（信号与信息处理专业论文）gnss接收机跟踪环路的设计与实现.pdf

q穗妒，。_一。，强-? 独创性( 或创新性) 声明f y 1 胛7 脚5 删7 脚脚1 埘5 棚2 册 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垒壅圣 r 期：旌f 望! ；。! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：垫堕三：12 日期：j 业乒 北京邮i 【1 人学顾i j 研究生学位论文 g n s s 接收机跟踪环路的设计与实现 摘要 g n s s 是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天候无线 电导航系统，即可利用g p s 系统、g a l i l e o 系统和g l o n a s s 以及北斗进 行导航定位，g n s s 使得全球导航卫星系统具备了前所未有的先进性和优 势，所以g n s s 接收机的研究成了热点。而跟踪算法的研究一直是g n s s 接收机设计中的核心。本文主要研究接收机中的跟踪环路设计实现。 文中以g p s 为对象，介绍了g p s 接收机的组成结构，以及信号在 g p s 接收机中的处理流程：重点分析了g p s 接收机中的跟踪环路设计， 包括载波跟踪环路和码跟踪环路以及环路滤波器的研究，确定了合适的 算法，然后介绍了测量误差和跟踪门限的关系，在设置环路参数时要综 合考虑这些因素，在这个环路设计中，为了提高跟踪环路的性能，本文 对算法进行了改进，采用了f l l 辅助p l l 来提高载波跟踪环的性能，采 用了载波环辅助码环来克服码多普勒。测试结果表明这两种算法完全能 够满足非高动态环境下的信号跟踪和定位的要求；本文又给出了高动态 下g p s 接收机跟踪环路的改进方法，就是利用i n s 辅助，这种辅助方法 已经实现了，待测试：最后对跟踪环路进行了性能评估，并给出了大量 的测试结果，在用户速度达到9 0 0 m s 的条件下依然能非常稳定跟踪卫星 信号。从测试结果来看，本课题中跟踪环路性能稳定，达到了系统设计 的需求。 关键字：g n s s 跟踪f l lp l ld l li n s 北京邮也人学硕i j 研究生学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft r a c k i n gl o o p i ng p sl t e c e i v e r a b s t r a c t g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e mi st h er a d i o n a v i g a t i o ns y s t e m e s t a b l i s h e db ya uo ft h eg l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t e ，a n dw ec a nu s eg p s s y s t e m ，e u r o p e a ng a l i l e os y s t e ma n dr u s s i a 。sg l o n a s sa n dc h i n a s c o m p a s s f o rn a v i g a t i o na n d p o s i t i o n i n g d u et ot h ea d v a n t a g e so fg n s s ， g n s sr e c e i v e rh a sb e c o m ea h o t s p o t a s i sk n o w nt oa 1 1 t r a c k i n g a l g o r i t h mi sv e r yi m p o r t a n ti ng p sr e c e i v e r t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e s t h ed e s i g na n dr e a l i z eo ft r a c k i n gl o o pa n da l g o r i t h m f i r s t l y , t h et h e s i st a k e sg p sa st h es t u d yo b j e c t ，i td e s c r i b e st h e f u n c t i o nm o d u l e so fg p s r e c e i v e r , a n dt h ep r o c e s sf r o mg p ss a t e l l i t e s i g n a lt od e c o d i n gt h ed a t ai ng p sr e c e i v e ri si n t r o d u c e d b