多模多頻實(shí)時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航GNSS軟件接收機(jī)培訓(xùn)

多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)原理培訓(xùn)目錄2

/共20頁(yè)1.背景與挑戰(zhàn)2.GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)5.典型應(yīng)用1.背景與挑戰(zhàn)——GNSS現(xiàn)狀4全球系統(tǒng)+2區(qū)域系統(tǒng)全球：GPS/Glonass/BDS/Galileo區(qū)域：QZSS/IRNSS組成部分空間段/地面監(jiān)控段/用戶段主要功能：定位定向/測(cè)速/授時(shí)/報(bào)文3

/共20頁(yè)1.背景與挑戰(zhàn)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)3頻點(diǎn)5信號(hào)：B1I：頻點(diǎn)：1561.098

MHz碼率：2.046

MHz帶寬：4.092

MHzB1C：頻點(diǎn)：1575.42

MHz碼率：

1.023

MHz帶寬：

32.736

MHzB3I：頻點(diǎn)：1268.52

MHz碼率：10.23

MHz帶寬：20.46

MHzB2a：頻點(diǎn)：1176.45

MHz碼率：10.23

MHz帶寬：20.46

MHzB2b：頻點(diǎn)：1207.14

MHz碼率：10.23

MHz帶寬：20.46

MHz1.自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)3.

高性能、多樣化的服務(wù)4

/共20頁(yè)2.

兼容與互操作4.平穩(wěn)過(guò)渡1.背景與挑戰(zhàn)——北斗三號(hào)系統(tǒng)服務(wù)類型北斗三號(hào)衛(wèi)星、信號(hào)及服務(wù)一覽表RNSSRDSSSBASSARPPP5

/共20頁(yè)1.背景與挑戰(zhàn)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)15501560157015801590-

90-

80-

70-

6015501560157015801590-

90-

80-

70-

60115012001-

90-

80-

70-

60Frequency(MHz

)PSD

(

db

W-

Hz)11501250-

90-

80-

70-

601200Frequency(MHz

)PSD

(

db

W-

Hz)11501250-

90-

80-

70-

601200Frequency(MHz

)PS

D

(

db

W-

Hz)01560157015801590-

90250 155-

80-

70-

60北斗二號(hào)一期、

二期GPSGalileoB

2

二期OSB

2一期OSB1

二期OSB

1一期OSL

5E5a/

bL2

CL1C/

AL1

CE1

OSBDSGPSGalileoB1/L1/E1B2a/L5/E5aB1C和B2a信號(hào)與GPS和Galileo的主要公開(kāi)服務(wù)信號(hào)共享兩個(gè)互操作頻點(diǎn)（B1/L1/E1和B2a/L5/E5a），并與GPS的L1C和Galileo的E1OS具有很好的兼容和互操作性。6

/共20頁(yè)1.背景與挑戰(zhàn)——B1C信號(hào)IQt1575.42

MHz7

/共20頁(yè)信號(hào)帶寬32.736MHz接收方式：窄帶接收寬帶接收與B1I信號(hào)聯(lián)合接收1.背景與挑戰(zhàn)——B2a信號(hào)信號(hào)載波頻率（MHz）信號(hào)分量調(diào)制方式符號(hào)速率（sps）相位關(guān)系功率比B2a1176.45B2a_dataQPSK200050%B2a_pilot09050%fQIsLQsUQsUIsLI信號(hào)帶寬20.46MHz接收方式：8

/共20頁(yè)QPSK信號(hào)接收ACE-BOC信號(hào)接收1.背景與挑戰(zhàn)——北斗三號(hào)B1C定位性能水平9

/共20頁(yè)定位 高程定位*

2020年4月1日-2020年4月9日全球范圍內(nèi)的國(guó)際全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)（iGMAS）、亞太空間合作組織（APSCO）、多系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)站（MGEX）的共27個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均定位精度統(tǒng)計(jì)1.背景與挑戰(zhàn)10

