GNSS软件接收机关键技术研究及实现
第8卷 第16期 2008年8月167121819(2008)1624467206
科 学 技 术 与 工 程
Science Technol ogy and Engineering
Vol .8 No .16 Aug .2008
Ζ 2008 Sci .Tech .Engng .
地球科学
GNSS 软件接收机关键技术研究及实现
隋建波 赵 静1
陈秀万2
张 婷
2
(中国地震应急搜救中心,北京100049;北京师范大学资源学院1,北京100875;北京大学地球与空间科学学院2,北京100871)
摘 要 首先介绍了国内外G NSS 软件接收机技术的研究现状,对软件接收机的架构进行了详细的分析,系统地总结了其优点,并就GPS 软件接收机的关键技术部分进行了具体实现。对于前端的硬件部分采用了中频信号采样模块,具体包括天线模块、射频处理模块与A 控制模块,之后以纯软件实现,主要包括可设置12通道的中频信号处理模块、信号的捕获和跟踪、导航电文存储及转换,并针对伪距定位算法部分实现了单点静态定位,考虑的误差源主要包括卫星钟误差、对流层误差、电离层误差和地球自转引起的偏差等。系统具体的定位算法及定位结果精度都经过详细的实测分析。此外,整个系统设计也具有良好的灵活性和可扩展性。
关键词 G NSS 软件接收机 循环相关 伪距 导航电文中图法分类号 P228.4; 文献标志码
A
2008年1月14日收到 国家高技术研究发展计划(863计划)
项目(2004AA133020)资助
第一作者简介:隋建波,北京大学空间信息科学技术系遥感所博士生,研究方向:卫星导航技术与应用。
目前全球G NSS 发展主要有3大趋势:一是从GPS 时代转向G NSS 发展时代;二是卫星导航与无
线通信之间的相互融合;三是由应用产品为主转向服务为主。GPS 与G LONASS 现代化和Galileo 和BD 的完成将在10年内形成卫星数量达100余个的G NSS 系统,广播多个民用信号,从而使未来的接收
机均兼具兼容和互操作性,多系统的组合已成为卫星导航系统发展的总趋势,通信等其它系统的融合和渗透,也体现了其强大的生命力,而软件接收机技术,尤其是多频多星座兼容软件接收机的研究与开发,由于其显著的优点也已成为卫星导航技术领域的研究重点与热点。
软件无线电是近年来提出的一种新的实现无线通信的体系结构。软件无线电以其强大的可配置能力和可编程能力将成为未来通信系统的首选,它的出现可称为从硬件无线通信到软件无线通信的革命。软件无线电就是将模块化、标准化的硬件
单元以总线方式连接构成基本平台,并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。
就目前研究现状而言,美国及欧洲在G NSS 软件接收机和开发平台方面的研究取得了很多优秀的成果,如美国Stanford 大学、Cornell 大学、Purdue 大学;欧洲瑞典NordNav Technol ogies 公司、丹麦A l 2aborg 大学、Sp irit DSP 公司、加拿大Calgary 大学等
都研制了具有相对技术优势的单、双频软件接收机,其中值得一提的是瑞典的Nordnav 公司2006年开发的R30接收机是完整的G NSS 软件接收机,可以作为一个研究开发和测试验证的工具,用于研发目的,包括GPS/I N S 、多径干扰、先进信号研究、伪信标和教育,给用户提供了杰出的灵活性和控制能力。其软件结构是应用可编程接口(AP I )概念设计,用户可创造自己的接收机接口;控制接收机的捕获与跟踪环和接收机导航滤波器;以及与其他传感器组合接收机输出。接收机总体结构也能对复杂问题,如紧耦合的GPS/I N S 、干扰监测与分析,以及现有的导航问题的独特方法实现复合软件解决方案。
在国内,卫星定位与导航应用方面主要依赖于国外的GPS 专用芯片和OE M 产品。近几年,随着北斗
系统的投入使用,我国在接收机方面的研究和开发也有较大的发展,但软件接收机方面的成果相对较少。目前国内一些企业、高校等单位正在进行相关的研究,欧、美国家的这些成果都值得国内借鉴。
1 GNSS 软件接收机的架构分析
1992年5月,M I L TRE 公司M it ola Joe 首次明确
提出了软件无线电的概念。其中心思想就是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频率、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A /D 和D /A 转换器尽可能靠近天线,以研制出具有
高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统
。理想
图1 理想的软件无线电模型
的软件无线电模型如图1所示。一个完整的导航信号的接收处理通道由接收天线、接收射频、信号处理、应用处理(导航处理和授时处理)以及用户界面构成(JA MES BAO 2YE N TS U I,2000)。与传统的卫星导航接收机相比,典型的软件接收机将数字中频后的处理用软件代替原来的硬件来实现,进一步的研究将尽可能的向天线方向硬件部分进行软件化处理。
传统卫星导航接收机架构如图2所示。
图2 传统G NSS
接收机结构图
图3 典型的G NSS 软件接收机结构图
典型的软件接收机的结构如图3所示。
2 软机接收机的设计与实现
