卫星定位接收机原理.pptx

目录：目录：4.1 卫星定位卫星定位接收机组成与分类接收机组成与分类4.2 接收机的射频部分组成及工作原理4.3 GNSS接收机的信号捕获4.4 GNSS接收机的信号跟踪4.5 定位导航解算方法4.6 卫星导航软件接收机原理和架构2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院14.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院2分类4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院3(1)导航型接收机导航型接收机n主要用于对运动物体运动物体的定位与导航，可以实时实时给出用户的位置和速度。n通常用民码(如GPS的C/A码)进行伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为10m。n价格相对便宜，应用广泛。n根据应用领域，可进一步分为：车载型接收机、航海型接收机、航空型接收机和星载型接收机。按工作按工作场景场景来来分分，分为，分为三三类类：4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院4n主要用于定位精度要求较高的工程领域，如精密大地测量和精密工程测量。n通常采用载波相位测量值进行相对定位，定位精度很高，能达到厘米级。n结构和较为复杂，价格相对较贵。n主要用于提供高精度的时间服务和频率控制。n通过利用导航卫星提供的高精度时间标准进行授时，通常用于天文台及无线通信中时间同步。n例如：基于CDMA体制移动通信系统，就是通过GPS所提供的时间标准进行全网授时的。(3)授时型接收机授时型接收机(2)测量型接收机测量型接收机4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院5n只能接收单一频点的GNSS导航信号，例如，GPS L1单频定位接收机只能接收GPS卫星发射的L1频点的导航信号，而不能接收GPS卫星发射的其它频点上的导航信号。nGNSS单频接收机不能有效消除电离层延迟对导航信号传输的影响。n单频接收机通常适用于短基线(一般小于15 km)的精密定位。n能够同时接收两个频点上的GNSS导航信号。例如，GPS双频接收机可以同时接收GPS卫星的L1频点和L2频点。nGNSS双频接收机能够利用电离层对两个频点导航信号传输时延的不同，有效消除电离层延迟对定位结果造成的影响。nGNSS双频接收机可用于基线长达几千公里的精密定位。按工作按工作频率来分频率来分，分为，分为两类：两类：(1)单频接收机单频接收机(2)双频接收机双频接收机4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院6n导航定位接收机只能接收来自某一特定卫星导航定位系统的导航信号，而不能接收其它卫星导航定位系统的信号。n例如：GPS单模接收机只能接收和处理来自GPS卫星发射的导航信号，而不能接收和处理来自Galileo、GLONASS和BeiDou等卫星导航定位系统的导航信号。n卫星导航定位发展初期，只有GPS一个卫星导航定位系统，因而所有的接收机都是单模的，但是随着卫星导航系统的多样化发展，单模接收机正逐渐被能够接收多个卫星导航定位系统信号的多模接收机所取代。按接收机对不同卫星导航定位系统的兼容性来分，可分为两类：(1)单模接收机单模接收机4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院7n利用两个或者多个卫星导航定位系统进行定位，将两个或者多个导航系统的卫星当作一个系统来使用。n增加了卫星的数量，大大提高了接收机的导航定位精度及可用性、连续性。这些优点使双模或多模接收机成为GNSS接收机研发的一个主要发展方向。n目前，世界上已经有很多接收机生产厂家设计并生产了这种能够兼容多种卫星定位系统的多模接收机，例如GPS/GLONASS双模接收机、GPS/Galileo双模接收机等。n我国的东方联星公司已经推出了能够同时兼容GPS、BeiDou和GLONASS三种卫星定位系统的多模接收机产品CNS100-B1B3GG，该产品支持三系统联合定位、双系统联合定位及单系统定位等多种模式，并同时接收四个频点的卫星导航信号。(2)多模接收机多模接收机4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院8按定位接收机的通道数来分类，可分为两类：n只包含有一个接收机通道，通过接收机内部的定时控制机制，用一个接收机通道转换完成捕获、跟踪和提取来自不同GNSS卫星的导航信号，进而完成定位，也称为序贯跟踪通道接收机。