/共20頁(yè)挑戰(zhàn)1：如何有效驗(yàn)證信號(hào)設(shè)計(jì)符合要求？挑戰(zhàn)2：如何加速設(shè)計(jì)新信號(hào)跟蹤算法？挑戰(zhàn)3：如何快速驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)星信號(hào)質(zhì)量？挑戰(zhàn)4：如何快速調(diào)試接收機(jī)算法bug？挑戰(zhàn)5：如何催生新系統(tǒng)、新技術(shù)、新算法？低軌衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙測(cè)系統(tǒng)SBAS增強(qiáng)系統(tǒng)GNSS抗干擾反欺騙GNSS/INS深組合室外GNSS/INS/Lidar定位與建圖提升效率降低勞動(dòng)強(qiáng)度目錄11

/共20頁(yè)1.背景與挑戰(zhàn)2.GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)5.典型應(yīng)用2.

GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)GNSS接收機(jī)基帶處理12

/共20頁(yè)2.

GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)13

/共20頁(yè)典型的CDMA系統(tǒng)，信號(hào)處理目標(biāo)是獲得擴(kuò)頻增益數(shù)據(jù)量大寬帶信號(hào)：AltBOC(15,10)，帶寬51.15MHz，奈奎斯特頻率8bit采樣，單信號(hào)數(shù)據(jù)量大于100MB/s窄帶信號(hào)：L1

C/A，帶寬2.046MHz，24MHz

8bit采樣，單信號(hào)數(shù)據(jù)量24MB/s運(yùn)算量大：捕獲、碼產(chǎn)生、多通道相關(guān)、解譯碼等性能、運(yùn)算量與算法策略直接相關(guān)（串行捕獲VS

一維并行捕獲VS

二維并行捕獲）統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理，功能性能統(tǒng)計(jì)后才可觀測(cè)信號(hào)容易被遮擋、干擾、欺騙：多種融合輔助方式（INS/Camera/Lidar/Radar）2.

GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)14

/共20頁(yè)2.

GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)15

/共20頁(yè)現(xiàn)代化GNSS帶來(lái)的新機(jī)遇：兼容與互操作：更多的可用衛(wèi)星BOC調(diào)制方式：更高的測(cè)量精度導(dǎo)頻支路信號(hào)：提升捕獲、跟蹤靈敏度INS輔助GNSS環(huán)路跟蹤（矢量環(huán)、直接位置環(huán)）緊湊的電文結(jié)構(gòu)：免時(shí)定位、半周跳變問(wèn)題、高靈敏度bit同步和電文解析多樣化服務(wù)：短報(bào)文、星基增強(qiáng)芯片技術(shù)飛速發(fā)展：室內(nèi)外一體定位、泛在高精度定位目錄16

/共20頁(yè)1.背景與挑戰(zhàn)2.GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)5.典型應(yīng)用3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比消費(fèi)類接收機(jī)現(xiàn)狀高靈敏度米級(jí)定位超低功耗抗窄帶干擾L1頻點(diǎn)趨勢(shì)導(dǎo)航+通信集成厘米級(jí)定位L1+L5與慣性融合普通高精度接收機(jī)現(xiàn)狀高靈敏度高精度觀測(cè)量厘米級(jí)定位抗窄帶干擾多系統(tǒng)雙頻趨勢(shì)FPGA向芯片演進(jìn)模塊化多系統(tǒng)全頻點(diǎn)多樣化功能行業(yè)應(yīng)用高端接收機(jī)現(xiàn)狀普通靈敏度高精度觀測(cè)量多功能抗干擾專用功能：完好性監(jiān)測(cè)、信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、干擾檢測(cè)趨勢(shì)模塊化通用化功能持續(xù)演進(jìn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品逐漸成熟17

/共20頁(yè)3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比軟件接收機(jī)的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)架構(gòu)x86CPU+GPUARM