e s i d e s m a i n l ya n a l y z e st h ed e s i g no ft r a c k i n gl o o p i n c l u d i n gc a r r i e rt r a c kl o o p ， c o d et r a c kl o o pa n d l o o p f i l t e ro ff u 巾p l l ，d u 呻a n dt h ea p p r o p r i a t e a l g o r i t h m so ft h e mi sd e t e r m i n e df o rg p sr e c e i v e r t h e ni n t r o d u c e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e a s u r e m e n te r r o ra n dt h et r a c k i n gt h r e s h o l d ， t h e ya r ev e r yi m p o r t a n tw h e ns e t t i n gt h el o o pp a r a m e t e r s i nt h el o o p d e s i g n ，i no r d e rt oi m p r o v et h et r a c k i n gl o o pp e r f o r m a n c e ，t h i sa l g o r i t h m h a sb e e ni m p r o v e di nt h et h e s i s t h et e c h n i q u eo f 凡l a s s i s t e dp l lu s e d t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a r r i e rt r a c k i n gl o o p ，a n dt h e t e c h n i q u e o fc a r d e rt r a c k i n gl o o pa s s i s t e dc o d et r a c k i n gl o o pu s e dt oo v e r c o m et h e c o d ed o p p l e r t h et e c h n i q u e sh a v e b e e nr e a l i z e di nt r a c k i n gl o o p ，n et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h m sa r ef u l l ya b l et om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft r a c k i n ga n dp o s i t i o n i n gi nt h es t a t i ce n v i r o n m e n t i n s ( i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) a r ep u tf o r w a r df o rh i g hd y n a m i c e n v i r o n m e n t ，i n s - a i d e dt e c h n i q u e sh a v ea l s ob e e nr e a l i z e di nt r a c k i n g 北京邮i u 人学坝l ：研究生学位论文 l o o p ，b u tn e e dt o b et e s t e di nf u t u r e f i n a l l y , t h et h e s i sg i v e sa l a r g e n u m b e ro ft e s tr e s u l t st oa s s e s sp e r f o r m a n c eo ft r a c k i n gl o o p ，a c c o r d i n g t ot h et e s tr e s u l t s ，s a t e l l i t e s i g n a li st r a c k e ds t a b l yi n t h ec o n d i t i o n so f u s e r ss p e e du pt o9 0 0 m s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a c k i n gl o o pr u n s t a b l yi nt h i ss y s t e ma n dm e e tt h es y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：g n s