GPS接收機(jī)介紹

1、GPS接收機(jī)介紹V1.0北京中微星通電子技術(shù)文檔2008-11-10版本說明版本號修改日期修改說明V1.02008-11-10初稿目 錄1 GPS系統(tǒng)概述11.1系統(tǒng)組成11.1.1 空間衛(wèi)星局部11.1.2 地面控制局部3用戶接收機(jī)局部41.2 定位根本原理51.3 衛(wèi)星信號組成及特性6衛(wèi)星信號組成61.3.2 擴(kuò)頻碼特性71.4多普勒效應(yīng)92 GPS接收機(jī)的根本結(jié)構(gòu)112.1 GPS接收機(jī)總體架構(gòu)112.2射頻前端112.3數(shù)字基帶132.4 導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算143提高GPS接收機(jī)捕獲靈敏度的基帶處理方法173.1 GPS接收模塊的靈敏度性能173.2 基帶算法對捕獲靈敏度性能的影響18一般的

2、GPS信號捕獲18捕獲靈敏度性能分析213.3 高靈敏度的捕獲算法22增加積分累加時(shí)間的方式23算法的特點(diǎn)及應(yīng)用253.3.3 適用于高靈敏度捕獲的積分累積方式273.4 高靈敏度的捕獲算法設(shè)計(jì)29難點(diǎn)29考慮因素303.5參考文獻(xiàn)304高靈敏度GPS接收機(jī)捕獲算法實(shí)現(xiàn)324.1 時(shí)域串行捕獲方法364.2 串行捕獲方法在高靈敏應(yīng)用的局限性374.3 快速捕獲實(shí)現(xiàn)方法374.3.1 時(shí)域并行捕獲374.3.2 頻域并行捕獲414.4 小結(jié)445碼跟蹤環(huán)465.1 延遲鎖定環(huán)DLL根本原理465.1.1 環(huán)路鑒相器475.2基帶延遲鎖定跟蹤環(huán)48根本原理48算法推導(dǎo)495.3非相干延遲鎖定跟蹤環(huán)

3、54根本原理54算法推導(dǎo)555.4雙抖動超前滯后非相干跟蹤環(huán)596載波跟蹤606.1解調(diào)的相關(guān)概念60調(diào)制與解調(diào)60為何要調(diào)制解調(diào)60調(diào)制解調(diào)分類61解調(diào)616.2 鎖相環(huán)63鎖相環(huán)的概念64鑒相器65環(huán)路濾波器67數(shù)字控制振蕩器(NCO)71鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的性能72未鎖定狀態(tài)下的鎖相環(huán)性能756.2.7 COSTAS環(huán)786.3 載波信號跟蹤856.3.1跟蹤原理85跟蹤參數(shù)選擇86弱信號跟蹤參數(shù)設(shè)計(jì)886.4參考文獻(xiàn)887導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理及誤差修正897.1 導(dǎo)航電文解析897.1.1 GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)介紹897.1.2 第一數(shù)據(jù)塊907.1.3 第二數(shù)據(jù)塊937.1.4 第三數(shù)據(jù)塊957.2偽

4、距測量967.2.1 碼相位測量法977.2.2 載波相位測量977.3 測量誤差987.3.1 衛(wèi)星時(shí)鐘偏差98衛(wèi)星軌道偏差997.3.3 電離層延遲1007.4 定位精度評估1027.5參考文獻(xiàn)1028 導(dǎo)航解算算法1048.1解算局部代碼概述1048.1.1 數(shù)據(jù)處理局部1048.1.2 數(shù)據(jù)打包局部1058.2 導(dǎo)航解算算法分析1058.2.1 最小二乘法1058.2.2 野值判斷并剔除野值1118.2.3 FIR濾波法1128.3 今后任務(wù)1138.4 附錄1139 高靈敏度GPS接收機(jī)1169.1研究進(jìn)展1169.2 靈敏度分析1179.3 UBX-G5010 GPS芯片介紹118

5、1 GPS系統(tǒng)概述 全球定位系統(tǒng)(GPS)是英文Global Positioning System的簡稱，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時(shí)和測距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。它是由美國國防部主導(dǎo)開發(fā)的一套具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 GPS用戶局部的核心是GPS接收機(jī)，主要由模擬信號處理的射頻前端、數(shù)字基帶信號處理、和導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算三局部組成。射頻前端通過：低噪聲放大器、混頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器把接收到的高頻模擬信號轉(zhuǎn)換成低頻的數(shù)字信號，基帶信號處理局部完成：GPS衛(wèi)星信號的二維搜索、捕獲、跟蹤、子幀同步、偽距測量、衛(wèi)星位置及用戶位置結(jié)算。同時(shí)還要對接受機(jī)的主要誤差源

6、：時(shí)鐘偏差、電離層效應(yīng)、對流層效應(yīng)、多徑效應(yīng)進(jìn)行建模和誤差修正。1.1系統(tǒng)組成如圖1.1所示，全球定位系統(tǒng)由空間段，控制段，和用戶段組成?？臻g段包括在軌衛(wèi)星，它們向用戶設(shè)備提供測距信號和數(shù)據(jù)電文；控制段對空間衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤和維護(hù),檢測的健康狀況和信號完好性,并維持衛(wèi)星的軌道布局，另外，控制段還更新衛(wèi)星的時(shí)鐘校正量和星歷,以及其他許多對確定用戶位置,速度和時(shí)間至關(guān)重要的參數(shù)；用戶段即用戶設(shè)備完成導(dǎo)航,授時(shí)和其他有關(guān)的功能。 空間衛(wèi)星局部 空間局部由24顆GPS衛(wèi)星組成工作星座，這個(gè)星座共有6個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道上均勻分布著4顆工作衛(wèi)星，各軌道相對于赤道平面的傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度

7、，衛(wèi)星軌道的長半軸為26560km，軌道高度20200km，每12個(gè)恒星時(shí)為11小時(shí)57分57.26秒GPS衛(wèi)星沿著近圓形軌道運(yùn)行一圈，這使得對于地面的觀測者而言，每天將提前4min見到同一顆衛(wèi)星。這樣的分布保證了使得地球上某點(diǎn)最多可以見到12顆，最少可以見到4顆衛(wèi)星， 從而提供全天候的三維定位效勞，當(dāng)只能看到4顆衛(wèi)星時(shí)，而這4顆衛(wèi)星構(gòu)成的幾何圖形，只能提供較通常情況差得多的定位精度，甚至難以測得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，這個(gè)時(shí)間段稱為“間歇段。地面控制局部： 中心控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步 跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌用戶局部： 接收并測衛(wèi)星信號 記錄處理數(shù)據(jù) 提供導(dǎo)航定位信息空間局部： 提供星歷和時(shí)間信息 發(fā)射偽距

