GPS信号接收机的工作原理解析GNSS导航信号的收发问题之十

各种观测手段，有着非常严格的观测规范，要想取得真实、可靠的观测数据，必须在规定的时间内，做好各项数据的采集、整理、计算和技术分析，定点、定时、定量、定位非常严格，否则就没有研究的价值。数据接收的思想是，当不在字节帧接收过程时，每次定时中断以3倍的波特率监视rxd的状态，当其连续3次采样电平依 次为1、0、0时，就认为检测到了起始位，则开始启动一次字节帧接收，字节帧接收过程由接收状态机控制，每次中断只接收1个位，经过若干个定时中断完成1 个字节帧的接收。采集程序首先用“ＡＩＣＯＮＦＩＧ”函数设置参数,然后由“ＡＩＳＴＡＲＴ”函数触发采集过程开始.进入循环体后,一方面硬件把采集到的数据不断交替写入Ｂｕｆｆｅｒ,另一方面“ＡＩＲＥＡＤ”函数定时读出Ｂｕｆｆｅｒ中的数据,并清空位置,留给后续的数据.子程序“ＭＹＤＡＴＡＰＲＯＣ”对“ＡＩＲＥＡＤ”函数读出的数据流加以处理、送屏显示并以二进制格式存盘.采集结束后,“ＡＩＣＬＥＡＲ”函数清空Ｂｕｆｆｅｒ,释放资源.。

由此可见，GPS 信号接收机的工作原理是相当复杂的，本文只能对其要点作一定的论述。2 捕获 C/A 码识别 GPS 信号用24颗卫星组成的 GPS 星座作导航定位测量时，对于某一个用户而言，能够同时接收到4 ～ 12颗卫星发送的 GPS 信号，即将有8 ～ 24个导航定位信号同时到达用户的全向接收天线。因此，如何从这些载波频率相同的接收信号中检析出各自需要的第一或第二 GPS 导航定位信号，是 GPS 信号接收机必须解决的首要问题。假定 GPS 信号接收机具有4个平行跟踪式波道，而有8颗卫星的 GPS 信号同时到达接收天线，它们经过混频、滤波和中放之后，若暂且略去信号在传播路径上和接收机内的附加时延，则有 ：式中，adt 为第 a 颗 GPS 卫星的导航定位信号到达用户接收天线所需要的时间 ；idt 为第 i 颗（i=2，3，4，…）GPS 卫星的导航定位信号到达用户接收天线所需要的时间 ；adω，ad2ω为第 a 颗卫星 GPS 信号的载波 L1和载波 L2的多普勒角频率 ；ω0，，0ω 为载波 L1和 L2的中频角频率 ；idω，id2ω 为第 i 颗卫星 GPS 信号的载波 L1和 L2的多普勒角频率 ；P，G，D 为依次为 P 码、C/A 码和 D 码，它们的肩标表示相应的卫星，而（t －td）则为随其时间变化的相应波形。

为了检测卫星的信号以及标识卫星，必须执行采集，由 此搜索各卫星在某时刻的信号并且尝试同步和锁定到这一信 号，使得能够进行伪距测量(到卫星的距离)。为了实现同步，在接收系统要有相应的时间跟踪环、pn码搜索和跟踪环以及锁相环其中，pn码搜索和跟踪环是扩频通信所特有的码同步环，它是扩频信号得以正确解调的关键要实现pn码同步，首先要捕获pn码，再对其进行跟踪。中国相关单位发展卫星制导非常早，上世纪90年代就开始进行技术跟踪，本世纪安装完成相关型号的研制，如珠海航展上面展出的ft-1卫星制导，与jdam一样，ft-1也是把普通的尾翼取下，换上制导组件，同时在弹体上面加装边条翼，以提高升阻比，增加投放距离，载机在5000-12000米高度、m0.6-m0.9范围之内投放ft-1，距离可以达到18公里，不过它采用了gps民码信号，所以精度较低，只有30米，如果采用高精度军码信号，其精度可以降低到10米以下[1]。