st r a c k i n g f l l p l l d l li n s 北京邮i 包人学硕i j 研究生学位论文 第一章绪论 目录 1 1 弓i 一言1 1 2 各国研究现状1 1 3 课题背景3 1 4 论文结构安排4 第二章卫星导航系统 5 2 1g n s s 系统的组成5 2 1 1 空间部分5 2 1 2 地面监控系统6 2 1 3g n s s 信号接收机6 2 2g n s s 系统定位原理7 2 3g n s s 系统的优势8 2 3 1g n s s 系统的特剧1 0 l 8 2 3 2g n s s 系统的优点9 第三章g n s s 接收机设计与卫星信号处理流程1 l 3 1g p s 接收机组成1 1 3 1 1 射频前端模块1 2 3 1 2 信号处理模块1 2 3 1 3 应用处理模块1 4 3 2g p s 卫星信号结构1 4 3 2 1 伪随机码1 4 3 2 2 导航电文1 5 3 2 3 载波1 6 3 3g p s 接收机信号处理流程1 7 3 3 1 捕获1 7 3 3 2 跟踪1 8 3 3 3 比特同步。1 9 3 3 4 帧同步1 9 3 3 5 伪距测量。2 0 第四章g n s s 接收机跟踪算法研究 2 1 4 1 跟踪环路2 1 4 1 1 环路基本组成。2 1 4 1 2 载波跟踪环路的研究2 2 北京邮i 【1 人学顺i ：研究生学位论义 4 1 3 码跟踪环算法研究2 7 4 1 4 环路滤波器研究3 1 4 2 测量误差和跟踪门限3 5 4 2 1p l l 跟踪环测量误差与跟踪门限3 5 4 2 2f l l 跟踪环测量误差与跟踪门限3 6 4 2 3 码跟踪坏测量误差与跟踪门限3 7 4 3 跟踪算法的改进研究3 8 4 3 1f l l 辅助p l l 3 9 4 3 2 载波环辅助码环4 1 4 3 3i n s 辅助4 1 第五章g n s s 接收机跟踪的实现与测试结果。4 4 5 1 载波环测试4 6 5 2 码环测试。5 1 第六章总结和展望。5 4 6 1 总结。5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 5 j 曳谢! ；7 作者攻读学位期间发表的学术论文目录 u 5 8 北京邮i u 人学硕l j 研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 导航的定义是“使运载体或人员从一个地方到另一个地方的科学”。驱车上班或 步行去商店需要使用基本的导航技能。在一些情况下，需要更精确地知道我们的位置、 预期的航向或到达期望的目的地所需的时间。此时，便要用不同于地标的导航装置。 有些导航装置要发射电子信号，这些导航装置称为无线电导航装置l l l 。用户的无线电 导航接收机处理这些信号并计算出位置。接收机为用户完成必要的计算，将用户导航 到所希望的位置。 而实质上导航系统可以分为惯性导航系统和无线电导航系统l z j 。 惯性导航系统是2 0 世纪初发展起来的，通过测量飞行器的加速度( 惯性) ，并 自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。它属于一种 推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算 出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。 无线电导航系统是2 0 世纪中期才开始发展起来的，它主要利用电磁波传播的基 本特性，通过无线电波接收、发射和处理，通过测量无线电导航台发射信号( 无线电 电磁波) 的时间、相位、幅度、频率参量，可确定运动载体相对于导航台的方位、距 离和距离差等几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，来实现对 运动载体的定位和导航。 无线电导航系统一般分为陆基和星基两类，陆基无线电导航装置的精度与其工作 频率成正比。高精度的系统一般在相对比较短的波长上发射，用户必须保持在视线方 向之内。而在较低的频率上广播信号的系统则不受视线方向的限制，但精度比较低。 早期发展的星基系统有美国的海军卫星系统( 子午仪，即t r a n s i t ) 和俄罗斯的t s i k a d a 系统，它们提供二维的高精度定位服务。然而，获得定位值的频度随纬度而变化，每 一次定位需要大约1 0 一1 5 分钟。这样的特性适合于速度很低的船用导航，但不适合于 飞机和高动态用户【引。这些缺点促进了g n s s 的发展。 1 2 各国研究现状 现在全球一共有四大导航定位系统，分别是美国的g p s ，欧盟的g a l i l e o ，俄 北京邮i 【1 人学f 晚i j j f 究生学位论义 罗斯的g l o n a s s 以及中国的c o m p a s s 。 