8、和載表信號 提供其它輔助信息圖1.1 GPS系統(tǒng)組成表1.1 GPS衛(wèi)星軌道參數(shù) 地面控制局部 每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的，衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制，地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)-GPS時(shí)間系統(tǒng)。地面監(jiān)控局部由一個(gè)主控站，三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測組成，工作程序?yàn)椋河杀O(jiān)測站連續(xù)接收GPS衛(wèi)星信號，不斷積累測距數(shù)據(jù)，并將這些測距數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)、衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)等發(fā)送到主控站；主控站對測距數(shù)據(jù)進(jìn)行包括電離層、對流層、相對論效應(yīng)、天線相位中心的偏移以及地球自轉(zhuǎn)和時(shí)鐘改正等的傳播時(shí)間延遲改正，

9、并用卡爾曼濾波器進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)平滑及最小二乘與多項(xiàng)式擬合，以提供衛(wèi)星的位置和速度的六個(gè)軌道根數(shù)的攝動，每個(gè)衛(wèi)星的三個(gè)太陽壓力常數(shù)等；最后注入站將主控站的導(dǎo)航電文注入到衛(wèi)星的存儲器中。 控制段是維護(hù)衛(wèi)星和維持其正常工作。這包括將衛(wèi)星保持在正常的軌道位置，和監(jiān)視星載分系統(tǒng)的健康狀況，控制段也監(jiān)視衛(wèi)星的太陽能電池，電池的功率電平和開動備?？刂贫蚊刻旎蚋鶕?jù)需要更新每顆衛(wèi)星的時(shí)鐘，星歷和歷書，以及在導(dǎo)航電文中的其他指示量。星歷參數(shù)是對GPS衛(wèi)星軌道的精密擬合，只在4-6小時(shí)內(nèi)有效，具體那么取決于距控制區(qū)段上一次上行加載的時(shí)間。歷書是星歷參數(shù)的一個(gè)簡化的子集，其精密度也要低一些。此外，控制段判斷衛(wèi)星的異常，

10、控制SA和AS，并在遠(yuǎn)端監(jiān)視站作偽距和delt偽距的測量，以確定衛(wèi)星鐘的校正量、歷書和星歷。監(jiān)控站 監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，其位置經(jīng)精密測定；主要設(shè)備包括1臺雙頻接收機(jī)，1臺高 精度原子鐘，1臺電子計(jì)算機(jī)和假設(shè)干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。作用如下：1利用接受機(jī)獲得衛(wèi)星的位置和工作狀況2利用原子鐘獲得時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)3利用環(huán)境傳感器得到當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)4 然后將算得的偽距、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)傳給主控站；主控站 主控站擁有以大型電子計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算和傳播設(shè)備，作用如下：1收集數(shù)據(jù)：收集各監(jiān)測站獲得的偽距和偽距差觀測值，衛(wèi)星時(shí)鐘、氣象參數(shù)和工作狀態(tài)等；2數(shù)據(jù)處理：根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算各衛(wèi)

11、星的星歷，時(shí)鐘改正，衛(wèi)星狀態(tài)和大氣傳播改正。并將這些數(shù)據(jù)按照一定格式編成導(dǎo)航電文，并及時(shí)將導(dǎo)航電文傳給注入站。導(dǎo)航電文的作用即在于獲得衛(wèi)星的坐標(biāo)；3時(shí)間協(xié)調(diào)： 各測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差；4控制衛(wèi)星：修正衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，調(diào)用備用衛(wèi)星更換失效衛(wèi)星；注入站 注入站是無人值守的工作站，設(shè)有3.66m的拋物面天線，1臺C波段發(fā)射機(jī)和一臺電子計(jì)算機(jī)，其作用是將主控站編制的導(dǎo)航電文等資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器鐘，供衛(wèi)星向用戶發(fā)射。用戶接收機(jī)局部用戶段主要包括不同應(yīng)用的用戶接收機(jī)，這些接收機(jī)均利用衛(wèi)星發(fā)射信號計(jì)算自身位置，速度，或時(shí)間。根據(jù)用戶的不同，GPS用

12、戶可分為軍用用戶和民用用戶。民用用戶，授權(quán)使用SPSStandard Positioning Service效勞，可以接收C/A測距碼，定位精度要低于軍用用戶，利用差分技術(shù)，可以使精度小于1m. 軍用用戶接受PPS效勞。可以接收更精確的測距碼，因而可以精確定位，導(dǎo)航或定時(shí)。盡管GPS最初設(shè)計(jì)為軍用目的。目前已得到了廣泛應(yīng)用，比方飛機(jī)導(dǎo)航，飛機(jī)著陸導(dǎo)航，汽車導(dǎo)航，定時(shí)或者測量。按用戶接收機(jī)類型分又可分為很多種，比方按照觀察量來分，可以分按偽碼測距和載波相位測距等。以及可接收多少個(gè)頻率點(diǎn)的信號，比方接收L1,L2或者波段的信號。以及接受哪個(gè)系統(tǒng)的信號，比方GPS，GLONASS，Galileo。還

13、可以按照不同的應(yīng)用來分，比方高靈敏度接收機(jī)，高精度和高動態(tài)接收機(jī)以及普通接收機(jī)。1.2 定位根本原理 當(dāng)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去載波和擴(kuò)頻碼之后，便得到50bit/s導(dǎo)航電文，從前面的介紹中導(dǎo)航電文包括了衛(wèi)星運(yùn)行軌道、位置、時(shí)間偏差等的全部信息，從而解算出衛(wèi)星在任意時(shí)刻的位置。當(dāng)接收到的衛(wèi)星數(shù)大于等于4時(shí)，便可根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離公式，確定出用戶的位置。圖1.2 GPS定位原理GPS定位基于幾何位置關(guān)系。假設(shè)在某個(gè)坐標(biāo)系中，三個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，而且知道這三個(gè)點(diǎn)到第四個(gè)點(diǎn)的距離，那么解方程組(1.1)，就可以獲得第四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，方程1.1一般會有兩個(gè)解，對系統(tǒng)，衛(wèi)星軌道，在兩個(gè)解中，離地面比擬近的那個(gè)點(diǎn)

14、才是要求的解。如果第四個(gè)點(diǎn)為用戶接收機(jī)，我們就可以根據(jù)該坐標(biāo)求得用戶的位置因?yàn)樵诎l(fā)射的參數(shù)依據(jù)的WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，用戶的位置一般在坐標(biāo)系中表示，在接收機(jī)中需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。方程1.1中，左邊局部表示用戶到各個(gè)可見衛(wèi)星的距離，由接收機(jī)通過衛(wèi)星發(fā)射的測距碼測得。衛(wèi)星位置通過導(dǎo)航電文中的參數(shù)求得。接收機(jī)對信號傳播距離的測量是通過檢測信號傳播時(shí)間乘以光速獲得的，由于在用戶接收機(jī)中，出于代價(jià)上的考慮，常常采用精度不太高的晶振，這樣用戶晶振的不穩(wěn)定性會引入較大的誤差，這樣常常把接收機(jī)的時(shí)間和真實(shí)時(shí)間的偏差用一個(gè)未知量表示，并通過定位方程求出，這樣，就需要四個(gè)距離方程才能求出所有的未知參數(shù)。定位方程組變

