GPS軟件接收機關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)

摘要：研究了CPS軟件接收機的關(guān)鍵技術(shù)和具體實現(xiàn)。設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于FFT的碼相位并行的快速信號捕獲方案；介紹了碼跟蹤環(huán)與載波跟蹤環(huán)的算法流程并詳細(xì)推導(dǎo)了偽距及精密偽距的計算過程，在建立載體運動模型的基礎(chǔ)上運用卡爾曼濾波對定位結(jié)果濾波處理，提高了定位精度，減小了定位方差。通過實驗，驗證了文中軟件接收機算法的可行性，接收機定位精度較高，定位均方差較小。
關(guān)鍵詞：GPS；捕獲；跟蹤；偽距；卡爾曼濾波

    GPS軟件接收機(Software Receiver，SR)和硬件接收機比較，所完成的功能相同，都能進行定位、測速等，但實現(xiàn)的環(huán)境不同，SR是在PC機上完成，以軟件的方式實現(xiàn)，這種軟件方式非常靈活，它能處理各種類型的硬件采集的數(shù)據(jù)。在不改變硬件的情況下就很容易驗證新的算法，這對研究強干擾信號、高動態(tài)跟蹤等問題有很大意義，有利于節(jié)省開發(fā)成本，加快算法推進。
    GPS軟件接收機主要由基帶信號處理和導(dǎo)航定位解算2個模塊構(gòu)成，基帶信號處理包含信號捕獲、跟蹤，導(dǎo)航定位解算模塊包含星歷計算、偽距計算、定位解算。其中，信號的快速捕獲、高動態(tài)信號的跟蹤、高精度的定位等i部分是接收機中的關(guān)鍵技術(shù)。
    文中以SR算法流程為主線，對接收機中的關(guān)鍵技術(shù)分別進行了研究：在信號的快速捕獲方面，設(shè)計了一種新的捕獲方案，使得捕獲速度快而且結(jié)果準(zhǔn)確；在高動態(tài)信號的跟蹤方面，載波跟蹤用三階鎖相環(huán)，碼環(huán)采用二階環(huán)，采用載波環(huán)輔助碼跟蹤環(huán)的方式，因而可以減小碼環(huán)帶寬，提高跟蹤精度；在高精度定位方面，詳細(xì)推導(dǎo)了偽距的計算，同時考慮精密偽距的影響，提高偽距測量精度；鑒于最小二乘法定位解算沒有考慮載體運動模型這種缺點，本文運用卡爾曼濾波塒定位結(jié)果進行處理，以獲得高精度的結(jié)果，而且有效地減小了定位方差。

1 SR構(gòu)成模塊
    SR處理下變頻之后的中頻數(shù)字信號，對信號進行捕獲、跟蹤及數(shù)據(jù)解調(diào)等操作以實現(xiàn)GPS接收機的定位、授時、測速等功能。如圖1所示，軟件接收機處理的主要是下半部分。

2 基帶數(shù)字信號處理
    基帶數(shù)字信號處理由信號捕獲和跟蹤兩部分構(gòu)成，信號的捕獲是接收機實現(xiàn)定位、測速等功能的第一步，用來確定接收到的信號中包含哪些顆衛(wèi)星的信號，C／A碼的起始點和多普勒頻移，為跟蹤作必要的準(zhǔn)備。信號跟蹤是對捕獲到的衛(wèi)星信號進行多普勒頻移和C／A碼相位的精準(zhǔn)跟蹤，是計算衛(wèi)星星歷、偽距等的前提。
    由文獻可知，由于接收機和衛(wèi)星的相對運動，地面上靜止的載體產(chǎn)生的多普勒頻移在-5～5 kHz之間，對于高速運動的載體如導(dǎo)彈，產(chǎn)生的多普勒頻移在-10～10 kHz之間。通常，對于一般的運動載體，多普勒頻移搜索范圍設(shè)在-7～7 kHz比較合理，捕獲時多普勒頻移搜索步長1 kHz，采用1 ms的數(shù)據(jù)。
    文中采用基于FFT的并行碼相位快速捕獲方法，即在某一本地振蕩頻率下，能夠同時計算出所有碼相位的相關(guān)值，根據(jù)判決方式及門限確定衛(wèi)星信號的多普勒頻移及C／A碼相位。此算法首先通過傅里葉變換由時域變換到頻域，使時域中的相關(guān)運算轉(zhuǎn)為頻域中的乘法運算，然后通過傅里葉逆變換求時域內(nèi)的各個碼相位的相關(guān)值，其基本原理如下：
    長度為N的有限序列x(n)的離散傅里葉變換是：