美国的g p s 全球定位系统是2 0 世纪7 0 年代由美国陆海空三军联合研制的新一 代空间卫星导航定位系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全球，全 天候，连续，实时的导航，定位和授时等功能，能为各种静止或高速运动的用户迅速 提供精密的瞬间三维空间坐标，速度矢量和精确授时等多种服务。其主要目的是为陆、 海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测 和应急通讯等一些军事目的。 近1 0 年来，该系统经过多次完善后，卫星的寿命由7 5 年增加到1 0 年，定位精 度达到1 5 米以内，授时精度为1 0 0 纳秒。美国的g p s 已发展到第三代，共发射了4 1 颗卫星。目前，在轨工作的卫星有2 8 颗【4 1 。 俄罗斯的全球导航卫星系统g l o n a s s 于1 9 8 2 年提出，1 9 9 6 年建成，是由苏联 ( 现由俄罗斯) 国防部独立研制和控制的第二代军用卫星导航系统，与美国的g p s 相似，它在世界范围内提供三维定位、测速、以及时间广播服务。该系统也开设民用 窗口。g l o n a s s 技术可为全球海陆空以及近地空问的各种军、民用户全天候、连续 地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。g l o n a s s 在定位、测速及定时精 度上则优于施加选择可用性( s a ) 之后的g p s 。既可为民间用户提供独立的导航服 务，又可与g p s 结合，提供更好的精度几何因子。 g l o n a s s 系统标准配置为2 4 颗卫星，而1 8 颗卫星就能保证该系统为俄罗斯境 内用户提供全部服务。该系统卫星分为g l o n a s s 和g l o n a s s m 两种类型，后者 使用寿命更长，可达7 年。研制中的g l o n a s s k 卫星的在轨工作时间可长达1 0 年 至1 2 年。 欧洲国家为了减少对美国g p s 系统的依赖，2 0 0 2 年3 月，欧盟1 5 国交通部长会 议一致决定，启动“伽利略”导航卫星计划。“伽利略”计划的总投资预计为3 6 亿欧元， 由分布在3 个轨道上的3 0 颗卫星组成。该系统与g p s 类似，可以向全球任何地点提 供精确定位信号。由于“伽利略”系统主要针对民用市场，因此在设计之初，设计人员 就把为民用领域的客户提供高精度的定位放在了首要位置。与美国的g p s 相比，“伽 利略”系统可以为民用客户提供更为精确的定位，其定位精度可以达到1 米，而g p s 只能达到1 0 米。 中国北斗系统设计为中国军用和民用用户提供定位、集团用户管理和精密授时服 务。目前，北斗系统处于准运行阶段，有3 颗卫星部署在中国上空的地球同步轨道内。 该系统由四颗( 两颗工作卫星、2 颗备用卫星) 北斗定位卫星( 北斗一号) 、地面控 2 北京邮i u 人学坝i ：研究生学位论文 制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天 候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒( n s ) 的同步精度，北斗导航 系统三维定位精度约几十米，授时精度约l o o n s 。美国的g p s 三维定位精度p 码目前 己由1 6 m 提高到6 m ，c a 码目前己由2 5 1 0 0 m 提高到1 2 m ，授时精度同前约2 0 n s 。 j 下在建设的北斗二号卫星导航系统空间站将由5 颗静止轨道卫星和3 0 颗非静止 轨道卫星组成，提供开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速 和授时服务，定位精度为1 0 米，授时精度为5 0 纳秒，测速精度为0 2 米秒。授权服 务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 g n s s 是全球导航卫星系统的英文缩写，也是所有卫星导航系统的统称，包括全 球系统( g p s g l o n a s s g a l i l e o c o m p a s s ) 、区域系统( q z s s i r n s s ) 和广域增强系统 ( w a a s e g n o s s d c m m s a s g a g 删i s a t c o m 1 ) 。在2 0 2 0 年前，全球星座基本上 有四大系统，其中美国g p s 将实现g p si i i 计划，预计星座的卫星数达到3 0 颗中轨 卫星。俄国的g l o n s s 实现k 星计划，在l 1 与l 5 上实现与g p s 兼容，改为c d m a 制式，从2 0 1 0 年开始发第一个信号为c d m a 制式的g l o n a s s k 星，最终达到2 4 颗中轨卫星的额定状态。