+ 劉天雄

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

+ 劉天雄

4.5基帶數(shù)字信號(hào)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(hào)跟蹤過(guò)程中實(shí)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(shí)現(xiàn)信號(hào)偽碼相位和載波頻率的精確估計(jì)，并動(dòng)態(tài)地跟蹤導(dǎo)航信號(hào)多普勒頻移和測(cè)距碼相位的變化，成功實(shí)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(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行幀同步和子幀同步處理，幀同步就是識(shí)別一個(gè)幀的起始和結(jié)束，同理子幀同步就是識(shí)別一個(gè)子幀的起始和結(jié)束。在比特同步之后只要識(shí)別出每幀的幀頭就可以很容易獲取導(dǎo)航電文中各個(gè)子幀在導(dǎo)航電文中的相對(duì)位置，當(dāng)幀同步和子幀同步之后，對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，最后再按照電文結(jié)構(gòu)解讀每一項(xiàng)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(zhǎng)1500 bit的一個(gè)主幀（Frame），一個(gè)主幀包括5個(gè)子幀（subframe），每一子幀都包含10個(gè)字（word），每個(gè)字長(zhǎng)為30 bits，即每個(gè)子幀長(zhǎng)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(yè)～25頁(yè)。導(dǎo)航電文的傳輸速率是50bit/ s，傳輸一個(gè)子幀需要6 Sec，傳送完畢一個(gè)主幀需要30 Sec，所以，傳輸一個(gè)完整的導(dǎo)航電文（25個(gè)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(gè)子幀遙測(cè)字TLM（Telemetry Word）和交接字HOW（Hand Over Word）兩個(gè)特殊的字開始。遙測(cè)字TLM是每個(gè)子幀的第一個(gè)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(yàn)位（parity），其中幀頭用于幀同步，每個(gè)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(diǎn)。因此，在進(jìn)行電文子幀同步的時(shí)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(duì)遙測(cè)字TLM 30 bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)檢查，然后再檢查對(duì)交接字HOW的30 bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)檢查，交接字奇偶校驗(yàn)檢查通過(guò)后則可以提取出交接字的子幀ID號(hào)，正常子幀ID號(hào)是從1～5，上述所有檢查通過(guò)后則可以正確識(shí)別子幀幀頭的起始位置。

經(jīng)過(guò)子幀同步和奇偶校驗(yàn)檢查后，就識(shí)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(shí)間、星載原子鐘改正參數(shù)、軌道攝動(dòng)改正參數(shù)、電離層和對(duì)流層延遲改正參數(shù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)、遙測(cè)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(gè)軌道參數(shù)，包括平均近地點(diǎn)M0、平均運(yùn)動(dòng)的校正值Δn、偏心率e、半長(zhǎng)軸的平方根A1/2、升交點(diǎn)赤經(jīng)OMEGA0、軌道傾角i0、近地點(diǎn)幅角ω、升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率OMEGADOT、軌道傾角變化率IDOT、對(duì)維度幅角余弦的校正值CUC、對(duì)維度幅角正弦的校正值CUS、對(duì)軌道半徑余弦的校正值CrC、對(duì)軌道半徑正弦的校正值CrS、對(duì)軌道傾角余弦的校正值CiC、對(duì)軌道傾角正弦的校正值CiS、星歷參考時(shí)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(chǔ)60天的導(dǎo)航電文，當(dāng)衛(wèi)星無(wú)法在星上計(jì)算機(jī)內(nèi)存中找到必需的有效控制或數(shù)據(jù)元素時(shí)，字3到字10中將交替?zhèn)鬏?和0來(lái)代替正常的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，這種默認(rèn)操作簡(jiǎn)述如下：

（a）受影響的字的奇偶校驗(yàn)將無(wú)效；

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

（b）字10的兩個(gè)尾比特將為0（使后面子幀的奇偶校驗(yàn)有效）；

（c）如果問(wèn)題是缺一個(gè)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(gè)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(hào)不可用。

4.5.8.5基本觀測(cè)量生成Generation of Basic Observables

跟蹤電路在信號(hào)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(hào)瞬時(shí)相位估計(jì)值，并利用延遲鎖相環(huán)（DLL）估計(jì)的偽碼延遲數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)鐘，如果衛(wèi)星在時(shí)刻t0播發(fā)了調(diào)制有測(cè)距碼的導(dǎo)航信號(hào)，用戶接收機(jī)有本地時(shí)鐘，用戶接收機(jī)在本地時(shí)刻t1接收到衛(wèi)星信號(hào)，假設(shè)衛(wèi)星時(shí)鐘和接收機(jī)本地時(shí)鐘時(shí)間完全同步，那么通過(guò)計(jì)算這個(gè)時(shí)間差”t1-t0”就能知道導(dǎo)航信號(hào)的傳播時(shí)間Δt，導(dǎo)航信號(hào)的傳播時(shí)間乘以無(wú)線電信號(hào)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(cè)過(guò)程如圖56所示，

圖56　　星地之間的距離觀測(cè)過(guò)程

衛(wèi)星m和用戶接收機(jī)之間的偽距計(jì)算公式可以表示為：

是以用戶接收機(jī)時(shí)鐘為基準(zhǔn)的導(dǎo)航信號(hào)的接收時(shí)刻，接收時(shí)刻含有相對(duì)于絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)（例如GPS系統(tǒng)時(shí)）的誤差、導(dǎo)航信號(hào)傳播時(shí)延、接收設(shè)備時(shí)延以及熱噪聲；

