基于前照燈的gps軟件接收機(jī)的研究

基于前照燈的gps軟件接收機(jī)的研究

美國的gps現(xiàn)代化、俄羅斯的glnas的復(fù)興、歐洲的優(yōu)化系統(tǒng)的出現(xiàn)和中國的“第二代”系統(tǒng)的成熟將帶來下一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。設(shè)計能靈活充分利用所有導(dǎo)航衛(wèi)星信號的下一代GNSS接收機(jī)是一項具有挑戰(zhàn)性的工程。目前GPS接收機(jī)由射頻前端、用于信號處理的ASIC和進(jìn)行位置解算的CPU組成。軟件可以下載到CPU中改變接收機(jī)的性能參數(shù),然而預(yù)先設(shè)計的跟蹤通道、相關(guān)器和控制環(huán)路參數(shù)已固化到ASIC中,限制其靈活性。而GNSS軟件接收機(jī)是下一代GNSS接收機(jī)設(shè)計的最佳方案。GNSS軟件接收機(jī)通過軟件實現(xiàn)其信號捕獲和跟蹤處理而不是硬件。各GNSS雖然不同,但都是基于信號處理而進(jìn)行需要的操作。本文把GPS軟件接收機(jī)作為一個例子實現(xiàn),其思想可以應(yīng)用于任何GNSS軟件接收機(jī)的設(shè)計。1gps信號采集GPS軟件接收機(jī)在最前端使用ADC把GPS信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,換句話說,在盡可能靠近天線的部分?jǐn)?shù)字化輸入信號。如圖1天線接收從GPS衛(wèi)星傳送的信號,前端把輸入信號放大到合適的幅度,并把射頻轉(zhuǎn)換到合適的頻率,ADC數(shù)字化輸入信號。天線、射頻前端和ADC構(gòu)成GPS軟件接收機(jī)中的硬件部分。硬盤可以存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理,也可使用模擬器的數(shù)據(jù)。信號量化以后,用軟件對其進(jìn)行處理。捕獲就是找出可見衛(wèi)星的信號,跟蹤是更精確地得到信號的相位并檢測出導(dǎo)航數(shù)據(jù)的相位變化,從而獲得子幀和導(dǎo)航數(shù)據(jù),得到衛(wèi)星電文和偽距。最終,解算出位置、速度和時間。本文中,把GPS信號從1575.42MHz下變頻到20.49MHz,以16.37MHz的速率采樣,得到4.12MHz的數(shù)字中頻信號。目前我們研發(fā)的重點(diǎn)在基帶信號處理部分,使用北京東方聯(lián)星公司的中頻信號采樣器作為硬件部分。采樣器輸出信號可用于實時處理或保存到硬盤進(jìn)行事后處理。2gpsc-a碼的檢測預(yù)先產(chǎn)生存儲于內(nèi)存的本地C/A碼和載波復(fù)現(xiàn)信號,在信號捕獲和跟蹤中反復(fù)使用。2.1gpsc/a碼的相關(guān)分析將來GPS的信號結(jié)構(gòu)可能會改變,不過目前GPS衛(wèi)星主要傳送頻率分別為1575.42MHz和1227.60MHz的L1和L2兩路載波信號。L1頻段包括C/A和P(Y)碼,L2頻段只包括P(Y)碼。L1頻段的C/A和P(Y)碼的載波是正交的,表達(dá)式如下:SL1即為L1頻段的信號,PA是P碼的幅度,P(t)=±1是P碼的相位,D(t)=±1表示衛(wèi)星數(shù)據(jù),1f是L1頻段的頻率,θ是初始相位,CA是C/A碼的幅度,C(t)=±1表示C/A碼的相位。本文僅研究L1頻段的C/A碼捕獲和導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)。C/A碼是碼速率為1.023MHz的二進(jìn)制調(diào)相信號(BPSK),每個碼元約977.5ns(1/1.023MHz)。一個完整的C/A碼周期包括1023個碼元,所以其周期為1ms,每毫秒重復(fù)出現(xiàn)。為了找到C/A碼的起始碼元只需要很少的數(shù)據(jù),比如1ms。如果沒有多普勒效應(yīng),1ms的數(shù)據(jù)包括1023個碼元。