息，反推出數(shù)據(jù)的位邊緣，加快了恢復(fù)定位的時(shí)間。失鎖重捕情況下位邊緣判斷算法關(guān)鍵在于判斷位邊緣[4]，在衛(wèi)星信號(hào)失鎖的時(shí)刻，記下當(dāng)前的時(shí)間[Lock_time]，某通道位邊緣[bit_temp]，碼相位數(shù)值[cp_temp]，利用FPGA硬件跟蹤環(huán)里面的1毫秒計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)該衛(wèi)星信號(hào)重新捕獲跟蹤成功后，記下1毫秒計(jì)數(shù)的數(shù)值[count]，假設(shè)當(dāng)前時(shí)間為RTC，位邊緣判斷為[bit_count]，碼相位計(jì)數(shù)是[cp]。

[bit_count=count%20+bit_temp] （1）

如果[cp_temp-cp>0.0009]，位邊緣[bit_count]加1；如果[cp-cp_temp>0.0009]，位邊緣[bit_count]減1；最后如果位邊緣計(jì)數(shù)大于20。

[bit_count=bit_count-20] （2）

通過(guò)這種方法，就估計(jì)出數(shù)據(jù)流的比特邊緣，為接下來(lái)幀同步判斷算法做準(zhǔn)備。

2 失鎖重捕下GNSS接收機(jī)幀同步判斷算法

2.1 失鎖重捕下GPS接收機(jī)幀同步判斷算法

幀同步目的是為了確定衛(wèi)星信號(hào)的字幀邊緣[5]，一般幀同步算法大概需要6秒，找到幀同步碼[6]，從而將載波環(huán)解調(diào)出了的數(shù)據(jù)比特流劃分為一個(gè)一個(gè)的字，進(jìn)而估計(jì)衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)刻，組裝偽距離。信號(hào)發(fā)射時(shí)間[ts]的構(gòu)筑公式：

[ts=TOW+0.02（30word+bit）+0.001（c+cp/1023）] （3）

TOW是每一幀以秒為單位的周內(nèi)時(shí)，word是接收到導(dǎo)航電文的字，每個(gè)字包含30個(gè)比特，bit是當(dāng)前導(dǎo)航電文字的比特，c是當(dāng)前比特中c整周的C/A碼的導(dǎo)航電文，[cp]是當(dāng)前這一周C/A碼的碼相位測(cè)量值，可以從跟蹤環(huán)中讀出來(lái)。假設(shè)[rcvTow]是信號(hào)接收時(shí)間，本地時(shí)間，[time]為某個(gè)通道的傳播時(shí)間，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間也等于接收時(shí)間減去信號(hào)的傳播時(shí)間。衛(wèi)星到用戶的距離用r表示，我們把它在失鎖前鎖存起來(lái)，CC是光速，f是幀計(jì)數(shù)，TOW的計(jì)算值是6f。方法如下：

[ts=RcvTow-time] （4）

[time=r/CC] （5）

結(jié)合公式（3）（4）（5）可知：

[f=（rcvTow-r/CC）/6] （6）

[word=（rcvTow-6f-r/CC）/0.6] （7）

[bit=（rcvTow-6f-r/CC-0.6word）/0.02] （8）

從上面位邊緣判斷方法可知，

[rcvTow=Lock_time+count] （9）

所以重新構(gòu)建發(fā)射時(shí)間為：

[ts=TOW+0.6word+0.02bit+0.001（bit_count+cp/1023）] （10）

2.2失鎖重捕下北斗接收機(jī)幀同步判斷算法

北斗的MEO衛(wèi)星組裝偽距離的方式和GPS衛(wèi)星一樣，所以失鎖情況下GPS的幀同步算法也適用于北斗MEO衛(wèi)星，而北斗GEO衛(wèi)星的軌道較高，組裝偽距離方式不一樣。其公式為：

[f=（rcvTow-r/CC）/6] （11）

[word=（rcvTow-6f-r/CC）/0.06] （12）

[bit=（rcvTow-6f-r/CC-0.06word）/0.002] （13）

[ts=TOW+0.06word+0.002bit+0.001（bit_count+cp/1023）] （14）

當(dāng)計(jì)算出信號(hào)的發(fā)射時(shí)間，就可以得到每顆衛(wèi)星到用戶的偽距離，利用現(xiàn)有的星歷，進(jìn)行PVT解算。

3 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)（GPS+北斗）分析與驗(yàn)證，測(cè)試場(chǎng)景是低動(dòng)態(tài)的

3.1 GPS+北斗衛(wèi)星失鎖前后的偽距離變化圖（在30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)左右信號(hào)失鎖，重新捕獲）

數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 GPS衛(wèi)星失鎖重捕獲下偽距離變化圖

圖3 北斗衛(wèi)星失鎖重捕獲偽距離變化圖

因?yàn)槲煌胶蛶揭彩菫榱私M裝正確的偽距離，所以可以通過(guò)判斷各個(gè)通道衛(wèi)星的偽距離隨時(shí)間的變化，驗(yàn)證該算法的準(zhǔn)確性。從圖2，3可以得知，衛(wèi)星偽距離變化是有規(guī)律的直線，緩慢變小或變大，在第30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)左右直線中斷是因?yàn)樾盘?hào)失鎖，失鎖前后偽距離沒(méi)有出現(xiàn)大的跳動(dòng)，說(shuō)明位邊緣判斷，幀同步判斷算法已經(jīng)成功，組裝好正確的偽距離，利用已經(jīng)擁有的星歷信息，然后接收機(jī)采用最小二乘或者卡爾曼濾波算法進(jìn)行PVT解算[6]。

3.2 GPS+北斗失鎖跟蹤成功到定位成功的時(shí)間

GPS+北斗失鎖跟蹤成功到定位成功的時(shí)間如圖4所示。

圖4 接收機(jī)失鎖跟蹤成功到定位的時(shí)間

圖4是GPS和北斗接收機(jī)單點(diǎn)定位時(shí)衛(wèi)星失鎖重捕成功到得到定位結(jié)果后的時(shí)間變化圖，圖4可知，從衛(wèi)星信號(hào)失鎖跟蹤成功到最后解算定位成功需要的時(shí)間在1秒內(nèi)，GPS所需的平均時(shí)間是430毫秒，北斗所需時(shí)間是657毫秒。

4 結(jié)論

本文通過(guò)詳細(xì)論述GNSS接收機(jī)在低動(dòng)態(tài)失鎖重捕情況下位邊緣判斷算法，幀同步判斷算法，成功實(shí)現(xiàn)組裝偽距離，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，位邊緣判斷算法，幀同步判斷算法能夠提高失鎖重捕所需要的時(shí)間，失鎖跟蹤成功到得出用戶的三維坐標(biāo)在1秒內(nèi)便可以實(shí)現(xiàn)，該算法可應(yīng)用于車載終端等導(dǎo)航設(shè)備。

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