第6章GPS接收机技术ppt课件.ppt

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1、第6章 GPS接收机技术,6.1 GPS及其他全球导航卫星系统(GNSS)信号结构6.2 码发生器及载波发生器6.3 GPS信号的捕获6.4 码跟踪和载波跟踪6.5 导航电文解码6.6 伪距计算和接收机位置计算,6.1 GPS 信号及其他GNSS信号,6.1.1 GPS 信号 伪码,载波,导航电文 信号带宽6.1.2 当今及将来全球导航卫星系统(GNSS)信号的概述6.1.3 扩频技术 伪随机码 伪码相关特性6.1.4 GPS信号产生,内容,传输载波频率:L1=1575.42 MHz=154 x 10.23 MHz L2=1227.6 MHz=120 x 10.23 MHz(增加)L5=117

2、6.45 MHz=115 x 10.23 MHz(民用)(增加)新的军用码(M-code)和新的民用信号(L2CS),6.1.1 GPS 信号(1),GPS 信号频谱,C/A 伪码 码率1.023 Mcps 周期码元个数：1023 chips 码元长度：1s 波长 300 m 重复周期1ms 32个不同的伪随机序列分配给32颗卫星 P(Y)码 码率10.23 Mcps 周期码元个数：1014 chips 码元长度：0.1s 波长 30 m 重复周期：1星期 防欺骗,6.1.1 GPS 信号(2),比特率 50bps 星历 卫星钟信息 卫星健康状况、精度 历书 重复时间：12.5 minutes

3、,6.1.2 GPS 导航电文,提供获取更高位置精度的设施:星历误差校正 更准确地电离层模型 GPS C/A 型信号(相同调制方法)更高的数据传输速率(500bps-250 bps)前向纠错 相对较低的多普勒频移(210Hz)“欧洲地球同步导航增强服务”(EGNOS)是用来为 GALILEO计划的实施及将来GALILEO系统的广域差分 服务作前期准备的。,6.1.3 其他GNSS信号 WAAS 和 EGNOS,每个载频上更多的传输信息(相对于GPS系统)更长的扩频码 无数据通道 BOC调制方式 前向纠错 块交叉处理 事故信号上传链路,6.1.3其他GNSS信号 Galileo,两个载频相对于G

4、PS系统定位精度更高 不同的卫星使用不同频段的信号(频分复用)民用信号扩频码码率0.511 Mcps，军用信号扩频码 码率 5.11 Mcps 12颗运行卫星,6.1.3 其他GNSS信号 GLONASS,各个GNSS系统信号频段相对分布,6.1.3 GNSS信号现在与未来,应用于码分复用系统，其特点:所有用户在同一载频上发送信号 信号功率谱被扩展成类似于噪声功率谱 扩频码具有低互相关特性，不同的用户使用不同的扩频码 信号传输带宽远大于信号本身的带宽 抗干扰 对其他信号干扰很小,6.1.4 直接序列扩频技术(DSSS),类似噪声特性，与其他信号具有很低的互相关特性 伪随机序列几乎互相正交，在零

5、延时时自相关达到峰值而 互相关值很小 伪随机码由N位移位寄存器生成 一个N位移位寄存器生成的伪随机码长度为：NDS=2n-1,6.1.4 DSSS技术 伪随机噪声(PRN),数据信号与伪随机序列相乘(对于二进制信号，对信号和 伪随机序列进行异或XOR操作)扩频后的信号具有伪随机序列的特性 以下简单示意了扩频操作和BPSK调制过程:,6.1.4 DSSS技术 扩频操作,宽带信号不易受窄带信号干扰 强窄带干扰信号在接收机解扩 过程中被扩频成弱宽带干扰信号.保密性好 通信容量大，不易阻塞,6.1.4 DSSS技术 扩频频谱图,6.1.4 DSSS 技术 扩频/解扩,GPS信号生成框图,http:/w

6、ww.navcen.uscg.gov/gps/modernization/http:/gps.faa.gov/Programs/WAAS/waas.htm http:/www.esa.int/esaNA/galileo.html http:/www.esa.int/esaNA/egnos.html http:/www.glonass-center.ru/,相关网站,6.2.1 GPS 接收机功能模块概述6.2.2 C/A 码发生器 移位寄存器6.2.3 载波发生器 查找表 基于三角函数方程,6.2 伪码生成器和载波发生器,6.2.1 接收机功能模块概述(1),.天线.前端.A/D转换.捕获.码