本文设计与实现的软件接收机主要包含了以下几个功能模块:
信号采集与产生模块:主要实现对G NSS 高频信号的实时接收、信号下变频处理、以及信号的数字化处理,包含天线模块、射频处理模块和数字化模块。
中频信号处理模块:主要是实现对G NSS 中频
采样数据的处理,通过对G NSS 信号的捕获跟踪,最终解调出导航电文和观测量数据。包含相关通道、捕获处理、跟踪处理、数据解调、观测量提取、用户AP I (App licati on Pr ogra mm ing I nterface )程序等模块。
导航解算模块:主要采用G NSS 伪距定位算法,实时解算接收机的位置信息,在解算过程中重点考虑了电离层误差,对流层误差,卫星钟钟误差和地球自转影响。
用户界面部分:根据软件接收机的特点,设计了友好的用户显示界面,分别使用图、表、文字等方式显示结果。用户通过界面显示结果实时分析、诊断各模块的工作性能。2.1 信号采集与产生
天线模块:负责实时接收GPS 卫星信号L1频
8644科 学 技 术 与 工 程8卷
段(1575.42MHz、CA码)的高频信号。经过广泛调研,本系统最终选用目前市场上比较成熟的工作在L1单一频率的微带天线产品。此类天线具有耐用性强和可靠性高等优点。
射频处理模块:主要实现信号下变频处理,系统中采用GP2010作为射频处理的主要模块,其三级变频器采用了中心频率分别为175.42,35.42和4.309MHz的3个中频滤波器。GP2010集成了频率合成器、混频器、自动增益控制器(AGC)电路以及数字量化器等,可实现高频信号的下变频、量化、采样处理,且性能稳定。
2.2 中频信号处理模块
相关器处理:G NSS软件接收机通过基于pc机的中频信号处理程序实现对G NSS中频采样数据的处理:包括信号的捕获,跟踪,解调,最终得到卫星的导航电文数据和观测数据。本系统采用12通道并行处理,每个通道的结构基本相同。可分为5个子处理模块:相关通道模块,捕获模块,跟踪模块,解调模块和同步模块。其中,相关器模块主要完成G NSS中频信号的载波剥离、码相关和积分累加处理;捕获模块实现本地码与接收信号的粗同步;跟踪模块与相关通道模块构成跟踪环路实现对信号码相位和载波多普勒的跟踪处理;数据解调模块进一步消除载波相位误差,解调出导航电文;同步模块实现位同步和子帧同步。
信号的捕获与跟踪:由于传统硬件接收机的搜索方法是在时域下进行信号相关处理的,所需要的计算量很大。针对软件接收机,由于计算量全部在PC机内进行,运算环境与硬件接收机相比发生质的变化,其运算速度远不如硬件接收机,所以从总体设计优化方面,本系统选用DFT(D iscrete Fourier Transfor m)和FFT(Fast Fourier Transf or m)算法[2]来捕获信号,它们将信号相关处理在频域内进行。这样可以大大减少计算量,从而提高软件接收机的运算速度。
信号捕获只得到信号码相位和载波多普勒频差的粗略的估计值,为了得到更精确的值以解调出导航电文,就需要对信号的码相位和载波相位进行跟踪。在普通的G NSS接收机里,载波跟踪和码片跟踪都是通过环路实现的。无论是载波跟踪环还是码跟踪环,基本上都是由鉴别器、环路滤波器和DCO(D igitally Contr olled O scillat or)(或NCO(Nu2 merical Contr olled O scillat or))组成。
码跟踪环路中码鉴别器的设计采用归一化超前减去滞后功率,其表达式为:
V GPS
NORM
(ετ)=V GPS E MLP/NORM=
[(IE2GPS+Q E2GPS)-(I L2GPS+QL2GPS)]
[(IE GPS+I L GPS)2+(IE GPS+I L
GPS
)2]
= R2[ε(k)-δ]-R2[ε(k)+δ]。
其中V GPS
NORM
(ετ)为码鉴别器输出控制量,ετ为
码跟踪误差,IE
GPS
为超前同相路,Q E
GPS
为超前正
交路,I L
GPS
为滞后同相路,QL
GPS
为滞后正交路。R[?]为卫星接收信号理想的自相关函数,这里超前-滞后码片设定为:δ=0.5chip
载波跟踪环路鉴频器的设计:在F LL跟踪环中,鉴频器算法采用归一化的叉积自动频率跟踪算法。其鉴频器输出为
Δf
k
=
1
2πT
a tan I
(k-1)Q(k)-I(k)Q(k-1)
I(k-1)I(k)+Q(k)Q(k-1)
。
其中T为预检积分时间。
2.3 导航解算模块
本文设计的软件接收机采用的定位算法是基于最小二乘的伪距定位算法[7],其主要算法步骤如下:
1)设初值(x0,y0,z0,t0)=(0,0,0,0)
2)由GPS信号得到真实距离P和单一伪距P j
3)考虑地球自转后计算得Δp j及各方向余弦
a x j,a y j,a zj(j=1,2,…,n)。
4)Δx n-1=(H T H)-1H TΔp j(H n×4=
a x1a y1a z11
a x2a y2a z21
a x3a y3a z31
)。
5)
x n=x n-1+Δx n-1
y n=y n-1+Δy n-1
z n=z n-1+Δz n-1
t n=t n-1+Δt n-1
,判断Δx n是否小于阈
9644
16期隋建波,等:G NSS软件接收机关键技术研究及实现
值,如果小于阈值,执行下一步,否则,返回第2)步继续执行。
6)得到最后定位结果(x u ,y u ,z u ,t u )=(x n ,y n ,