n随着用户对导航定位实时性要求的越来越高，单通道接收机已经不能满足大多数应用需求，因而，目前的接收机几乎都是多通道接收机。(1)单通道接收机单通道接收机4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院9n一般都包含至少4个以上的接收机通道，能够同时捕获、跟踪和处理至少4颗以上卫星发射的导航信号。n目前大多数接收机都是多通道接收机，并且接收机通道数都在12个以上，能够同时处理接收到的12颗卫星发射的导航信号。n具有较好的实时性，能够满足对导航定位的实时性要求较高的应用需求。n硬件结构要比单通道接收机复杂，也被称为平行跟踪通道接收机。(2)多通道接收机多通道接收机4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院10(1)相关型接收机指的是伪码相关型接收机，通过伪随机码的互相关处理实现对扩频码的解扩，并提取出导航信息，进而得到伪距观测值，完成位置的计算。(2)平方型接收机利用对载波信号的平方处理去掉导航信号中的调制信号，恢复完整的载波信号，进而通过载波相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，得到伪距观测值。(3)混合型接收机混合型接收机是综合了相关型接收机和平方型接收机的优点，既可以通过码相位的测量得到伪距，也可以通过载波相位测量得到伪距。按接收机工作原理来分，可分为三类：4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院11(1)硬件硬件接收机接收机卫星导航定位接收机的天线、射频前端、信号处理、信息提取和定位解算等所有功能模块都是基于硬件来实现的，并且随着集成电路技术的发展，这类硬件接收机模块越来越小型化，并且定位实时性较高。传统卫星定位接收机都是硬件接收机。按卫星定位接收机的实现方式，可分为两类：(2)软件接收机软件接收机卫星导航定位接收机的天线和射频前端部分用硬件实现，而后续的捕获、跟踪等信号处理部分以及后面的信息提取和导航定位解算部分都是通过软件无线电技术来实现的。便于高性能GNSS接收机的研发，可很方便地将所开发的高性能捕获、跟踪和位置解算算法移植到软件接收机平台上，进行相关的测试。通常软件接收机的实时工作性能要比硬件接收机差。2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院124.1 卫星定位接收机组成与分类4.1 卫星定位接收机组成与分类2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院13模块模块：n天线和射频（RF）前端处理；n基带数字信号处理；n定位导航解算；功能功能：接收导航卫星发射的导航信号，并经过基于硬件或者软件的信号处理和信息处理，给出用户位置（P）、速度（V）和时间（T）信息。卫星定位卫星定位接收机接收机目录：目录：4.1 卫星定位接收机组成与分类4.2 接收机接收机的射频部分组成及工作的射频部分组成及工作原理原理4.3 GNSS接收机的信号捕获4.4 GNSS接收机的信号跟踪4.5 定位导航解算方法4.6 卫星导航软件接收机原理和架构2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院14天线天线(1/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院15信号：信号：为保证定位解算时能够同时利用高仰角和低仰角卫星信号，天线设计应具有较宽的空间角，接收尽可能多的卫星信号。考虑地物遮挡等因素，一般要求天线能够接收仰角高于5的所有卫星信号。注意：注意：仰角为90的卫星与仰角为0的卫星距离接收机的距离不同，这种距离差异，在不同地点对同一颗卫星的观测会有所不同，信号强度相差约2.1dB。系统设计系统设计需要在选择接收需要在选择接收卫星数量和系统抗干扰性间进行权衡。卫星数量和系统抗干扰性间进行权衡。干扰：干扰：由于对卫星定位接收机的干扰信号大多来自于地面，仰角较低，有时要采用较窄的空间角以避免干扰。2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院16远近效应：远近效应：作为CDMA系统的一种，希望接收到的所有卫星的信号强度一致，以避免互相关干扰，因此定位卫星的发射天线在设计时就适当的减小了中心方向上的增益，使其略小于周边增益。系统设计系统设计需要在选择接收需要在选择接收卫星数量和系统抗干扰性间进行权衡。卫星数量和系统抗干扰性间进行权衡。