    信號的捕獲由粗捕獲和精細(xì)捕獲構(gòu)成，粗捕獲用來確定信號中是否含有某顆衛(wèi)星信號、所含信號的C／A碼相位起始點及分辨率為500 Hz(捕獲步長1 kHz)的多普勒頻移，精細(xì)捕獲用來計算更精確的多普勒頻移以滿足跟蹤環(huán)的要求。下面分別介紹文中設(shè)計的粗捕獲和精細(xì)捕獲實現(xiàn)方法。
2．1 粗捕獲實現(xiàn)方法
    在信號的多普勒頻移處，會出現(xiàn)一個較大的相關(guān)峰值，在其他多普勒處，相關(guān)峰值逐漸變小直至大小類似噪聲的相關(guān)值。
    因此，在捕獲時，以1 kHz的步長搜索多普勒頻移，如果在某個多普勒頻移下，當(dāng)前相關(guān)峰值和之前已計算的較小的相關(guān)峰值比較，如果比值大于門限(通常取1．8左右)，則數(shù)據(jù)中存在該顆衛(wèi)星的信號，至此可以確定分辨率為500 Hz的載波頻率和碼相位。否則，如果信號中不存在該顆衛(wèi)星信號，可知在所有的多普勒搜索范圍內(nèi)，峰值比較平。
    文中設(shè)計的這種粗捕獲算法只需要計算各個多普勒頻移下的相關(guān)峰值，無需計算相關(guān)均值或者次最大值，相對別的算法運算量小，實現(xiàn)速度快。
2．2 精細(xì)載波頻率實現(xiàn)方法
    粗捕獲可以獲得分辨率為500 Hz的載波，這不能滿足載波跟蹤環(huán)的要求，因此須通過精細(xì)捕獲使本地振蕩器頻率和信號載波頻率相差在幾十赫茲內(nèi)。
    文中利用粗捕獲得到的C／A碼相位，縮短多普勒頻移搜索步長計算相關(guān)值，采用二次曲線擬合的方法計算精細(xì)載頻。
算法實現(xiàn)步驟如下：
    1)利用粗捕獲獲得的C／A碼起始位，產(chǎn)生1 ms本地C／A碼序列，使之與中頻信號相乘，剝離1 ms的C／A碼，則輸入信號變?yōu)檫B續(xù)載波信號。
    2)粗捕獲計算得到的多普勒頻移是則可知信號多普勒頻移在[fdop-500，fdop+500]Hz之內(nèi)，以步長△fdop=250 Hz在fdop前后750 Hz范圍內(nèi)，與連續(xù)載波進行相關(guān)運算，得到7個相關(guān)值，取最大相關(guān)值及其兩邊的相關(guān)值，并取它們對應(yīng)的多普勒頻移。建立二次曲線的模型方程：

    此時的X就是計算得到的精細(xì)多普勒頻移，即是送入跟蹤環(huán)路的多普勒頻移。
    這種精細(xì)捕獲算法，運算量小，捕獲結(jié)果準(zhǔn)確，易于操作，而且對導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的跳變不敏感。
2．3 完整捕獲方案
    根據(jù)載體和衛(wèi)星的運動特點可知，地面上運動的載體，信號的多普勒頻移分布±2，±3 kHz在的可能性比較大，因此先搜索這些多普勒頻移，即在捕獲時使用跳頻搜索的方式，能夠降低運算量，提高捕獲速度。穩(wěn)重采用的多普勒搜索的次序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，單位是kHz。
    將上述的粗捕獲算法、精細(xì)捕獲算法和多普勒頻移跳序搜索方法組合成一個完整的捕獲方案。利用實際采集得到及信號模擬器產(chǎn)生的多組信號進行仿真驗證，捕獲費時約9 s，多普勒頻移及C／A碼相位捕獲精度較高，能夠滿足跟蹤環(huán)路要求。

3 卡爾曼濾波處理定位結(jié)果
    傳統(tǒng)定位解算方法僅利用了單點測量信息，未考慮載體的運動特性，定位精度易受觀測噪聲的影響。本文對載體的運動建模，采用卡爾曼濾波進行數(shù)據(jù)處理以得到高精度的定位結(jié)果。
    根據(jù)載體運動的位置sk、速度vk、加速度ak之間的關(guān)系，建立載體運動方程為：