15、為1.2。 1.1 1.21.3 衛(wèi)星信號組成及特性1.3.1衛(wèi)星信號組成圖1.3 衛(wèi)星信號組成 根據(jù)仙農(nóng)定理，在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的容量為： 1.3式1.3說明當(dāng)系統(tǒng)容量一定時(shí)，增大頻帶寬度B，可以減小信噪比S/N，所以GPS系統(tǒng)采用的是擴(kuò)頻技術(shù)，目的在于節(jié)省衛(wèi)星的電能，增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號的抗干擾性，實(shí)現(xiàn)保密的信息傳送。導(dǎo)航電文是一種不歸零的二進(jìn)制碼組成的編碼脈沖串，記作D(t)其速率是50bit/s，C/A碼和P碼是擴(kuò)頻的偽隨機(jī)噪聲碼，碼率分別為1.023MHz 、10.23MHz,當(dāng)他們與D(t)進(jìn)行模二和加法之后，帶寬從50Hz被擴(kuò)展到1.023M、10.23M，最后在被

16、調(diào)制到L1、L2的載波上，從而實(shí)現(xiàn)在20200km高空衛(wèi)星信號的傳輸。P碼的周期是一個(gè)星期由于P碼是加密碼只有授權(quán)用戶才能使用，所以在本接收中我們只考慮C/A，C/A碼的碼片周期為1ms，即一共有1023個(gè)碼片相位。 第一、第二導(dǎo)航定位信號的表達(dá)式分別為： 1.4 1.5其中L1上有C/A碼和P碼信號，而L2上只有P碼。表1.2 GPS信號的頻率關(guān)系相關(guān)頻率基頻F載頻F1載頻F2基準(zhǔn)頻率F10.23MHz154F120FC/A碼的碼頻FgF/10F1/1540F2/1200P碼的碼頻FpFF1/154F2/120D碼的碼頻FdF/204 600F1/310 508 400F2/24 552 0

17、001.3.2 擴(kuò)頻碼特性偽隨機(jī)噪聲碼是一個(gè)具有一定周期的取值0和1的離散符號串，它具有類似于白噪聲的相關(guān)函數(shù)，當(dāng)本地碼和接收碼同步時(shí)，二者具有最大自相關(guān)值，此時(shí)檢測到的能量也最大，而當(dāng)相位差超過一個(gè)碼片時(shí)，自相關(guān)結(jié)果的能量很小，而且不同隨機(jī)噪聲碼的交叉相關(guān)值同樣很小，在GPS系統(tǒng)中每個(gè)衛(wèi)星具有不同的隨機(jī)噪聲碼序列，正是利用了擴(kuò)頻碼良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航數(shù)據(jù)的同步和解擴(kuò)，當(dāng)本地碼和接收碼同步時(shí)，用本地碼和接收碼相乘，導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行了解擴(kuò)，得到了原始的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而噪聲由于和擴(kuò)頻碼不相關(guān)它的頻譜被擴(kuò)展，從而提高了接收端的信噪比。C/A碼片速率為1.023MHZ, 長度為1023個(gè)碼片的g

18、old 碼，C/A碼的自相關(guān)特性可以表示為： (1.6)其c(t)表示C/A碼波形的初始值，表示兩個(gè)C/A碼的相對延遲，T表示C/A碼的周期,為1ms。表示衛(wèi)星編號。同樣道理，C/A碼的互相關(guān)特性可表示為： (1.7)aC/A碼的字相關(guān)函數(shù) bC/A碼的互相關(guān)函數(shù)圖1.4 C/A碼的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)由于接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號非常微弱，通過下面的計(jì)算可得用戶接收到的信號的最小功率為-160dBW, 衛(wèi)星天線發(fā)射功率： 13.4dBW衛(wèi)星天線增益： 13.4 dBW 用戶天線增益： 3.0dB 信號傳送自由空間損失： -184.4 dB 大氣傳輸損失： -2.0 dB 去極化損失： 3.4

19、dB 溫度為273K時(shí)，1HZ對應(yīng)的噪聲為KT=-204Dbw，所以，接收機(jī)收到的信號載噪比為C/N0-160-(-204)=44dB，如果采樣前濾波器帶寬為2MHZ，對應(yīng)的信噪比為-19dB，可見衛(wèi)星信號是完全淹沒在噪聲里面的。1.4多普勒效應(yīng)一個(gè)恒星日衛(wèi)星繞地球兩周，衛(wèi)星繞地球一周的時(shí)間為小時(shí)分秒，衛(wèi)星繞地球的角速度可表示為： (1.8)轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星繞地球的速度為： (1.9)為衛(wèi)星軌道的平均半徑對一個(gè)太陽日和一個(gè)恒星日區(qū)別：3分秒衛(wèi)星運(yùn)行914千米在正頭頂時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行角度為2.6 degree. 在地平線上時(shí)，角度為2 degree。根據(jù)以上結(jié)論可以認(rèn)為在地球上的同一點(diǎn)每天同一時(shí)間可以看到

20、該顆衛(wèi)星幾乎位于同一位置衛(wèi)星和用戶連線方向上相對速度為： 1.10根據(jù)文獻(xiàn)1,接收機(jī)和衛(wèi)星連線方向上的最大相對速度為：對應(yīng)的最大多普勒頻率為：最大的碼多普勒為：圖1.5 多普勒頻移2 GPS接收機(jī)的根本結(jié)構(gòu)2.1 GPS接收機(jī)總體架構(gòu) 本章討論接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu),以及各個(gè)模塊的主要功能,以期對接收機(jī)的整個(gè)框架有所了解. 一個(gè)典型的接收機(jī)包括四個(gè)單元，接收天線，射頻模塊，數(shù)字信號處理模塊和導(dǎo)航解算模塊。天線負(fù)責(zé)把信號接收下來，RF模塊中的下變頻單元把信號從1G的頻率變成中頻信號，一般為4-16MHZ, 中頻信號被A/D變換后送給數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理一般包括多個(gè)接收通道，比方12或24個(gè)通道