是無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)的傳播速度，即光速。

因此，星地之間距離的測(cè)量實(shí)質(zhì)是測(cè)距碼信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)傳播時(shí)間（時(shí)延）的測(cè)量。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位過(guò)程中存在三個(gè)時(shí)間系統(tǒng)，用戶接收機(jī)的時(shí)間、導(dǎo)航衛(wèi)星的時(shí)間以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的參考時(shí)間，例如Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)為“GST”（Galileo System Time），GPS全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)為“GPST”（GPS Time）。三個(gè)時(shí)間系統(tǒng)之間必然存在偏差，因此根據(jù)導(dǎo)航信號(hào)的傳播時(shí)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(cè)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(shí)中用戶接收機(jī)時(shí)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(shí)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(shí)鐘與衛(wèi)星星載原子鐘之間的偏差作為未知量來(lái)求解，最簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)增加觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量在定位方程中統(tǒng)一解算。

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

具體測(cè)量星地之間距離時(shí)，用戶接收機(jī)的時(shí)間可以預(yù)知，也可以假定一個(gè)具體的時(shí)刻，也就是說(shuō)，只要知道導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射的時(shí)刻就可以計(jì)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(hào)的t1時(shí)刻必須知道衛(wèi)星是什么時(shí)刻 ！

怎么辦呢？

事實(shí)上衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)電文的編排使得信號(hào)播發(fā)流程中的任意點(diǎn)都有自己的準(zhǔn)確時(shí)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(shí)間歷元，外推以衛(wèi)星鐘為基準(zhǔn)的導(dǎo)航信號(hào)的播發(fā)時(shí)刻（實(shí)現(xiàn)星地時(shí)間同步），進(jìn)而得到導(dǎo)航信號(hào)的傳播時(shí)間，注意每顆衛(wèi)星都有一個(gè)獨(dú)立的PRN測(cè)距碼，基本概念如圖57所示。周內(nèi)秒計(jì)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(hào)的時(shí)間標(biāo)記（time stamp），時(shí)間標(biāo)記簡(jiǎn)稱時(shí)標(biāo)，時(shí)標(biāo)記錄在導(dǎo)航電文每個(gè)子幀的起始位置處。

以GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)C/A碼信號(hào)為例，GPS系統(tǒng)導(dǎo)航電文的基本單位是長(zhǎng)1500bit的一個(gè)主幀（Frame），一個(gè)主幀包括5個(gè)子幀（subframe），每個(gè)子幀有300個(gè)數(shù)據(jù)比特（data bit），每一個(gè)數(shù)據(jù)比特20ms，比特內(nèi)有20個(gè)C/A測(cè)距碼，每個(gè)C/A測(cè)距碼長(zhǎng)度為1023個(gè)碼片（chip），碼片速率（Chipping rate）為1.023 Mcps，C/A測(cè)距碼信號(hào)周期是ms（約為1ms），每個(gè)碼片對(duì)應(yīng)時(shí)間1/1023 ms。在導(dǎo)航信號(hào)跟蹤過(guò)程中碼數(shù)控振蕩器（NCO）將每個(gè)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(zhǎng)有關(guān)。接收機(jī)的任意一個(gè)采樣時(shí)刻所采集到的衛(wèi)星信號(hào)都會(huì)有上述幾個(gè)不同部分，通過(guò)拼接后就能得到完整的衛(wèi)星信號(hào)在空間中的傳播時(shí)間了。由于不同接收機(jī)的設(shè)計(jì)會(huì)有差異，同時(shí)在電路處理過(guò)程中通常不是由一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)完成所有測(cè)量過(guò)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(hào)比特位同步以及幀同步后，接收機(jī)外推導(dǎo)航信號(hào)的傳播時(shí)間過(guò)程如圖58所示。

圖57　接收機(jī)外推導(dǎo)航信號(hào)傳播時(shí)間原理

圖58　接收機(jī)實(shí)現(xiàn)星地時(shí)間同步后，外推導(dǎo)航信號(hào)的傳播時(shí)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(shí)對(duì)應(yīng)的全球定位系統(tǒng)的時(shí)間GPST，Z計(jì)數(shù)實(shí)際是一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)，它以每星期六/星期日子夜零時(shí)起算的時(shí)間計(jì)數(shù)，給出下一幀開始瞬間的GPS時(shí)。由于傳輸一個(gè)子幀需要持續(xù)6 Sec，所以下一個(gè)子幀開始的時(shí)間為6XZ Sec，用戶接收機(jī)可以通過(guò)交接字將本地時(shí)間精確同步到GPS系統(tǒng)時(shí)間。

其次，幀同步后，我們對(duì)數(shù)據(jù)位、碼周期數(shù)、半個(gè)碼片滑動(dòng)整數(shù)及小數(shù)部分分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以精確地推算出接收到導(dǎo)航信號(hào)的t1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻，計(jì)算公式如下：

式中：TOW表示當(dāng)前子幀所對(duì)應(yīng)的周內(nèi)時(shí)計(jì)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?cái)?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(cè)量值。Ts是以衛(wèi)星鐘為基準(zhǔn)的導(dǎo)航信號(hào)的播發(fā)時(shí)刻（單位為秒）。

小結(jié)：

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

偽距變化率的測(cè)量：利用相鄰時(shí)刻間的多普勒頻率的變化以及載波的波長(zhǎng)即可估計(jì)。

對(duì)基帶信號(hào)要經(jīng)過(guò)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(guò)信道解碼糾正傳輸中出現(xiàn)的錯(cuò)誤并去掉冗余數(shù)據(jù)，對(duì)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)。