衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計
——之九（下）

+ 劉天雄

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計
——之九（下）

+ 劉天雄

4.5基帶數(shù)字信號處理

4.5.8.4導(dǎo)航電文解碼

要成功解調(diào)出導(dǎo)航電文，接收機(jī)必須在信號跟蹤過程中實現(xiàn)位同步和幀同步。接收機(jī)利用延遲鎖定環(huán)DLL和頻率鎖定環(huán)FLL實現(xiàn)信號偽碼相位和載波頻率的精確估計，并動態(tài)地跟蹤導(dǎo)航信號多普勒頻移和測距碼相位的變化，成功實現(xiàn)比特同步之后，接收機(jī)就可以解調(diào)同步位信息和導(dǎo)航電文。

為了譯碼導(dǎo)航電文，接收機(jī)還需要對導(dǎo)航電文進(jìn)行幀同步和子幀同步處理，幀同步就是識別一個幀的起始和結(jié)束，同理子幀同步就是識別一個子幀的起始和結(jié)束。在比特同步之后只要識別出每幀的幀頭就可以很容易獲取導(dǎo)航電文中各個子幀在導(dǎo)航電文中的相對位置，當(dāng)幀同步和子幀同步之后，對導(dǎo)航電文進(jìn)行奇偶校驗，最后再按照電文結(jié)構(gòu)解讀每一項的內(nèi)容。

以GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航電文為例，導(dǎo)航電文的基本單位是長1500 bit的一個主幀（Frame），一個主幀包括5個子幀（subframe），每一子幀都包含10個字（word），每個字長為30 bits，即每個子幀長300 bits。子幀1，2和3在每幀中重復(fù)，子幀4和5有25種形式（同樣的結(jié)構(gòu)，不同的數(shù)據(jù)），即1頁～25頁。導(dǎo)航電文的傳輸速率是50bit/ s，傳輸一個子幀需要6 Sec，傳送完畢一個主幀需要30 Sec，所以，傳輸一個完整的導(dǎo)航電文（25個主幀）需要750 Sec（12.5 minute）。

圖55　　子幀1數(shù)據(jù)格式

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航電文子幀1數(shù)據(jù)格式如圖55所示，每個子幀遙測字TLM（Telemetry Word）和交接字HOW（Hand Over Word）兩個特殊的字開始。遙測字TLM是每個子幀的第一個字（word 1），每6s重復(fù)一次，包括8 bit的幀頭（10001011），16 bit預(yù)留數(shù)據(jù)位（data）和6 bit奇偶校驗位（parity），其中幀頭用于幀同步，每個正確的幀頭都標(biāo)記了導(dǎo)航數(shù)據(jù)子幀的起始位置，主要作用是指明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)，是各子幀同步的起點。因此，在進(jìn)行電文子幀同步的時候，首先要搜索所獲取的導(dǎo)航電文中幀頭的位置，所搜索到的幀頭還有可能是調(diào)制數(shù)據(jù)，為防止由此引起的誤搜索，然后對遙測字TLM 30 bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗檢查，然后再檢查對交接字HOW的30 bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗檢查，交接字奇偶校驗檢查通過后則可以提取出交接字的子幀ID號，正常子幀ID號是從1～5，上述所有檢查通過后則可以正確識別子幀幀頭的起始位置。

經(jīng)過子幀同步和奇偶校驗檢查后，就識別出了每一幀的起始和結(jié)束位，然后將未解碼數(shù)據(jù)送入譯碼器就可以讀取導(dǎo)航電文參數(shù)了，導(dǎo)航電文就是指包含衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、系統(tǒng)時間、星載原子鐘改正參數(shù)、軌道攝動改正參數(shù)、電離層和對流層延遲改正參數(shù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)、遙測碼以及有C/A碼確定P碼交換碼等二進(jìn)制編碼導(dǎo)航信息，導(dǎo)航電文是接收機(jī)定位解算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

GPS系統(tǒng)采用地心慣性坐標(biāo)系ECI描述衛(wèi)星開普勒6個軌道參數(shù)，包括平均近地點M0、平均運動的校正值Δn、偏心率e、半長軸的平方根A1/2、升交點赤經(jīng)OMEGA0、軌道傾角i0、近地點幅角ω、升交點赤經(jīng)變化率OMEGADOT、軌道傾角變化率IDOT、對維度幅角余弦的校正值CUC、對維度幅角正弦的校正值CUS、對軌道半徑余弦的校正值CrC、對軌道半徑正弦的校正值CrS、對軌道傾角余弦的校正值CiC、對軌道傾角正弦的校正值CiS、星歷參考時間toe，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文星歷參數(shù)定義如表1所示，

