秦　奮　楊　軍　劉新寧

摘 要：針對GPS接收機上電開機后熱啟動問題,闡述一種新型的快速熱啟動方法。首先研究了衛(wèi)星導(dǎo)航測距定位原理,在此基礎(chǔ)上深入分析接收機基帶信號處理鏈路。當(dāng)處于衛(wèi)星信號跟蹤狀態(tài)下,利用接收機實時時鐘單元RTC直接預(yù)測衛(wèi)星發(fā)射時間,省去了通常耗時的子幀同步過程。此快速熱啟動策略,相比傳統(tǒng)方法,既滿足了定位速度要求,又具有較高時間準(zhǔn)確度,熱啟動首次定位時間大為縮短。

關(guān)鍵詞：GPS接收機;熱啟動;偽距;首次定位時間

中圖分類號：P228.4 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-011-03

Analysis and Design of Fast Hot-start in GPS Receiver

QIN Fen,YANG Jun,LIU Xinning

(National ASIC System Engineering Research Center,Southeast University,Nanjing,210096,China)

Abstract：For the question of fast hot-start in the GPS receiver after power-on,a new fast hot-start method is introduced.The analysis is presented for the method of pseudorange measurement in navigation and positioning at first.Base on this,the baseband signal process is researched.While the signal from the satellite is tracked,the new hot-start method is assistant by the RTC of the receiver,and the conventional subframe synchronization could be avoided,which costs much time.Compared with the conventional way,the time to first fix in the hot-start is shortened sharply.

Keywords：GPS receiver;hot-start;pseudorange;time to first fix

0 引 言

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)經(jīng)過數(shù)十年的應(yīng)用開發(fā),已具備了全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點,贏得了廣大用戶的信賴,已從最初的軍事應(yīng)用,逐漸過渡到國民經(jīng)濟基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。在性能上,衛(wèi)星導(dǎo)航用戶產(chǎn)品朝著快速定位、高靈敏度、高精度、小型化、低功耗、組合導(dǎo)航等方向發(fā)展。導(dǎo)航接收機的快速定位能力,主要由首次定位時間(Time To First Fix,TTFF)這項指標(biāo)決定。提高首次定位時間這項性能,無論對于車載導(dǎo)航市場,還是導(dǎo)彈導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域,都尤為重要［1］。但是,由于這項技術(shù)在商用以及軍事應(yīng)用的保密性和敏感性,國內(nèi)一直無法獲得國外的相關(guān)成熟技術(shù)。因此,深入研究這項技術(shù)就顯得非常重要。

根據(jù)導(dǎo)航接收機開機上電時的不同實際情況,首次定位過程有冷啟動、溫啟動和熱啟動三種模式。冷啟動模式基本沒有可用信息,啟動過程在40 s左右；溫啟動和熱啟動模式,是分別利用衛(wèi)星歷書和衛(wèi)星星歷,明確當(dāng)前用戶位置可見衛(wèi)星號,進行定位。國外導(dǎo)航接收機知名公司如Sirf、U-Blox的導(dǎo)航產(chǎn)品,熱啟動在2～4 s［2］;國內(nèi)接收機目前熱啟動時間在9 s,快速定位技術(shù)和國外差距較大,還不成熟?，F(xiàn)以接收機的熱啟動為例,在分析導(dǎo)航接收機的首次定位過程基礎(chǔ)上,提出新型快速熱啟動策略,提升50％～60％的熱啟動性能。

1 定位測距原理

GPS系統(tǒng)中,采用本地時間減去衛(wèi)星信號發(fā)射時間,可以獲得單顆衛(wèi)星的偽距。但是,衛(wèi)星和接收機的時鐘偏差以及各種誤差源都會使衛(wèi)星到用戶的幾何距離測量不準(zhǔn)。誤差源包括大氣延遲、接收機噪聲、多徑等［3］。由這些誤差引起的時間偏差為：

δt〥=δt゛tm + δt﹏oise + δt﹎p + δt﹉w + δt㏒A

(1)

式中,δt゛tm 為大氣層引起的延遲；δt﹏oise為接收機噪聲和分辨率偏差；δt﹎p為多徑偏差；δt﹉w為接收機硬件偏差；δt㏒A為GPS選擇可用性(SA)偏差。

這樣,如圖1所示,包含了各種誤差的偽距計算式：

ρ=c*［

T′u-

T′s

］=

c*(Tu+δtD+tu)–c*(Ts+δs)=

r+c*(δtD+tu-δs)

(2)

式中,Δt為幾何距離時間等效值；Ts為信號離開衛(wèi)星系統(tǒng)時；Tu為無δtD的條件下,信號到達接收機的系統(tǒng)時(理論上的精確值)；Tu+tu=無δtD的條件下,信號到達接收機時的接收機RTC(Real Time Clock)時鐘讀數(shù)；

T′u

=Tu+δtD+tu為有δtD的條件下,信號到達接收機時的接收機RTC時鐘讀數(shù)；δs為衛(wèi)星時鐘與系統(tǒng)時的偏差；tu為接收機時鐘與系統(tǒng)時的偏差；T′s=Ts+δs為信號離開衛(wèi)星時的衛(wèi)星時鐘讀數(shù)；c為光速；r=c*(Tu-Ts)。

圖1 偽距測量時間關(guān)系

經(jīng)過衛(wèi)星時鐘偏差校正、大氣延遲校正后,得到了修正過后的偽距ρ′：

ρ′=ρ–c*(δtD-δs)=r+c*tu

(3)

