+ 劉天雄

衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機原理與設計
——之三(上）

+ 劉天雄

第二十七講

圖14 衛(wèi)星導航接收機的工作原理

3 工作流程

3.1 民用C/A碼GPS接收機的工作流程

3.2 軍用P(Y)碼型接收機的工作流程

3.2.1 利用C/A碼引導捕獲P(Y)碼

3.2.2 直接捕獲P(Y)碼

4 工作原理

導航射頻信號經天線放大、濾波處理后，送入射頻前端下變頻（down-converted）處理后得到模擬中頻信號，進一步對導航信號放大、濾波處理后，由射頻前端模數轉換處理模塊（ADC）對模擬中頻信號采樣處理并得到離散數字中頻導航信號（digitized GNSS signal），然后將離散數字中頻導航信號送入基帶數字信號處理模塊，基帶數字信號處理模塊負責捕獲、跟蹤、解調采樣信號，精確估算導航信號偽碼相位（Code phase）、多普勒頻移（Doppler frequency）、載噪比（Carrier-to-Noise ratio）以及信號鎖定指示（lock indicators）等參數，利用捕獲環(huán)路和跟蹤環(huán)路實現導航信號同步，得到解擴和解調的基帶信號，并據此估算出偽碼測距（code pseudoranges）、載波相位測量（carrier phase measurements）以及導航電文數據（navigation data）。衛(wèi)星導航接收機的工作原理如圖14所示，

4.1 導航信號結構

導航衛(wèi)星一般在軌道空間上連續(xù)播發(fā)兩個或多個L頻段衛(wèi)星導航信號，導航信號包含偽隨機測距碼和導航電文，接收機可在任何時刻/歷元（epoch）計算導航信號從衛(wèi)星到接收機的傳播時間，傳播時間乘以無線電信號傳播速度得到星地之間的距離，根據導航方程，接收機觀測到與四顆衛(wèi)星之間的距離后，即可解算出接收機的位置坐標（coordinates）。衛(wèi)星導航信號由載波、測距碼及導航電文三種信號分量組成，簡述如下：

·載波（Carrier）：給定頻點的正弦波無線電信號；

·測距碼（Ranging code）：由“0”和“1”組成的數字序列（Sequences），如圖15所示。接收機利用測距碼計算導航信號從衛(wèi)星到接收機的傳播時間，測距碼為偽隨機噪聲（Pseudo-Random Noise）序列，簡稱PRN碼；

圖15 由“0”和“1”組成的測距碼數字序列

·導航電文（Navigation data）：二進制編碼電文，為用戶提供衛(wèi)星星歷（ephemeris）、衛(wèi)星原子鐘偏差（clock bias parameters）、歷書（almanac）、衛(wèi)星健康狀態(tài)（satellite health status）等信息，其中星歷是每顆衛(wèi)星的精確的Keplerian軌道參數或者衛(wèi)星的位置和速度，歷書是星座所有衛(wèi)星軌道參數估計值。

測距碼信號與導航電文信號“異或處理”生成直接序列擴頻頻信號，然后將直接序列擴頻頻信號調制到載波信號上，衛(wèi)星將載波信號放大后播發(fā)給地面用戶。

4.1.1 載波信號（Carrier signal）

載波是能夠攜帶調制信號的高頻振蕩波，其振幅、頻率和相位都能隨調制信號的變化而變化。載波信號通常就是咱們常見的正弦波（sinusoidal）信號，但是信號的頻點確有嚴格的規(guī)定。導航信號頻率分配（Frequencies allocation）原則首先是多重的服務和不同的導航用戶共用在同一個頻率范圍內，其次同樣的頻率范圍在不同的國家可以劃分給不同的用戶。

國際電信聯盟I T U（I n t e r n a t i o n a l Telecommunications Union）是聯合國（United Nations）下屬負責協(xié)調全球無線電頻譜的辦事機構，該機構涉及電視（television）、廣播（radio）、蜂窩電話（cell-phone）、雷達（radar）、衛(wèi)星廣播（satellite broadcasting）、甚至微波爐（microwave ovens）的頻譜規(guī)劃等領域。國際電信聯盟ITU同時還負責無線電衛(wèi)星導航業(yè)務RNSS（Radio Navigation Satellite Services）的頻率規(guī)劃工作，2000～2003年間召開的世界無線電通信會議（World Radio Communication Conferences）確定了GNSS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）的頻率范圍，RNSS無線電衛(wèi)星導航業(yè)務的頻率范圍如圖16所示。

圖16 GPS, GLONASS 和 Galileo 衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航信號頻率范圍

由圖15可知，在無線電衛(wèi)星導航業(yè)務RNSS的頻帶范圍內，有兩個頻段劃分給了航空無線電導航業(yè)務ARNS（Aeronautical Radio Navigation Service），由于這兩個頻段沒有分配給其他用戶使用，因此不會對航空無線電導航信號產生干擾，由此特別適合于開展生命安全（Safety-of-Life）相關業(yè)務。這兩個頻段分別是L頻段的上邊帶（1559 - 1610 MHz）和下邊帶（1151 - 1214 MHz），目前上邊帶有GPS系統(tǒng)的L1頻點信號，Galileo系統(tǒng)的E1頻點信號以及GLONASS系統(tǒng)的G1頻點信號；下邊帶有GPS系統(tǒng)的L5頻點信號，Galileo系統(tǒng)的E5頻點信號，其中E5a和L5信號頻點及頻帶完全一致。在L頻段剩下的1215.6 - 1350

