高动态接收机课件

高动态接收机办公室 2016.3.1

高动态接收机办公室 2016.3.1 汇报内容卫星导航相关背景知识一般导航接收机简介高动态环境对接收机的影响高动态接收机的组成和特点高动态接收机指标测试小结汇报内容卫星导航相关背景知识一般导航接收机简介高卫星导航背景知识卫星导航背景知识众所周知，20世纪90年代之后，卫星导航定位系统由初步试验、成熟逐步走向了全运行和鼎盛时期，已经扩展至军事、经济和民生等各个领域；目前的全球主要导航定位系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略和我过逐步发展起来的北斗一代、二代；GPS由于具有全球性、全天候和连续的精确三维定位能力，且能实时对运载体的速度、姿态惊醒测定并精确授时，所以在应用市场最为广泛，所以，本汇报内容以GPS接收机为例。卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识全球定位系统（GPS）由三个段组成：卫星星座，

地面控制/监控网络和用户

接收机设备；卫星星座包括在轨卫星，

他们向用户设备提供测距

信号和数据电文；控制段

则对空间的卫星进行跟踪和维护，保护其健康状态和

信号完整性；用户设备即接收机，它处理由卫星发射

的信号以解算用户的PVT；卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号的构成

GPS卫星信号测距码数据码(导航电文）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段L1载波L2载波卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号测距码P码（Y卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号的载波和调制GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，采用正交2PSK调制卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号的合成卫星导航背景知识卫星导航背景知识导航接收机简介导航接收机简介GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介GPS接收机的功能：接收GPS卫星发送的导航信号；恢复载波信号频率和卫星钟；解调出卫星星历、卫星钟校正参数等数据；通过测量本地时钟与恢复的卫星钟之间的时延来测量接收天线至卫星的距离（伪距）；通过测量恢复的载波频率变化（多普勒频率）来测量伪距变化率；根据获得的这些数据，计算出用户所在的地理经度、纬度、高度、速度、准确的时间等导航信息；将结果显示在显示屏幕上或通过输出端口输出。导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介GPS接收机工作原理：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介GPS接收机工作原理：导航接收机简介导航接收机简介高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态条件即接收机进行PVT解算的环境处于高速度（不低于8km/h）、高加速度(不低于20g)或高加加速度(不低于2g)的运动当中；高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响在此条件下，一般的接收机无法满足要求，因为高速率带来50-100KHz的多普勒频移，从而导致一般接收机的载波环路失锁，无法解调出导航电文；并且高动态带来的多普勒频率大范围内的抖动，要求加宽环路带宽，降低工作信噪比，其代价降低环路跟踪精度；同时，它也使伪随机代码产生动态时延，导致码环石锁，因此针对这种场景，接收机必须优化捕获、跟踪和PVT解算的算法，这就要求其硬件具备更优化的设计、更高校的性能对其支撑。高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态接收机的组成和特点高动态接收机的组成高动态GPS接收机从设备组成上依然由卫星接收天线、卫星接收机及相应的电缆组成；其接收天线由天线板、低噪声放大器组成，其作用是将微弱的信号放大到一定电平，并尽量减少引入的噪声，送给接收机；接收机主要由接收信道部分、信道处理部分和数据处理部分组成。