21、，每個(gè)通道對應(yīng)一個(gè)可見衛(wèi)星，每個(gè)通道的功能包括信號的捕獲，信號的跟蹤，位同步，和幀同步，到達(dá)同步后，數(shù)據(jù)被解調(diào)出來，和通道狀態(tài)一起保存在FIFO中供信息處理器讀取；導(dǎo)航信息處理器的主要功能為提取導(dǎo)航信息，然后計(jì)算用戶的用戶位置，速度，和時(shí)間。圖 2.1 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖2.2射頻前端 本設(shè)計(jì)的目的是采用ASIC方法對信號處理器進(jìn)行研究，這意味著輸入的信號是數(shù)字信號，為了理解輸入信號特性,有必要對信號從空中進(jìn)入射頻所經(jīng)歷的過程以及基帶輸入的信號特性有個(gè)節(jié)本的理解。射頻的作用是對天線接收到的信號進(jìn)行放大，濾波，下變頻，以及A/D變化，以使信號更適合基帶處理。以接收SPS效勞為例子，天線接收到信號中

22、心頻率為1575.42，如果直接在此信號上采樣，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，那么至少需要兩倍的采樣頻率，這對于目前的A/D來說是不可實(shí)現(xiàn)的，而且產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)也是難以處理的。 一般實(shí)現(xiàn)是在RF實(shí)現(xiàn)下變頻處理，然后在較低的頻率上采樣，這樣，射頻局部的第一個(gè)組成單元就是混頻器。另外，為了防止混疊效應(yīng)，常需要把帶寬限制在一定的范圍內(nèi)，RF第二個(gè)組成單元就是一個(gè)帶通濾波器。根據(jù)知道，衛(wèi)星信號到達(dá)接收機(jī)的最小能量為-160dBW, 對應(yīng)的信號幅度為xxx, 而A/D所能處理的信號幅度是一致的。比方，對于xxx公司的xxxx，其處理的電壓范圍為-1V-1V。常常采用一個(gè)低噪聲放大器來對信號進(jìn)行放大，這組成了RF

23、的第三個(gè)常用組成局部，低噪聲放大器。兼于以上分析，在不考慮其他性能及實(shí)現(xiàn)考慮的情況下，RF結(jié)構(gòu)的根本組成如圖2.2所示.， 圖2.2 RF一般結(jié)構(gòu)考慮到硬件的可實(shí)現(xiàn)性(Q值多級下變頻率; 不能一次放大,原因?) 以及盡可能的降低噪聲，一個(gè)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)如圖2.3所示。 圖2.3 RF設(shè)計(jì)舉例2.3數(shù)字基帶從射頻前端傳送的中頻信號不確定性包括：1載波頻率不確定-捕獲，載波跟蹤2載波相位不確定-載波跟蹤3碼頻率不確定-載波跟蹤，如果積分時(shí)間短，捕獲過程可忽略4碼相位的不確定-捕獲，跟蹤5位起始位置不確定位同步6幀頭不確定-幀同步所以數(shù)字基帶局部的任務(wù)是通過捕獲、跟蹤，使本地載波、測距碼和接收信號的完全

24、同步，從而進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)，獲得衛(wèi)星導(dǎo)航電文，給用戶位置結(jié)算局部，最后求得用戶的位置和速度信息。圖2.4 數(shù)字基帶信號處理2.4導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算開機(jī)時(shí)間增加一個(gè)Tic周期讀取工作通道存放器的數(shù)據(jù)以及開機(jī)時(shí)間和Tic周期存放在Meas_FIFO中指向Meas_FIFO中的當(dāng)前正在處理的一個(gè)元素把開機(jī)時(shí)間換算為BD時(shí)間，得到接收時(shí)間的小數(shù)局部計(jì)算各個(gè)工作通道的信號發(fā)射時(shí)間備份解算時(shí)計(jì)算的衛(wèi)星的位置、速度和鐘漂到GL_BD2I_backup_satpvt中統(tǒng)計(jì)出導(dǎo)航星的個(gè)數(shù)和MEO/IGSO星的個(gè)數(shù)并對GL_Nav_Input_Est賦值計(jì)算衛(wèi)星的位置和速度是否退出解算RCO是否初始化對GL_Nav_Inp

25、ut賦值，得到進(jìn)行下一步定位解算所需的與衛(wèi)星有關(guān)的測量數(shù)據(jù)判斷各個(gè)工作通道鎖定衛(wèi)星的可用性求得各個(gè)工作通道的偽距用戶位置和速度是否解算成功否是計(jì)算用戶的位置和速度，將結(jié)果存放到GL_User_Pv中導(dǎo)航星是否大于4顆是否利用鐘差和頻差對RCO時(shí)間進(jìn)行校正與之前解算出的結(jié)果一起平滑濾波計(jì)算每一顆導(dǎo)航星到用戶的真實(shí)距離保存最后解算的用戶位置、速度，用于衛(wèi)星預(yù)報(bào)準(zhǔn)備上傳給上位機(jī)的解算結(jié)果將ECEF直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)檢查野值并剔除用戶位置和速度解算不成功，重新初始化退出本次解算 該模塊為導(dǎo)航解算過程的核心。主要負(fù)責(zé)讀取通道存放器的值，結(jié)合以上提取出來的星歷參數(shù)和電離層參數(shù)，計(jì)算出偽距，再計(jì)算出衛(wèi)

26、星的位置和速度，通過以上計(jì)算出的結(jié)果，求得用戶的位置和速度，最后對用戶位置和速度進(jìn)行有效性判斷和平滑濾波，得到精確的用戶位置和速度，打包上傳給顯示部件。3提高GPS接收機(jī)捕獲靈敏度的方法 在復(fù)雜環(huán)境下，一般的GPS接收機(jī)不能捕獲和跟蹤到導(dǎo)航衛(wèi)星信號，這大大限制了GPS的應(yīng)用領(lǐng)域。復(fù)雜環(huán)境信號的特點(diǎn)就是信號的大幅度衰減和嚴(yán)重的多徑傳播。高靈敏度GPS(HS GPS)技術(shù)通過特定的基帶算法提高接收機(jī)的處理增益G，捕獲和跟蹤微弱GPS信號，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航和定位?；诖?，考慮設(shè)計(jì)一款能在弱信號環(huán)境下捕獲和跟蹤GPS信號的基帶處理芯片。3.1 GPS接收模塊的靈敏度性能 首先，設(shè)計(jì)目標(biāo)是改良現(xiàn)有的

27、基帶算法提高GPS接收機(jī)的靈敏度，所以有必要對接收機(jī)靈敏度的概念做一定了解。高靈敏度作為 GPS接收機(jī)最為重要的性能指標(biāo)之一，一直是各個(gè) GPS 接收模塊孜孜以求的目標(biāo)。對于 GPS 接收系統(tǒng)而言，靈敏度指標(biāo)包括多個(gè)場景下的指標(biāo)，分別為： 捕獲靈敏度：完成捕獲所需要的最低信號強(qiáng)度。 跟蹤靈敏度：在捕獲成功之后能夠維持對衛(wèi)星信號跟蹤所需要的最低信號強(qiáng)度。 初始啟動靈敏度：解調(diào)導(dǎo)航電文所需要的最低信號強(qiáng)度。從上面的描述可以看出，GPS接收模塊中的靈敏度概念實(shí)質(zhì)上是信號強(qiáng)度概念，這里信號強(qiáng)度指的就是信號的功率大小，單位是dBW。靈敏度性能的上下決定于信號強(qiáng)度的大小，在復(fù)雜環(huán)境下信號受遮蔽的影響，比方