處理30s的數(shù)據(jù)可以得到衛(wèi)星電文的頭三幀,那么接收機(jī)最少得到30s的數(shù)據(jù)才可首次解算出用戶的位置。GPSC/A碼屬于偽隨機(jī)碼(PRN),不同的衛(wèi)星使用不同的C/A碼。如圖2C/A是兩組1023位的PRN序列G1、G2相乘得到的。C/A碼最主要的特性是它們的相關(guān)性。高的自相關(guān)值和低的互相關(guān)值為信號捕獲提供了大的動態(tài)域。自相關(guān)最大值1023,等于C/A碼的長度,其他自相關(guān)值為63、-1、-65?；ハ嚓P(guān)也有三個值,63、-1和-65。2.2x和y互相關(guān)序列的離散傅立葉變換采用捕獲算法判斷可見衛(wèi)星并檢測其碼相位和載波頻率。相對于傳統(tǒng)的串行捕獲算法,本文使用快速的基于循環(huán)卷積的并行碼捕獲算法。長度為N的有限序列x(n)的離散傅立葉變換是:兩個長度為N的有限序列x(n)和y(n)的互相關(guān)函數(shù)是:在(3)中已忽略了一個因子。聯(lián)立(2)和(3)得到x和y互相關(guān)序列的離散傅立葉變換:*表示復(fù)數(shù)共軛由式(4)看出,x和y互相關(guān)序列的離散傅立葉變換可由頻域的X或Y與另一個的共軛相乘得到。從而時域的互相關(guān)函數(shù)可以由乘積的傅立葉反變換得到。如上并行碼搜索捕獲算法對輸入信號和本地碼信號進(jìn)行了循環(huán)相關(guān),然而它并沒有在所有可能的載頻范圍搜索,故循環(huán)卷積需要在所有可能的載頻范圍進(jìn)行搜索。在高動態(tài)下考慮到多普勒效應(yīng)后的頻偏為±10kHz。出于頻率誤差和計算量的考慮,搜索步長設(shè)為500Hz,則最大的頻率誤差為±250Hz。載波跟蹤環(huán)的初始帶寬要滿足這一點(diǎn)。串行捕獲算法一般以1或1/2個碼元進(jìn)行捕獲。而并行碼捕獲算法采樣速率更高,這兒以16MHz的速率采樣,即可提供約1/16個碼元的精度,其精度相對高得多。采用并行碼捕獲算法得到的結(jié)果如圖4,左圖為本算法搜索到第5顆衛(wèi)星當(dāng)前不可見,右圖為搜索到第6顆衛(wèi)星當(dāng)前可見,并得出其碼相位和多普勒頻偏。3跟蹤環(huán)路使用捕獲到信號后,為了得到導(dǎo)航數(shù)據(jù),需要對其進(jìn)行跟蹤。跟蹤環(huán)路使用捕獲得到的碼相位和多普勒頻偏進(jìn)行。本文聯(lián)合使用超前滯后環(huán)和科斯塔斯鎖相環(huán)對碼相位和多普勒頻偏進(jìn)行跟蹤,其框圖如圖5所示。3.1前卡式克氏器/a碼的選擇應(yīng)用于f碼跟蹤環(huán)中,本地產(chǎn)生的超前、當(dāng)前和滯后三路信號與去除了載波的輸入信號進(jìn)行相關(guān)。為了增加碼環(huán)跟蹤的可靠性,同時在I和Q路進(jìn)行跟蹤。六路相關(guān)器輸出的結(jié)果同時送入碼鑒別器,得到合適的碼相位后,調(diào)整碼生成器的相位。選擇歸一化的超前減去滯后功率鑒別器,公式如下:如果D>0.1,本地C/A碼向右移動;如果D<-0.1,本地C/A碼向左移動。碼環(huán)跟蹤結(jié)果如圖6所示。I路中超前滯后相關(guān)值基本相等,當(dāng)前相關(guān)值最大。3.2同性波環(huán)路鑒別器由于GPS信號中導(dǎo)航數(shù)據(jù)相位反轉(zhuǎn),本文選擇對相位反轉(zhuǎn)不敏感的科斯塔斯鎖相環(huán)進(jìn)行載頻跟蹤。基于反正切鑒別器的高精度和對相位反轉(zhuǎn)不敏感的特性,選擇其作為載波環(huán)路鑒別器。公式如下:使用兩階的載波環(huán)路濾波器跟蹤多普勒頻率的變化,每毫秒調(diào)整一次,使之接近輸入信號的中頻。濾波器函數(shù)如下:式中,ko為壓控振蕩器增益,kd為鑒別器增益,β是帶寬,ζ是阻尼系數(shù),T為積分時間。載波跟蹤環(huán)得到的多普勒頻率如圖7,載波跟蹤環(huán)當(dāng)前I路輸出的結(jié)果如圖8,此即為跟蹤環(huán)路得到的解調(diào)數(shù)據(jù),每毫秒輸出一次。4gps信號培訓(xùn)本文基于PC和中頻信號