由此：能否在高动态场景中对微弱的信号成功捕获并有效处理，这部分的设计是高动态接收机的关键技术；高动态接收机的组成和特点高动态接收机的组成高动态接收机的组成和特点高动态接收机的硬件结构高动态GPS接收机一般采用板卡式设计，硬件组成如下图；高动态接收机的组成和特点高动态接收机的硬件结构高动态接收机的组成和特点高动态接收机的关键技术多通道并行捕获：信号处理部分采用FPGA芯片，其中集成10个独立的相关器、CPU接口、异步通信控制和实时时钟，这样，就可并行同步采样微弱的数字信号（高动态环境下），并在CPU控制下完成码、载波信号和捕获和跟踪，解调出伪距和电文数据；扩频编码模块和扩频模块：扩频吗的捕获能使本地伪码相位和接收机伪码相位同步，这样，便能使用并行相关的技术，在一个伪码周期完成一次相关运算；（因基础原因，本部分理解有待后续深入）高速运算模块：数据处理单元采用DSP，其包括高速CPU（DSP），运行程序的RAM，存放代码的flash和接口芯片。它对送来的数据能进行高速的浮点运算，解算并测速；高动态接收机的组成和特点高动态接收机的关键技术指标测试指标测试指标测试指标测试指标测试动态性能测试指标要求：相对速度：0~12km/s、相对加速度：0~120m/s2、相对加加速度：0~40m/s3测试方法：由于接收机动态范围过大，在实际中无法进行具体测试，因此利用高动态信号源，首先将信号源场景根据指标进行设置，信号源稳定后分别将定位模式切为相应系统、频点进行接收信号并输出定位结果，最后将定位结果与模拟源中真值比较衡量接收机定位结果。注意事项：当加加速度在逐步变大时间中确保加速度最大值不超过加速度指标，加速度最大值在逐步变大时间中确保速度最大值不超过速度指标；在对高动态性能测试时需要分频点单独测试以及多系统多频点联合测试。指标测试动态性能测试指标测试定位精度测试指标要求：静态工作时，定位精度≤10m，测速精度≤0.1m/s；在以上动态范围工作时，定位精度≤10m，测速精度≤0.3m/s；测试方法：设置卫星信号模拟源为静态场景，同时播发B1、B3、L1频点卫星信号，场景保证PDOP≤3。通过指令分别切换定位模式为B3、B1、L1单频点定位，B1B3双频定位，B3L1兼容定位模式，评估系统分别对几种模式的定位结果进行评估，看是否符合技术要求；设置卫星信号模拟源为以上动态场景，同时播发B1、B3、L1频点卫星信号，场景保证PDOP≤3。通过指令分别切换定位模式为B3、B1、L1单频点定位，B1B3双频定位，B3L1兼容定位模式，评估系统分别对几种模式的定位结果进行评估，看是否符合技术要求；指标测试定位精度测试指标测试捕获定位时间测试指标要求：冷启动（盲捕）首次定位时间：≤60s；热启动首次定位时间：≤10s；瞬时失锁5s，重捕定位时间：≤5s；测试方法：冷启动：首先清空设备flash保存的星历数据，设备重新加电记下当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为冷启动定位时间；热启动：设备加电后接收模拟源信号，定位稳定后设备重新加电记录下当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为热启动定位时间；失锁重捕：设备加电后接收模拟源信号，定位稳定后，控制信号模拟源关闭信号，5s后打开信号，用秒表记录当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为失锁重捕定位时间。指标测试捕获定位时间测试指标测试灵敏度测试指标要求：灵敏度（含低噪放）：优于-160dBW(可定位)；其中低噪放噪声系数≤2dB，增益30~35dB；测试方法：给接收机加电工作。设置卫星信号模拟源播发B1、B3、L1频点各12颗卫星信号，所有卫星信号模拟源产生的卫星信号至天线口面的信号功率调至-160dBW，接收机设置为B3L1兼容定位模式，检测接收机是否能够正确的实现定位测速，如若不能，逐渐增强信号，直至定位，当前功率即为捕获灵敏度。注意事项：灵敏度也有捕获灵敏度和跟踪灵敏度之分，根据客户需要，不同的指标测试方法有所区别。指标测试灵敏度测试指标测试动态范围测试指标要求：信号动态范围≥25dB测试方法：信号源发射1颗固定卫星，将至接收机天线口面的信号功率调至-160dBw（灵敏度）当接收机对该卫星捕获成功后，将信号功率依次调低进行捕获，直到接收机捕获失败记录此功率值为接收机接收的最弱信号功率。得到最弱功率值后，再将信号功率调至灵敏度，依次将信号功率调高，直到接收捕获失败，记录此功率值为接收所接收的最强信号功率，则最强信号与最弱信号差为接收机信号动态范围。指标测试动态范围测试指标测试数据更新率测试指标要求：数据更新率不低于10Hz测试方法：给接收机加电工作。接收机切为相应定位模式，等定位后查看输出的定位结果频度是否满足指标要求。指标测试数据更新率测试小结概述了全球导航系统，重点介绍了GPS及其信号的构成、载波和调制等背景知识，为深入了解接收机做好铺垫；综述了一般接收机的构成和工作原理，分析了高动态环境对接收机的影响，由此引出高动态接收机，分析了其组成、硬件结构和关键技术应该具有的性能优势测试方法：最后结合我们中心导航室日常业务，简述了对高动态接收机一些常用指标的测试。小结概述了全球导航系统，重点介绍了GPS及其信号的构成、载波