7、跟踪和载波跟踪.位同步、电文解码.伪距计算.计算卫星位置.计算接收机位置,接收射频信号处理,6.2.1 接收机功能模块概述(2),搜索可视卫星 搜索每颗可视卫星对应的C/A码相位和载波频率的粗估计值,6.2.1 接收机功能模块概述(3),找到C/A码相位的精估计值 找到载波频率的精估计值 保持C/A码相位和载波频率的跟踪,6.2.1 接收机功能模块概述(4),找到数据位边界(位同步)获取导航电文,6.2.1 接收机功能模块概述(5),找到帧的起点 对导航电文解码,6.2.1 接收机功能模块概述(6),计算卫星位置,6.2.1 接收机功能模块概述(7),计算伪距,6.2.1 接收机功能模块概述(

8、8),计算用户位置,6.2.1 接收机功能模块概述(9),GPS C/A码属于Gold随机序列一族 使用M序列发生器 移位寄存器位数n MLS 生成伪码长度,6.2.2 C/A 码发生器(1),6.2.2 C/A码发生器(2),6.2.2 C/A 码发生器(3),多项式反馈,6.2.2 C/A码发生器(4),6.2.2 C/A Code 发生器(5),本地载波用于解调 中频信号乘以本地载波去除信号调制载波 压控振荡器(VCO)输入电压控制输出频率 数字控制器(DCO)输入电压控制输出频率.相位查找表LUT,6.2.3 载波发生器(1),载波发生器数字表示,6.2.3 载波发生器(2),6.2.

9、3 载波发生器(3),数字频率合成技术,数字频率合成器方框图,6.2.3 载波发生器(3),数字频率合成技术,数字频率合成器输出波形,6.2.3 载波发生器(3),6.3 GPS信号的捕获,6.3.1 GPS信号捕获 多普勒频移搜索步长6.3.2 串行捕获6.3.3 并行频域捕获6.3.4 并行码域捕获,主要内容,6.3.1 GPS信号的捕获(1),捕获的目的1.找到可见卫星2.估计C/A码的相位粗值3.估计多普勒频移粗值,多普勒频移及其变化率的计算,多普勒频移变化率的计算,6.3.1 GPS信号的捕获(2),多普勒频移搜索步长-由于GPS卫星相对接收机的径向运动引起的多普勒频移 最大为5KH

10、z。-由于接收机载体运动引起的最大多普勒频移为5KHz。-总的多普勒频移为10KHz（不包含由本地晶振精度引起 的“多普勒”）。-通常使用的多普勒搜索步长为500Hz。综上，总的多普勒搜索此数为41次,C/A码搜索步长-C/A码一个周期有1024个码长-一般C/A码的搜索步长为0.5个码长-综上总的C/A码相位搜索次数为2046,两维搜索示意图,6.3.2 时间串行搜索(1),捕获原理-搜索所有可能的码相位和多普勒组合-接收到的中频采样信号与本地正交和同相载波分别相 乘，同时与本地产生的码分别相乘-累加同相I和正交分量Q的乘积-对累加值I和Q分别平方并相加-然后比较平方相加值与判决门限进行取舍

11、,0 1 2 3 4 5 6 7,时间串行搜索,接收码,本地生成码,相关,Acquisition,1 2 3 4 5 6 7 8,相关,6.3.2 时间串行搜索(2),总的搜索码相位和载波频率组合-41个频率搜索单元-2046个码相位搜索单元-总共412046个组合,6.3.2 时间串行搜索(3),能量检测器输出,6.3.3 频率域并行搜索(1),减少载波频率和码相位搜索组合数目频率维并行本地生成码与接受中频信号相乘对乘积信号傅立叶转换取离散频谱能量,频率维并行搜索输出,6.3.3 频率域并行搜索(2),6.3.4 码相位维并行搜索(1),伪码相位维并行搜索 接收中频信号与本地产生正、余弦波相

12、乘 对同相、正交分量组合的复信号s=I+jQ进行傅 立叶变换 对本地生成的伪码进行傅立叶变换并且取复共轭 对由和得到的离散谱相乘 对由所得的离散谱进行逆傅立叶变换,算法的核心是采用输入信号和PRN编码进行卷积相关。串行算法中使用了不同 码相位的PRN编码进行相关，而本算法中PRN编码进行卷积时相位是不变的。对于时间进行的卷积相当于频域中的乘法：,x、y序列的交叉相关的傅立叶变换结果为：,通过上述公式找到频域对应的相关峰，就可以通过反向傅立叶变换找到时域对应的相关峰。,伪码相位并行搜索输出,6.3.4 码相位维并行搜索(2),6.4 码跟踪和载波跟踪,6.4.1 GPS信号的解调6.4.2 载波