各地用户就近接收 3颗卫星上伪噪声编码的时刻信号、位置信号和供计算修正用的信号，以进行时间频率同步。调制后的信号s t 为 接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用信号si t 、信道噪声ni t 、干扰信号ji t 和其他网的扩频信号sj t 等，即收到的信号（经混频）后为ri t si t +ji t +ni t +sj t 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端的相同，但起始时间和初始相位可能不同，为c' t 。接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，得到包括以下几部分的信号：有用信号si (t)、信道噪声ni (t)、干扰信号ji (t)和其它网的扩频信号sj (t)等，即收到的信号(经混频后)为接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端产生的伪随机序列相同，但起始时间或初始相位可能不同，为c′(t)。

为了实现同步，在接收系统要有相应的时间跟踪环、pn码搜索和跟踪环以及锁相环其中，pn码搜索和跟踪环是扩频通信所特有的码同步环，它是扩频信号得以正确解调的关键要实现pn码同步，首先要捕获pn码，再对其进行跟踪。如果惯导的速率数据作为gps接收机码跟踪环路和载波跟踪环路的辅助信息。在tdd方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。

调制后的信号s t 为 接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用信号si t 、信道噪声ni t 、干扰信号ji t 和其他网的扩频信号sj t 等，即收到的信号（经混频）后为ri t si t +ji t +ni t +sj t 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端的相同，但起始时间和初始相位可能不同，为c' t 。各地用户就近接收 3颗卫星上伪噪声编码的时刻信号、位置信号和供计算修正用的信号，以进行时间频率同步。接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，得到包括以下几部分的信号：有用信号si (t)、信道噪声ni (t)、干扰信号ji (t)和其它网的扩频信号sj (t)等，即收到的信号(经混频后)为接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端产生的伪随机序列相同，但起始时间或初始相位可能不同，为c′(t)。

此时，本地码发生器所输出的本地码 G'（t）便等效于接收码 G（t）；乘法器 M0的输出为 G（t）G'（t）D（t）sin（ω0t＋ φ），因为 G'（t）和 G（t）已经“对齐”了，故 G（t）G'（t）=1。因此，乘法器 M0通过低通滤波器所输出的信号是，较纯净的数据码和中频载波，即解扩信号 图3 伪噪声跟踪环路方框图至此，伪噪声码跟踪环路便达到了跟踪伪噪声码的目的，其跟踪精度可达到十分之一码元宽度或更高。图4 载波跟踪环路方框图2.2 载波跟踪环路图4是载波跟踪环路（又叫 costas 环）的方框图。来自伪噪声码跟踪环路的解扩信号 ud，分别送到同相乘法器 MI和正交乘法器 MQ。压控振荡器的振荡信号 uc=sinω0t（为了论述方便，假定其振幅为1）；它也分别送到 MI和 MQ，但是，送到正交乘法器的振荡信号，是经过了90°的移相，故到达 MQ的振荡信号为u'c=cosω0t。因此，两个乘法器 MIMQ的输出信号分别为 ： 上述两个信号经过各自的低通滤波器以后，由于后者对中频载波的滤除作用，而分别变成 上列两个信号同时送到差分乘法器 Md，后者输出的误差电压为Measurement & Control Analysis研究与探讨DCW339数字通信世界2015.06因为数据码 D（t）是一种取值为 ±1的二进脉冲串，且其速率为每秒50比特（即一个码元持续20毫秒的时间），D（t）的自乘必等于1。