MHz頻率范圍被分配給地基于地基雷達（ground radars）的無線電定位服務（Radio-location Services）和RNSS無線電衛(wèi)星導航業(yè)務，目前有GPS系統(tǒng)的L2頻點信號，Galileo系統(tǒng)的E6頻點信號以及GLONASS系統(tǒng)的G2頻點信號，因此，在此頻段內衛(wèi)星導航信號很容易受到雷達信號的干擾。

目前世界上有美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo以及中國的BDS（北斗）四大GNSS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，此外還有日本的QZSS（準天頂）及印度的IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，衛(wèi)星導航信號基本都在L頻段，各導航系統(tǒng)的頻率范圍如圖17所示。

圖17 GNSS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)頻率范圍（來源：Stefan Wallner）

例如，美國GPS系統(tǒng)目前有L1、L2兩個不同頻率的載波信號，中心頻率分別為1575.42 MHz、1227.6 MHz，未來將增加中心頻率為1176.45 MHz的L5載波信號，主要為航空用戶服務。其中民用C/A碼信號帶寬2.046 MHz，軍用P（Y）碼信號帶寬20.46 MHz，L1、L2頻點信號中心頻率及帶寬如圖18所示，

圖18 GPS衛(wèi)星L1、L2頻點信號中心頻率及帶寬

4.1.2 偽隨機噪聲測距碼（Pseudo Random Noise codes）

四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，美國的GPS、歐洲的Galileo以及中國的北斗系統(tǒng)（BDS）均采用CDMA碼分多址導航信號技術，給空間段不同的導航衛(wèi)星分配不同的且是唯一的偽隨機噪聲碼（PRN碼），即導航衛(wèi)星與偽隨機噪聲碼一一對應，用戶接收機利用信號相關處理技術來識別不同的衛(wèi)星并測定衛(wèi)星至接收機的距離，所以偽隨機噪聲碼又稱為測距碼，或偽碼。俄羅斯的Glonass系統(tǒng)采用FDMA頻分多址技術來區(qū)分不同的衛(wèi)星，通過不同的中心頻點來區(qū)分導航衛(wèi)星及其播發(fā)的信號，或者說使用不同的載波頻率傳輸多個導航信號，導致用戶接收機相對復雜。

偽隨機噪聲碼是一個脈沖序列，擴頻處理后播發(fā)給用戶，各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)以空間信號接口控制文件（SIS ICDs）形式公開發(fā)布給用戶使用。有多種脈沖序列可用于測距，例如，

·GPS系統(tǒng)L1頻點民用C/A測距碼信號采用Gold碼，Gold碼是一種由兩個最大長度碼（maximum length code）組合而成的碼；

·G L O N A S S系統(tǒng)使用一中最大長度碼（maximum length code），由于采用頻分多址（FDMA）信號體制，系統(tǒng)對測距碼之間具有較低的互相關（cross-correlation）特性要求不敏感；

·Galileo系統(tǒng)采用分層碼（tiered code），用一個中等長度的一級編碼和一個短一點的二級編碼組成。二級編碼是一種存儲碼（memory codes），即存儲碼不是通過傳統(tǒng)的線性反饋移位寄存器LFSR（linear feedback shift registers）一個一個生成，存儲碼存儲在接收機內存中，使用存儲碼的優(yōu)點是非授權用戶很難破解（譯碼）。

星導航系統(tǒng)信號測距碼的選擇需要折衷考慮碼長（Code length）、碼片速率（Code chipping rate）以及編碼特性（Code characteristics），簡要說明如下：

·碼長（Code length）：測距碼位數越長，碼之間的互相關特性越好，接收機捕獲測距碼信號所需的時間越長。測距碼的長度受限于導航符號邊界（navigation symbol boundaries），因此與信號速率有關；

·碼片速率（Code chipping rate）：測距碼碼片速率越高，信號帶寬越寬，測距精度越高；

·編碼特性（Code characteristics）：雖然GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址（FDMA）信號體制，可以用不同的頻點區(qū)分不同的衛(wèi)星，系統(tǒng)對測距碼之間的低互相關特性要求不敏感，但是選擇那些具有高自相關（auto-correlation）和低互相關（crosscorrelation）特性的碼分多址CDMA測距碼，能夠確保多顆衛(wèi)星同時使用（播發(fā)）相同信號頻譜時，可以有效地分離地不同衛(wèi)星信號（衛(wèi)星與測距碼一一對應），地面用戶機可以很方便地識別導航衛(wèi)星，目前GPS、Galileo以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)均采用采用碼分多址（CDMA）信號體制。

偽隨機噪聲測距碼（PRN碼）具有如下特征：

·偽隨機噪聲碼（PRN碼）是一種可以預先確定其序列并可重復產生和復制的二進制碼序列，具有白噪聲類似的隨機統(tǒng)計特性，自相關性（auto correlation）性強，互相關性（cross-correlation）弱；具有良好的識別特性，具有較高的測量精度和較低的信息傳輸誤碼率，可以用來測定距離和數據傳輸；

·當由線性移位寄存器產生的m序列，PRN碼由長度為n位的移位寄存器生成，PRN碼長為；

·不同偽隨機噪聲序列（碼）之間幾乎是正交（orthogonal）的，信號具有高度自相關性（auto correlation），0延遲時，自相關取得最大值。