表1　GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文星歷參數(shù)定義

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航電文子幀2和子幀3定義了上述星歷參數(shù)數(shù)據(jù)。Block II和IIA衛(wèi)星有效載荷的導(dǎo)航任務(wù)數(shù)據(jù)單元（MDU）至少存儲60天的導(dǎo)航電文，當(dāng)衛(wèi)星無法在星上計算機(jī)內(nèi)存中找到必需的有效控制或數(shù)據(jù)元素時，字3到字10中將交替?zhèn)鬏?和0來代替正常的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，這種默認(rèn)操作簡述如下：

（a）受影響的字的奇偶校驗將無效；

4.培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)自練和終身體育鍛煉意識。在體育教學(xué)中，教師應(yīng)有計劃、有目的地創(chuàng)造必要的時間、空間與條件，放手讓學(xué)生獨立自主、生動活潑、主動積極地投身于體育鍛煉。

（b）字10的兩個尾比特將為0（使后面子幀的奇偶校驗有效）；

（c）如果問題是缺一個數(shù)據(jù)元素，那么只有有直接關(guān)系的子幀將被這樣處理；

（d）如果一個控制元素?zé)o法被找到，默認(rèn)操作將應(yīng)用于所有的子幀，并且所有的子幀將在HOW中顯示正確的子幀ID。一旦在衛(wèi)星內(nèi)存中或上傳期間發(fā)生的控制元素失效，將導(dǎo)致衛(wèi)星發(fā)送非標(biāo)準(zhǔn)碼（NSC和NSY），表明導(dǎo)航信號不可用。

4.5.8.5基本觀測量生成Generation of Basic Observables

跟蹤電路在信號捕獲的基礎(chǔ)上利用頻率鎖定環(huán)（FLL）可以直接獲得多普勒頻率偏差，利用鎖相環(huán)（PLL）獲得信號瞬時相位估計值，并利用延遲鎖相環(huán)（DLL）估計的偽碼延遲數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星和用戶接收機(jī)之間的偽距（pseudo-range）。

衛(wèi)星有星載時鐘，如果衛(wèi)星在時刻t0播發(fā)了調(diào)制有測距碼的導(dǎo)航信號，用戶接收機(jī)有本地時鐘，用戶接收機(jī)在本地時刻t1接收到衛(wèi)星信號，假設(shè)衛(wèi)星時鐘和接收機(jī)本地時鐘時間完全同步，那么通過計算這個時間差”t1-t0”就能知道導(dǎo)航信號的傳播時間Δt，導(dǎo)航信號的傳播時間乘以無線電信號的傳播速度就可以得到的衛(wèi)星與用戶機(jī)之間的距離，星地之間的距離觀測過程如圖56所示，

圖56　　星地之間的距離觀測過程

衛(wèi)星m和用戶接收機(jī)之間的偽距計算公式可以表示為：

是以用戶接收機(jī)時鐘為基準(zhǔn)的導(dǎo)航信號的接收時刻，接收時刻含有相對于絕對時間基準(zhǔn)（例如GPS系統(tǒng)時）的誤差、導(dǎo)航信號傳播時延、接收設(shè)備時延以及熱噪聲；

是無線電導(dǎo)航信號的傳播速度，即光速。

因此，星地之間距離的測量實質(zhì)是測距碼信號從衛(wèi)星到接收機(jī)傳播時間（時延）的測量。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位過程中存在三個時間系統(tǒng)，用戶接收機(jī)的時間、導(dǎo)航衛(wèi)星的時間以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的參考時間，例如Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間參考系統(tǒng)為“GST”（Galileo System Time），GPS全球定位系統(tǒng)的時間參考系統(tǒng)為“GPST”（GPS Time）。三個時間系統(tǒng)之間必然存在偏差，因此根據(jù)導(dǎo)航信號的傳播時間得到的衛(wèi)星與用戶機(jī)之間的距離存在較大偏差，這也正是將測得的距離稱之為偽距的緣由，在代入導(dǎo)航方程求解前必須予以修正。

現(xiàn)實中用戶接收機(jī)時鐘不可能與衛(wèi)星星載原子鐘保持同步，衛(wèi)星采用高精度高穩(wěn)定度的原子鐘，而用戶接收機(jī)則采用一般精度的石英鐘，但這并不重要，也不需要同步，只需要知道用戶接收機(jī)時鐘與衛(wèi)星星載原子鐘之間的偏差即可，咱們可以把用戶接收機(jī)時鐘與衛(wèi)星星載原子鐘之間的偏差作為未知量來求解，最簡單的方法就是通過增加觀測衛(wèi)星數(shù)量在定位方程中統(tǒng)一解算。

地面運行控制系統(tǒng)采取星地雙向時間比對等技術(shù)，通過定時修正每顆衛(wèi)星的時鐘，可以實現(xiàn)軌道上所有導(dǎo)航衛(wèi)星的時間與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間保持一致，或者說做到完全同步。因此，上文的假設(shè)是成立的！

具體測量星地之間距離時，用戶接收機(jī)的時間可以預(yù)知，也可以假定一個具體的時刻，也就是說，只要知道導(dǎo)航信號發(fā)射的時刻就可以計算出偽距，即，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是接收機(jī)在接收到導(dǎo)航信號的t1時刻必須知道衛(wèi)星是什么時刻 ！

