GPS信号接收机的工作原理解析──GNSS导航信号的收发问题之十二

刘基余

（武汉大学测绘学院，武汉 430079）

GPS信号接收机的工作原理解析──GNSS导航信号的收发问题之十二

刘基余

（武汉大学测绘学院，武汉 430079）

GPS信号接收机作业的关键，在于如何识别和锁定来自不同GPS卫星的导航定位信号，并逐一测量它们到达接收天线的传播时间，进而算得GPS信号接收机至各颗被测GPS卫星的距离，这也是GNSS信号接收机的基本特性，本文对此进行了较深入的解析。

GPS信号；伪噪声码跟踪环路；载波跟踪环路

1 引言

在导航定位测量时，GPS信号接收机一般需要实施下列主要作业程序：检校接收机的自身性能，捕获和跟踪在视待测卫星，校正接收机时钟，采集和记录导航定位数据，不断选用适宜的定位星座，实时算得点位坐标和行驶速度。随着超大规模集成电路和固件技术的迅速发展，许多接收机不仅能够自动地按序完成这些作业程序，而且还能够实行无人值守地采集GPS导航定位数据，并将它们传送到数据处理中心或导航数据处理器。这些功能的自动化，不仅依赖小巧稳定的超大规模集成专用/通用芯片，而且依靠具有十五六种功能的波道和导航软件。接收机通常采用两个微处理机分别用作导航定位和主控处理机。例如，美国AOA公司生产的Turbo Rogue SNR-8000 GPS信号接收机，采用Motorola 88000微处理机作为主控处理机，它不仅控制基带处理器、前端接口和定时基准的作业，而且提供用户所需接口和外接通信。此外，该主控处理机还实施下述数据处理功能：导航定位初始化，数据采样，周跳修复，单点定位/定时解，设置时标，数据编辑，数据压缩，测点数据管理，接收机自诊断，远距离数据传输的控制和执行，若配以特定硬件和软件，还可重复执行某种特许任务。由此可见，GPS信号接收机的工作原理是相当复杂的，本文只能对其要点作一定的论述。

2 捕获C/A码识别GPS信号

用24颗卫星组成的GPS星座作导航定位测量时，对于某一个用户而言，能够同时接收到4～12颗卫星发送的GPS信号，即将有8～24个导航定位信号同时到达用户的全向接收天线。因此，如何从这些载波频率相同的接收信号中检析出各自需要的第一或第二GPS导航定位信号，是GPS信号接收机必须解决的首要问题。

假定GPS信号接收机具有4个平行跟踪式波道，而有8颗卫星的GPS信号同时到达接收天线，它们经过混频、滤波和中放之后，若暂且略去信号在传播路径上和接收机内的附加时延，则有

可见，对于第一波道而言，若令其跟踪和测量来自第a颗卫星的GPS信号，则必须抑制和排斥来自其他各颗卫星的GPS信号。其方法是，依据不同的GPS卫星具有不同的伪噪声码，通过捕获和跟踪到第a颗卫星为伪噪声码，而实现GPS信号的识别。

从《全球导航卫星系统及其应用》一书的§3.3可知，P码是一个具有2.35×1014个码元的长码，即使截短成了周期为7天的截短P码，其码元共有(7 ×24×3600×10230)×103=6187104000000个；如果以每秒50个码元（50b/s）的速率搜索P码，需要1432200天（3923．835616年）才能完成一个周期内的截短P码的搜索，这是无法实现的。因此，GPS信号接收机均采用先捕获和跟踪C/A码；在C/A码1ms的时间周期共有1023个码元，若以50b/s的速率搜索C/A码，只需20.46s就能够完成一个周期C/A码的搜索。然而，C/A码的捕获，需要下述二步才能到位：

第一步，逐元搜索，迫使C/A码步入跟踪区间。在搜索状态下，存在下述两种C/A码：一种是接收到的来自GPS卫星的C/A码，叫做接收码；另一种是接收机C/A码发生器所产生的C/A码，称之为本地码。与此相对应，还存在接收载波和本地载波；由于GPS卫星运行所导致的多普勒效应，接收载波的频率是随时间而不断变化的。因此，搜索C/A码的目的，既要迫使本地码基本上对准接收码，又要迫使本地载波频率锁定在接收载波频率上，即，需要在如图1所示的一个二维区间内搜索C/A码，图1中的列距是一个C/A码元宽度τc，而行距是中频滤波器的频带宽度BIf。图2表示C/A码的搜索和跟踪电路框图。

