卫星导航系统接收机原理与设计——之三(上）

+ 刘天雄

卫星导航系统接收机原理与设计
——之三(上）

+ 刘天雄

第二十七讲

图14 卫星导航接收机的工作原理

3 工作流程

3.1 民用C/A码GPS接收机的工作流程

3.2 军用P(Y)码型接收机的工作流程

3.2.1 利用C/A码引导捕获P(Y)码

3.2.2 直接捕获P(Y)码

4 工作原理

导航射频信号经天线放大、滤波处理后，送入射频前端下变频（down-converted）处理后得到模拟中频信号，进一步对导航信号放大、滤波处理后，由射频前端模数转换处理模块（ADC）对模拟中频信号采样处理并得到离散数字中频导航信号（digitized GNSS signal），然后将离散数字中频导航信号送入基带数字信号处理模块，基带数字信号处理模块负责捕获、跟踪、解调采样信号，精确估算导航信号伪码相位（Code phase）、多普勒频移（Doppler frequency）、载噪比（Carrier-to-Noise ratio）以及信号锁定指示（lock indicators）等参数，利用捕获环路和跟踪环路实现导航信号同步，得到解扩和解调的基带信号，并据此估算出伪码测距（code pseudoranges）、载波相位测量（carrier phase measurements）以及导航电文数据（navigation data）。卫星导航接收机的工作原理如图14所示，

4.1 导航信号结构

导航卫星一般在轨道空间上连续播发两个或多个L频段卫星导航信号，导航信号包含伪随机测距码和导航电文，接收机可在任何时刻/历元（epoch）计算导航信号从卫星到接收机的传播时间，传播时间乘以无线电信号传播速度得到星地之间的距离，根据导航方程，接收机观测到与四颗卫星之间的距离后，即可解算出接收机的位置坐标（coordinates）。卫星导航信号由载波、测距码及导航电文三种信号分量组成，简述如下：

·载波（Carrier）：给定频点的正弦波无线电信号；

·测距码（Ranging code）：由“0”和“1”组成的数字序列（Sequences），如图15所示。接收机利用测距码计算导航信号从卫星到接收机的传播时间，测距码为伪随机噪声（Pseudo-Random Noise）序列，简称PRN码；

图15 由“0”和“1”组成的测距码数字序列

·导航电文（Navigation data）：二进制编码电文，为用户提供卫星星历（ephemeris）、卫星原子钟偏差（clock bias parameters）、历书（almanac）、卫星健康状态（satellite health status）等信息，其中星历是每颗卫星的精确的Keplerian轨道参数或者卫星的位置和速度，历书是星座所有卫星轨道参数估计值。

测距码信号与导航电文信号“异或处理”生成直接序列扩频频信号，然后将直接序列扩频频信号调制到载波信号上，卫星将载波信号放大后播发给地面用户。

4.1.1 载波信号（Carrier signal）

载波是能够携带调制信号的高频振荡波，其振幅、频率和相位都能随调制信号的变化而变化。载波信号通常就是咱们常见的正弦波（sinusoidal）信号，但是信号的频点确有严格的规定。导航信号频率分配（Frequencies allocation）原则首先是多重的服务和不同的导航用户共用在同一个频率范围内，其次同样的频率范围在不同的国家可以划分给不同的用户。

国际电信联盟I T U（I n t e r n a t i o n a l Telecommunications Union）是联合国（United Nations）下属负责协调全球无线电频谱的办事机构，该机构涉及电视（television）、广播（radio）、蜂窝电话（cell-phone）、雷达（radar）、卫星广播（satellite broadcasting）、甚至微波炉（microwave ovens）的频谱规划等领域。国际电信联盟ITU同时还负责无线电卫星导航业务RNSS（Radio Navigation Satellite Services）的频率规划工作，2000～2003年间召开的世界无线电通信会议（World Radio Communication Conferences）确定了GNSS全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System）的频率范围，RNSS无线电卫星导航业务的频率范围如图16所示。

图16 GPS, GLONASS 和 Galileo 卫星导航系统导航信号频率范围

由图15可知，在无线电卫星导航业务RNSS的频带范围内，有两个频段划分给了航空无线电导航业务ARNS（Aeronautical Radio Navigation Service），由于这两个频段没有分配给其他用户使用，因此不会对航空无线电导航信号产生干扰，由此特别适合于开展生命安全（Safety-of-Life）相关业务。这两个频段分别是L频段的上边带（1559 - 1610 MHz）和下边带（1151 - 1214 MHz），目前上边带有GPS系统的L1频点信号，Galileo系统的E1频点信号以及GLONASS系统的G1频点信号；下边带有GPS系统的L5频点信号，Galileo系统的E5频点信号，其中E5a和L5信号频点及频带完全一致。在L频段剩下的1215.6 - 1350