CPU+FPGA性能與理論無(wú)差異與理論基本無(wú)差異產(chǎn)品迭代難度低高可擴(kuò)展性強(qiáng)弱功耗和體積沒(méi)有優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)明顯18

/共20頁(yè)3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比軟件GNSS接收機(jī)的行業(yè)態(tài)勢(shì)Softgnss經(jīng)典的matlab接收機(jī)程序，9年前不再更新。由University

of

Colorado開(kāi)發(fā)，配套《A

Software-Defined

GPSand

GalileoReceiver》fastgpsC++編寫的程序，只支持離線回放。運(yùn)行平臺(tái)為L(zhǎng)inux。9年前不再更新。GNSS-SDRLIB日本早稻田大學(xué)開(kāi)發(fā)的軟件接收機(jī)，5年前不再更新。C++編寫，支持GPS

L1CA、GLONASS

G1、Galileo

E1B、BeiDouB1I、QZSSL1CA/SAIF/LEX、SBAS

L1信號(hào)；支持SIMD

SSE2。已不再更新的項(xiàng)目19

/共20頁(yè)3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比20

/共20頁(yè)軟件接收機(jī)處理平臺(tái)對(duì)比方案MatlabCPU

SISDCPU

SIMDCPU+GPU實(shí)時(shí)性1/20~1/2001/10~1/100實(shí)時(shí)，通道受限實(shí)時(shí)，通道不受限開(kāi)發(fā)難易程度容易容易非常難較難調(diào)試難易程度非常容易容易非常難較難工程化能力差差好非常好迭代效率非常低低正常非常高線程間同步能力差差正常強(qiáng)系統(tǒng)集成能力差差正常強(qiáng)可擴(kuò)展性差差正常強(qiáng)CPU要求主頻高主頻高SSE指令集，主頻高低DDR要求非常高非常高普通低GPU要求無(wú)要求無(wú)要求無(wú)要求顯存>4GB典型代表softgnssSdrGPSifEN清華SDR目錄21

/共20頁(yè)1.背景與挑戰(zhàn)2.GNSS信號(hào)處理的特點(diǎn)3.GNSS信號(hào)處理方案對(duì)比4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)5.典型應(yīng)用4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)清華大學(xué)從2005年開(kāi)始研發(fā)GNSS軟件接收機(jī)，經(jīng)歷了matlab、CPU、GPU等各個(gè)平臺(tái)階段22

/共20頁(yè)23

/共20頁(yè)4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)支撐技術(shù)：雙邊帶跟蹤技術(shù)r(t)

c(t

)

cos(2

(

fc

fs

)t

)

c(t

)

cos(2

(

f

f)t

)

c s 所有GNSS信號(hào)均按照窄帶信號(hào)接收，降低采樣率朱永輝等,導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)和接收方法,

中國(guó)專利:CN1043751514.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)24

/共20頁(yè)系統(tǒng)組成4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)硬件采集終端寬帶接收固定24MHz采樣12bit

ADC采樣傳輸速率＞200MB/s覆蓋頻段：L1頻段：1575.42±40MHzL2頻段：1268.52±40MHzL3頻段：1176.45±40MHzS頻段：2491.75±8.16MHz采集終端射頻1射頻2ADC_1ADC_2ADC_n信號(hào)調(diào)理USB3.0 RF1_in

RF2_in

25

/共20頁(yè)時(shí)鐘管理電路...FPGA濾波抗干擾預(yù)處理時(shí)間同步數(shù)據(jù)打包GNSS系統(tǒng)支持頻點(diǎn)GPSL1C/A,L1C,L2C,

