+ 劉天雄

衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機原理與設計
——之九（下）

+ 劉天雄

4.5基帶數字信號處理

4.5.8.4導航電文解碼

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

為了譯碼導航電文，接收機還需要對導航電文進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束，同理子幀同步就是識別一個子幀的起始和結束。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航電文中各個子幀在導航電文中的相對位置，當幀同步和子幀同步之后，對導航電文進行奇偶校驗，最后再按照電文結構解讀每一項的內容。

以GPS系統(tǒng)的導航電文為例，導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，子幀4和5有25種形式（同樣的結構，不同的數據），即1頁～25頁。導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，傳輸一個完整的導航電文（25個主幀）需要750 Sec（12.5 minute）。

圖55　　子幀1數據格式

GPS系統(tǒng)導航電文子幀1數據格式如圖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重復一次，包括8 bit的幀頭（10001011），16 bit預留數據位（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記了導航數據子幀的起始位置，主要作用是指明衛(wèi)星注入數據的狀態(tài)，作為捕獲導航電文的前導，是各子幀同步的起點。因此，在進行電文子幀同步的時候，首先要搜索所獲取的導航電文中幀頭的位置，所搜索到的幀頭還有可能是調制數據，為防止由此引起的誤搜索，然后對遙測字TLM 30 bit的數據進行奇偶校驗檢查，然后再檢查對交接字HOW的30 bit的數據進行奇偶校驗檢查，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束位，然后將未解碼數據送入譯碼器就可以讀取導航電文參數了，導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、軌道攝動改正參數、電離層和對流層延遲改正參數、衛(wèi)星工作狀態(tài)、遙測碼以及有C/A碼確定P碼交換碼等二進制編碼導航信息，導航電文是接收機定位解算的數據基礎。

GPS系統(tǒng)采用地心慣性坐標系ECI描述衛(wèi)星開普勒6個軌道參數，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OMEGA0、軌道傾角i0、近地點幅角ω、升交點赤經變化率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)星導航電文星歷參數定義如表1所示，

表1　GPS衛(wèi)星導航電文星歷參數定義

GPS系統(tǒng)導航電文子幀2和子幀3定義了上述星歷參數數據。Block II和IIA衛(wèi)星有效載荷的導航任務數據單元（MDU）至少存儲60天的導航電文，當衛(wèi)星無法在星上計算機內存中找到必需的有效控制或數據元素時，字3到字10中將交替?zhèn)鬏?和0來代替正常的導航數據，這種默認操作簡述如下：

（a）受影響的字的奇偶校驗將無效；

4.培養(yǎng)學生自學自練和終身體育鍛煉意識。在體育教學中，教師應有計劃、有目的地創(chuàng)造必要的時間、空間與條件，放手讓學生獨立自主、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據元素，那么只有有直接關系的子幀將被這樣處理；

（d）如果一個控制元素無法被找到，默認操作將應用于所有的子幀，并且所有的子幀將在HOW中顯示正確的子幀ID。一旦在衛(wèi)星內存中或上傳期間發(fā)生的控制元素失效，將導致衛(wèi)星發(fā)送非標準碼（NSC和NSY），表明導航信號不可用。

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）估計的偽碼延遲數據計算衛(wèi)星和用戶接收機之間的偽距（pseudo-range）。

衛(wèi)星有星載時鐘，如果衛(wèi)星在時刻t0播發(fā)了調制有測距碼的導航信號，用戶接收機有本地時鐘，用戶接收機在本地時刻t1接收到衛(wèi)星信號，假設衛(wèi)星時鐘和接收機本地時鐘時間完全同步，那么通過計算這個時間差”t1-t0”就能知道導航信號的傳播時間Δt，導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和用戶接收機之間的偽距計算公式可以表示為：

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

是無線電導航信號的傳播速度，即光速。

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

衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位過程中存在三個時間系統(tǒng)，用戶接收機的時間、導航衛(wèi)星的時間以及衛(wèi)星導航系統(tǒng)的參考時間，例如Galileo衛(wèi)星導航系統(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，因此根據導航信號的傳播時間得到的衛(wèi)星與用戶機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，在代入導航方程求解前必須予以修正。

現實中用戶接收機時鐘不可能與衛(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，通過定時修正每顆衛(wèi)星的時鐘，可以實現軌道上所有導航衛(wèi)星的時間與衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間保持一致，或者說做到完全同步。因此，上文的假設是成立的！

具體測量星地之間距離時，用戶接收機的時間可以預知，也可以假定一個具體的時刻，也就是說，只要知道導航信號發(fā)射的時刻就可以計算出偽距，即，關鍵環(huán)節(jié)是接收機在接收到導航信號的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確時間。一般情況下，衛(wèi)星導航用戶接收機利用接收到的每顆衛(wèi)星的時間歷元，外推以衛(wèi)星鐘為基準的導航信號的播發(fā)時刻（實現星地時間同步），進而得到導航信號的傳播時間，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。周內秒計數TOW （Time Of Week）是衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航衛(wèi)星播發(fā)導航信號的時間標記（time stamp），時間標記簡稱時標，時標記錄在導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個數據比特（data bit），每一個數據比特20ms，比特內有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），每個碼片對應時間1/1023 ms。在導航信號跟蹤過程中碼數控振蕩器（NCO）將每個碼片又進一步分為若干部分，這部分分辨率的大小與NCO的字長有關。接收機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。由于不同接收機的設計會有差異，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，這就出現了從某些單元或寄存器讀取數據再拼接的情形。信號比特位同步以及幀同步后，接收機外推導航信號的傳播時間過程如圖58所示。

圖57　接收機外推導航信號傳播時間原理

圖58　接收機實現星地時間同步后，外推導航信號的傳播時間

首先，根據導航電文的Z記數可以知道導航電文每一幀數據開始時對應的全球定位系統(tǒng)的時間GPST，Z計數實際是一個時間計數，它以每星期六/星期日子夜零時起算的時間計數，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，我們對數據位、碼周期數、半個碼片滑動整數及小數部分分別進行計數，就可以精確地推算出接收到導航信號的t1時刻對應的導航信號的發(fā)射時刻，計算公式如下：

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

小結：

偽距的測量：在接收機的跟蹤狀態(tài)下，經過數據解調后，讀取本地參考時鐘t1和衛(wèi)星時鐘的讀數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。

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