MHz频率范围被分配给地基于地基雷达（ground radars）的无线电定位服务（Radio-location Services）和RNSS无线电卫星导航业务，目前有GPS系统的L2频点信号，Galileo系统的E6频点信号以及GLONASS系统的G2频点信号，因此，在此频段内卫星导航信号很容易受到雷达信号的干扰。

目前世界上有美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo以及中国的BDS（北斗）四大GNSS全球卫星导航系统，此外还有日本的QZSS（准天顶）及印度的IRNSS区域卫星导航系统，卫星导航信号基本都在L频段，各导航系统的频率范围如图17所示。

图17 GNSS全球卫星导航系统频率范围（来源：Stefan Wallner）

例如，美国GPS系统目前有L1、L2两个不同频率的载波信号，中心频率分别为1575.42 MHz、1227.6 MHz，未来将增加中心频率为1176.45 MHz的L5载波信号，主要为航空用户服务。其中民用C/A码信号带宽2.046 MHz，军用P（Y）码信号带宽20.46 MHz，L1、L2频点信号中心频率及带宽如图18所示，

图18 GPS卫星L1、L2频点信号中心频率及带宽

4.1.2 伪随机噪声测距码（Pseudo Random Noise codes）

四大全球卫星导航系统中，美国的GPS、欧洲的Galileo以及中国的北斗系统（BDS）均采用CDMA码分多址导航信号技术，给空间段不同的导航卫星分配不同的且是唯一的伪随机噪声码（PRN码），即导航卫星与伪随机噪声码一一对应，用户接收机利用信号相关处理技术来识别不同的卫星并测定卫星至接收机的距离，所以伪随机噪声码又称为测距码，或伪码。俄罗斯的Glonass系统采用FDMA频分多址技术来区分不同的卫星，通过不同的中心频点来区分导航卫星及其播发的信号，或者说使用不同的载波频率传输多个导航信号，导致用户接收机相对复杂。

伪随机噪声码是一个脉冲序列，扩频处理后播发给用户，各大卫星导航系统以空间信号接口控制文件（SIS ICDs）形式公开发布给用户使用。有多种脉冲序列可用于测距，例如，

·GPS系统L1频点民用C/A测距码信号采用Gold码，Gold码是一种由两个最大长度码（maximum length code）组合而成的码；

·G L O N A S S系统使用一中最大长度码（maximum length code），由于采用频分多址（FDMA）信号体制，系统对测距码之间具有较低的互相关（cross-correlation）特性要求不敏感；

·Galileo系统采用分层码（tiered code），用一个中等长度的一级编码和一个短一点的二级编码组成。二级编码是一种存储码（memory codes），即存储码不是通过传统的线性反馈移位寄存器LFSR（linear feedback shift registers）一个一个生成，存储码存储在接收机内存中，使用存储码的优点是非授权用户很难破解（译码）。

星导航系统信号测距码的选择需要折衷考虑码长（Code length）、码片速率（Code chipping rate）以及编码特性（Code characteristics），简要说明如下：

·码长（Code length）：测距码位数越长，码之间的互相关特性越好，接收机捕获测距码信号所需的时间越长。测距码的长度受限于导航符号边界（navigation symbol boundaries），因此与信号速率有关；

·码片速率（Code chipping rate）：测距码码片速率越高，信号带宽越宽，测距精度越高；

·编码特性（Code characteristics）：虽然GLONASS系统采用频分多址（FDMA）信号体制，可以用不同的频点区分不同的卫星，系统对测距码之间的低互相关特性要求不敏感，但是选择那些具有高自相关（auto-correlation）和低互相关（crosscorrelation）特性的码分多址CDMA测距码，能够确保多颗卫星同时使用（播发）相同信号频谱时，可以有效地分离地不同卫星信号（卫星与测距码一一对应），地面用户机可以很方便地识别导航卫星，目前GPS、Galileo以及北斗卫星导航系统均采用采用码分多址（CDMA）信号体制。

伪随机噪声测距码（PRN码）具有如下特征：

·伪随机噪声码（PRN码）是一种可以预先确定其序列并可重复产生和复制的二进制码序列，具有白噪声类似的随机统计特性，自相关性（auto correlation）性强，互相关性（cross-correlation）弱；具有良好的识别特性，具有较高的测量精度和较低的信息传输误码率，可以用来测定距离和数据传输；

·当由线性移位寄存器产生的m序列，PRN码由长度为n位的移位寄存器生成，PRN码长为；

·不同伪随机噪声序列（码）之间几乎是正交（orthogonal）的，信号具有高度自相关性（auto correlation），0延迟时，自相关取得最大值。