高动态接收机办公室 2016.3.1

高动态接收机办公室 2016.3.1 汇报内容卫星导航相关背景知识一般导航接收机简介高动态环境对接收机的影响高动态接收机的组成和特点高动态接收机指标测试小结汇报内容卫星导航相关背景知识一般导航接收机简介高卫星导航背景知识卫星导航背景知识众所周知，20世纪90年代之后，卫星导航定位系统由初步试验、成熟逐步走向了全运行和鼎盛时期，已经扩展至军事、经济和民生等各个领域；目前的全球主要导航定位系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略和我过逐步发展起来的北斗一代、二代；GPS由于具有全球性、全天候和连续的精确三维定位能力，且能实时对运载体的速度、姿态惊醒测定并精确授时，所以在应用市场最为广泛，所以，本汇报内容以GPS接收机为例。卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识全球定位系统（GPS）由三个段组成：卫星星座，

地面控制/监控网络和用户

接收机设备；卫星星座包括在轨卫星，

他们向用户设备提供测距

信号和数据电文；控制段

则对空间的卫星进行跟踪和维护，保护其健康状态和

信号完整性；用户设备即接收机，它处理由卫星发射

的信号以解算用户的PVT；卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号的构成

GPS卫星信号测距码数据码(导航电文）载波P码（Y码）C/A码L1载波L2载波伪随机码L波段L1载波L2载波卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号测距码P码（Y卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号的载波和调制GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，采用正交2PSK调制卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识卫星导航背景知识GPS卫星信号的合成卫星导航背景知识卫星导航背景知识导航接收机简介导航接收机简介GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介GPS接收机的功能：接收GPS卫星发送的导航信号；恢复载波信号频率和卫星钟；解调出卫星星历、卫星钟校正参数等数据；通过测量本地时钟与恢复的卫星钟之间的时延来测量接收天线至卫星的距离（伪距）；通过测量恢复的载波频率变化（多普勒频率）来测量伪距变化率；根据获得的这些数据，计算出用户所在的地理经度、纬度、高度、速度、准确的时间等导航信息；将结果显示在显示屏幕上或通过输出端口输出。导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介GPS接收机工作原理：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介导航接收机简介GPS接收机工作原理：导航接收机简介导航接收机简介高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态条件即接收机进行PVT解算的环境处于高速度（不低于8km/h）、高加速度(不低于20g)或高加加速度(不低于2g)的运动当中；高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响在此条件下，一般的接收机无法满足要求，因为高速率带来50-100KHz的多普勒频移，从而导致一般接收机的载波环路失锁，无法解调出导航电文；并且高动态带来的多普勒频率大范围内的抖动，要求加宽环路带宽，降低工作信噪比，其代价降低环路跟踪精度；同时，它也使伪随机代码产生动态时延，导致码环石锁，因此针对这种场景，接收机必须优化捕获、跟踪和PVT解算的算法，这就要求其硬件具备更优化的设计、更高校的性能对其支撑。