z n ,t n )
整体导航解算部分流程图如图4所示
。
图4 导航位置解算部分的流程图
2.4 用户界面与功能
系统主程序界面如图5所示。
用户主界面的主要功能是显示捕获跟踪状态以及显示定位结果。主界面上方显示的是捕获跟踪
状态。用户可以通过基于W indows 的图形用户接口直观地看到软件接收机捕获跟踪各通道卫星的状态。通过通道参数表可以显示各通道卫星的通道号、卫星号、通道状态、捕获码相位、捕获多普勒频率、码相位跟踪值、载波多普勒频率跟踪。
主界面的下方显示的是定位结果,通过卫星位置表可以看到接收到的卫星的数目以及其位置,且在导航卫星图上还把各个卫星的分布表示出来,使得用户对当前可见卫星的分布以及各卫星的状态有直观的感受。通过导航信息表则可以看到当前解算出来的各个参数,包括时间、位置、速度、精度等,同时,还可以方便地通过工具开始、暂停和停止接收卫星数据,灵活性很大。整个系统的功能实现主要包括以下几个方面:
信息显示功能:在主界面及各子界面中,捕获、跟踪相关通道信息、导航信息等都有所显示,并包括一些程序的中间值显示,同时包含了信息的图形显示,
实时卫星分布图显示和定位结果在地图上的显示。
图5 系统主界面图
0744科 学 技 术 与 工 程8卷
算法演示功能:包括信号捕获和跟踪各算法演示以及与G AL I L E O 对应的BOC 信号的相关演示,同时通过基带设置、门限设置、运行时间设置和通道设置来控制系统运行。
数据选择与存储功能:该软件接收机可以处理实时数据同时也可以选择非实时数据进行处理,存储的数据包括星历文件存储(renix 格式),包含卫星
相关信息存储以及定位结果的存储等。
算法选择功能:该系统可以很方便的进行算法研究,在运行前可以进行算法选择,包括信号捕获算法,码跟踪环路和载波跟踪环路和P VT 位置解算算法选择,并预留的相关接口,可做进一步的算法
研究
3 定位结果实测分析
经过系统各部分大量数据的实测表明:该系统
的主要算法(包括GPS 捕获算法、跟踪算法、导航电文产生算法、定位部分算法测试等)符合要求,最终在P DOP 值小于4的情况下,定位精度约为15m (95%),基本满足实验需要,如表1所示。
4 结论及展望
1) 实际开发测试表明,采用软件接收机的方
法进行算法研究和实验是方便可行的,在具体开发中应注意各个部分的测试范围是否符合要求,分模块的开发原则使得系统开发方便且容易发现错误所在。
2) 系统的定位精度有待提高,导航解算部分采用的是最小二乘法,载波平滑伪距的几种算法、卡尔曼滤波等在进一步研究中应集成到系统中,提
高定位精度。
3) 多模多星座兼容软件接收机是未来接收
机的发展方向,各种导航系统(美国的GPS,俄罗斯的G LONASS,欧盟的G AL I L EO 以及区域导航系统)逐渐投入使用可以有效的提高定位精度,获得更好的服务,本系统做了兼容接收机的初步考虑,并已经实现了对于G AL I L EO 系统BOC 信号的处理,为接下来进一步研究兼容软件接收机做了准备。
参 考 文 献
1 Kap lan E D.GPS 原理与应用.邱致和,王万义,译1北京:电子工
业出版社,2002
2 van Nee D J R,Coenen A J R M.New fast GPS acquisiti on technique
using FFT 1Electr onic Letters,1991;27(2):158—160
3 Tsui J B Y,St ockmasterM H,Akos D M.B l ock adjust m ent of syn 2
chr onizing signal (BASS )for gl obal positi oning syste m (GPS )receiver signal p r ocessing 1I O N GPS 1997Sy mposium 637—643,Kansas Cit 2y,MO,Sep tember 15—19,1997
4 Krumvieda K .DFC;Pre malMadhani,CCAR;Chad Cl oman,DFC,A Comp lete I F Soft w are GPS Receiver:A Tut orial about the Details 1
1
74416期隋建波,等:G NSS 软件接收机关键技术研究及实现
I O N GPS2001
5 Ko Sunjun,Won Jonghoon,Lee Jasung.FFT and P LL based GPS signal p r ocessing f or s oft w are GPS Receiver1武汉大学学报,2003;
(2):719—722
6 Tsui J B Y.Funda mentals of gl obal positi oning syste m receivers:A s oft w are app r oach1New York:W iley,2000
Research and Rea li za ti on of Key Technology of GNSS Software Rece i ver
S U I J ian2bo,ZHAO J ing1,CHE N Xiu2wan2,ZHANG Ting2