怎么辦呢？

事實上衛(wèi)星導(dǎo)航信號電文的編排使得信號播發(fā)流程中的任意點都有自己的準(zhǔn)確時間。一般情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航用戶接收機(jī)利用接收到的每顆衛(wèi)星的時間歷元，外推以衛(wèi)星鐘為基準(zhǔn)的導(dǎo)航信號的播發(fā)時刻（實現(xiàn)星地時間同步），進(jìn)而得到導(dǎo)航信號的傳播時間，注意每顆衛(wèi)星都有一個獨立的PRN測距碼，基本概念如圖57所示。周內(nèi)秒計數(shù)TOW （Time Of Week）是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航信號的時間標(biāo)記（time stamp），時間標(biāo)記簡稱時標(biāo)，時標(biāo)記錄在導(dǎo)航電文每個子幀的起始位置處。

以GPS系統(tǒng)L1頻點C/A碼信號為例，GPS系統(tǒng)導(dǎo)航電文的基本單位是長1500bit的一個主幀（Frame），一個主幀包括5個子幀（subframe），每個子幀有300個數(shù)據(jù)比特（data bit），每一個數(shù)據(jù)比特20ms，比特內(nèi)有20個C/A測距碼，每個C/A測距碼長度為1023個碼片（chip），碼片速率（Chipping rate）為1.023 Mcps，C/A測距碼信號周期是ms（約為1ms），每個碼片對應(yīng)時間1/1023 ms。在導(dǎo)航信號跟蹤過程中碼數(shù)控振蕩器（NCO）將每個碼片又進(jìn)一步分為若干部分，這部分分辨率的大小與NCO的字長有關(guān)。接收機(jī)的任意一個采樣時刻所采集到的衛(wèi)星信號都會有上述幾個不同部分，通過拼接后就能得到完整的衛(wèi)星信號在空間中的傳播時間了。由于不同接收機(jī)的設(shè)計會有差異，同時在電路處理過程中通常不是由一個環(huán)節(jié)來完成所有測量過程，這就出現(xiàn)了從某些單元或寄存器讀取數(shù)據(jù)再拼接的情形。信號比特位同步以及幀同步后，接收機(jī)外推導(dǎo)航信號的傳播時間過程如圖58所示。

圖57　接收機(jī)外推導(dǎo)航信號傳播時間原理

圖58　接收機(jī)實現(xiàn)星地時間同步后，外推導(dǎo)航信號的傳播時間

首先，根據(jù)導(dǎo)航電文的Z記數(shù)可以知道導(dǎo)航電文每一幀數(shù)據(jù)開始時對應(yīng)的全球定位系統(tǒng)的時間GPST，Z計數(shù)實際是一個時間計數(shù)，它以每星期六/星期日子夜零時起算的時間計數(shù)，給出下一幀開始瞬間的GPS時。由于傳輸一個子幀需要持續(xù)6 Sec，所以下一個子幀開始的時間為6XZ Sec，用戶接收機(jī)可以通過交接字將本地時間精確同步到GPS系統(tǒng)時間。

其次，幀同步后，我們對數(shù)據(jù)位、碼周期數(shù)、半個碼片滑動整數(shù)及小數(shù)部分分別進(jìn)行計數(shù)，就可以精確地推算出接收到導(dǎo)航信號的t1時刻對應(yīng)的導(dǎo)航信號的發(fā)射時刻，計算公式如下：

式中：TOW表示當(dāng)前子幀所對應(yīng)的周內(nèi)時計數(shù)，w表示當(dāng)前子幀中接收到的字?jǐn)?shù)，b表示當(dāng)前字中接收到的比特數(shù)，c表示當(dāng)前比特中接收到的C/A碼周期數(shù)，CP表示當(dāng)前周期內(nèi)碼相位測量值。Ts是以衛(wèi)星鐘為基準(zhǔn)的導(dǎo)航信號的播發(fā)時刻（單位為秒）。

小結(jié)：

偽距的測量：在接收機(jī)的跟蹤狀態(tài)下，經(jīng)過數(shù)據(jù)解調(diào)后，讀取本地參考時鐘t1和衛(wèi)星時鐘的讀數(shù)t2的差，即為衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到用戶的傳播時間Δt，偽距d=Δt·c

偽距變化率的測量：利用相鄰時刻間的多普勒頻率的變化以及載波的波長即可估計。

對基帶信號要經(jīng)過比特同步處理，以得到電文數(shù)據(jù)。電文數(shù)據(jù)還要幀同步和子幀同步，再經(jīng)過信道解碼糾正傳輸中出現(xiàn)的錯誤并去掉冗余數(shù)據(jù)，對軍用電文可能還要進(jìn)行解密處理，才能得到導(dǎo)航電文中的有效數(shù)據(jù)。