高动态环境对接收机的影响高动态环境对接收机的影响高动态接收机的组成和特点高动态接收机的组成高动态GPS接收机从设备组成上依然由卫星接收天线、卫星接收机及相应的电缆组成；其接收天线由天线板、低噪声放大器组成，其作用是将微弱的信号放大到一定电平，并尽量减少引入的噪声，送给接收机；接收机主要由接收信道部分、信道处理部分和数据处理部分组成。由此：能否在高动态场景中对微弱的信号成功捕获并有效处理，这部分的设计是高动态接收机的关键技术；高动态接收机的组成和特点高动态接收机的组成高动态接收机的组成和特点高动态接收机的硬件结构高动态GPS接收机一般采用板卡式设计，硬件组成如下图；高动态接收机的组成和特点高动态接收机的硬件结构高动态接收机的组成和特点高动态接收机的关键技术多通道并行捕获：信号处理部分采用FPGA芯片，其中集成10个独立的相关器、CPU接口、异步通信控制和实时时钟，这样，就可并行同步采样微弱的数字信号（高动态环境下），并在CPU控制下完成码、载波信号和捕获和跟踪，解调出伪距和电文数据；扩频编码模块和扩频模块：扩频吗的捕获能使本地伪码相位和接收机伪码相位同步，这样，便能使用并行相关的技术，在一个伪码周期完成一次相关运算；（因基础原因，本部分理解有待后续深入）高速运算模块：数据处理单元采用DSP，其包括高速CPU（DSP），运行程序的RAM，存放代码的flash和接口芯片。它对送来的数据能进行高速的浮点运算，解算并测速；高动态接收机的组成和特点高动态接收机的关键技术指标测试指标测试指标测试指标测试指标测试动态性能测试指标要求：相对速度：0~12km/s、相对加速度：0~120m/s2、相对加加速度：0~40m/s3测试方法：由于接收机动态范围过大，在实际中无法进行具体测试，因此利用高动态信号源，首先将信号源场景根据指标进行设置，信号源稳定后分别将定位模式切为相应系统、频点进行接收信号并输出定位结果，最后将定位结果与模拟源中真值比较衡量接收机定位结果。注意事项：当加加速度在逐步变大时间中确保加速度最大值不超过加速度指标，加速度最大值在逐步变大时间中确保速度最大值不超过速度指标；在对高动态性能测试时需要分频点单独测试以及多系统多频点联合测试。指标测试动态性能测试指标测试定位精度测试指标要求：静态工作时，定位精度≤10m，测速精度≤0.1m/s；在以上动态范围工作时，定位精度≤10m，测速精度≤0.3m/s；测试方法：设置卫星信号模拟源为静态场景，同时播发B1、B3、L1频点卫星信号，场景保证PDOP≤3。通过指令分别切换定位模式为B3、B1、L1单频点定位，B1B3双频定位，B3L1兼容定位模式，评估系统分别对几种模式的定位结果进行评估，看是否符合技术要求；设置卫星信号模拟源为以上动态场景，同时播发B1、B3、L1频点卫星信号，场景保证PDOP≤3。通过指令分别切换定位模式为B3、B1、L1单频点定位，B1B3双频定位，B3L1兼容定位模式，评估系统分别对几种模式的定位结果进行评估，看是否符合技术要求；指标测试定位精度测试指标测试捕获定位时间测试指标要求：冷启动（盲捕）首次定位时间：≤60s；热启动首次定位时间：≤10s；瞬时失锁5s，重捕定位时间：≤5s；测试方法：冷启动：首先清空设备flash保存的星历数据，设备重新加电记下当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为冷启动定位时间；热启动：设备加电后接收模拟源信号，定位稳定后设备重新加电记录下当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为热启动定位时间；失锁重捕：设备加电后接收模拟源信号，定位稳定后，控制信号