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

+ 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

+ 劉天雄

4.5 基帶數(shù)字信號(hào)處理

4.5.8 數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)處理Data Demodulation and Data Processing

為了解碼導(dǎo)航電文（navigation message），即調(diào)制有衛(wèi)星軌道星歷（ephemeris）和衛(wèi)星原子鐘鐘差（satellite clock information）等信息的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息比特（data bits），數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)處理模塊需要完成接收機(jī)本地復(fù)制信號(hào)與接收導(dǎo)航信號(hào)之間的位同步（bit synchronization）和幀同步（frame synchronization），由此從接收到的導(dǎo)航信號(hào)中提取碼元符號(hào)（symbols）。此外，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)間標(biāo)志（time tags），同步處理導(dǎo)航電文，將偽碼延遲估計(jì)轉(zhuǎn)換成為對(duì)星地之間偽距的估計(jì)。

在數(shù)據(jù)通信中最基本的同步方式就是“比特同步”（bit synchronization），又稱位同步。比特是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?。比特同步是指接收端時(shí)鐘已經(jīng)調(diào)整到和發(fā)送端時(shí)鐘完全一樣。一般的數(shù)字通信系統(tǒng)需要在接收端采用鎖相環(huán)等方法進(jìn)行比特同步。

在GPS系統(tǒng)中，由于利用了信號(hào)擴(kuò)頻技術(shù)，并且衛(wèi)星上偽碼時(shí)鐘與比特時(shí)鐘有固定的相位關(guān)系，當(dāng)偽碼精確同步時(shí)就可以得出比特同步的準(zhǔn)確時(shí)鐘。例如，導(dǎo)航電文傳輸速率為50bps，偽碼速率為1.023Mbps，那么1比特所占的時(shí)間里擁有20460個(gè)chip，一旦偽碼同步就開始用偽碼的時(shí)鐘計(jì)時(shí)，從0計(jì)到20459輸出一個(gè)脈沖，再從0開始計(jì)數(shù)周而復(fù)始就產(chǎn)生了比特同步的時(shí)鐘。

4.5.8.1 基本概念

當(dāng)數(shù)字信號(hào)處理模塊中的跟蹤環(huán)路提取導(dǎo)航信號(hào)的測(cè)距碼和載波信息，以同步接收機(jī)本地生成的復(fù)制偽碼信號(hào)與接收到的導(dǎo)航信號(hào)后，數(shù)字信號(hào)處理模塊中的數(shù)據(jù)解調(diào)和處理模塊將獲取偽距觀測(cè)量、多普勒頻移和導(dǎo)航電文，由此根據(jù)定位方程解算出接收機(jī)的位置、速度和時(shí)間。

數(shù)字信號(hào)處理模塊中輸入給跟蹤環(huán)路的信息是導(dǎo)航信號(hào)的測(cè)距碼、載波信息以及復(fù)制偽碼信號(hào)與導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)處理結(jié)果，相關(guān)術(shù)語解釋如下：

· 偽隨機(jī)碼元符號(hào)（Pseudo-symbol）：在一次積分累積時(shí)間間隔內(nèi)，從碼元符號(hào)中提取相關(guān)的二進(jìn)制信息，即在一個(gè)偽隨機(jī)噪聲碼周期內(nèi)積分，從相關(guān)器輸出結(jié)果中提取碼元符號(hào)位。

· 碼元符號(hào)（Symbol）：匹配于導(dǎo)航電文編碼后的二進(jìn)制信息，例如，對(duì)于GPS全球定位系統(tǒng)L1頻點(diǎn)C/A碼信號(hào)而言，符號(hào)與數(shù)據(jù)比特是一致的；但對(duì)于Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)而言，每個(gè)數(shù)據(jù)比特都是利用帶有前向信道碼的二進(jìn)制符號(hào)編碼的。

· 數(shù)據(jù)比特（Data Bit）：匹配于導(dǎo)航電文的二進(jìn)制信息。

提取測(cè)距碼、載波以及復(fù)制偽碼信號(hào)與導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)結(jié)果等信息對(duì)于求解導(dǎo)航解的必要性在于：

· 同步（Synchronization）：包括數(shù)據(jù)比特/碼元符號(hào)同步以及信號(hào)幀同步。

· 數(shù)據(jù)解調(diào)（Data demodulation）：提取導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)比特。

· 生成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)量（Generation of GNSS observables）。

· 信號(hào)處理應(yīng)用（Applications processing）例如定位、速度和時(shí)間等參數(shù)計(jì)算。

圖54　Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)調(diào)制和解調(diào)流程

以Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)為例，圖54給出了導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)編碼到電文結(jié)構(gòu)中的流程，每一幀數(shù)據(jù)由一系列相關(guān)的子幀數(shù)據(jù)組成

4.5.8.2 同步 Synchronization

GNSS接收機(jī)在計(jì)算偽距觀測(cè)量過程中需要完成兩類數(shù)據(jù)解調(diào)同步，一類是碼元符號(hào)同步（對(duì)于沒有利用帶有前向信道碼的二進(jìn)制符號(hào)編碼的信號(hào)，也稱為比特位同步），一類是信號(hào)幀同步。

（1） 碼元符號(hào)同步Symbol Synchronization

對(duì)于GPS全球定位系統(tǒng)L1頻點(diǎn)C/A碼信號(hào)，其偽隨機(jī)噪聲測(cè)距碼（C/A碼）由1023個(gè)碼片（chip）組成，C/A碼的周期是1毫秒（ms）；一個(gè)數(shù)據(jù)比特（data bit）持續(xù)20ms，即在每個(gè)碼元符號(hào)（symbol）或數(shù)據(jù)比特中有20個(gè)偽隨機(jī)碼元符號(hào)（Pseudo-symbol）。也就是說，如果GNSS接收機(jī)正常跟蹤到導(dǎo)航信號(hào)，相關(guān)器在一個(gè)C/A碼的周期（1ms）完成積分累積計(jì)算，輸出結(jié)果是20個(gè)相同的偽隨機(jī)碼元符號(hào)的集合，每個(gè)集合對(duì)應(yīng)一個(gè)碼元符號(hào)。