误差电压 ud 经过环路滤波器和环路乘法器 Mp 的滤波和补偿作用，而送到压控振荡器，用以调节后者的振荡频率。当压控振荡器的振荡频率被锁定在中频 GPS 信号的中心频率上时，则 φ=0。这叫做载波跟踪环路的相位锁定，达到了跟踪载波的目的 ；仅在这种情况下，同相乘法器 MI经过低通滤波器输出的信号，才是一个纯净的数据码 D（t），进而解译得第 a 颗GPS 卫星所发送的导航电文。上述解译过程也可用图5予以概括。3 巧用 Z 计数捕获和跟踪 P 码正如上文所述，即使是截距 P 码，仍具有6.187×1012 个码元，根本不能用逐元搜索的方法去捕获它，而是依据 C/A 码解译出的导航电文中的 Z 计数，实现对 P 码的捕获和跟踪。所谓 Z 计数（Z-count），是从一个星期开始起算的1.5s 的数目 ；该星期周末的Z 计数为7×24×60×60÷1.5（=403200）。然而，P 码的子码的时间周期也为1.5s，且因导航电文（D 码）、P 码、Ｃ /A 码和载波均源于同一个稳定度为1×10-13的振荡器，因此，Z 计数，就是 P 码子码 X1的时间周期的数目。

它们的相互关系如图6所示。从图可见，只要知道了 Z 计数，P 码子码 X1任一个内的时元就被确定了，依此可激发本地 P 码发生器产生相应的 P 码，即，相当于完成了 P 码搜索。正如《全球导航卫星系统及其应用》一书的 §2.5所示，导航电文每个子帧的第二个字码都是转换码（HOW，Hand Over Word），它的第1 ～ 17 比特表示所需的 Z 计数，也即 P 码子码X1的时间周期（1.5s）重复数。每个子帧的周期为6s，即有4个Z 计数。每经过一个子帧周期（6s），转换码（HOW）便给出了在下一个6s 子帧开始时元的 Z 计数，故可在该子帧开始时元迫使 P 码进入跟踪区间，进而利用接收 P 码和本地 P 码相关输出达到最大值，实现两个 P 码“对齐”，达到捕获和跟踪到 P 码的目的。近年来，美国军方研究成功了一种直接捕获 P（Y）的 SAASM 技术。该技术是 Selective Availability Anti - Spoof ing Module 的缩写，叫做选择可用性反电子诱骗模块，它是一种用于直接捕获P（Y）码的 GPS 信号接收机新设计。gps信号接收机工作原理

我国北斗一号卫星导航系统采用有源方式，即用户进行导航定位时要主动向卫星发送信号，北斗二号和北斗三号卫星导航系统采用无源和有源相结合的方式，进行无源卫星导航时，用户只需接收导航卫星信号。本书专从电子工程和通信技术的角度详细讲解gps和北斗双系统接收机的原理，在对gps和北斗系统的历史演进进行介绍的同时，详细讲解了gps和北斗接收机内部从信号跟踪与捕获，到卫星位置速度计算、观测量模型分析和定位导航解算的几乎所有信号处理理论，同时也融进了作者在该领域多年的研发经验和心得。它的作用是接收gps卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

实际上，只要 GPS 信号接收机作过一次导航定位测量，它就往往存储着历书数据，后续的开机作业，都是“热启动”，开机作业的间隔时间越短，启动（捕获 C/A 码）就越快，这对动态用户是很有益处的。参考文献[1]刘基余.全球导航卫星系统及其应用.北京：测绘出版社，2015. 5 [2]We11s，D.E.，et al，Guide to GPS Positioning，University of New Brunswick，Canada，1987 [3]Von Dierendonck，A.J.，Understanding GPS Receiver Terminology： A Tutorial，GPS World，January 1995. P.34～44 作者简介：刘基余，现任武汉大学测绘学院教授/博士生导师，兼任美国纽约科学院（New York Academy of Sciences）外籍院士，中国电子学会会士。主要研究方向是GNSS卫星导航定位/卫星激光测距技术，在30余种中英文学术期刊上发表了280余篇相关研究论文，独著了（北京）科学出版社于2013年1月出版发行的《GPS卫星导航定位原理与方法》一书。

其主要业绩已分别载于美国于2001 年出版发行的《世界名人录》（Who’s Who i n the World）、美国于2005年出版发行的《科技名人录》（Who’s Who in Science and Engineer ing）和中国科学技术协会于2007年出版发行的《中国科学技术专家传略》工程技术编《电子信息科学技术卷2》等50多种辞书上。图6 P码子码X1与Z计数的相互关系图5 数据码D（t）的解译过程图解

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