衛(wèi)星導航接收機基帶信號處理技術(shù)研究

【摘要】在衛(wèi)星導航系統(tǒng)不斷發(fā)展的背景下，衛(wèi)星導航接收機的重要性逐漸顯現(xiàn)出來，只有不斷優(yōu)化高性能的基帶信號處理算法，開發(fā)出多系統(tǒng)兼容的衛(wèi)星導航接收機，才能適應未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展需求。衛(wèi)星導航接收機包含了三個部分，分別是射頻通道、基帶信號處理、信息處理，其中，基帶信號處理非常關(guān)鍵，這一環(huán)節(jié)的信號處理效果直接影響了衛(wèi)星導航接收機的整體功能。文章分析了衛(wèi)星導航的基本原理，闡述了接收機的技術(shù)指標，對各種適用的算法進行了理論分析，加強了性能對比，旨在為接收機的性能優(yōu)化奠定基礎，增強接收機的功能。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星導航系統(tǒng)；基帶信號處理；接收機

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.07.001

衛(wèi)星導航是一門新興科學，可以利用導航定位信號引導運動載體順利到達目的地。衛(wèi)星導航系統(tǒng)廣泛應用于交通、通信、電力、金融、搜救等領(lǐng)域，屬于重要的基礎設施。在現(xiàn)代社會的發(fā)展中，衛(wèi)星導航系統(tǒng)是高科技、高成本、高效益的國之重器，不但能夠代表一個國家的科技實力，還能展現(xiàn)出一個國家的經(jīng)濟實力，對國家的武器裝備發(fā)展、國防建設也具有十分重要的意義。目前，世界范圍內(nèi)的各個大國正在不斷建設獨立自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，并在衛(wèi)星導航系統(tǒng)當中持續(xù)開展技術(shù)創(chuàng)新，致力于提高系統(tǒng)的先進性，增強系統(tǒng)的規(guī)?；潭?。

1. 衛(wèi)星導航系統(tǒng)在定位和導航方面的內(nèi)在原理

眾所周知，衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位和導航，為用戶提供服務，因此，實時準確定位、測距是衛(wèi)星導航發(fā)揮作用的基礎。衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位和導航的內(nèi)在原理比較復雜，系統(tǒng)當中的各個導航衛(wèi)星需要不斷向地面?zhèn)魉妥陨淼木_位置，并且這個位置是隨時間的變化而變化的，衛(wèi)星導航接收機能夠接受這些位置信息，從而根據(jù)這些位置信息快速計算出接收機所處的準確坐標。地面上的車輛、海上航行的輪船、空中飛行的飛機都有衛(wèi)星定位接收機，依靠接收機完成定位和導航。從本質(zhì)上來說，衛(wèi)星導航在應用過程中必須要測量導航衛(wèi)星到地面或近地面接收機的距離，只有準確測量出二者之間的距離，接收機才能正確地計算出自身的具體位置。

2. 衛(wèi)星導航接收機及其分類

2.1 衛(wèi)星導航接收機

顧名思義，衛(wèi)星導航接收機是專門負責接收導航衛(wèi)星信號的設備，通過接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號，開展精密計算，最終確定出接收機所在的空間位置。在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，衛(wèi)星會不斷向地面發(fā)射信號，這些信號是一種信息資源，能夠為地面上的人類提供服務，接收衛(wèi)星導航信號就需要運用相應的衛(wèi)星導航接收機，并且還要在開闊的、露天的環(huán)境下應用。例如，GPS接收機就是專門接收GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的信號接收設備，通常情況下，手持GPS接收機的精確度誤差僅有10m，這與衛(wèi)星的分布狀態(tài)有關(guān)。當幾顆衛(wèi)星分布比較分散時，GPS接收機就能夠提供更加精準的定位信息，與之相反，如果幾顆衛(wèi)星的位置不夠分散，定位信息的精確度就會下降。

2.2 衛(wèi)星導航接收機的分類

當前，全球范圍內(nèi)生產(chǎn)衛(wèi)星導航接收機的廠家非常多，不同類型的接收機擁有不同的功能，用戶需要結(jié)合使用目的選擇合適的接收機類型。目前，按照用途進行劃分，可以將衛(wèi)星導航接收機分為導航型接收機、測地型接收機、授時型接收機、短報文型接收機。其中，導航型接收機能夠用于運動載體導航，實時給出載體的位置和速度，這類接收機一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±25m，有SA影響時為±100m（如圖1）。測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量，定位精度高，儀器結(jié)構(gòu)復雜，價格高昂（如圖2）。授時型接收機主要利用衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通信中時間同步（如圖3）。短報文型接收機主要應用于應急救援、搶險救災、森林巡檢等方面（如圖4）。

