GPS北斗详解

影响捕获算法的两个因素：
  1、捕获的数据长度，对于信噪比比较高的信号，捕获的数据长度取1～2ms即可，对于微弱信号增加数据长度可以提高捕获的信噪比，去4~10ms。
  2、多普勒频移搜索的步长。

  GPS信号采样频率不能是PRN码速率的整数倍，否则将导致采样与PRN码同步，当使用两组时差小于单位采样时间的采样点采样时总会得到相同的采样数据。数字信号处理过程中得到的PRN码的起始点初始相位的精确解的精度不会高于单位采样时间。
  实际中，采样频率不能是PRN加上或者减去多普勒频移所得的频率值的整数倍，甚至也不要接近这个频率值的整数倍，否则采样数据会比较接近，需要较长的时间的数据才能检测到采样数据的时间差。
  由于C/A码的周期是1ms，要完成码的剥离必须搜索到码相位，所以使用的捕获数据的最小长度是1ms。
  当码相位搜索步长由1个采样点增加到n个采样点（1/2个码元）是，输出信噪比变化不大，基本不会影响捕获。但是超过这个值，卫星信噪比会严重衰减，从而使捕获能力减弱。
  频率步长的选择范围是0到单次相关运算捕获数据长度的倒数，频率步长增加时，捕获速度减慢，捕获精度提高，捕获能力提高。
  顺序搜索算法的捕获速度随着N和K的增加或者频率步长的减小而减慢，捕获精度取决于开始是码相位搜索步长和频率搜索步长的设置，捕获能力随着N和K的增加或者频率步长的减小而增加。综合各方面的考虑，当取N=1，K=1，频率步长step=500Hz时可以得到比较理想的捕获性能。
  基于圆卷积的FFT捕获算法捕获速度取决于K值的增加，与顺序搜索算法相比要快得多，捕获的码相位精度为单位时间的采样时间间隔，频率解精度取决于步长设置，捕获能力随着K值的增加和步长减少而增强。
  在捕获精度方面，顺序捕获算法和FFT频域搜索算法码相位精度都可以调节，但是基于圆卷积的FFT捕获算法的码相位搜索步长只能取一个采样点，在捕获数据长度不变的情况下，顺序捕获算法和基于圆卷积的捕获算法的频率搜索步长都能调节，但是FFT频域搜索算法只能依靠增加数据长度来提高频率解精度。
  在捕获能力方面，等捕获速度相同的条件下，基于圆卷积的FFT捕获算法可以捕获更多的卫星。
  通过测量本地PRN序列的真实起始点可以获得精确的时间解，而要想获得输入信号中的真实起始点的方法：使用三种信号：即时、超前和滞后信号。本地产生的PRN码看成是即时码，在这个基础上，以固定间隔生成超前和滞后码。
  扩频通信的意义：在给定的传输速率C下，频带宽度W和信噪比P/N是可以相互转化的，即可以通过增加频带的方法，在较低的信噪比情况下传输信息。扩展频谱换取要求的信噪比降低，就是扩频通信的重要特点。
  GPS电文格式：接收电文数据为50Hz，每帧数据1500bit，分为30s传送，分成5个子帧，每个子帧300bit，6s传送，传送完整的历书需要25帧，37.5kbit，12.5min，GPS接收机一旦开始工作就必须一次性将历书接收完整。每个子帧300bit分成10个字，每个字30bit，每个字最后6bit均为奇偶校验码。
  C/A码由两个十级线性反馈移位寄存器按照不可分解的多项式组合而成。寄存器有共同的1.023MHz的时钟驱动，所有寄存器置一个初始状态，两个十级移位寄存器分别为G1和G2，其中G2输出抽头决定了不同的C/A码，G1的输出抽头固定为第十级寄存器，G1和G2的输出抽头进行抑异或，结果为C/A码序列。
  在一般的通讯中载波的作用是传送运输调制信号，当调制波到达接收机并解调出调制信号后，载波就不再起作用了。但在全球定位系统中，载波除了更好的传送测距码和导航电文外，本身也被当作一种测距信号来使用。载波相位测量的精度很高，在高精度GPS定位中应用相当的广泛。
  由于m序列的周期性，其自相关函数也是一个周期函数。并且当两个m序列彼此的偏差在一个码位以内时，其相关函数值急剧增大，而在一个码位以外，函数值很小。
  Gold码是由两个长度相同的互相关系数极大值为最小的m序列逐位模2加所得到的码序列。
  用户位置可以用四颗卫星的数据，采用最小二乘法求解。
  在多普勒频移测量方面，为了避免出现多普勒计数的双值性，用户接收机不是直接测量接收频率与发射频率之差，而是测量接收频率与本机基准频率之差，求其多普勒计数值。
  根据DSP的特点，FPGA使用双缓冲区方式，将数控AGC输出的16个Zbit数据拼成32bit保存在当前缓冲区中并且每个缓冲区最多保存6000个32bit数据。如果填满当前缓冲区，自动切换到下一个缓冲区、同时向DSP发出中断，通知DSP读取数据。
  DSP主要完成的任务：数字混频，伪码相关，捕获跟踪。
  解扩通过本地伪码信号和接收信号相乘实现，解扩之后，恢复出原始的窄带数据信号，同时噪声、多址干扰等不相关的信号仍然保持为宽带信号，经过低通滤波器就可将杂质信号的大部分滤除。传统的GPS接收机中，包括了伪码解扩和数据解调两个过程，解扩在码延迟锁定环中完成，得到数据码调制的载波，在用一个Costas环就可以将载波剥离，最终得到数据码。
  我国北斗二代导航系统的最新发展：
  打算OS服务模式的调制方式修改成如下：
  中心频率：1575.42MHz，码速率：1.023MHz，符号速率（导航码速率）：50/100Hz；调制方式：MBOC（6，1，1/11）。
  关于MBOC(6,1,1/11)：这是从频域上对MBOC进行了定义，其功率谱密度是数据通道信号和导频信号的联合功率谱密度。其功率谱密度表达式为：
  式中1/11指数据和导频通道中BOC(6,1)的功率只和占总功率的1/11。
  北斗系统定时播发时钟同步信号，所有北斗终端可输出北斗系统的精确时间信息,以校对SCADA系统各类设备的时钟，保证系统同步。北斗导航系统的主要特点是将精确定位和短电文通信两项功能结合在一个系统中。