28、森林、高大建筑群，進(jìn)入GPS接收機(jī)的信號強(qiáng)度會大為衰減，要繼續(xù)保持對信號的捕獲、跟蹤、解調(diào)就必須提高接收機(jī)的靈敏度，使其對工作于更低的信號強(qiáng)度下。 就整個(gè)GPS接收系統(tǒng)來看，接收機(jī)的靈敏度性能的上下主要由兩個(gè)方面決定：一是接收機(jī)前端整個(gè)信號通路的增益及噪聲性能，二是基帶局部的算法性能。其中，接收機(jī)前端決定了接收信號到達(dá)基帶局部時(shí)的信噪比，而基帶算法那么決定了解調(diào)、捕獲、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和目標(biāo)，本局部內(nèi)容研究的是如何改良現(xiàn)有的基帶算法來提高接收機(jī)的捕獲靈敏度，獲到更好的接收性能。 在這里需要明確的是GPS 接收機(jī)首先需要完成對衛(wèi)星信號的捕獲，這局部靈敏度性能的提高將直

29、接影響到整個(gè)接收模塊的靈敏度性能。因此，在著手工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以明確研究的內(nèi)容是捕獲算法和捕獲電路結(jié)構(gòu)對靈敏度性能提高的影響，重點(diǎn)放在了高靈敏度的捕獲算法的實(shí)現(xiàn)上。3.2 基帶算法對捕獲靈敏度性能的影響 基帶算法是就整個(gè)GPS接收模塊而言對所有相關(guān)算法的總稱，它涉及到了多種算法處理分別應(yīng)用在不同子模塊如捕獲、跟蹤、解調(diào)、偽碼測量、載波測量等，每一塊的算法實(shí)現(xiàn)都會對整個(gè)接收機(jī)的靈敏度性能產(chǎn)生影響。所以，要研究基帶算法對捕獲靈敏度性能的影響，首先要搞清楚完成捕獲的過程和捕獲電路的結(jié)構(gòu)功能，從整體原理細(xì)化到功能描述，這樣才能找到改良算法提高捕獲靈敏度的突破口和關(guān)鍵點(diǎn)。一般的GPS信號捕獲 為了跟蹤和解

30、碼GPS信號，首先要捕獲到GPS信號。將捕獲到的GPS信號的必要參數(shù)立刻傳遞給跟蹤過程，再通過跟蹤過程便可得到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。對于捕獲原理的理解應(yīng)先從普通環(huán)境下的捕獲實(shí)現(xiàn)開始，然后通過分析影響靈敏度的關(guān)鍵因素，針對這一環(huán)節(jié)改變捕獲算法最終實(shí)現(xiàn)對弱信號的捕獲。.1捕獲原理及其算法 捕獲原理首先，進(jìn)入GPS接收機(jī)基帶模塊的信號是中頻信號，它可表示為： 3.1其中，C為信號功率，d(t)為導(dǎo)航電文碼，c(t)為擴(kuò)頻碼，為低中頻頻率，為doppler頻率，為時(shí)延，接收機(jī)初相,n(t)為零均值復(fù)高斯白噪聲(AWGN)，功率譜密度為2。 經(jīng)過混頻后變?yōu)閮陕氛坏男盘枺碔和Q兩支路的信號,捕獲和跟蹤都是針

31、對這兩支路進(jìn)行處理的。這里要注意信號相關(guān)性的應(yīng)用，因?yàn)椴东@是基于接收信號與發(fā)送信號樣本函數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行判決的，即：接收的擴(kuò)頻碼c(t)和本地復(fù)制的擴(kuò)頻碼卷積的結(jié)果是一個(gè)具有三角峰值特性的函數(shù)。當(dāng)其相位根本對其時(shí)產(chǎn)生三角峰值，即相關(guān)性最強(qiáng)，否那么，卷積結(jié)果小于峰值，相關(guān)性不明顯。其次，要明確對GPS信號的捕獲過程實(shí)際上是對擴(kuò)頻信號PN碼的捕獲過程，它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)變量的隨機(jī)過程，隨機(jī)變量遍歷各態(tài)。這里的統(tǒng)計(jì)指對接收信號和噪聲的強(qiáng)度能量的統(tǒng)計(jì)；隨機(jī)過程指一種二元假設(shè),即接收的信號可能包含有效信號和噪聲或者只含有噪聲沒有有效信息中的噪聲；遍歷各態(tài)指捕獲的過程始終是在這種二元假設(shè)下完成的。因此，捕獲成功與

32、否的判決，始終是圍繞對信號、噪聲能量的檢測展開的。 PN碼的捕獲包括傳統(tǒng)的時(shí)域捕獲和快速頻域捕獲，這里只討論時(shí)域下一般的GPS信號時(shí)域捕獲過程。GPS信號的捕獲實(shí)際上是一個(gè)搜索的過程，這個(gè)搜索過程需要用到本地復(fù)制C/A碼和本地復(fù)制載波頻率，搜索范圍的大小和復(fù)制的碼相位及復(fù)制的載波頻率都相關(guān)。當(dāng)二維搜索空間的搜索步長減小時(shí)，相應(yīng)搜索時(shí)間加長，捕獲的結(jié)束就需要更長的時(shí)間。 如圖3.1所示，GPS信號的捕獲過程是一個(gè)以多普勒頻點(diǎn)和偽碼相位延遲為坐標(biāo)的二維搜索過程，為了捕獲衛(wèi)星信號，既要迫使本地?cái)U(kuò)頻碼根本對準(zhǔn)接收碼，又要迫使本地載波頻率根本對準(zhǔn)接收載波頻率，亦即要成功地兩維匹配。圖3.1二維C/A碼搜

33、索 假設(shè)正在檢驗(yàn)所有1023個(gè)C/A碼相位，典型情況下搜索碼相位時(shí)用的是1/2基碼的增量，每個(gè)碼搜索增量是一個(gè)碼的分格，一個(gè)碼分格和一個(gè)多普勒分格合并起來成為一個(gè)方格。在每個(gè)方格的駐留時(shí)間T期間，對l和Q信號進(jìn)行積分和累加并求其包絡(luò)值，目的是計(jì)算或估計(jì)通道內(nèi)的信號能量，將每個(gè)計(jì)算值與檢測門限相比擬，以確定衛(wèi)星信號存在或不存在。 二維搜索時(shí)多普勒頻率覆蓋在10kHz范圍內(nèi)，搜索先固定在一個(gè)基準(zhǔn)中心頻率上，這個(gè)過程具體操作描述如下：1) 在基準(zhǔn)中心頻率下，當(dāng)累積結(jié)果大于設(shè)定的門限，即出現(xiàn)相關(guān)峰，就表示捕獲成功，得到估計(jì)的參數(shù)值頻偏和碼偏，繼而進(jìn)入跟蹤環(huán)節(jié)；2) 反之那么說明捕獲失敗，碼相位搜索步進(jìn)