C/A码的搜索是用如图1所示的方式，一个又一个搜索单元（方格），一行又一行地逐步迫使本地码和本地载波去分别“对准”接收码和接收载波，简言之，逐元逐行地搜索，致使本地码步入跟踪区间。从第一行第一个单元开始搜索，若无信号输入到搜索/跟踪控制电路，它将促使本地码移动一个码元，载波频率暂时保持不变，而进入第二个搜索单元。若仍无信号输入，搜索/跟踪控制电路又迫使本地码移动一个码元，载频不变，而步入第三个搜索单元。依此逐元搜索，直到第一行的最后一个搜索单元；如果仍无信号输入，搜索/跟踪控制电路不仅使本地码移动一个码元，而且本地载波增减一个频率BIf，以致转入到第二行的第一个搜索单元。重复上一行的搜索步骤，逐元逐行地搜索，直到有信号输入到搜索跟踪控制电路为止。例如，直到第六行的第七个搜索单元才有信号输入。这表示本地码和本地载波已基本上分别“对准了”接收码和接收载波，以致搜索跟踪控制电路停止对本地码和本地载波的码元移动和载频增减。此时，码压控时钟（VCO）和载波压控振荡器（VCO）才分别转为由伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路（Costas环）的输出信号予以控制。

第二步，精细调节，双跟踪环路解译出D码。C/A码的上述搜索，只能解决本地码和本地载波基本上分别对准接收码和接收载波的问题。换言之，只能解决GPS信号接收机的“冷启动”。两者的一一精确对齐，还需依靠下述的伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路（Costas环）；这两者也是相关型波道的主要组成部分。

2.1 伪噪声码跟踪环路

图3是伪噪声码跟踪环路的原理框图，图中的环路滤波器和压控时钟构成反馈环路，利用后者自动调节本地码的作用，致使本地码跟踪和同步到接收码。例如，接收到了C/A码，因数据码D的速率很低，载波频率又比C/A码的码率高得多，为简化论述，暂不考虑两者的影响，只讨论C/A码（以G(t)）示之，且略去有关时延）。首先考查乘法器M1M2的输出；接收码G(t)分别送到乘法M1M2，后者又分别加有本地码G(t -τ0/2 -τ)和G(t +τ0/2 -τ)；故知它们的互相关系数分别为

对于时元tK的离散采样的互相关系数分别为：

至此，伪噪声码跟踪环路便达到了跟踪伪噪声码的目的，其跟踪精度可达到十分之一码元宽度或更高。

2.2 载波跟踪环路

图4是载波跟踪环路（又叫costas环）的方框图。来自伪噪声码跟踪环路的解扩信号ud，分别送到同相乘法器MI和正交乘法器MQ。压控振荡器的振荡信号uc=sinω0t（为了论述方便，假定其振幅为1）；它也分别送到MI和MQ，但是，送到正交乘法器的振荡信号，是经过了90°的移相，故到达MQ的振荡信号为u'c=cosω0t。因此，两个乘法器MIMQ的输出信号分别为

上述两个信号经过各自的低通滤波器以后，由于后者对中频载波的滤除作用，而分别变成

上列两个信号同时送到差分乘法器Md，后者输出的误差电压为

因为数据码D(t)是一种取值为±1的二进脉冲串，且其速率为每秒50比特（即一个码元持续20毫秒的时间），D(t)的自乘必等于1。误差电压ud经过环路滤波器和环路乘法器Mp的滤波和补偿作用，而送到压控振荡器，用以调节后者的振荡频率。当压控振荡器的振荡频率被锁定在中频GPS信号的中心频率上时，则φ=0。这叫做载波跟踪环路的相位锁定，达到了跟踪载波的目的；仅在这种情况下，同相乘法器MI经过低通滤波器输出的信号，才是一个纯净的数据码D(t)，进而解译得第a颗GPS卫星所发送的导航电文。上述解译过程也可用图5予以概括。