欧洲g a l i l e o 全球星座为3 0 颗中轨卫星，中国的c o m p a s s 为3 0 颗卫星，其中中轨卫星2 4 颗，静地卫星( g e o ) f f 碓l 倾斜轨道( 1 g s o ) 卫星各3 颗。 美俄欧分别建有各自星基增强系统w a a s 、s d c m 、e g n o s ，日本和印度各自建设 自己的区域系统q z s s 、i r n s s ，和g p s 星基增强系统m s a s 、g a g a n ，尼日利亚 也有一个g p s 星基增强卫星n i s a t c o m 1 1 5 1 。 早在2 0 世纪9 0 年代中期开始，欧盟为了打破美国在卫星定位、导航、授时市场 中的垄断地位，一直在致力于一个民用全球导航卫星系统计划，称之为g l o b a l n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m 。该计划分两步实施：第一步是建立一个综合利用美国的 g p s 系统和俄罗斯的g l o n a s s 系统的第一代全球导航卫星系统( 当时称为g n s s 一1 ， 即后来建成的e g n o s ) ；第二步是建立一个完全独立于美国的g p s 系统和俄罗斯的 g l o n a s s 系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的g a l i l e o 卫星导航 定位系统。由此可见，g n s s 从一问世起，就不是一个单一星座系统，而是一个包括 g p s 、g l o n a s s 、c o m p a s s 、g a l i l e o 等在内的综合星座系统。众所周知，卫星是在 天空中环绕地球而运行的，其全球性是不言而喻的；而全球导航是相对于陆基区域性 导航而言，以此体现卫星导航的优越性。 目前全球g n s s 发展主要有3 大趋势：一是从g p s 时代转向g n s s 发展时代； 3 北京t l l g d 2 人学颁i ：研究生学位论义 二是卫星导航与无线通信之间的相互融合；三是由应用产品为主转向服务为主。g p s 与g l o n a s s 现代化和g a l i l e o 和b d 的完成将在1 0 年内形成卫星数量达l o g 余个的 g n s s 系统，广播多个民用信号，从而使未来的接收机均兼具兼容和互操作性，多系 统的组合已成为卫星导航系统发展的总趋势，通信等其它系统的融合和渗透，也体现 了其强大的生命力【6 】。 g n s s 系统用户部分的核心是g n s s 接收机。g n s s 接收机的应用技术可分为硬 件技术和软件技术两部分。硬件技术主要包括以微电子技术为核心的高频器件研制与 高速数字信号处理芯片的研制。目前，g n s s 接收机硬件正向数字化、超小型、高集 成度和高可靠性方向发展。 软件技术包括g n s s 信号捕获、信号跟踪，比特同步，帧同步和导航数据解算定 位等部分，而g n s s 信号跟踪是g n s s 应用技术研究的重点和难点。尤其在高动态环 境中，存在较大的多普勒频移，使得普通的跟踪环很难可靠工作，从而使得各种g n s s 观测量很难提取，无法实施定位。因此，如何进行稳定可靠的跟踪成了g n s s 接收机 研究的热点。 本文主要对g n s s 接收机的跟踪部分进行了深入的研究，同时还对的跟踪方法进 行了一定的优化，以更加稳定的跟踪卫星信号。 1 4 论文结构安排 论文分为六章，安排如下： 第一章为绪论，介绍了课题研究的背景，以及各国研究的现状。 第二章为g n s s 定位系统简介，简要介绍了g n s s 系统的基本组成和定位原理以 及它的优势。 第三章为本课题g n s s 接收机的基本框架组成，其中以g p s 为例，介绍了g p s 卫星信号结构和信号处理流程，详细介绍了本课题的g n s s 接收机组成，对卫星信号 组成结构进行了分析，并且简要描述了g p s 接收机中信号处理流程。 第四章是g n s s 接收机跟踪环一般算法的介绍和改进，包括载波环路算法，码跟 踪环算法和环路滤波器的设计方法，最后综合考虑各种因素确定了f l l 、p l l 和d l l 环路算法。并提出了跟踪算法的改进，即选取并实现了f l l 辅助p l l 的载波环路设 计方法和载波辅助码环以及高动态环境下i n s 辅助的设计方案。 第五章对本课题所确定的方案设计进行了性能评估和测试结果，给出了大量的测 试结果，证实了本方案设计的可行性。 第六章是对论文的总结和展望。 4 北京邮i u 人学硕l ：研究生学位论义 第二章卫星导航系统 g n s s 即全球导航卫星系统g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m 的简称，它包含了 美国的g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 、中国的c o m p a s s ( ：l l ：斗) 、欧盟的g a l i l e o 系统。下 面将简单介绍其组成、定位原理和它的优势。 