34、一個(gè)基碼增量，假設(shè)檢測到累積值大于門限值那么捕獲成功，跳入跟蹤環(huán)節(jié)，否那么繼續(xù)步進(jìn)直到累積結(jié)果大于門限值捕獲成功；3) 假設(shè)重復(fù)2)步驟直到步進(jìn)增量遍歷整個(gè)1023個(gè)碼片范圍，累積結(jié)果仍然小于門限值，那么頻率維在基準(zhǔn)頻率根底上增加一個(gè)步進(jìn)值，開始在新的多普勒頻偏下重復(fù)1)和2)步驟搜索，直到捕獲成功停止操作。 根據(jù)上面的描述，最壞的情況就是在不斷改變碼相位和多普勒頻進(jìn)行搜索，知道遍歷整個(gè)二維空間才判決捕獲成功。因此，捕獲可簡單表示為：捕獲=能量檢測+捕獲判決。能量的檢測就是對通道內(nèi)信號能量的檢測，當(dāng)檢測值大于門限值時(shí)所對應(yīng)的碼相位和多普勒頻偏就是要估計(jì)的參數(shù)值。 另外，由于PN碼的捕獲成功檢測

35、跟門限算法也有著密切聯(lián)系，所以還需要 考慮門限值的設(shè)置。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，門限值的計(jì)算可分為固定門限值和自適應(yīng)門限值兩種情況。因?yàn)樾l(wèi)星通信中，信號通過衰落信道或大氣電離層會受到各種因素的干擾，使得接收端的擴(kuò)頻信號發(fā)生較大波動和變化，所以在以后的設(shè)計(jì)中有必要根據(jù)信道內(nèi)噪聲的概率密度分布情況，采用自適應(yīng)的門限設(shè)置來提高檢測的概率。捕獲算法由上述捕獲過程的介紹可以知道，PN碼捕獲算法的研究主要集中在三大塊：捕獲方法、捕獲時(shí)間、檢測判決變量在各種信道下的統(tǒng)計(jì)分布。1) 捕獲方法：在實(shí)現(xiàn)時(shí)，考慮到硬件資源的代價(jià)，采用相關(guān)搜索技術(shù)，即采用不同相位的本地?cái)U(kuò)頻序列與接收序列相關(guān)運(yùn)算，由相關(guān)值的大小判斷是否序列

36、同步捕獲成功。2) 捕獲時(shí)間：主要研究如何評估一定應(yīng)用環(huán)境下的捕獲速度。它和搜索步進(jìn)值以及搜索策略的選擇有很大關(guān)系，這局部涉及的內(nèi)容對提高靈敏度有直接影響。3) 檢測判決變量在各種信道下的統(tǒng)計(jì)分布：對于給定的捕獲系統(tǒng)，其平均捕獲時(shí)間決定于檢測概率和虛警概率，而這些概率直接取決于判決變量的統(tǒng)計(jì)分布。所以該算法主要研究SNR概率密度的分布情況，及其對設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的影響。另外，搜索策略統(tǒng)籌了上面三個(gè)方面的內(nèi)容，對接收機(jī)整體性能的提高有很大影響。它是指檢測信號能量時(shí)采用特定的算法遍歷整個(gè)未知相位搜索空間，這種遍歷可以是連續(xù)或離散的。一般把整個(gè)搜索空間分成有限小區(qū)間，每次檢測一個(gè)小區(qū)間。該區(qū)間大小和位置

37、的選擇都會對捕獲速度、時(shí)間產(chǎn)生影響。.2電路結(jié)構(gòu)捕獲模塊是整個(gè)GPS接收機(jī)的第一環(huán)節(jié)，將算法具體到電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮的主要問題是相關(guān)參數(shù)的選取和電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，包括：門限值、相關(guān)時(shí)間、每個(gè)碼元的檢驗(yàn)樣本數(shù)和由搜索策略和驗(yàn)證方案決定的系統(tǒng)復(fù)雜度等。目前的C/A碼同步捕獲電路結(jié)構(gòu)包括：1） 判決器電路：積分清零相關(guān)器2） 未知相位區(qū)間搜索策略：串行、并行、混合3） 檢測后驗(yàn)證處理方案：單次駐留、屢次駐留4） 相關(guān)積分時(shí)間：積分組合累積能量5） 判決門限：歸一化門限，自適應(yīng)門限6） 快速捕獲：FFT減少相關(guān)器從實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上來看，捕獲模塊主要可分為檢測器和判決器電路兩大局部，對應(yīng)于捕獲過程的檢測和估計(jì)。每

38、一局部分別用到了上述假設(shè)干電路結(jié)構(gòu)，它們的功能相對獨(dú)立，必須相互協(xié)同才能從整體上實(shí)現(xiàn)捕獲GPS信號的功能。其中，檢測器電路是核心單元，它可以采用不同的相關(guān)積分，比方被動式的匹配濾波器或主動式的積分清零相關(guān)器，以硬件方式實(shí)現(xiàn)時(shí)一般采用主動式；可以采用相干和非相干方式累積I和Q支路的相關(guān)值，這局部結(jié)構(gòu)對應(yīng)的算法和改善SNR以及提高捕獲靈敏度密切關(guān)系；可以采用不同的判決準(zhǔn)那么，不同的準(zhǔn)那么和相關(guān)器累積輸出的信噪比決定了門限值的大小。判決器電路局部主要設(shè)計(jì)到了檢測后驗(yàn)證捕獲概率的問題。每次檢測的逗留時(shí)間可以是固定的或可變的，驗(yàn)證的目的是為了加強(qiáng)原先的同步假設(shè)，減少可能發(fā)生的虛警概率，但同時(shí)也很會增加判

39、決電路的復(fù)雜度，使捕獲時(shí)間加長。所以，在實(shí)現(xiàn)時(shí)既要考慮驗(yàn)證的必要性還要估計(jì)其對捕獲性能的影響。捕獲靈敏度性能分析至此，可以明確GPS接收機(jī)的主要靈敏度指標(biāo)都和信號強(qiáng)度相關(guān)，要提高捕獲這局部的靈敏度指標(biāo)，也必須通過特定算法和優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)來改善接收通道內(nèi)的信噪比，也就是使接收機(jī)能夠在更低的信號強(qiáng)度下工作。通過具體分析捕獲模塊并結(jié)合擴(kuò)頻通信知識可以發(fā)現(xiàn)， GPS信號是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)，對于C/A碼而言，其擴(kuò)頻碼碼長為1023個(gè)碼片，碼速率為1.023Mbps，所以一個(gè)C/A碼的周期為： 3.2將采樣的GPS信號與本地的復(fù)現(xiàn)擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分別得到I和Q支路的相關(guān)值。因?yàn)閿U(kuò)頻通信將信號源的能量分布在整