GPS系统：在地面仰角为5，40，90方向上，卫星发射天线的增益分别为12.1dB，12.9dB和10.2dB左右，综合发射增益和传播距离等因素后，当地面观测仰角为40左右时接收到的信号强度最大。天线天线(2/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院17对于无线信道，多径效应是造成信号失真的重要原因，对于卫星定位系统而言，多径效应主要来自于地面对于信号的反射。影响接收机环路特性。多径效应多径效应的影响：的影响：为了应对多径效应影响，在天线设计方面有两种手段：（1）利用卫星定位信号的极化特性。以GPS系统为例，GPS信号采用的是右旋圆极化波，而右旋圆极化波反射后会成为左旋圆极化波。通过这一特性，卫星定位接收机中采用右旋圆极化天线则会对多径信号产生较好地抑制。（2）由于多径信号是由地物反射而来，所以其入射仰角较低，系统可以通过减小的天线后瓣，比如加入接地板等方式，来减小多径信号的影响。由于卫星定位信号的传播路径比较简单，可以通过极化和入射方向等方式抑制多径干扰，可使卫星定位系统较普通的无线通信系统受多径干扰的影响更小。天线设计天线设计方面的手段：方面的手段：天线天线(3/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院18有源天线指的是在天线的后端直接连接一个低噪声放大器（LNA），而无源天线则是单纯的天线。由于LNA属于有源器件，所以有源天线需要馈电线路，以保证天线工作。注意：注意：天线有无单独的馈电线路不能够作为判断其是否是有源天线的依据，因为很多有源天线是通过信号传输的同轴电缆进行馈电的，而且在这种情况下，连接有源天线的射频前端也必需具有馈电能力，若将这种射频前端直接连接到信号源等试验设备上，则会造成设备损坏。有源有源天线和无源天线和无源天线天线：天线天线(4/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院19系统总的噪声温度主要取决于第一级器件的噪声温度以及第一级放大器的增益。第一级器件的噪声越低，放大增益越高，系统总的噪声就越低。天线天线(5/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院20无源天线无源天线：天线与放大器分离，中间存在一段馈线，馈线的噪声将会完全的加入到系统总噪声中去，馈线越长，系统噪声越大。有源天线有源天线：放大器直接连接天线，避免了馈线带来的噪声影响，而且放大器较大的增益可以有效抑制后面各级电路的噪声对系统的影响，同时为减少有源天线本身噪声对系统的影响，天线后端连接的放大器要求较高，不仅要有很大的增益，而且还要具有较低的噪声系数。系统整体系统整体：虽然有源天线在本身的噪声抑制上不占优势，但其对于改善系统的整体性能是有帮助的。对于无源天线，在应用中为降低系统的噪声，而且考虑到接收到的卫星定位信号本身非常微弱，其馈线长度一般不超过1m。天线天线(6/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院21阻抗匹配问题阻抗匹配问题：高频电路阻抗匹配问题格外重要，若两个器件间阻抗不匹配则会导致信号在两个器件间往复反射，无法有效并可靠的传递。不过在实际系统的设计中，阻抗问题并不需要设计者刻意设计，因为标准化的器件都服从各自的行业标准，天线常用的阻抗多为50。体积体积：天线设计中一条简单而又重要的规则就是，体积越大，性能越好，可以简单地表达成如下的公式增益 x 带宽 体积=常数卫星定位接收机天线的体积也必然是朝着小型化方向发展，但是为提高增益，提高抗多径能力，天线的尺寸通常会变大，结构变的更复杂。天线天线(7/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院22目前比较流行的卫星定位接收天线为四螺旋天线和贴片天线。具有体积较小，易集成的特点。贴片天线贴片天线：结构简单，成本低廉，而且具有良好的抗多径能力，但其对低仰角卫星信号的接收能力不强。四螺旋天线四螺旋天线：灵敏度更高，而且对低仰角卫星的接收能力更强，从而改善可见星的空间分布，提高定位精度，不过对多径效应的影响更加敏感。扼流圈天线扼流圈天线：在抗多径能力和低仰角卫星的接收能力上都很出众，但其体积限制了其在个人定位领域的应用。卫星定位接收天线有很多不同的构造，比如单极，偶极，螺旋，微带和扼流圈天线等.天线天线(8/8)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院23射频射频前端前端：将天线采集到的射频信号变换成为方便处理的数字中频信号，结构包括滤波器、放大器、混频器、本地振荡器和模数转换器，射频前端射频前端2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院24n为保证系统性能，系统需要射频前端的噪声小、功耗低、增益高，并且具有良好的线性特性。