2 1g n s s 系统的组成 g n s s 定位系统包括三大部分鸭空间部分g n s s 卫星星座；地面控制部分地面 监控系统；用户设备部分g n s s 信号接收机。三部分的关系如图2 - 1 所示。 图2 1g n s s 系统的构成 2 1 1 空间部分 g n s s 卫星星座主要用于向用户设备提供测距信号和数据电文，下面以g p s 卫 星为例来说明，卫星星座是由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成的，工作卫星 分布在6 个等间隔轨道平面内，每个轨道面分布4 颗卫星。轨道倾角为5 5 度，各个 轨道平面之间相距6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 度，一轨 道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 度。轨道为近圆形，最大 偏心率是0 0 1 ，半长轴为2 6 5 6 0 k m ，轨道平均高度为2 0 2 0 0 k i n ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分钟。如图2 2 所示。 5 北京邮i 【1 人学硕i ： i j f 究生学位论义 图2 - 2g p s 卫星星座【8 】 当地球对恒星自转一周时，g p s 卫星绕地球运行二周。这样，对于地面观测者来 说，每天会提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间 和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可见到1 1 颗。在用g p s 信号导航定位 时，为了解算观测站的三维坐标，必须观测4 颗以上的g p s 卫星，这4 颗卫星在观 测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。有时候在某个地方不能测得精确 的坐标，但这种时间间隙段是很短暂的，并不会影响全球绝大多数地方的全天候、高 精度、连续实时的定位要求。 2 1 2 地面监控系统 g n s s 工作卫星的地面监控系统是用来对空间的卫星进行跟踪和维护的，同时监 视卫星的健康状况和信号的完整性，并保持卫星的轨道布局。主要包括一个主控站、 三个注入站和五个监测站。对于导航定位来说，g n s s 卫星是一动态已知点。卫星的 位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗g n s s 卫星 所播发的星历，都是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及 卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面系统负责监 测g n s s 信号、收集数据、计算并注入导航电文，状态诊断、轨道修正等。正是有了 地面监控系统的海量数据处理，才使得g n s s 系统能够精确的运转。地面监控系统的 另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准g n s s 时间系统。这就需要地面站监 测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给 g n s s 接收机。 2 1 3g n s s 信号接收机 用户设备的核心是g n s s 信号接收机。它由主机、天线、电源和数据处理软件等 6 北京邮i u 人学倾l ：研究生学位论文 组成。g n s s 信号接收机的任务是能够捕获到所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫 星的运行，对所接收到的g n s s 信号进行处理，以便测量出g n s s 信号从卫星到接收 机天线的传播时间，解译出g n s s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出待测站的位 置，甚至速度和时间。 g n s s 信号接收机主要有基带信号处理和导航位置解算两部分组成。其中基带信 号处理部分主要包括对g n s s 卫星信号捕获，跟踪，比特同步，帧同步以及伪距计算， 导航数据解码等工作。捕获部分是通过快速搜索的方法对卫星信号的p r n 码相位以 及载波多普勒频移作粗略的同步。跟踪则是实时的利用环路控制的方法对p r n 码和 载波作精准的同步，从而解调出导航电文。导航解算部分主要包括根据导航数据中的 星历参数实时进行各可视卫星位置计算，最后进行p v t 解算。 2 2g n s s 系统定位原理 g n s s 系统定位的原理主要是通过测定接收机至卫星的距离来定位，即通过测定 某点至已知位置的三颗卫星的距离来确定某点的三维坐标。