40、個(gè)帶寬上，而相關(guān)操作又會將信號能量再次集中到頻帶的低頻局部，但噪聲能量分散在整個(gè)帶寬上。所以對相關(guān)值在一定時(shí)間內(nèi)累加，就會更有利于信號能量的累積，不利于噪聲的累加，即起到低通濾波、改善信噪比的作用。在能量累加結(jié)束后檢進(jìn)行判決，可構(gòu)造捕獲判決函數(shù)P: 3.3其中，為碼相位延遲，為多普勒頻移，為捕獲判決門限值。其實(shí) GPS信號的捕獲就是不斷重復(fù)二維搜索、檢測信號能量、判決捕獲成功與否的過程。所以選擇最大的 P作為搜索的結(jié)果，如果P大于給定的一個(gè)門限就表示已經(jīng)捕獲到一個(gè)結(jié)果 ,反之說明捕獲失敗。在強(qiáng)信號環(huán)境下，一個(gè)完整的C/A碼周期內(nèi)就可以捕獲 GPS信號，這時(shí)累積的I和Q支路的能量P能夠進(jìn)行捕獲判

41、決，所以 1ms 的積分累積時(shí)間就足夠了。但在弱信號環(huán)境下，信號強(qiáng)度衰減很的低，1ms的積分累積時(shí)間缺乏以累加出所需能量，所以無法進(jìn)行后續(xù)的檢測和判決。因此，可以通過提高本地碼和接收信號之間的積分時(shí)間來提高接收信號的SNR，保證檢測成功的概率。由上面的分析可以看出，要在弱信號下提高捕獲靈敏度并實(shí)現(xiàn)正常的捕獲功能，就要累積出更多的能量，無疑增加積分累積時(shí)間是必須考慮的重點(diǎn)問題，而到達(dá)這一目標(biāo)只有在算法和電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改良。分別從算法和電路結(jié)構(gòu)上分析和靈敏度相關(guān)的環(huán)節(jié)：1) 算法層面：基帶算法性能直接影響信號捕獲過程對載噪比的最低要求，和靈敏度相關(guān)的算法包括積分累積的方式、頻差的容忍度、位跳變檢測

42、以及捕獲時(shí)間評估。2) 電路結(jié)構(gòu)：能夠改善靈敏度性能的結(jié)構(gòu)包括信號積分清零電路、門限比擬電路、搜索控制電路等，還要整體考慮相關(guān)器資源代價(jià)問題。3.3 高靈敏度的捕獲算法在復(fù)雜環(huán)境下，由于信號的嚴(yán)重衰落，需要提高接收機(jī)靈敏度，以彌補(bǔ)信號強(qiáng)度的損失。所謂高靈敏度的捕獲，就是要在弱信號環(huán)境下依然能夠完成普通環(huán)境中接受機(jī)所要求的捕獲功能，即在更低的信號功率下實(shí)現(xiàn)對信號的搜索檢測與參數(shù)估計(jì)。提高捕獲靈敏度的關(guān)鍵點(diǎn)在于累加出更多的信號能量，這樣才能被判決電路為成功捕獲，并估計(jì)出相應(yīng)的頻偏和碼偏參數(shù)，為進(jìn)入精更確的調(diào)頻、調(diào)相環(huán)節(jié)跟蹤環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。較之普通環(huán)境下使用的GPS接收機(jī)，高靈敏度GPS接收機(jī)的積分時(shí)

43、間必將增加很多才能到達(dá)檢測信號能量的目的。以下是常用的兩種方法，它們使用長時(shí)間累加積分的方式來彌補(bǔ)信號強(qiáng)度的損失，從而改善接收通道內(nèi)信噪比。1) 相干積分法。2) 非相干積分法。增加積分累加時(shí)間的方式.1 相干積分法 相干積分的方法是對輸入的中頻信號按C/A碼長度周期進(jìn)行分段并對應(yīng)疊加，形成1個(gè)C/A碼周期長度的疊加信號，再做相關(guān)卷積。對不同周期的接收C/A碼信號和本地碼信號的相關(guān)值進(jìn)行對應(yīng)疊加，這樣可以更多地對噪聲進(jìn)行抵消，而信號累加可以提高信噪比。構(gòu)建一個(gè)C/A碼周期長度 (1ms) 的相關(guān)積分函數(shù)： (3.4) 那么對L段1ms的相關(guān)積分結(jié)果進(jìn)行累加，那么相干積分函數(shù)為： (3.5)那么

44、相干積分捕獲判決函數(shù)為： (3.6)當(dāng)p大于給定門限值那么認(rèn)為信號被捕獲，其最大值對應(yīng)的為偽碼相位延遲，為載波多普勒頻移。通過增加L可以接收機(jī)的處理增益，即： (3.7) 相干積分能夠顯著提高信噪比，但相干積分的長度受到多普勒頻移和導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的限制 。相干積分累積的結(jié)果可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算： (3.8) (3.9) 其中，為本地本振與載波之間的頻率差，T為相干積分時(shí)間，為到達(dá)基帶時(shí)的信號載噪比，單位為 dBHz，為 C/A 碼的自相關(guān)函數(shù)，為初始相位差，D為信號調(diào)制的導(dǎo)航電文符號，和分別為 I路和 Q路的噪聲。由上面兩式可知，相干積分累積和相干積分時(shí)長有關(guān)，相干積分時(shí)間越長，對輸入載噪比的要

45、求越低，其靈敏度也就越高，但累積時(shí)長過長，由于頻偏的影響，上式中第一項(xiàng)值也會越小，又會降低其靈敏度。另外，由于GPS導(dǎo)航信號調(diào)制速率是50bit/s，每20ms可能發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)。 在對每1ms相關(guān)積分結(jié)果進(jìn)行累加時(shí)，假設(shè)發(fā)生位跳變那么累積的結(jié)果正負(fù)抵消，累積的能量隨積分時(shí)間延長反而減小，SNR也會降低。所以在尚未確定位跳變位置時(shí)，相干積分時(shí)間不能超過20ms。.2 非相干積分法相干積分受導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的影響積分時(shí)間限制在20ms以內(nèi)，非相干積分的方法可以解決這一問題。非相關(guān)積分累加把每個(gè)C / A碼周期的處理結(jié)果進(jìn)行平方操作后再進(jìn)行累加。構(gòu)建一個(gè)C/A碼周期長度 (1ms) 的非相關(guān)積分函數(shù)，