3 巧用Z计数捕获和跟踪P码

正如上文所述，即使是截距P码，仍具有6.187×1012个码元，根本不能用逐元搜索的方法去捕获它，而是依据C/A码解译出的导航电文中的Z计数，实现对P码的捕获和跟踪。所谓Z计数（Z-count），是从一个星期开始起算的1.5s的数目；该星期周末的Z计数为7×24×60×60÷1.5（=403200）。然而，P码的子码的时间周期也为1.5s，且因导航电文（D码）、P码、C/A码和载波均源于同一个稳定度为1×10-13的振荡器，因此，Z计数，就是P码子码X1的时间周期的数目。它们的相互关系如图6所示。从图可见，只要知道了Z计数，P码子码X1任一个内的时元就被确定了，依此可激发本地P码发生器产生相应的P码，即，相当于完成了P码搜索。

正如《全球导航卫星系统及其应用》一书的§2.5所示，导航电文每个子帧的第二个字码都是转换码（HOW，Hand Over Word），它的第1～17比特表示所需的Z计数，也即P码子码X1的时间周期（1.5s）重复数。每个子帧的周期为6s，即有4个Z计数。每经过一个子帧周期（6s），转换码（HOW）便给出了在下一个6s子帧开始时元的Z计数，故可在该子帧开始时元迫使P码进入跟踪区间，进而利用接收P码和本地P码相关输出达到最大值，实现两个P码“对齐”，达到捕获和跟踪到P码的目的。近年来，美国军方研究成功了一种直接捕获P(Y)的SAASM技术。该技术是Selective Availability Anti-Spoofing Module的缩写，叫做选择可用性反电子诱骗模块，它是一种用于直接捕获P(Y)码的GPS信号接收机新设计。SAASM技术的关键在于，GPS信号接收机拥有大量的相关波道和相关区间，而能够用较低精度（一般比现行要求放宽10000倍以上）的基准时间，进行大规模并行信号处理和码元相关运算，致使本机产生的P码与接收的P码相匹配（“对齐”），达到捕获P码的目的。它和用Z计数间接捕获P码之异如图7所示。SAASM直捕P(Y) GPS信号接收机，能够在C/A码无法工作的情况下，实现冷启动作业。

4 结束语

从上文可知，GPS信号接收机工作原理的关键，在于如何识别和锁定来自不同GPS卫星的导航定位信号，并逐一测量它们到达接收天线的传播时间。对于动态用户所用的码接收机，是通过搜索、捕获和跟踪仅有1023个码元的C/A码，而识别来自不同卫星的GPS信号。每颗GPS卫星所提供的“历书”数据，可以显著地缩短，甚至越过搜索过程，而加速C/A码的捕获。因此，不少厂家将GPS卫星历书数据存于GPS信号接收机，以便开机即可作导航定位测量，并称之为“热启动”，反之，没有存储GPS卫星历书数据的，叫做“冷启动”。实际上，只要GPS信号接收机作过一次导航定位测量，它就往往存储着历书数据，后续的开机作业，都是“热启动”，开机作业的间隔时间越短，启动（捕获C/A码）就越快，这对动态用户是很有益处的。

[1] 刘基余．全球导航卫星系统及其应用．北京：测绘出版社，2015. 5

[2] We11s, D.E., et al, Guide to GPS Positioning, University of New Brunswick, Canada, 1987

[3] Von Dierendonck, A.J., Understanding GPS Receiver Terminology∶ A Tutorial, GPS World, January 1995. P.34～44

The Operating Principle Analysis of GPS Signal Receivers --Transmitting/receiving Issue(12) of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
(School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, 430079)

The operation key of GPS signal receivers lies in identifying and locking the navigation/positioning signals from different GPS satellites, and measuring one by one that they reach the propagation time to the receiving antenna, then calculating the distances from the GPS signal receiver to GPS satellites; These are also the basic characteristics of GNSS signal receivers. On these this paper performs a more in-depth analysis.

GPS signal; Pseudo noise code tracking loop; Carrier tracking loop

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.001

TN96

A

1672-7274（2015）06-0022-05

刘基余，现任武汉大学测绘学院教授/博士生导师，兼任美国纽约科学院（New York Academy of Sciences）外籍院士，中国电子学会会士。主要研究方向是GNSS卫星导航定位/卫星激光测距技术，在国内外30余种中英文学术期刊上发表了280余篇相关研究论文，独著了（北京）科学出版社于2013年1月出版发行的《GPS卫星导航定位原理与方法》一书。其主要业绩已分别载于美国于2001年出版发行的《世界名人录》（Who's Who in the World）、美国于2005年出版发行的《科技名人录》（Who's Who in Science and Engineering）和中国科学技术协会于2007年出版发行的《中国科学技术专家传略》工程技术编《电子信息科学技术卷2》等50多种国内外辞书上。