下面以g p s 为例简单介 绍其定位原理。 为了获得接收机至卫星间的距离，主要采用两种方法：第一种方法是伪距测量； 第二种方法是载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量 定位精度最高。通过对4 颗或4 颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出 接收机的三维位置。下面将主要讲述伪距测量的方法。 g p s 接收机在接收到卫星发射出的信号后，在理想情况下，只要有与卫星钟同步 的时钟，测得接收机与三颗卫星间的距离就可得到接收机的坐标，进行定位。然而， g p s 系统在每颗卫星上都装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。g p s 接收机不可能与其精度一致，因此测出的卫星信号在空中的传播时间也就不准确了， 同样，卫星到接收机之间的距离也就不准确了，所以通常被称为伪距。在这种情况下 就需要利用第四颗卫星的测定，来计算出卫星与接收机之间的钟差& 。四颗卫星可 以得到四个方程，因此可以计算出接收机的坐标和卫星与接收机之间的钟差，实施定 位。 所以g p s 卫星导航系统的定位原理如下图所示。 7 卫星4 4 , z 4 ) 图2 - 3g p s 定位原理示意图【9 l 即， “x 1 一石) 2 + ( y 1 一y ) 2 + ( d z ) 2 】i ，2 + c ( u 。一v , o ) = 吐 式( 2 1 ) 【( x 2 一工) 2 + ( y 2 一y ) 2 + ( z 2 一z ) 2 1 1 7 2 + c ( 哆：一u 。) = d ： 式( 2 2 ) ( x 3 - x ) 2 + ( y 3 - y ) 2 + ( z 3 一z ) 2 】u 2 + c ( e ，- i 1 , 。) - - d ， 式( 2 3 ) 【( x 4 一工) 2 + ( y 4 一) ，) 2 + ( z 4 一z ) 2 1 u 2 + c ( v f 。- v , 。) - - d 。 式( 2 4 ) 其中c 为光速，( f = l 2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟 的钟差，u 。为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差。 由此可见接收机的工作目的就是通过解调导航电文获取( x l ，y l ，z 1 ) 等卫星位 置信息，以及测量卫星和本地接收机之间的钟差。从而可以解算出接收机的位置。 2 3g n s s 系统的优势 2 3 1g n s s 系统的特点【1 0 】 g p s 系统和g l o n a s s 系统都有2 4 颗工作卫星；g a l i l e o 系统和c o m p a s s 系统都 有3 0 颗工作卫星。 1 ) g n s s ：= 双星系统：双星系统早在上个世纪末应用于卫星定位系统，分别接收 并分别解算g p s 与g l o n a s s 数据：当有一方卫星数据小于解算必要条件时( 如公 共卫星 o ，则s i g n ( c o s ( d ) ) - 1 ， 但是当占在二、三象限时，o o s ( d ) co ，则s i g n ( c o s ( d ) ) 一一1 ，此时输出的相位误差与真实 的相位误差是相反的。所以只有当否在一、四象限时，此算法才能输出正确的相位误 差。 北京邮l u 人学顺l ：研究生学位论文 该算法对运算量要求最低，输出的相位误差与信号幅度成正比，在低信噪比时接 近最佳。但其算法适用范围比经典的c o s t a sp l l 算法要小一半。 3 ) 正切c o s t a sp l l 算法 e r r o r4 q i t s m ( 纫f ( 七一1 ) t + a ) c o s ( 2 疗i ( k - 1 ) r = + 疗) 一- t a n ( o )式( 4 1 3 ) 由式( 4 1 3 ) 可知，此算法输出的相位误差与信号幅度是没有关系的，它更加接 近真实的相位误差，但运算量要求比较高。在高和低信噪比时良好。在正负9 0 度处 有除以零的误差。 4 ) 二象限反j 下切c o s t a sp l l 算法 e r r o r = a t a n ( q r = i 。) 一at a n ( - s i n ( 2 石f ( 七- 1 【) 互+ o ) c o s ( 2 万( k 一1 ) 正+ p ) ) ：一占 式( 4 1 4 ) 从式( 4 1 4 ) 可知，该算法输出的相位误差不会受信号幅度的影响，可将本地载 波相位和卫星载波相位间的差值去除。在高和低信噪比时最佳，通常用查表法实现。 表4 - ic o s t a sp l l 鉴别器算法比较表1 1 l 鉴别器算法相位误性能比较 差 q 芦i 芦s i n ( 2 0 ) 在低信噪比时接近最佳f 8 l ，输出误差受信号幅度的影 响，与信号幅度的平方成正比。