导航电文解调和伪距求取技术优化方法

完成跟踪后,接收机还需要从接收信号中找到数据位的边缘,将接收信号按照位进行划分(即位同步),然后从接收信号中找到子帧的起始边缘,将数据位划分成有结构意义的字(即帧同步),从而从字中解调出导航电文,确定接收信号的发射时间,获得伪距测量值。

7.5.5.1　位同步与帧同步

1.位同步

数据位值存在以下事实：

(1)在无噪声的情况下,载波跟踪环路解调出来的1 ms宽的位值在同一个20ms宽的数据位沿下应该相等,相邻两个1 ms宽的位值只可能在数据位沿处发生跳变。

(2)卫星信号中所含的导航电文必然存在数据位跳变。

(3)每个20ms宽的数据位的起始沿在时间上必定与某个C/A码周期中的第一个码片的起始沿重合。

因此,凡是相邻两个1 ms宽的数据位之间发生了跳变,那么它们的交界沿就是数据位边沿,并且在该位沿后的每20个值,将一起合成一个值为0或1的20ms宽的数据位。但在实际过程中,受到噪声的影响,很容易导致误判。因此可利用直方图法进行位同步。该方法的计算过程如下：

第1步,初始时,将载波环输出的1 ms宽的数据位用1～20循环编号,每个1 ms宽的数据位对应的格子计数器设定为0。

第2步,若相邻两个毫秒之间发生数据跳变,则对应的直方图格子加一。

第3步,该过程继续下去,直到下面情况之一发生：有一个直方图格子的计数器达到门限值；至少有两个直方图格子的计数器值达到(或超过)门限值。前者认为位同步成功,后者认为位同步失败。然后,各计数器清零重新开始统计。

除了直方图法以外,另外一种常用的位同步方法为过零检测法,在此不对其进行介绍。

2.帧同步

帧同步是为了确定卫星信号中的子帧边缘,将数据比特流划分成一个个字,并判断这些位是否存在180°的反相。常用的帧同步方法为匹配搜索法,其计算过程如下：

第1步,在数据比特流中逐位搜索8位的同步码及其反相值。

第2步,收集接下来的22位,然后验证这30位是否满足奇偶检验。

第3步,利用交接字来进一步验证帧同步成功的真实性。(www.xing528.com)

第4步,检查遥测字的前17位所代表的截短的周内时计数值比上一子帧中的相应值是否刚好大1,若是,则帧同步成功。

7.5.5.2　发射时间和伪距求取

总结以上内容,可知GPS接收机的内部流程(图7.31),在从接收信号那里得到信号发射时间和导航电文之后,就可以进行伪距的计算。下面将介绍如何计算伪距。

图7.31　GPS接收机的内部流程示意

码相位,是指此时刻C/A码在一整周期C/A码的位置,其值为0～1 023码片,且通常不是整数。卫星发射信号的时间构成如图7.32所示,交接字中截断的周内时计数乘以6,可得在下一子帧开始时所对应的GPS时间。在这一子帧中,接收机已经接收到w 字,每字包含30位；在当前字中,接收机已经接收到b位,每位长20ms；在当前位中,接收机已接收到c整周期的C/A码,1整周期的C/A码长1 ms；最后,在当前这一周期的C/A码中,码相位测量值为CP。

由此可计算得到GPS卫星信号的发射时间：

图7.32　卫星发射信号的时间构成

由式(7．66)可得信号发射时间t(s),根据式(7．1)可知,伪距是由光速乘以信号接收时间tu与信号发射时间t(s)之间的差值得到的。卫星接收机有多个通道,接收机本地时钟一般采用晶振提供计时基准,无法提供绝对的信号接收时间。下面以4颗卫星来介绍卫星定位接收机实际的伪距求取方法。

图7.33　接收机在同一观测时刻对不同卫星信号的发射时间进行的测量

接收机在同一观测时刻对不同卫星信号的发射时间进行的测量如图7．33所示,黑色加粗的竖线代表对应卫星子帧帧头出现的时刻,根据卫星实际轨道分布,卫星之间的距离不会超出6光秒,因此这些子帧帧头必然是各卫星在同一时刻发射的,但各卫星与接收机之间的距离不同,导致这些子帧帧头被获取的时刻也不同。图7．33中的tm为观测量提取时间,根据各子帧帧头出现时刻与该观测时刻的时间差Δti(i＝1,2,3,4,Δti相当于式(7．66)中减TOW 后的剩余部分),即可获得这4颗卫星在同一接收机观测时刻的发射时间。

根据卫星轨道高度,卫星信号到达接收机的平均时间约为70ms。因此,可以将第1颗卫星的信号发射时间加上70ms的和作为接收机时钟tu的初始估计值,即tu＝TOW＋Δt1＋0．07,则接收机在tm时刻与各卫星之间的伪距为

对该伪矩进行校正后,通过求解伪距方程(式(7．8)),即可获得第一次定位结果及本地时钟tu。此时,tu作为公共变量,已经包含了第一颗卫星的传播时间估计偏差(在本示例中该偏差为第1颗卫星信号在tm时刻到达接收机的真实传播时间与估计值70ms的时间差)。