n对于弱信号来讲，噪声对信号的影响更为显著，而对于强信号来说，电路饱和以及系统的非线性问题对信号处理的影响较大。n对于卫星定位信号来说，信号强度很低，且信号强度变化范围不大，这种信号特性，弱化了系统的非线性问题对信号处理的影响。n能量消耗角度：由于射频前端需要处理射频信号，不可避免的要工作在较高的时钟频率之下，这使得射频前端的耗电量高于接收机上其他任何部件。为降低射频前端能耗，而不影响其在高频区的工作性能，可通过降低芯片额定电压或者采取合理的休眠策略等手段来减少耗电量。对对射频前端的射频前端的要求：要求：射频前端射频前端2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院25滤波器滤波器n在射频前端中，滤波过程是由分布在不同位置的多个滤波器综合完成的。n对于处在前端的滤波器而言，根据串联系统的噪声计算公式，其噪声越小，整个系统的噪声越低。n随着信号处理的深入，信号的带宽也会逐级变窄。减小信号的带宽可以滤除更多的噪声和干扰，而作为代价，卫星定位信号中的高频部分也将被滤除，这对后续的相关运算会造成不利的影响。n卫星接收机中常用声表面波（SAW）带通滤波器（BPF），通带响应平稳，通带边缘陡峭。对于处理微弱的卫星定位信号而言，可以滤除各种干扰。缺点：不利于集成。射频前端射频前端-滤波器滤波器2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院26卫星定位接收机天线后的首级器件可以选择高增益的低噪声放大器低噪声放大器（LNA），或窄带带通滤波器窄带带通滤波器。后者可使带外的噪声和干扰在放大之前滤除。前者可提供比后者低23dB的噪声指数，但信号中可能存在的强干扰经过放大后能使信号处理电路达到饱和，从而产生新的干扰。射频前端的放大过程可能是由多级放大器共同完成的，对于各级放大器的增益，需要根据各器件的噪声指数、功耗和饱和情况来综合考虑。射频前端射频前端-放大放大器器(1/5)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院27对于对于LNA的的增益增益，需要，需要谨慎谨慎考虑考虑：采用较高增益的LNA，可以更好的抑制混频器的噪声对系统的影响，但其功耗更大，并且存在使混频器饱和的可能。采用较低增益的LNA，则需要使用低噪声的混频器，以减少系统噪声，而低噪声的混频器一般需要使用幅值较大的本地振荡器，这反而增加了混频器的功耗，使得这种方案在功耗上不占有优势。射频前端射频前端-放大放大器器(2/5)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院28放大器放大器总增益总增益需要需要满足的基本原则满足的基本原则：使电压信号充满ADC的最大输入电压。GPS的 频段信号到达地面的信号强度至少为-130dBm。接收机天线处的热噪声功率为：对于一般的卫星定位接收机，噪声基底一般在-110dBm-120dBm之间，默认值为=-111dBm（即290K=16.85下），噪声强于GPS的 信号。射频前端射频前端-放大放大器器(3/5)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院29射频前端射频前端-放大放大器器(4/5)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院30由于卫星定位接收机接收到的信号电平较低，无法直接使用ADC进行采集，所以射频前端电路中需要加入放大器对信号进行放大，以匹配ADC的测量能力。由于信号完全淹没在噪声之下，所以放大器需要将噪声的电平放大到放大器需要将噪声的电平放大到ADC的最的最大量程处大量程处，而非将信号的电平放大到最大量程处。射频前端射频前端-放大放大器器(5/5)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院31混频器是实现下变频的核心部件。据结构不同，既可使频率降低，也可用来使频率升高，在卫星定位接收机中由于在射频区内采样和放大信号会带来较大的功耗和较高成本，为便于系统进行信号处理，需要对信号进行下下变频处理变频处理，因此采用的是的下变频混频器。中频频率选择中频频率选择：要能够容纳足够带宽的卫星定位信号，对于GPS L1信号来说，信号主峰宽度约为2MHz，则中频信号的中心频率至少要大于L1信号的单边带宽。较低的中频频率，有益于降低后续电路的成本和功耗。较高的中频频率，更有利于抑制镜像频率的干扰。