3. 衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的擴頻通信

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，通常會采用擴頻的方式來實現(xiàn)大幅度的快速信號拓展。數(shù)據(jù)信息在經(jīng)過信道編碼發(fā)射端時，由偽碼序列對數(shù)據(jù)信息進行擴頻處理，接收端在采用復制生成的本地維碼進行擴頻的解擴處理，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。擴頻通信與窄帶通信相比有一定的優(yōu)越性，因為它在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中可以通過加寬數(shù)據(jù)信息頻譜的寬帶來提高數(shù)據(jù)信息的頻譜利用率，確保通信過程中距離和時間更加精確，有更好的隱蔽性和更高的抗干擾能力。

擴頻系統(tǒng)是將基帶信號的頻譜擴展到更寬的頻帶上進行數(shù)據(jù)的傳輸，雖然這種工作方法不符合常規(guī)通信系統(tǒng)進行頻帶壓縮的原則，但是這種擴頻的通信系統(tǒng)經(jīng)過理論信息解釋是可行的，而且這種設計方法提高了通信系統(tǒng)的保密性和抗干擾能力。通常采用的擴頻方式有三種：包括頻率跳變方式、序列擴頻方式和時間跳變方式這三種。其中，序列擴頻方式首先對數(shù)據(jù)信息的信道進行編碼。在數(shù)據(jù)信息與偽噪聲中，序列相加得到新的組合碼，然后對信息進行發(fā)送，衛(wèi)星會接收信號，在復制信號之后，相應的碼和相位生成本地的解擴信號，在繼續(xù)運算的過程中獲取數(shù)據(jù)信息，接收值擴通信的系統(tǒng)信號。頻率跳變方式是利用帶有數(shù)據(jù)信息的基帶信號條制載波，并且用控制載波頻率在移動平臺范圍內(nèi)進行不規(guī)則的跳變。所以在頻率合成器快速改變載波頻率的過程中，通過一個靈敏的頻率合成，在這個過程中，頻率合成器會產(chǎn)生頻率間的最小值，頻率間的間隔數(shù)量會直接影響在擴展之后頻譜的寬帶。而時間跳變方式，就是通過調(diào)制脈沖發(fā)射機發(fā)射的間隔射頻信號，將攜帶數(shù)據(jù)信息的偽噪聲，訓練控制射頻信號的發(fā)射。

擴頻通信是指擴展頻譜通信，在這種新型的通信模式下，傳輸信息的射頻帶寬遠遠大于信息本身的帶寬，從某種程度上來說，擴頻通信是通信技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。通常情況下，超短波通信的傳輸距離為20～30km，而偽碼擴頻設備10mW就可以傳輸30～50km，因此，擴頻系統(tǒng)能夠最大程度地改善信噪比，使信噪比提高30分貝以上，讓干擾至少降低1000倍。在以往的通信領(lǐng)域中，在信噪比方面提升2～3個分貝就已經(jīng)是非常大的貢獻，擴頻通信可以讓衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信噪比得到30分貝以上的改善，是一次非常巨大的跨越，能夠帶動通信技術(shù)的革命性發(fā)展。擴頻通信的基本原理是，在發(fā)射端對將要傳送的信號進行信息調(diào)制，使將要傳送的信號成為數(shù)字信號，然后再由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列對數(shù)字信號進行調(diào)制，將信號的頻譜擴展100～1000倍，展寬后的信號在經(jīng)過射頻調(diào)制后進行發(fā)射。擴頻通信能夠進一步提高頻譜利用率，提升測距和定時的精確性。

4. 衛(wèi)星導航接收機基帶信號處理關(guān)鍵技術(shù)及捕獲方案的確定方法

4.1 衛(wèi)星導航接收機基帶信號處理關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 時域搜索捕獲算法

時域搜索捕獲算法是衛(wèi)星導航接收機基帶信號處理的關(guān)鍵技術(shù)，同時也是一種比較傳統(tǒng)的捕獲算法，屬于二維搜索，可以搜索不確定的偽碼相位延時以及多普勒頻移。時域搜索捕獲算法可以在每一個頻道下、每一個多普勒頻率搜索區(qū)間內(nèi)，對所有可能的偽碼相位進行搜索。在GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)中，時域搜索捕獲算法都能發(fā)揮重要作用。在應用時域搜索捕獲算法時，為了加快捕獲的速度，可以考慮并行搜索，增加通道數(shù)目以及每個通道中相干積分器的個數(shù)，提高信號捕獲效率。為進一步增加搜索的并行性，可以使用FFT變換搜索多普勒頻率，通過這種方式有效減少搜索單元，大幅度降低運算量。