如果此時能夠獲得至少4顆衛(wèi)星的修正偽距,同時根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射時間Ts計算出相應(yīng)衛(wèi)星坐標(biāo),則可以通過最小二乘法計算出接收機的準(zhǔn)確位置［4］。

2 快速熱啟動算法的設(shè)計

2.1 熱啟動首次定位過程分析

由上一節(jié)的分析可以看出,本地時間可以由接收機RTC單元提供,屬于已知量。那么,計算偽距的關(guān)鍵在于獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星發(fā)射時間,也就是式(2)所討論的。本小節(jié)結(jié)合圖2,分析GPS接收機信號處理流程中如何獲得衛(wèi)星發(fā)射時間。

圖2 GPS接收機信號處理流程圖

每顆GPS衛(wèi)星廣播兩種類型的PRN測距碼：一種是C/A碼,另一種是P碼。本文以C/A碼為例進行分析和研究。C/A碼有1 ms的周期,1 023個值為+1或-1的碼恒定地重復(fù),碼的編號為1～1 023。GPS導(dǎo)航電文按子幀播發(fā),每子幀共300 b的數(shù)據(jù),每比特數(shù)據(jù)周期20 ms,C/A碼在此20 ms內(nèi)重復(fù)20次［5］。

跟蹤狀態(tài)下,本地復(fù)現(xiàn)碼對接收到的C/A碼進行“跟蹤”。從圖2可以看出,跟蹤衛(wèi)星信號之前,先完成了比特同步,即20 ms數(shù)據(jù)邊界的判定［6］。那么進入信號跟蹤以后,接收機本地復(fù)現(xiàn)碼與衛(wèi)星發(fā)射碼精確對準(zhǔn)。此時,可以認為衛(wèi)星發(fā)射時刻

T′s

,由20 ms以內(nèi)部分tゝraction_20和20 ms以上整數(shù)部分t﹊nteger_20。而tゝraction_20通過跟蹤已經(jīng)獲得,只是t﹊nteger_20還屬于未知量。此時:

T′2＝tゝraction_20+t﹊nteger_20*20

(4)

2.2 快速熱啟動策略

如何獲得t﹊nteger_20,決定了傳統(tǒng)熱啟動方法和快速熱啟動方法的不同。熱啟動條件下,傳統(tǒng)方法是在完成子幀校驗后,得到t﹊nteger_20；而快速熱啟動方法是在跟蹤狀態(tài),使用本地RTC,基于接收機和衛(wèi)星距離,判定t﹊nteger_20。第一種方法,由于需要等待子幀校驗,最長耗費一個子幀的周期6 s時間才能完成；第二種方法,由于使用本地RTC,不需要等待子幀同步,那么在熱啟動時間上就可以節(jié)省6 s的時間,進行快速定位。

假設(shè)進入跟蹤以后的RTC讀出的本地時刻T′u=T﹗+tu+δtD,式中參量含義見式(1),tu為接收機RTC時鐘單元與系統(tǒng)時的偏差,<10 ms。由于tu非常小,可以根據(jù)T′u估計出衛(wèi)星i坐標(biāo)(x﹊0,y﹊0,z﹊0)。這樣可以估算出衛(wèi)星i到接收機的幾何距離:

ρi=(x－x﹊0)2+(y－y﹊0)2+(z－z﹊0)2

(5)

所以,衛(wèi)星的發(fā)射時刻

T′﹕i

T′u

-ρi/c,i代表了衛(wèi)星號。結(jié)合

T′﹕i

的近似值和已知的tゝraction_20_i,求解

T′﹕i和tu:

t﹊nteger_20=ceil((T′u－ρi/c－10－tゝraction_20_i)/20)

(6)

T′﹕i

＝20*ceil((T′u－ρi/c－10－tゝraction_20_i)/20)+

tゝraction_20_i

(7)

式(7)中,ceil表示對浮點數(shù)朝+∞方向取整的函數(shù)。

獲得了衛(wèi)星發(fā)射時間T′﹕i,可以按照式(2)計算出衛(wèi)星i到接收機的偽距。這時基于星歷,重新計算衛(wèi)星發(fā)射時刻T﹕i的衛(wèi)星坐標(biāo)(x﹊,y﹊,zi)。基于上述過程,當(dāng)獲得了4顆以上衛(wèi)星坐標(biāo)和各衛(wèi)星到接收機的偽距后,可以開始結(jié)算出接收機坐標(biāo)［7］。

3 快速熱啟動的失效檢測機制

由上一節(jié)可以看出,使用本文設(shè)計的方案前提條件就是本地時間與系統(tǒng)時的偏差tu<10 ms。如果接收機熱啟動時,不能滿足快速熱啟動的前提,那么該方案的有效性就無從談起。所以采用快速熱啟動方案,必須配以相應(yīng)的失效檢測機制,如圖3所示。

圖3 快速熱啟動含失效檢測機制的流程圖

4 結(jié) 語

本文對GPS接收機熱啟動首次定位過程進行了研究,著重分析了本文設(shè)計的新型快速熱啟動算法?；诳焖贌釂釉?熱啟動首次定位時間將能提高5～6 s,相比傳統(tǒng)的熱啟動性能(9 s左右),提高了50%～60％。隨著新一代GNSS(Global Navigation Satellite System)的不斷建設(shè)壯大,融合GPS,GLONASS,GALILEO和北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的接收機將成為市場和研究的熱點,快速熱啟動算法在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合時代的應(yīng)用,還需要進一步的研究。

參考文獻

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作者簡介秦 奮 男,1984年出生,碩士。2006年起參與了江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目《GPS導(dǎo)航SOC芯片及系列目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化》,目前的研究方向為GNSS接收機基帶算法與定位解算數(shù)據(jù)融合。