13、跟踪锁相环(PLL)6.4.3 C/A码跟踪延迟锁定环(DLL)6.4.4 多径对DLL的影响6.4.5 环路滤波器环路滤波器模型环路带宽6.4.6 载波、伪码跟踪方框图,主要内容,假设来自第k颗卫星的GPS信号如下式表示：,经射频前端之后模拟信号表达式如下：,AD采样之后信号表示如下：,6.4.1 解调(Demodulation)(1),6.4.1 解调(Demodulation)(2),来自卫星1和卫星2的GPS信号经AD之后表达式如下：为了解调出导航电文，必须知道中频信号的扩频伪码的相位和中频频率，即对码相位和中频频率的估计,6.4.1 解调(Demodulation)(3),中频信号转

14、化到基带信号(上式在本振与中频完全同步时即同频同相时成立),6.4.1 解调(Demodulation)(4),解扩(去扩频伪码)低通滤波后以上诸式必须满足本地复现码与接收信号的扩频伪码码相位对齐和本地复现载波与中频同频同相。它们可以通过载波和码跟踪环来实现。,6.4.2 载波跟踪环(1),目的：载波跟踪环是用来实现本地复现载波与中频同频同相。通常使用Costas环来实现。Costas环方框图,Costas环,Costas环(一个PLL型的鉴相器，容许基带信号中存在有数据调制）表 通用Costas环鉴别器,Costas环鉴别特性曲线,6.4.2 载波跟踪环(2),解扩解调的同相信号分量I解扩解

15、调的同相信号分量Q经低通后，I分量为：Q分量为：,6.4.2 载波跟踪环(3),求相差,6.4.2 载波跟踪环(4),相位图 正交I、同相Q输出图,不同的鉴相器鉴别算法:反正切运算量大 鉴别器输出为真实相位误差 符号积 运算量要求低 鉴别器输出与真实相位误差的正弦成正比,6.4.2 载波跟踪环(5),不同鉴别器输出特性曲线:,6.4.2 载波跟踪环(6),跟踪相位误差,6.4.2 载波跟踪环(7),特点与锁相环环路结构相似鉴别器通过计算有限时间内的载波相位变化来得到频率变化对噪声、动态应力相对于PLL脚步敏感环路噪声大于PLL环路噪声,6.4.2 载波跟踪环(8),锁频环,码跟踪环的主要目的是

16、进一步精确估计由捕获得到的接 收码相位。码跟踪环通常使用的是延迟锁定环(DLL)接收机同时生成三个本地码，分别为早码、即时码、晚码，三者之间分别相差1/2d、-1/2d码相位。Early Prompt Late 本地码与接收信号相乘累加 根据相关值计算本地即时码与接收码的码相位差，从而 调整本地码,6.4.3 码跟踪环(1),码相关,6.4.3 码跟踪环(2),迟、早、即时码相关框图,迟、早、即时码相关通道能量输出 锁相环存在频率 误差时，相关通 道输出,6.4.4 多径,多径信号是延迟的衰减的直接信号的复制(可能同时存在多路多径信号)下图说明了多径对码相关的影响,6.4.5 环路滤波器(1)

17、,锁相环路基本构成鉴相器(Phase Detector)：检测输入信号相位与反馈信号相位 之间的相位差。通常环路滤波器是一阶低通滤波器。滤波器参数由 确定压控振荡器中心频率为，增益为。传输特性见图b).,数字滤波器举例,参数 取决于噪声带宽、压控振荡器和鉴相器增益和环路滤波器的阻尼系数。阻尼系数影响滤波器达到稳态所需的时间噪声带宽由环路允许的噪声功率影响决定,噪声带宽,在100ms时，环路噪声带宽由100Hz切换到15Hz窄噪声带宽减少跟踪环路噪声功率,噪声带宽,噪声带宽决定了环路保持不失锁的最大多普勒变化率(即最大相对速度变化率)以及跟踪起初最大频差。右图显示了起始频差过大的情况,6.4.6

18、 载波、C/A码跟踪方框图,6.5 导航电文解码,6.5.1 锁定鉴别器6.5.2 位同步6.5.3 电文解码 奇偶校验 找到遥测字(TLM)(用于子帧同步)Z计数6.5.4 前向纠错(FEC)6.5.5 块交错编码,主要内容,锁定检测器检测跟踪环路是否已跟踪上信号 频率锁定检测器、相位锁定检测器、码锁定检测器的组合 可以用来驱动环路的各种工作状态：频率牵引、重捕、失 锁、精捕 等.锁定检测器类型:锁相环、码延迟环锁定检测器:(I Q)判决门限 能量检测器(不需要锁相环锁定):(I+Q)判决门限 基于鉴别器输出的变化特性(方差)进行判决 其他更先进的检测器(e.g.不受信号幅度影响)I 和Q路

