卫星导航系统接收机原理与设计——之九

+ 刘天雄

卫星导航系统接收机原理与设计
——之九

+ 刘天雄

4.5 基带数字信号处理

4.5.8 数据解调和数据处理Data Demodulation and Data Processing

为了解码导航电文（navigation message），即调制有卫星轨道星历（ephemeris）和卫星原子钟钟差（satellite clock information）等信息的导航数据信息比特（data bits），数据解调和数据处理模块需要完成接收机本地复制信号与接收导航信号之间的位同步（bit synchronization）和帧同步（frame synchronization），由此从接收到的导航信号中提取码元符号（symbols）。此外，根据卫星导航信号的时间标志（time tags），同步处理导航电文，将伪码延迟估计转换成为对星地之间伪距的估计。

在数据通信中最基本的同步方式就是“比特同步”（bit synchronization），又称位同步。比特是数据传输的最小单位。比特同步是指接收端时钟已经调整到和发送端时钟完全一样。一般的数字通信系统需要在接收端采用锁相环等方法进行比特同步。

在GPS系统中，由于利用了信号扩频技术，并且卫星上伪码时钟与比特时钟有固定的相位关系，当伪码精确同步时就可以得出比特同步的准确时钟。例如，导航电文传输速率为50bps，伪码速率为1.023Mbps，那么1比特所占的时间里拥有20460个chip，一旦伪码同步就开始用伪码的时钟计时，从0计到20459输出一个脉冲，再从0开始计数周而复始就产生了比特同步的时钟。

4.5.8.1 基本概念

当数字信号处理模块中的跟踪环路提取导航信号的测距码和载波信息，以同步接收机本地生成的复制伪码信号与接收到的导航信号后，数字信号处理模块中的数据解调和处理模块将获取伪距观测量、多普勒频移和导航电文，由此根据定位方程解算出接收机的位置、速度和时间。

数字信号处理模块中输入给跟踪环路的信息是导航信号的测距码、载波信息以及复制伪码信号与导航信号的相关处理结果，相关术语解释如下：

· 伪随机码元符号（Pseudo-symbol）：在一次积分累积时间间隔内，从码元符号中提取相关的二进制信息，即在一个伪随机噪声码周期内积分，从相关器输出结果中提取码元符号位。

· 码元符号（Symbol）：匹配于导航电文编码后的二进制信息，例如，对于GPS全球定位系统L1频点C/A码信号而言，符号与数据比特是一致的；但对于Galileo卫星导航系统的导航信号而言，每个数据比特都是利用带有前向信道码的二进制符号编码的。

· 数据比特（Data Bit）：匹配于导航电文的二进制信息。

提取测距码、载波以及复制伪码信号与导航信号的相关结果等信息对于求解导航解的必要性在于：

· 同步（Synchronization）：包括数据比特/码元符号同步以及信号帧同步。

· 数据解调（Data demodulation）：提取导航电文的数据比特。

· 生成卫星导航系统观测量（Generation of GNSS observables）。

· 信号处理应用（Applications processing）例如定位、速度和时间等参数计算。

图54　Galileo卫星导航系统信号数据调制和解调流程

以Galileo卫星导航系统信号为例，图54给出了导航电文数据编码到电文结构中的流程，每一帧数据由一系列相关的子帧数据组成

4.5.8.2 同步 Synchronization

GNSS接收机在计算伪距观测量过程中需要完成两类数据解调同步，一类是码元符号同步（对于没有利用带有前向信道码的二进制符号编码的信号，也称为比特位同步），一类是信号帧同步。

（1） 码元符号同步Symbol Synchronization

对于GPS全球定位系统L1频点C/A码信号，其伪随机噪声测距码（C/A码）由1023个码片（chip）组成，C/A码的周期是1毫秒（ms）；一个数据比特（data bit）持续20ms，即在每个码元符号（symbol）或数据比特中有20个伪随机码元符号（Pseudo-symbol）。也就是说，如果GNSS接收机正常跟踪到导航信号，相关器在一个C/A码的周期（1ms）完成积分累积计算，输出结果是20个相同的伪随机码元符号的集合，每个集合对应一个码元符号。

一般通过直方图（histograms）和计数器（counters）获得码元符号同步。码元符号同步后，GNSS接收机延长相关器的积分累积时间，直到一个码元符号的持续时间（例如，对于GPS全球定位系统L1频点C/A码信号而言，持续时间是20ms）为止，然后开始输出码元符号，与此同时检查直方图分布不下滑。

（2） 信号帧同步Frame Synchronization

接收机解调出来的导航电文为二进制格式，在接收端，解扩解调之后得到的数据未经同步检测，所包含的信息仍然无法正确解出。因此，需要通过帧同步检测出每一帧的起始位置和结束位置，然后对每一帧中帧头之外的数据进行译码，才能得到播发的导航电文信息。

信号帧同步目的在于从码元符号序列中识别导航电文子帧，例如，对于GPS全球定位系统L1频点C/A码信号而言，帧头（preamble）“10001011”是导航电文每个子帧的起始标志，也是识别电文的标志，通过寻找帧头“10001011”就可以实现信号帧同步，因此帧头“10001011”也称为同步字SW（Synchronization Words）。还需要提醒两点：

· 根据导航信号接口控制文件（SIS ICD）规定，导航接收机能够解调出导航电文信息；

· 导航接收机能够解调出导航电文每一个子帧的码元符号。

4.5.8.3 数据解调Data Demodulation

数据解调目的在于以最大的置信度从导航电文中提取比特信息，这取决于接收信号的质量以及导航信号接口控制文件的复合程度，解调过程中的主要技术如下：

（1） 检验码Parity Decoding

预先定义的比特集合（例如，字符）的奇偶性要与传输时计算的比特集合的奇偶性相匹配，且该集合应该在在导航电文的定义的符号集合内，只有这样才能保证奇偶编码后的电文能够正常发送。奇偶编码后的任何偏差意味着在导航电文里至少有一处存在误差。

（2） 循环冗余校验Cyclic Redundancy Checks（CRC）

循环冗余校验，简称为CRC，用预先定义的多项式（polynomials）去比较和检查接收机对导航电文的解调结果。

（3） 前向误差修正Forward Error Correction（FEC）

导航电文是含有多个数据比特的块，前向误差修正编码技术用多个码元符号表示数据比特，这样卫星导播发的航信号中包含冗余的信息，用户接收机就能够检测并修正一些潜在的误差，由此可以提高接收机信号接收通道性能。例如，Galileo卫星导航系统开放服务信号采用前向误差卷积码（forward error convolutional codes）对导航电文进行编码，其中码长7，编码速率1/2，即用两个码元符号表示一个数据比特，用户接收机采用Viterbi解码技术解调出导航信号中的导航电文。

（4） 块交织信道编码Block Interleaving

块交织信道编码技术以不同的次序播发码元符号，例如，Galileo卫星导航系统开放服务信号以M列N行矩阵组合码元符号，然后转置码元符号矩阵并播发给用户。用户接收机接收到导航信号后，对矩阵进行逆变换以恢复原始码元符号顺序。块交织信道编码技术的优点是使得编排的导航电文具有更强的抗突发误差能力，其原因是块交织信道编码技术将突发误差造成的影响的也分散到导航电文的大部分区域，而且能够恢复初始状态，例如，可以利用前向误差修正编码技术具备的误差修正能力，修正突发误差造成的错误数据比特。