一般通過直方圖（histograms）和計(jì)數(shù)器（counters）獲得碼元符號(hào)同步。碼元符號(hào)同步后，GNSS接收機(jī)延長(zhǎng)相關(guān)器的積分累積時(shí)間，直到一個(gè)碼元符號(hào)的持續(xù)時(shí)間（例如，對(duì)于GPS全球定位系統(tǒng)L1頻點(diǎn)C/A碼信號(hào)而言，持續(xù)時(shí)間是20ms）為止，然后開始輸出碼元符號(hào)，與此同時(shí)檢查直方圖分布不下滑。

（2） 信號(hào)幀同步Frame Synchronization

接收機(jī)解調(diào)出來的導(dǎo)航電文為二進(jìn)制格式，在接收端，解擴(kuò)解調(diào)之后得到的數(shù)據(jù)未經(jīng)同步檢測(cè)，所包含的信息仍然無法正確解出。因此，需要通過幀同步檢測(cè)出每一幀的起始位置和結(jié)束位置，然后對(duì)每一幀中幀頭之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，才能得到播發(fā)的導(dǎo)航電文信息。

信號(hào)幀同步目的在于從碼元符號(hào)序列中識(shí)別導(dǎo)航電文子幀，例如，對(duì)于GPS全球定位系統(tǒng)L1頻點(diǎn)C/A碼信號(hào)而言，幀頭（preamble）“10001011”是導(dǎo)航電文每個(gè)子幀的起始標(biāo)志，也是識(shí)別電文的標(biāo)志，通過尋找?guī)^“10001011”就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)幀同步，因此幀頭“10001011”也稱為同步字SW（Synchronization Words）。還需要提醒兩點(diǎn)：

· 根據(jù)導(dǎo)航信號(hào)接口控制文件（SIS ICD）規(guī)定，導(dǎo)航接收機(jī)能夠解調(diào)出導(dǎo)航電文信息；

· 導(dǎo)航接收機(jī)能夠解調(diào)出導(dǎo)航電文每一個(gè)子幀的碼元符號(hào)。

4.5.8.3 數(shù)據(jù)解調(diào)Data Demodulation

數(shù)據(jù)解調(diào)目的在于以最大的置信度從導(dǎo)航電文中提取比特信息，這取決于接收信號(hào)的質(zhì)量以及導(dǎo)航信號(hào)接口控制文件的復(fù)合程度，解調(diào)過程中的主要技術(shù)如下：

（1） 檢驗(yàn)碼Parity Decoding

預(yù)先定義的比特集合（例如，字符）的奇偶性要與傳輸時(shí)計(jì)算的比特集合的奇偶性相匹配，且該集合應(yīng)該在在導(dǎo)航電文的定義的符號(hào)集合內(nèi)，只有這樣才能保證奇偶編碼后的電文能夠正常發(fā)送。奇偶編碼后的任何偏差意味著在導(dǎo)航電文里至少有一處存在誤差。

（2） 循環(huán)冗余校驗(yàn)Cyclic Redundancy Checks（CRC）

循環(huán)冗余校驗(yàn)，簡(jiǎn)稱為CRC，用預(yù)先定義的多項(xiàng)式（polynomials）去比較和檢查接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航電文的解調(diào)結(jié)果。

（3） 前向誤差修正Forward Error Correction（FEC）

導(dǎo)航電文是含有多個(gè)數(shù)據(jù)比特的塊，前向誤差修正編碼技術(shù)用多個(gè)碼元符號(hào)表示數(shù)據(jù)比特，這樣衛(wèi)星導(dǎo)播發(fā)的航信號(hào)中包含冗余的信息，用戶接收機(jī)就能夠檢測(cè)并修正一些潛在的誤差，由此可以提高接收機(jī)信號(hào)接收通道性能。例如，Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開放服務(wù)信號(hào)采用前向誤差卷積碼（forward error convolutional codes）對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行編碼，其中碼長(zhǎng)7，編碼速率1/2，即用兩個(gè)碼元符號(hào)表示一個(gè)數(shù)據(jù)比特，用戶接收機(jī)采用Viterbi解碼技術(shù)解調(diào)出導(dǎo)航信號(hào)中的導(dǎo)航電文。

（4） 塊交織信道編碼Block Interleaving

塊交織信道編碼技術(shù)以不同的次序播發(fā)碼元符號(hào)，例如，Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開放服務(wù)信號(hào)以M列N行矩陣組合碼元符號(hào)，然后轉(zhuǎn)置碼元符號(hào)矩陣并播發(fā)給用戶。用戶接收機(jī)接收到導(dǎo)航信號(hào)后，對(duì)矩陣進(jìn)行逆變換以恢復(fù)原始碼元符號(hào)順序。塊交織信道編碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是使得編排的導(dǎo)航電文具有更強(qiáng)的抗突發(fā)誤差能力，其原因是塊交織信道編碼技術(shù)將突發(fā)誤差造成的影響的也分散到導(dǎo)航電文的大部分區(qū)域，而且能夠恢復(fù)初始狀態(tài)，例如，可以利用前向誤差修正編碼技術(shù)具備的誤差修正能力，修正突發(fā)誤差造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)比特。