同时更高的中频频率也会使更多的信号高频分量进入后续电路。当GPS系统中频频率为4.309MHz时，大概有90%C/A码信号能量可通过混频器。射频前端射频前端-混频器混频器/本地本地振荡器振荡器2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院32p功能功能：把模拟信号转化为适合后端进行处理的数字中频信号；p采样率选择采样率选择：需满足奈奎斯特采样定理，即采样率必须高于信号最高频率分量的两倍，以防发生频谱的混叠。p带通采样：带通采样：由于卫星定位信号属于带通信号，所以在采样率的选择上不必大于最高频率的两倍，而是按照带通采样定理带通采样定理，大于信号带宽B的两倍即可。4.2.2.4 模数转换器模数转换器ADC射频前端射频前端-模数转换器模数转换器ADC(1/7)2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院33p实际采样方式：卫星定位接收机射频前端的设计中，设计者一般通过采用过采样的方式来使信号频谱更加疏散，以减少信号混叠，方便滤波器的设计，从而提高信噪比。p过采样代价：系统功耗增加，同时对后端处理的运算量和运算速度也提出了更高的要求。p针对上述的弊端，设计者可以采用变采样的方式降低信号的采样率。变采样过程中首先要对信号进行低通抗混叠滤波。此时信号已经经过数字化，而相对于模拟环境，低通抗混叠滤波更容易在数字环境下实现。滤波完成后再通过降采样将信号的采样率降低。射频前端射频前端-模数转换器模数转换器ADC(2/7)4.2.2.4 模数转换器模数转换器ADC2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院34卫星定位卫星定位接收机中接收机中ADC采样率采样率不可以和信号扩频不可以和信号扩频码速率码速率成整数倍关系成整数倍关系。当信号采样率和码速率成整数倍关系时，卫星定位接收机将对一定的时间偏移量不敏感，因为在该时间偏移内的采样结果完全一样，这将会导致定位精度的损失。对于非整倍数采样，则不存在这一问题。在考虑系统采样率和扩频码速率的关系时需要考虑码多普勒的影响。以GPS的L1信号为例，C/A码的码多普勒在6.32Hz以内，则采样率要避免与任何（6.32）Hz范围内的整数倍重合。射频前端射频前端-模数转换器模数转换器ADC(3/7)4.2.2.4 模数转换器模数转换器ADC2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院35对对ADC量化位数要求量化位数要求：ADC的量化位数与其分辨率相关。n位的ADC的分辨率为2n。量化位数增加，ADC分辨率增加，量化噪声也会随之降低。卫星定位接收机ADC位数一般在14位之间。因为继续增加量化位数并不能带来信噪比显著的增加。以GPS的信号为例，在有限带宽的情况下，一位ADC的量化误差损耗约为3.5dB，两位ADC的量化误差损耗约为1.2dB，三位ADC的量化误差损耗约为0.6dB。由于过多的量化位数会导致后续处理运算量的增加，所以卫星定位接收机的量化位数一般较低。射频前端射频前端-模数转换器模数转换器ADC(4/7)4.2.2.4 模数转换器模数转换器ADC2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院36为有效利用有限的量化位数，必须让信号时刻充满ADC的最大量程。由于接收信号强度会随着温度和环境变化，所以在ADC前需加入自动增益控制（AGC）电路。卫星定位接收机射频前端的最后一级放大器件，AGC需要根据信号强度来调整增益。有些低端卫星定位接收机采用一位量化的ADC，这种设计中并不需要。AGC问题：问题：增加量化位数虽然不能在信噪比上有更显著提高，但对提高信号的抗干扰能力有帮助。对于对抗干扰能力有特殊要求的卫星定位接收机，可以考虑采用较多的量化位数。一般来说，干扰信号会比卫星发出的卫星定位信号强度大很多，如果量化位数较少，真正的卫星定位信号可能会被淹没在量化误差中，无法恢复。如果采用较多量化位数，即便干扰信号充满了ADC量程，真实信号也依然保留在采样点中，后续电路中可以通过特殊的算法将真实信号恢复出来。抗干扰能力抗干扰能力与量化位数的关系：与量化位数的关系：射频前端射频前端-模数转换器模数转换器ADC(5/7)4.2.2.4 模数转换器模数转换器ADC2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院374.2.2.4 模数转换器模数转换器ADC射频前端射频前端-模数转换器模数转换器ADC(6/7)ADC主要参数：主要参数：1）分辩率）分辩率(Resolution)：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2）转换速率转换速率(Conversion Rate)：指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。