运算量中等。 x s i g n ( i 芦)s i n ( o ) 在高信噪比时接近最佳，输出误差受信号幅度的影 响，与信号幅度成正比。运算量较低。 q 。| l 。 t a n ( o ) 次最佳，在高低信噪比时良好，输出误差不受信号幅 度的影响，运算量较高。 a t a n ( q 芦i 芦) 在高低信噪比时都是最佳算法，是一个最大似然估计 p 器，输出误差不受信号幅度影响，运算量很大。不过 可以用查表法来代替。 这四种算法中，二象限反正切算法的相位牵引范围为一9 0 9 0 。，是最大的。其次 是面向判决的c o s t a sp l l 算法和正切c o s t a sp l l 算法，它们的范围稍微小于+ 9 0 。， 最后是经典c o s t a sp l l 算法，大约为一4 5 。4 5 。由于二象限反正切算法可以保持良好 北京邮i 【1 人学硕 ：研究生学位论文 的线性性能，能够最真实的反映载波相位的真实误差，而其他三种算法输出相位误差 是s i n 0 函数和t a n 0 函数的形式，所以只有在0 附近才可以近似保持线性。表4 - 1 将对 四种c o s t a sp l l 鉴别器算法进行比较。 由表4 1 可以看出，不管是在相位牵引范围上还是在线性性能上，二象限反j 下切 算法是最合适的算法。并且本课题鉴相器算法会在d s p 芯片中实现，目前有很多的 d s p 芯片中都提供反正切函数【1 8 】，所依，本课题中的g p s 接收机p l l 鉴别器选择二 象限反正切鉴相器算法。 4 1 3 码跟踪环算法研究 码跟踪环路是为了提高本地码和接收到的卫星信号扩频码之间的相关程度，完成 对扩频码的解扩，来得到准确的导航数据。捕获可以使本地码和接收到的卫星信号扩 频码之间的码相位差限制在正负半个码片内，跟踪环路要将码相位差进一步缩d , n 误 差允许的范围内。 g p s 接收机的码跟踪环路由可编程的预检测积分器、码环鉴别器和码环滤波器组 成，这三项功能确定了接收机码环方案的两个重要的性能特性：码环热噪声误差和最 大视线方向动态应力门限。图4 4 给出了本课题设计的g p s 接收机码跟踪环的方框 图。 c 码产 生器 e e p l l 2 b i t 移位寄存器l 码 环 鉴 别 器 嬲卜 一 载波 辅助 图4 - 4g p s 接收机码跟踪环路方框图f l l 图4 4 中，2 b i t 移位寄存器为码跟踪环提供三路相关值：超前码，当前码和滞后 码。当前码是用来剥离c a 码的。而超前码和滞后码是码环鉴别器的输入，用来计 k h k 一 吣一 慨一 虬一 母固丑丑母一 瀑占愀溅选，。芏 妻叶 北京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文 算出码相位误差，然后送入环路滤波器进行降噪平滑，平滑后的结果用来调整码 n c o ，产生和输入相位一致的复现码。相关间隔越大，线性范围就越大，牵引范围也 越大，鉴相增益会越小【1 9 l ，。但是当相关f b j 隔大于2 个码片时，码环就无法工作。由 于本课题的接收机码跟踪环路的线性范围必须是o 5 c h i p ，因此相关间隔必须选用1 ， 这就意味着移位寄存器必须以码发生器时钟速率的2 倍移动。 由图4 4 可知，中频信号与本地载波相乘解调将得到正交分量和同相分量，然后 再和移位寄存器产生的三路码进行积分累加，共会产生6 路相关值，分别是：，盱，。， 气，q ，q 。，玩，再将6 路相关值送入码跟踪环鉴别器，用来计算本地码和接收的伪码 之间的相位差。 假设超前与滞后路间的码相关间隔是豺，则超前、滞后路与当前路的码相关间 隔就为d ，结合第三章式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) ，又由于码相位调整是在一个数据位内进 行的，所以这6 路相关值的符号肯定是相同的，所以可以忽略数据位的影响。则可以 推算出超前路和滞后路的相关值，如式( 4 1 5 ) 一式( 4 1 8 ) 所示： 1 l 。吉4 r ( 妒一d ) c o s ( 幼肛瓦+ p )式( 4 1 5 ) 1 气2 吉4 r ( 驴+ d ) c o s ( 劢肛t + 疗)式( 4 1 6 ) 1 q 二。一吉4 r ( 妒一d ) s i n ( 幼肛瓦+ 8 )式( 4 1 7 ) 1 玩4 一吉4 r ( 妒+ d ) s i n ( 2 万f k t , + 口)式( 4 1 8 ) 码环鉴别器的算法主要是基于上面的超前和滞后路相关值，目前主要的算法有下 面几种： 1 ) 归一化超前减去滞后包络 e r r o r = o 5 但- l ) ( e + ) = o 5 ( i r , ( a e d ) l l r ( 驴+ d ) 1 ) ( | 足( 妒一d ) i + i 足( 驴+ d ) i ) 式( 4 1 9 ) 其中：e 。：丽；昙4 i r ( 妒一d ) i