   北斗系统具有定位、短数据通信和授时功能。
   授时：PNT
  未来全球导航卫星系统GNSS包括：北斗/GPS/GLONASS/伽利略。
  北斗导航相对与其他卫星导航系统的显著优势在于可为卫星导航用户提供系统级服务。例如：针对授时用户，专门搭载单向和双向授时信息。 通过授时完成与系统之间的时间和频率同步，提供100ns（单向）和20ns（双向）的时间同步精度。
  “北斗一号”系统是双向的，用户首先发射需要定位的信号，通过卫星转发至地面控制中心，地面控制中心解算出位置后再通过卫星转发给用户，这实际上是既有定位又有通信功能，但是有容量限制。
   除了有北斗用户机之外，还需要到北斗星通公司办理一定的手续才能使用北斗系统。
  该系统用户容量通常每小时仅为540000次。
  北斗一号卫星定位系统由两颗地球静止卫星（80°E和140°E）、一颗在轨备份卫星（110.5°E）、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。
   北斗一号的覆盖范围是北纬555°，东经70140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右，其定位精度为水平精度100米，设立标校站之后为20米，公共频率2491.75MHz。
  定位原理：以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个地心为球心，一球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。
  卫星导航应用产业，已成为世界八大无线产业之一，也是全球信息产业中发展最快的产业。
  北斗系统是双星有源定位，可以全天候、全天时提供区域卫星导航信息的导航系统。
  卫星并不发射导航电文，也不配备高精度的原子钟，只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。
  用户终端为仅带有定向天线的收发器，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求，不含定位解算处理器，设备相对比较简单。
   终端可以分为定位通信型（基本型用户机）、通信型、授时型和管理型（指挥型）用户机。
  用户还可以进行精密授时,地面中心站将发送标准时间和卫星的位置信息。用户进行单向授时时，接收此信号与本地时钟进行比对，计算出差值，然后调整本地时钟与标准时间对齐，单向授时精度为100ns；进行双向授时时，就将对比结果经卫星装发回地面中心，由地面中心计算出本地时钟和标准时间的差值，再经两颗卫星之一转发给用户，用户按此事件调整本地时钟与标准时间信号对齐，双授时精度为20ns。
  北斗用户容量取决于卫星的可用频带宽度、信号的调制和编码方式以及地面中心站的运算速度，用户容量是有限的。还取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。赤道地区的精度比较低。极高纬度因不能有效覆盖而无法使用。
  北斗导航系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力，一般一次可以传输36个汉字，进核准的用户利用连续传输方式可以传输120个汉字。
  北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。
  北斗系统的缺陷：一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，在军事上不利；二是设备必须包含发射机，在体积、重量、价格和功耗方面处于不利的地位。
  北斗导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成。
  客户端是直接由用户使用的设备，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。
  北斗系统采用它采用码分多址(CI)htA)制式，抗干扰性能大大优于现有的卫星导航系统。
  由于是同步卫星，相对于终端来说，下行波束的角度很窄，也就是说，运动的地面终端必须不断调整天线的指向，在车船上，是靠一整套的稳定装置，对于高速运动的设备，这是几乎做不到的。
  工作频段:中心站至卫星C波段，上行6 GHz，下行4 GH；用户机至卫星，上行为L波段1 610MHz一1626.5MHz，下行为S波段，24 83.5MHz一25 00M Hz.传输速率:上行12.62 5kbps，下行31.25kbps。用户机对卫星的可工作仰角范围:10°一75°。
  GPS传输的中心频率是1.176GHz、1.227GHz和1.575GHz。
  格鲁那斯传输的中心频率是1.192GHz、1.278GHz和1.575GHz。
  北斗调制的方式为QPSK和BPSK。
  GPS获得时间同步的方式为：使卫星和接收机同步以使之在完全相同的时间内产生相同的码字。然后我们所要做的就是从卫星接收码字，在回头看看在多久之前我们的接收机生成了相同的码，时间差就是信号抵达我们的时间。
  北斗二代的中心频率大致为：1561 MHz (E2), 1589 MHz (E1),1268 MHz (E6), and 1207 MHz (E5b)。
  北斗二代的使用的码型极有可能是Gold码。
  北斗二号是中程轨道卫星,轨道高度大约为21550千米。
  PRN：伪随机噪声（pseudorandom noise）
  power spectral density：功率普密度（PSD）
  residual carrier phase：残余载波相位
  北斗二号的码元周期为1ms。

审核编辑 黄宇