注意：注意：采样时间是指两次转换的间隔。为保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。常用单位：ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/Million Samples per Second）。3）量化误差）量化误差(Quantizing Error)：由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院384.2.2.4 模数转换器模数转换器ADC射频前端射频前端-模数转换器模数转换器ADC(7/7)ADC主要参数：主要参数：4）偏移误差）偏移误差(Offset Error)：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。5）满刻度误差）满刻度误差(Full Scale Error)：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6）线性度）线性度(Linearity)：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目录：目录：4.1 卫星定位接收机组成与分类4.2 接收机的射频部分组成及工作原理4.3 GNSS接收机的信号捕获接收机的信号捕获4.4 GNSS接收机的信号跟踪4.5 定位导航解算方法4.6 卫星导航软件接收机原理和架构2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院39扩频接收机典型结构2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院404.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院41卫星定位导航系统的信号处理都是基于通道通道化结构化结构体系体系。捕获过程提供对信号参数的粗略估计，这些参数通过码跟踪和载波跟踪进行精确化；跟踪完成后，进行导航数据的提取和伪距的计算。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院424.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院43每个小方格被称为一个搜索搜索单元单元。在时域上,捕获电路需要遍历所有的码相位，时域搜索的分辨率 tbin 一般为接收信号的采样间隔。在码域上，捕获电路需要遍历所有在轨卫星的 PN 码。在确定搜索的频率步进量 fbin 和码相位步进量 tbin 后，系统搜索单元总数 Ncell 便可以确定。系统在每个搜索单元上进行搜索的时间被称为驻留时间驻留时间 Tdwell，系统遍历所有搜索单元所需的时间记为 Ttot。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院44每个小方格被称为一个搜索搜索单元单元。在时域上,捕获电路需要遍历所有的码相位，时域搜索的分辨率 tbin 一般为接收信号的采样间隔。在码域上，捕获电路需要遍历所有在轨卫星的 PN 码。在确定搜索的频率步进量 fbin 和码相位步进量 tbin 后，系统搜索单元总数 Ncell 便可以确定。系统在每个搜索单元上进行搜索的时间被称为驻留时间驻留时间 Tdwell，系统遍历所有搜索单元所需的时间记为 Ttot。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院45【例例4.2】假设接收机对某颗卫星信号的频率与码相位的搜索范围分别设置为10 kHz 与1023 码片，采用500 Hz 的频率搜索步长和0.5 码片的码相位搜索步长,试求该二维搜索的搜索单元总数。如果接收机分别配置1 个和2046 个并行相关器进行搜索，并且在每个搜索单元上的驻留时间为4 ms，试求在这两种相关器配置资源情况下，搜索完整个搜索区间所需的信号搜索时间。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院46捕获捕获电路核心电路核心是是相关器相关器：为完成搜索功能，捕获电路需要在不同频率偏移下对不同的PN码进行相关运算。