L5GLONASSL1C/A,L2

C/AGalileoE1,E5AltBOC,E5a,

E5bBeiDouB1I,B1C,B2I,B2a,B2b,

B3IQZSSL1C/A,L1C,L2C,L5,

L6IRNSSL5SBASL1,

L54.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)軟件框架基于C++11Cmake構(gòu)建依賴庫(kù)：BoostJsonLibfftwCyUSBGlog/gflagGPU加速數(shù)據(jù)解析捕獲/跟蹤射頻前端數(shù)據(jù)處理卡7路ADCFPGA4x模擬中頻1x時(shí)鐘天線控制信號(hào)IMU1PPS1PPSUSB3.0驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)中頻數(shù)據(jù)基帶進(jìn)程GPU加速數(shù)據(jù)記錄進(jìn)程數(shù)據(jù)回放進(jìn)程文件數(shù)據(jù)處理進(jìn)程調(diào)度配置進(jìn)程Web

Serverppluluggininpplulugginin外部時(shí)鐘26

/共20頁(yè)4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)部署方式27

/共20頁(yè)4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)接口定義USB3.0

RF1_in

RS422

event1

event2

Clk_in

12V_DC

PPS_in

RF2_in

IMU

ethernet

USB

PPS_out

RS232_1

RS232_2

28

/共20頁(yè)4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)29

/共20頁(yè)主要功能信號(hào)采集回放信號(hào)實(shí)時(shí)處理及后處理多模態(tài)并行定位解算多天線分集處理多源信息融合GNSS信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)SBAS服務(wù)監(jiān)測(cè)差異化特性軟件升級(jí)可定制性和擴(kuò)展性強(qiáng)原始數(shù)據(jù)采集支持信號(hào)層、量測(cè)層、定位層數(shù)據(jù)采集和輸出多路相關(guān)器每個(gè)通道40路相關(guān)器雙邊帶聯(lián)合跟蹤支持雙邊帶聯(lián)合接收寬帶信號(hào)抗窄帶干擾支持多路并行抗窄帶干擾信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)支持GNSS衛(wèi)星播發(fā)信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)和報(bào)警功能完好性監(jiān)測(cè)支持SBAS系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)電離層閃爍監(jiān)測(cè)支持電離層閃爍監(jiān)測(cè)、電離層模型參數(shù)測(cè)量信號(hào)互相關(guān)監(jiān)測(cè)支持GNSS播發(fā)信號(hào)互相關(guān)監(jiān)測(cè)干擾特性檢測(cè)檢測(cè)干擾是否存在并分析干擾特性欺騙信號(hào)檢測(cè)監(jiān)測(cè)GNSS欺騙信號(hào)是否存在多路徑信號(hào)檢測(cè)剔除或修正多路徑信號(hào)反射信號(hào)反演GNSS-R干擾源定位定位欺騙干擾源和寬帶干擾源抗寬帶干擾抗單個(gè)寬帶干擾4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)30

/共20頁(yè)性能指標(biāo)性能指標(biāo)性能指標(biāo)單頻單點(diǎn)定位(95%)水平≤8

m,

高程≤9

m碼偽距精度0.2

m(1σ)雙頻單點(diǎn)定位(95%)水平≤4

m,

高程≤6

m載波相位精度1

mm(1σ)SBAS(L1)

(95%)水平≤2.5

m,

高程≤4

m2米基線測(cè)向精度0.08

degSBAS(L1/L5)

(95%)水平≤1.5

m,

高程≤2

m4米基線測(cè)向精度0.05

degDGPS(RMS)0.5

m熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間10

sRTK(RMS)1cm+1

ppm冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間55

s速度精度(95%)0.1

m/s捕獲靈敏度-140dBm速度限制515

m/s跟蹤靈敏度-150dBm授時(shí)精度50

ns通道數(shù)量顯卡相關(guān)，GTX1060支持512個(gè)通道4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)核心算法：捕獲31

/共20頁(yè)4.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)核心算法：跟蹤32

/共20頁(yè)BinHuang,etal.STARx–AGPUBasedMulti-SystemFull-BandReal-TimeGNSSSoftwareReceiver.

201333

/共204.多模多頻實(shí)時(shí)GNSS軟件接收機(jī)核心算法：多路相