4.1.2 循環(huán)相關(guān)捕獲算法

循環(huán)相關(guān)捕獲算法是一種應用廣泛、優(yōu)勢突出的捕獲算法，該算法充分利用了循環(huán)卷積的原理，可以有效提高捕獲速度。通過采用循環(huán)相關(guān)捕獲算法，每一個多普勒搜索區(qū)間下可以同時計算出所有偽碼相位延時的相關(guān)結(jié)果，將偽碼相位的串行搜索轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿兴阉?，提升捕獲搜索的并行度，提高捕獲速度。例如在GPS信號捕獲當中，可以假設多普勒搜索范圍的預檢測積分時間為1ms，每個多普勒搜索區(qū)間停留的時間為1ms，因此，搜索完整個GPS系統(tǒng)中的32顆衛(wèi)星需要耗費1.28s，捕獲速度可以提升近百倍。如果每個多普勒搜索區(qū)間停留2ms，捕獲速度將提高近50倍，這能夠說明循環(huán)相關(guān)捕獲算法可以提高捕獲速度。在計算過程中，循環(huán)相關(guān)算法需要應用FFT算法，這種算法能夠達到快速捕獲的目的。

4.1.3 匹配濾波器組結(jié)合FFT捕獲算法

匹配濾波器組結(jié)合FFT捕獲算法是一種快速捕獲算法，相比較于循環(huán)相關(guān)捕獲算法來說，匹配濾波器組結(jié)合FFT捕獲算法具有更快的捕獲速度。該方法的基本思想是，在捕獲當中，一個周期的捕獲偽碼需要保持不變，然后每輸入一個數(shù)字信號采樣點就進行一次部分匹配濾波，簡而言之，就是將一個偽碼周期的采樣點和本地偽碼分成N段，每一段同時進行部分匹配濾波，然后對部分匹配濾波器組的輸出數(shù)據(jù)進行N點的FFT變換，當輸入信號的偽碼和本地偽碼的相位在半個碼片以內(nèi)時，輸入信號的載波區(qū)趨于連續(xù)，對連續(xù)的載波信號做FFT變換將出現(xiàn)明顯的峰值，峰值對應的位置就是載波多普勒殘余頻率的估計值。在GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)當中，匹配濾波器組結(jié)合FFT捕獲算法的搜索時間不會超過1s，能夠?qū)崿F(xiàn)1s內(nèi)捕獲，甚至幾百毫秒內(nèi)捕獲。

4.2 確定接收機捕獲方案的方法

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，確定接收機的捕獲方案需要綜合考慮多種因素，包括捕獲的靈敏度、捕獲速度，考慮工程實現(xiàn)時算法對邏輯資源的占用情況、復雜程度。在實踐應用中，時域滑動搜索法應用原理比較簡單，但搜索過程需要耗費大量的時間，無法滿足快速捕獲的需求。匹配濾波器組結(jié)合FFT捕獲算法是一種非?？焖俚牟东@方法，但是這種方法設計程序過于復雜、研制周期比較長、耗費資源較多。循環(huán)相關(guān)捕獲算法是一種應用優(yōu)勢明顯的捕獲算法，具有捕獲速度快、處理流程清晰、占用資源較小等特點，實現(xiàn)過程比較簡單。在衛(wèi)星導航系統(tǒng)當中，接收機使用循環(huán)相關(guān)捕獲算法能夠滿足快速捕獲的要求，在冷啟動的狀態(tài)下，該方法能夠在幾秒內(nèi)捕獲所有可見衛(wèi)星，在熱啟動或溫啟動的狀態(tài)下，捕獲能夠在1s內(nèi)完成，可以有效提高接收機的整體性能。另外，在高動態(tài)的場景下，循環(huán)相關(guān)算法能夠展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，這種算法捕獲的檢測概率和捕獲成功率會隨著動態(tài)的增大而降低，但系統(tǒng)依然可以捕獲到搜索范圍內(nèi)的可見衛(wèi)星，如果運動場景屬于高速圓周運動，那么該方法可以捕獲到所有的可見衛(wèi)星。

5. 結(jié)束語

在當前這個信息化社會，衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)成為人們生產(chǎn)生活中不可或缺的重要設施，在推動生產(chǎn)力發(fā)展、防災減災、保護環(huán)境等方面具有重要意義。目前，基帶信號處理技術(shù)主要包含了三種算法，分別是時域搜索捕獲算法、匹配濾波器組結(jié)合FFT捕獲算法、循環(huán)相關(guān)捕獲算法。在確定接收機捕獲方案時，需要綜合考慮不同算法的優(yōu)勢和劣勢，結(jié)合實際需求確定出最佳的捕獲方案，使技術(shù)得到全面優(yōu)化。從全球化的角度來看，各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軌運行的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達到了140多顆，不同的衛(wèi)星導航系統(tǒng)相互競爭、并存，為人類提供優(yōu)質(zhì)服務。在未來的發(fā)展中，衛(wèi)星導航系統(tǒng)需要在功能融合、特色服務等方面進行創(chuàng)新，加強開創(chuàng)性的探索，不斷提高服務性能，滿足用戶的多元化需求。

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作者簡介：倪鳴，上海，工程師，研究方向或從事的工作：科研管理.