在相关运算中，当输入信号和本地信号完全同步时，相关器会输出一个较大的分量，也就是PN码的自相关峰。当接收信号与本地信号不匹配或不同步时，相关器的输出值会很小。注意注意：y(m-n)表示循环移位，所以若本地序列和接收信号序列长度为N时，相关器输出的相关函数序列长度也为N，若N点中存在一个相关峰，则其位置就反映了两组信号的相位差。在GNSS信号捕获电路中，采用的是循环相关的手段。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院474.3.2 时域时域搜索搜索时域搜索结构包括：串行捕获又叫做时域捕获，并行捕获又被称作频域捕获。注意注意：这里所说的频域捕获是指将时域信号变换到频域进行分析，而非对 频域进行搜索，频域捕获的结果仍然反映的是时域上的延迟。串行捕获；并行捕获；4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院481.串行捕获串行捕获工作原理：工作原理：信号与本地载波和本地PN码相乘后，进入积分器对一个周期内的所有采样点进行累加，累加结果取模则得到相关函数中的一个样点。若该输出值大于系统所设的门限值，则判定为信号同步，相关运算到此结束，将参数传递给下一级电路。若该采样点未超过门限值，则将本地PN码序列进行一个采样点的延迟后再次进行上述操作，得到下一个相关函数值。串行捕获结构优势：占用硬件资源很少；缺点：运算速度慢，实时性差。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院492.并行并行捕获捕获将N次码相位搜索通过傅里叶变换一次完成，大大节约运算时间。将式4.4进行离散傅里叶变换得到Z(k)如下：4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院502.并行并行捕获捕获4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院51n并行捕获结构优势：速度快，计算量少；n缺点：FFT运算所占用的硬件资源较大，使得其硬件开销较串行捕获结构更大。n由于傅里叶变换为复数运算，所以在这里将数据变为相互正交的I/Q两路进行FFT会有更高的效益。n注意注意：FFT运算对于采样点数有严格要求，对于GNSS信号捕获而言，一个PN码周期中所包含的采样点数应该是一个以2为底的幂。而系统射频前端的采样率并不一定满足该要求，这就需要信号在进入并行捕获电路之前经过变采样处理。2.并行并行捕获捕获4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院523.频域频域搜索搜索频域搜索是捕获电路的另一个基本功能，是基于数字下变频电路实现的，下变频的过程也被称为载波剥离。对于GNSS信号来说，时域上的搜索实质上是完成PN码的同步，即解扩的过程，而频域上的搜索则是完成解调的过程。乒乓乒乓搜索搜索乒乓搜索就是将整个儿搜索频域分成多个频槽fbin，并在逐个频槽上进行相关运算，当相关函数峰值足够大时，认为本地载波频率已对准信号频率。在确定多普勒搜索范围后，乒乓搜索捕获算法通常是从该范围的中间频槽开始搜索，并向两端左右交替地扩展搜索范围。例如：假设多普勒频移搜索范围为5kHz，中心频率为4MHz，频槽宽度为500Hz，则系统在展开搜索时，首先将本振频率调到4MHz上进行搜索，然后依次搜索4.0005MHz，3.9995MHz，4.0010MHz，3.9990MHz等共21个频槽。这种“圣诞树”状的搜索顺序，有助于提高接收机快速捕获卫星信号的概率。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院53本地载波与接收信号载波之间的频率差fe会在信号检测量V，即相关峰值中引入值为|sinc(feTcoh)|的损耗，使系统产生漏警，这里的Tcoh表示系统相干累积的时间。3.频域频域搜索搜索4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院54接收机通常将这种损耗控制在3dB以内，即|sinc(feTcoh)|2=0.5，所以频率的绝对误差fe不应超过0.443/Tcoh，即频槽宽度fbin超过0.886/Tcoh，在实践中，通常取以2/3作为系数，可以保证每个3dB带宽之间有一定的重叠，进一步减小系统漏警。3.频域频域搜索搜索4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院55频域搜索范围需要根据接收机工作环境而定。静止接收机频域搜索范围大约在5kHz之间，动态接收机则需要根据情况扩展搜索范围。频域搜索分辨率fbin与捕获电路的累积时间成反比，一般在几十赫兹到几百赫兹不等。