4 實驗驗證
    為了驗證所開發(fā)軟件接收機算法的性能，分別進行了靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗。在實驗中，利用東方聯(lián)星公司研發(fā)的NewStar2100(以下簡稱NS)GPS中頻數(shù)字信號采集器采集中頻數(shù)字信號，在開發(fā)的軟件接收機上進行定位解算；同時用NovAtel公司的FlexPax-G2L型高精度硬件接收機(以下簡稱G2L)的輸出作為定位參考，其單點定位精度小于1．8m。
    實驗中的載波環(huán)采用三階鎖相環(huán)，碼環(huán)采用二階環(huán)，載波跟蹤環(huán)噪聲寬帶為18 Hz，碼跟蹤環(huán)噪聲寬帶1 Hz，載波環(huán)輔助碼環(huán)。定位解算后進行卡爾曼濾波時，系統(tǒng)噪聲均方差取0．3 m／s3，ECEF坐標(biāo)系下X，Y，Z方向上的觀測噪聲均方差分別是(8，8，14)m。
    下面的實驗分為兩組，一組是靜態(tài)定位結(jié)果比較，另一組動態(tài)定位結(jié)果比較。
4．1 靜態(tài)定位結(jié)果比較
    靜態(tài)實驗地點選在地點A。在該點采用G2L定位，并對觀測時間段內(nèi)的在ECEF坐標(biāo)系下的定位結(jié)果取均值可得A1(-2171467．178，4386 130．452，4076269．089)m；對SR處理中頻數(shù)字信號所得的ECEF坐標(biāo)系下的定位結(jié)果取均值可得A2(-2171467．381，4386129．881，40762 69．242)m；二者的定位偏差(A2-A1)為(0．203，-0．571，0．153)m。
    以上定位結(jié)果顯示，SR與G2L的定位結(jié)果很接近，位置誤差小。SR定位結(jié)果的輸出頻率為10 Hz，連續(xù)觀測約36 s，以A1為原點，建立當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系ENU，計算SR輸出的瞬時定位結(jié)果相對于A1的位置誤差。實際采集得到的信號中有8顆衛(wèi)星的信號，這8顆星與接收機構(gòu)成的GDOP值為3．9、19．6的兩組定位結(jié)果。
    位置誤差均方差列在表1中，表中的E1，E2分別是卡爾曼濾波前、濾波后的位置誤差均方差。

    由GDOP的幾何意義可知：GDOP大將導(dǎo)致定位誤差的均方差大。當(dāng)對定位結(jié)果濾波后，定位輸出的抖動較為平緩，方差較小，尤其對于DOP比較大的數(shù)據(jù)，能夠有效地提高定位精度。
    由靜態(tài)實驗可知，本文設(shè)計的SR的定位結(jié)果和G2L的定位結(jié)果非常接近，定位精度較高，定位方差較小。
4．2 動態(tài)定位結(jié)果
    進行跑車試驗的地點在拐彎處。對NS采集得到的中頻數(shù)據(jù)經(jīng)過SR處理，得到動態(tài)軌跡數(shù)據(jù)P1；將S1經(jīng)過卡爾曼濾波處理得到軌跡數(shù)據(jù)P2；G2L存儲的這段路程的軌跡數(shù)據(jù)為P0。以G2L的起始點位置為原點，建立當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系ENU，分別計算P1，P2，P0各點在此坐標(biāo)系下的位置(E，N，U)，可得水平軌跡曲線如圖2所示，天向軌跡曲線如圖3所示。

    從圖2可以看出，在拐彎處，G2L定位結(jié)果出現(xiàn)回旋，如圖中A、B點所示，與實際前進軌跡不符，可知這段位置誤差較大；SR定位結(jié)果濾波前得到的位置曲線抖動較大，濾波后的位置曲線與硬件接收機的位置曲線基本重合，而且在拐彎處，濾波后的輸出結(jié)果更平滑，與實際行進軌跡相符合。

    由圖3可以看出，在高度上G2L的輸出有兩處大的跳躍，如圖中的C、D點處，這與實際的平緩路面不一致，這是由于實驗車從橋下穿過，導(dǎo)致部分衛(wèi)星信號中斷，造成定位輸出跳躍；SR濾波前的高程曲線抖動劇烈，和實際不符；而濾波后的高程數(shù)據(jù)比較平緩，高度變化趨勢與硬件接收機一致，這也與實際情況吻合。由動態(tài)實驗可知，文中設(shè)計的SR的定位結(jié)果和G2L的定位結(jié)果非常接近，定位精度較高。

5 結(jié)論
    文中設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于FFT的碼相位并行的快速信號捕獲方案，對定位解算的數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波處理，提高了定位精度及定位方差，并通過靜態(tài)與動態(tài)麗個方面進行實驗驗證，結(jié)果表明，本文設(shè)計的軟件接收機定位精度較高，定位均方差較小，在GDOP小于3．9時，水平方向小于7 m，高度方向小于6m。