(China Center f or Earth Quake D isaster Emergency and S AR,Beijing100049,P1R1China;College of Res ources Science&Technel ogy, Beijing Nor mal University1,Beijing100875,P1R1China;School of Earth and Space Sciences,Peking University2,Beijing100871,P1R1China)
[Abstract] Devel opment of G NSS s oft w are receiver and intr oduces the basic structure of G NSS s oft w are receiver is first researched and analyzed,su mmarized its advantages and realizes the whole syste m regarding GPS s oft w are receiver.Excep t it i m p le ments the inter mediate frequent signal sa mp ling module f or the hardware part,the syste m is all carried out in s oft w are way,including inter mediate frequency signal p r ocessing module,the signal acquiring and tracking module,ephe meris st orage and conversi on module and single2point static positi oning module ai m ing at p seudorange.The err ors concerned in the syste m mainly contain satellite cl ock err or,tr opos phere err or,i onos phere err or and the err or caused by earth r otati on.The positi oning arith metic and p recisi on of results have been tested and analyzed.Besides,The entire syste m possesses friendly interface with fine flexibility and extensibility.
[Key words] G NSS s oft w are receiver cyclic correlati on p seudorange ephe meris
(上接第4461页)
Study on Cr iter i on of St a tisti ca l fracture for Br ittle
M a ter i a ls under M ulti a x i a l Stress St a te
Z HU Nai2l ong Y U Zhou2bo
(School of Civil Engineering and A rchitecture,WUT,W uhan430070,P.R.China)
[Abstract] By means of selecting penny2shaped crack model t o si m ulate the defects in material,using the nor2 mal vect or of the crack’s p lan t o reflect the random directi on of the crack’s p lan in the material and using effective stress t o rep lace the stress state,the criteri on of statistical fracture f or brittle materials under multiaxial stress state is devel oped.The criteri on reflects the relati on of the strength of constructi on,the stress state,failure p r obability and the material’s coefficients.Some reas onable exp lanati ons for research results by now can be got fr om this crite2 ri on.The f orecast by this criteri on is in a good accordance with the test data.
[Abstract] theory of statistical fracture s olid angle of failure effective stress failure p r obability criteri on of statistical fracture
2744科 学 技 术 与 工 程8卷