以GPS L1信号为例，在系统不进行累积时fbin一般定为500Hz。上述的情况基于系统冷启动的假设，当系统进行温启动或热启动时，情况会有所不同。捕获电路在每个维捕获电路在每个维度的度的搜索的搜索的范围范围：检测概率Pd，虚警概率Pfa以及捕获速度等。系统设计希望得到更大Pd的和更小的Pfa，而二者之间存在着相互矛盾的关系。Pd及Pfa大小取决于门限值Vt的选取，较大的Vt可以降低Pfa，但Pd也会随之降低，反之亦然。在捕获电路设计中，为在保证Pd的条件下降低Pfa，需要对信号进行多次捕获并进行统计，但这种方法将带来时间上的额外开销。GNSS捕获电路的捕获电路的性能指标性能指标：4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院564.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院574.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院584.3.4 GNSS弱信号捕获弱信号捕获在室内，丛林，城区等高遮挡的环境下，GNSS接收机收到的信号强度可能会有很大的衰减，弱信号环境下的GNSS信号捕获问题主要采用信号累积的办法来提高捕获灵敏度。基本累积方法：相干累积相干累积，非相干累积非相干累积和差分相干累积。差分相干累积。特点：特点：（1）相干累积对捕获灵敏度的提升效果最显著，但由于导航数据的存在，以及捕获速度的代价，使得相干累积的长度不能够无限延长。（2）硬件系统晶体振荡器的相噪也是制约累积长度的一个因素，在晶振相噪的影响下，过长时间的信号累积反倒会使捕获的灵敏度下降。（3）由于上述限制因素，需要通过采用合理的累积策略将几种基本累积方法结合使用，尽可能提高接收机捕获灵敏度。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院591.相干相干累积累积原理原理：先对每一个搜索单元上的相关运算结果进行多周期的累加然后平方，即可获得高信噪比的判决变量。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院601.相干相干累积累积设搜索单元(,FD)所对应的第 k个积分周期的相关值为 Yk(,FD)，那么经 K个周期的累积之后，判决变量变为在相干累积过程中，不同周期信号间是相关的，所以累积后的功率呈平方倍数增长，而不同周期的噪声满足独立的零均值高斯分布，所以相干积分的过程类似于平均作用，其功率只是线性增加。这样，经过 个周期的相干累积后，判决变量的信噪比变为原来的K倍。可以将相干累积增益表示为4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院61注意：注意：（1）相干累积长度受到导航数据的限制，以GPS L1信号为例，导航数据（D码）的比特宽度为20ms，即每20ms导航数据比特就可能翻转一次，所以相干累积的时间不能超过20ms，否则翻转后的信号求出的相关函数符号与先前的相反，这将导致灵敏度的损失。（2）K个周期的相干累积会使系统的多普勒频槽宽度fbin变为原来的1/K，相应的，系统所需要覆盖的搜索单元也就是原来的K倍，这样系统的TTFF就与K值得平方成正比，从而使系统在捕获速度上付出很大的代价。1.相干相干累积累积4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院622.非相干非相干累积累积工作原理：工作原理：非相干累积法是将K个周期的相关平方值进行线性累加，来提高判决变量的信噪比。它没有利用不同周期信号之间的相位相关性，但是同时也避免了相位模糊对累积结果的影响，即不受导航数据比特翻转的影响。因此其非相干累积长度不受导航电文数据速率的限制，可以采用更长的累积时间。4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院632.非相干非相干累积累积搜索单元(,FD)的相关值经过K个周期非相干累积后，生成的判决变量表示为4.3 GNSS接收机的信号捕获2024/4/24 周三哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院64特点：特点：尽管非相干累积可以避免相位模糊的问题，但是由于采用了先平方后线性累加的处理，其判决变量的信噪比会受到平方平方损失损失影响。若用S表示信号能量，N表示噪声能量，将之相关平方后有 (S+N)2=S2+N2+2SN在平方去除相位相关性的过程中，噪声和信号是同时被平方的，并且噪声与信号的交叉乘积项成为新的噪声引入到判决变量中。所以