卫星导航系统-第8讲 GPS接收机技术-4

DLL测量误差

GPS的C/A码频率远低于载波频率，码环中的干扰也较小，主要误差源有：
接收机热噪声
动态应力误差（由于接收机的动态性引起的误差）
多径干扰

码环设计重点考虑：
尽可能窄的环路噪声带宽抑制热噪声
窄相关等技术抑制多径
尽可能大的环路噪声带宽使环路具有一定的动态性能

 DLL热噪声误差

 

 DLL动态应力误差

 

 PLL测量误差

GPS信号的载波频率是C/A码频率的1540倍，在信号传播和接收机处理过程中，各种因素的干扰会导致锁相环性能不同程度的下降。
影响 PLL跟踪性能的最重要误差源是热噪声、动态应力误差、振荡器相位噪声、Allan方差振荡器相位噪声。

 PLL热噪声误差

 

 

 跟踪环路最佳带宽设计

在环路设计中，环路带宽的选择是至关重要的。当环路带宽选取较小时,环路的动态性能会降低;带宽选取较大时，环路引入的热噪声误差又会增大；因此环路就存在一个最佳带宽的问题。

 DLL环路最佳等效带宽

 PLL/FLL环路最佳等效带宽

 PLL环路带宽性能仿真

 多径信号

多径信号是指接收机除接收到卫星信号的直射波外，接收到该直射波的反射波信号（一路或多路），多径信号对接收机的性能影响称为多径效应。多径信号是GPS接收机特别是差分GPS接收机的主要误差源。

 

 多径（跟载波频率，码速率，调制都有关系）干扰抑制技术

卫星信号设计
接收天线的设计与选址
数字信号处理技术
定位导航计算对测量值的处理

导航电文输出

跟踪环路处于稳定跟踪状态时，PLL的输出并不是可供导航解算直接使用的导航电文，需要经过电文数据位同步找到1bit导航电文数据位边界，进而利用同步码找到每一个子帧导航电文的起始位置，经校验后才可以使用。

 位同步

基于跟踪环输出判断：跟踪环输出1ms
  电文数据位长20ms
  解导航电文之前，必须把跟踪环频率为1000Hz输出序列变换成50Hz序列

位同步的任务是找到数据位边界
  寻找数据位边界方法:
 后处理的模式下，用已知的信号模型与接收信号进行相关，相关最大值处是位跳变点
  根据统计估计位跳变点

 

将环路输出序列的每20ms数据分解为20个单元，每单元1ms，并设置20个单元计数器，用于在多个连续的20ms数据中记录数据的符号位变化次数。当数据符号位改变时，相应的单元计数器值加1，直至某一单元计数器的值超过设定的门限，则此单元对应的位置即为导航电文数据位边界。
利用了一段时间内，导航电文数据位边界处的符号位变化频率高于其他位置的特点。

 

帧同步

 校验

3类检错纠错技术:
检错: 循环冗余码检验, 奇偶校验
检错纠错: 奇偶校检, 前向纠错
恢复被破坏的发送数据块的技术: 数据块交错编码

 

先进信号处理技术

 接收机技术发展的需求

1）高精度测量和处理技术：提高接收机PVT性能，提供高精度的伪距、载波相位等原始观测数据，并采用高精度的测量方法进行处理；

2）卫星导航接收机抗干扰技术：抗干扰加固，以提高在电子战环境中的作战效能；可快速有效地做出抗干扰性能评估、抵抗大范围同时发生的窄带和宽带干扰、可灵活地满足各种平台应用等，是现代化信息战争中使用卫星导航接收机的前提；

3）多系统多模式兼容型接收机技术：提高卫星导航系统信息的安全性和可用性，减小信号被全部遮挡的可能，提高定位授时精度；

4）软件接收机技术：提高多功能多用途的灵活集成；提高多星座多频段兼容接收和多导航信息综合处理能力；便于展开各种综合应用、边缘应用和专项应用研究；为新体制信号接收提供便利平台；

5）卫星导航与惯性传感器组合接收机技术：实现各导航系统之间性能互补；通过信息冗余测量，提高导航系统的可靠性；解决短时干扰和遮挡的缺点。

接收机抗干扰技术

卫星的体积小，重量轻；
卫星离地球表面远。
   例如L1信号到达地面的最小信号功率为-160dBW，其信号强度仅相当于16000Km外一个25W的灯泡发出的光，或者说，它比电视机天线所接收到的功率要低10亿倍。

使用干扰功率为1W的干扰机，在GPS1.6GHz频带上实施调频噪声干扰,就使GPS接收机在22Km范围内不能工作,干扰功率每增加6dB，有效干扰距离就增加一倍。

接收机抗干扰技术

频谱滤波
时间滤波
轴向调零
极化抗干扰
GPS与惯性导航（INS）组合

频谱滤波

频谱滤波包括带通和带阻滤波，此技术主要用于限定的窄带和CW干扰源，以及强的带外干扰源。但这种技术不适用于宽带噪声干扰或多个扫频瞄准式噪声干扰。

时间滤波

时间滤波在时间域内对信号特征进行处理，用数字信号处理（DSP）方法来实现可编程HR/FIR滤波器和相关器。这种技术是单一孔径技术，用于多个窄带噪声干扰和CW干扰源,这种技术也能用于多径效应和回波抵消干扰问题。

轴向调零

   轴向调零技术用于在小的圆柱体上，它利用干涉仪和地面站的影响能在轴线方向形成一个可变调零，这种技术在轴线方向能产生10dB～15dB的干扰抑制。这种技术不能处理许多偏离轴线的干扰源。

极化抗干扰

   极化抗干扰技术是单一孔径技术，它利用极化调零来消除干扰信号。极化调零的实现是利用一个侦察和跟踪/控制通道来识别和跟踪干扰信号的相位和幅度，再用一个混合连接来抵消电路来抵消符合接收信号中的干扰部分。理论上，这种技术能抑制所有类型的干扰，包括宽带噪声。

软件接收机

 软件接收机与硬件接收机相比具有很大的灵活性。当需要捕获新的卫星信号时，只需要更改软件，在软件接收机中产生需要捕获和跟踪的新信号即可,无需更换和升级硬件。
    软件接收机具有的优点：
成本低
灵活性好
易于升级
可作为原型机：利用软件接收机进行测试

 GPS/惯性深组合技术

 GPS/惯性深组合技术

    深组合将组合概念应用到GPS接收机跟踪环中，其主要思路是将INS中惯性测量单元（IMU）的量测信息和接收机同相正交信号进行深度耦合，在接收机内部实现IMU量测信息和GPS量测信息的深度最优融合，进而得到本地信号与接收信号的频率相位差并反馈至本地信号产生电路，实现接收机环路的最优化控制。通过与IMU量测信息深度最优融合，深组合方式能够有效地提高接收机在弱信号、高动态、干扰环境下的信号跟踪性能。