46、即： (3.10)那么對L段1ms的非相關(guān)積分結(jié)果進(jìn)行累加，那么非相干積分函數(shù)為： (3.11)非相干積分是對每個(gè)周期的接收C/A碼信號和本地碼信號的相關(guān)值取模，然后再將多周期的取模結(jié)果進(jìn)行對應(yīng)疊加。這樣會把噪聲也疊加起來，因?yàn)槿∧＿\(yùn)算對信號和噪聲進(jìn)行了平方，而并沒有將噪聲抵消掉，將平方后的結(jié)果累加起來，在增益上就會有平方損耗，使信噪比的改善效果大打折扣。平方損失的存在使非相干積分方法的應(yīng)用受到很大限制，由此所帶來的平方衰減可由下式計(jì)算。n次非相干積分的衰減因子滿足下面公式： (3.12)其中，為等效理想檢測因子，誤差函數(shù)，為虛警概率，檢測概率。 (3.13) (3.14)此時(shí)的處理增益為：

47、(3.15) .3相干積分結(jié)合非相干積分的累積方法為了能檢測到相關(guān)峰， 必須將相關(guān)峰的衰減限制在可容忍的范圍內(nèi)， 在滿足這個(gè)前提下增大相關(guān)累積時(shí)間T，就意味著要將實(shí)際頻差f 控制在更小的范圍內(nèi)，這樣就必須縮小頻域搜索的步長，在頻域搜索范圍不變的情況下，就必須增加頻域搜索次數(shù)，最終會大大延長搜索時(shí)間。在相關(guān)積分時(shí)間T的選擇上，處理增益的提高與搜索時(shí)間很難兼顧。為了解決上述矛盾，常采用相干積分結(jié)合非想干積分的方式處理。如圖3.2所示，為相關(guān)積分結(jié)合非相關(guān)積分的組合累積方式。它把M段相干積分的處理結(jié)果進(jìn)行累加，并利用平方操作去除了導(dǎo)航數(shù)據(jù)造成的相位反轉(zhuǎn)影響。這樣就可以延長積分時(shí)間，獲得更高的處理增益

48、。這種方法的積分累積時(shí)間可以超過20ms，不受導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳播速率限制。然而非相干法的平方操作同時(shí)也會將噪聲進(jìn)行了平方，這將導(dǎo)致平方增益損失。圖3.2 相關(guān)積分結(jié)合非相關(guān)積分的組合累積方式 (3.16) 處理增益可表示為： (3.17)算法的特點(diǎn)及應(yīng)用.1算法特點(diǎn) 相干積分在短累加時(shí)效果良好， 而長累加時(shí)可以用非相干積分。在較低信噪比時(shí)相干積分比非相干積分更有效1) 相干積分 相干積分有增益上的優(yōu)勢，但是積分時(shí)間超過20ms會受到導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的影響。頻率搜索步進(jìn)值受到積分時(shí)間影響，捕獲時(shí)間隨積分時(shí)間增加而加長?？紤]處理增益提高和減小捕獲時(shí)間矛盾2) 非相干積分由于是直接對信號能量的累積，所以不受

49、導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的影響,可以長時(shí)間累積相關(guān)值。但非相干積分在獲得增益的同時(shí)也放大了噪聲，因此存在嚴(yán)重的平方衰減Square Loss，并且這種衰減是無法防止的，所以在工程設(shè)計(jì)中一般不采用這種方式。3) 相干積分結(jié)合非相干積分對相干積分的累積結(jié)果進(jìn)行非相干操作，即對假設(shè)干周期的累積值求平方，這樣可減少位跳變的影響，使積分時(shí)間超過20ms，但不可防止的引入了平方衰減項(xiàng)，對SNR的提高不利。.2算法應(yīng)用有兩個(gè)因素限制積分累積時(shí)間，其一是1比特導(dǎo)航數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間，由于導(dǎo)航數(shù)據(jù)的傳播速率為50bit/s，經(jīng)過20ms后可能會引起GPS信號產(chǎn)生180的相位反轉(zhuǎn)，一般捕獲方法的積分累積時(shí)間不能超過20ms；其

50、二是本地接收機(jī)時(shí)鐘頻率和收到的GPS信號頻率不匹配，并且積分時(shí)間的增加將大大增加需要搜索的多普勒頻點(diǎn)數(shù)，這也限制了積分時(shí)間。通常情況下我們可以采用相關(guān)積分結(jié)合非相關(guān)積分的組合方法對GPS信號進(jìn)行捕獲。通過相關(guān)積分結(jié)合非相關(guān)積分的方法可以使GPS信號的信噪比得到一定的改善，同時(shí)也可以在一定程度上克服相關(guān)累積和非相關(guān)累計(jì)的缺點(diǎn)。這種方法有如下應(yīng)用：半比特交替法這種方法是任意選取一點(diǎn)，把此點(diǎn)后面收到的20ms數(shù)據(jù)分成兩段 10ms 的數(shù)據(jù)，這樣可以保證其中一段的數(shù)據(jù)完全是在同一比特導(dǎo)航數(shù)據(jù)的傳播時(shí)間內(nèi)獲得。接著分別利用非相關(guān)方法捕獲法進(jìn)行捕獲計(jì)算，兩者中輸出的最大值就是對應(yīng)的估計(jì)值。估計(jì)位跳變的全比

51、特法考慮到1比特的導(dǎo)航數(shù)據(jù)會有 20 種可能的跳轉(zhuǎn)邊緣，所以這種方法要分別計(jì)算出20個(gè)對應(yīng)的P函數(shù)的最大值。在20個(gè)結(jié)果中選擇最大的作為最正確比特跳轉(zhuǎn)邊緣積分累積結(jié)果，也是真正需要的非相關(guān)捕獲法的估計(jì)結(jié)果。此P的最大值對應(yīng)的就是偽隨機(jī)的碼延遲時(shí)間，就是載波的多普勒頻移。 適用于高靈敏度捕獲的積分累積方式正因?yàn)橄喔煞e分時(shí)間受到導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的影響，積分時(shí)間一般難以超過20ms的限制，所以在以增加積分時(shí)間為充要前提的條件下，要想提高靈敏度就必須對導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變問題進(jìn)行處理，這種處理可分為直接處理和間接處理的方式，即：1)直接檢測位跳變的邊緣，確定跳變前后不同積分組合方案；2)對相關(guān)累積的結(jié)果進(jìn)行處理，使得累積值對位跳變不再敏感。兩種方式都能有效增加積分時(shí)間，但是積分累加的結(jié)果對SNR的提升不一定最有效，這里面還涉及到接收信號本身的信噪比，以及各種積分方案本身的實(shí)用效果和組合選擇。 目前，針對增加積分時(shí)間這個(gè)環(huán)節(jié)所提出高靈敏度捕獲算法都是基于相干與非相干積分組合方式提出，實(shí)現(xiàn)這些算法時(shí)考慮的問題是：1) 高靈敏度條件下的適用范圍如何；2) 如何盡量防止非相干帶來的平方衰減Square L