19、信号通常是时间均值(通常平均时间 100ms),6.5.1 锁定指示器,基于跟踪环输出判断：跟踪环输出1ms一个数据s 电文数据位长20ms,6.5.2 位同步(1),解导航电文之前，必须把跟踪环频率为1000Hz输出 序列变换成50Hz序列,6.5.2 位同步(2),位同步的任务是找到数据位边界 寻找数据位边界方法:后处理的模式下，用已知的信号模型与接收信号进行 相关，相关最大值处是位跳变点 根据统计估计位跳变点,6.5.2 位同步(3),6.5.3 导航数据解码(1),导航电文数据,电文内容,寻找前导码 1 0 0 0 1 0 1 1 把数据用+1、-1表示 计算得到的数据与1-1-1-1

20、 1-1 1 1的相关值 寻找相关峰值-8;8,6.5.3 电文解码(2),GPS时从1980年1月6日子夜零时开始 Z计数器长29位 低19位是TOW计数器 高10位比特表示GPS星期数(modulo 1024)发送的Z计数被截短为17 LSB,Z计数/GPS系统时,3类检错纠错技术:检错:循环冗余码检验,奇偶校验 检错纠错:奇偶校检,前向纠错 恢复被破坏的发送数据块的技术:数据块交错编码,6.5.4 检错纠错,奇偶校验算法,奇偶校验,在通信领域，FEC技术亦称作卷积编码/维特比(Viterbi)解 码。前向纠错技术使用状态机进行编码/解码，如下所示：前向纠错对每个bit数据用数个符号进行编

21、码(在Galileo,WAAS 和 EGNOS系统里使用2个符号)上述特殊的状态机用多项式发生器描述(例如PRN发生器),前向纠错(FEC),在接收机端，对于每个可能状态进行概率分析 算法使得所有可能状态误差代价最小 根据上一步检测到的状态，对数据位解码,前向纠错(FEC),对于被破坏的连续的较长的数据块，FEC无法进行恢复。块交错任务是混合、搅乱导航信息数据位。接收机端恢复数据位顺序 如果发送数据块遭破坏，经过数据位顺序恢复，再用 FEC就能实现纠错,6.5.5 块交错技术(1),6.5.5 块交错技术(2),块交错操作可以通过一个矩阵进行 矩阵用数据按列一列一列地填充 比特数据按照矩阵一行

22、一行地进行读取发送 在接收机端进行上述相反的操作,6.6 伪距、接收机位置计算,6.6.1 基本位置计算6.6.2 伪距计算6.6.3 伪距计算精度6.6.4 软件接收机主要任务,主要内容,通常计算物体位置时，需要求出物体的3维坐标(x,y,z)在GPS定位应用中，接收机时钟对GPS系统时存在未 知钟差 由上可知，计算位置时存在4个位置参量，所以GPS 系统定位时，需要有四颗已跟踪上的GPS卫星,6.6.1 基本位置计算,帧同步，找到帧头(每帧间隔 6 sec).,6.6.2 计算伪距(1),对每帧帧起点进行时间标记,对接收电文数据解码，计算每帧电文的发送时间(由z 计数可求得),6.6.2

23、计算伪距(2),计算伪距,该方法对接收机时钟稳定度要求较高,6.6.2 计算伪距(3),通过前导码找到帧头,以第一个找到帧的通道为参考，标记第2、n个通道接收到对应帧的时间,6.6.2 计算伪距(4),计算伪距,第一个通道对应的信号传输时间仅是一个估计值 求得第一个伪距之后，由时间差求得其他卫星与接收 机之间的伪距.,6.6.2 计算伪距(5),以间隔为1ms时间，滑动伪码寻找帧头，帧头最大误差1ms。1ms误差对应伪距误差300.000m,伪距正确度依赖于鉴别器特性，如果鉴别器的鉴别 误差为1/10个码片，对应伪距误差30m,6.6.3 伪距精度,DLL鉴别器的输出主要用来计算本地产生码与实际接 收码之间的相位差.,码延迟锁定环(DLL)噪声,没有经过平滑的位置输出,平滑码相位,经过码相位平滑后的位置输出,平滑码相位,计算位置之前的几个主要任务：通过1ms数据进行GPS信号捕获 跟踪所有可见卫星 计算所有可见卫星的电文信息 计算接收机与所有可见卫星之间的伪距 计算接收到的GPS信号对应的卫星发射信号时的位置 由伪距和卫星位置计算接收机的位置,6.6.4 软件接收机主要任务,