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GPS软件接收机
本文讨论了软件GPS接收机的实现方法。首先，给出了软件接收机的定义，软件接收机与传统接收机的区别，以及采用的数据采集硬件。在此基础上，讨论了捕获与跟踪算法。并实现了实时操作从捕获到跟踪的过程。简要讨论了导航数据的译码、卫星位置的计算和用户位置的确定。最后，介绍了软件接收机的优点。copy;2001John Wiley amp; Sons, Inc
几乎我们所知道的所有技术产品都经历了一个进化的过程，从模拟到数字，从最近到适用的软件。全球定位系统(GPS)也不例外。在过去的十年里，GPS接收机技术已经从模拟到数字架构的转变。数字信号处理在性能、尺寸、重量和功率方面有显著的优势，但同时这些数字架构也有局限性，因为它们是硬件实现的。在硬件实现的接收机中，新的特性、改进的算法或适应新的频率意味着购买新的接收机，而软件接收机可以很容易地重新编程。类似地，从研究的角度来看，软件体系结构使人们可以灵活地尝试许多算法，而不必在硬件上实际实现它们，这是非常昂贵和耗时的。
软件接收机被定义为一种设计，在这种设计中，模数转换器(ADC)被移动到尽可能靠近天线的位置，并且产生的样本使用可编程处理器进行处理(IEEE, 1995)。软件接收机的主要优点在于它的灵活性，例如只需改变信号处理软件就可以进行修改和改进。这种灵活性有两个明显的优点。第一种是多模式无线电实现，一种设计可以实现多种用途。这在存在大量不同标准的手机市场中非常有用。与使用不同的接收硬件不同，必要的信号处理是根据需要存储和加载的。第二个优点是在可以利用动态信号处理的情况下。软件无线电在灵活性方面没有对手。不同的处理算法可以在软件仿真中进行测试，然后利用相同的软件算法对真实信号进行处理。应用最优信号处理算法，软件接收机可以动态调整以适应不断变化的环境并处理干扰问题。
硬件/软件GPS接收机
图1显示了传统GPS接收器的框图。在几乎所有的现代GPS接收机中，信号都是在中频(IF)阶段数字化的。一旦信号数字化，就有两个重要的模块：信号处理和导航处理。导航处理是计算星历数据、伪距、卫星位置和用户位置的过程。导航功能通常在软件中实现;它是传统接收机与软件接收机结构不同的信号处理模块。信号处理模块具有信号采集、载波/码跟踪、自动增益控制(AGC)、数据解调、奇偶校验译码、测量处理等功能。这些功能中的大多数需要大量的硬件，如相关器、积分器、锁相环(PLL)、频率锁环(FLL)、延迟锁环(DLL)、代码生成器和振荡器(Parkinsonamp;Spilker,1996)。上述功能也用于软件接收器，但使用的是软件代码而不是硬件组件(Fridman amp;Semenov,2000)。
图2说明了在空军研究实验室实现的软件接收器的框图配置。如果使用一个下变频级，则将射频信号下变频。我们收集了真实的数据，它没有包含任何明显的突变。粗数据采集(C/A)和P代码的数据采集系统是不同的。对于C/A码和P码，混频器输出端的LI频率中心分别为21.25 MHz和37.5 MHz。C/A和P码的ip是不同的，因为我们使用了不同的C/A和P码的本地振荡器。对于C/A和P码，中频信号的输入带宽分别为2mhz和20mhz，因此中频信号的数字化使用频率分别为5和50 MHz。这个软件接收器的一个重要和具有挑战性的方面是捕获和存储这些数字化数据以进行处理。我们的数据采集系统由一个8位ADC组成，用于采集中频信号和一个27 gb的硬盘来存储采样数据。对于大多数应用，1位、2位或最多3位ADC应该就足够了。该软件方法的目的是研究抗干扰问题，利用8位ADC提高信号的动态范围。在传统的接收器中，一旦数据通过就会丢失;这里，在软件接收器中存储的数据可以进行后处理，以进一步评估给定的情况或场景。数据采集阶段结束后，从GPS信号采集到用户位置计算的所有功能都在软件(MATLAB, c )中实现。
收集数字数据的硬件
用于为软件GPS接收器收集数据的硬件可以非常灵活。从频率计划考虑，输入频率可以向下转换为中频，也可以直接在射频采样(Tsui, 2000)。直接采样由于不需要混频器和本地振荡器而显得更有吸引力，但目前它的缺点大于优点。高频放大器的成本更高。高频窄带滤波器难以建立，且具有较高的插入损耗。ADC必须有输入带宽才能在高射频下工作，有效比特数在高射频输入频率下减少。此外，采样频率必须非常准确。以目前的技术，似乎下转换版本更实用。滤波器用于拒绝带外信号和限制噪声带宽(Akos, Stockmaster, Tsui， amp;Caschera, 1999)。总增益或放大取决于所使用的adc。一个简单的经验法则是将信号放大到ADC的最大范围。GPS信号远低于噪声层，放大信号也会放大噪声，使ADC饱和(Tsui, 2000)。所以在这种情况下，有效的噪音地板会增加。
图3(c)显示了RFfront端单通道下变频版本的硬件设置。该单通道是来自四通道前端的通道之一，用于数字波束形成。图中显示的长电缆是用来同步四个频道的延迟线。输入信号可向下转换为单通道或同相位和正交相位(I-Q)通道。从单个通道收集的数据通常被称为真实数据，而从I-Q通道收集的数据通常被称为复杂数据。在大多数商业GPS接收机中，在采样前转换到基带时使用I-Q下变频方法。软件接收器可以获取任何一种安排产生的数据。数据可以从实数转换而来或者相反。如果数据转换，则不需要更改接收方的软件。人们还可以对接收软件做一些小的修改来处理真实或复杂的数据。在建立一个复杂的下变频器时，I通道和Q通道的输出必须是平衡的，这意味着两个通道之间的振幅和相位必须适当地相关。
信号的捕获
跟踪GPS信号并获得计算用户位置的信息的第一步是检测其存在。探测特定GPS卫星信号的过程称为捕获。GPS信号捕获过程是一个时间(码相位)和频率的二维搜索过程。获取GPS信号的方法有多种;本文提出了一种基于快速傅里叶变换(FFT)的频域分析方法。这里的思想是使用循环相关，它是由循环卷积得到的。在软件接收器中，可以对一块数据进行捕获;因为C/A码每毫秒重复一次，所以要使用1ms的数据。局部码由特定卫星的C/A码和复杂的射频码组成。这个本地代码将与输入信号相关联，以找到特定的卫星。由于卫星运动和可能的接收机运动对输入信号产生多普勒频移，射频信号必须覆盖一定的频率范围。卫星运动引起的多普勒频率约为plusmn;5khz。对于一个固定的接收机，频率范围应该是10KHz。由于用于相关的数据长度为1ms，频率间隔为1KHz (1/1ms)。这个1KHz是用于采集的FFT的频率分辨率。如果输入信号落在两个比特之间(对于1KHz分辨率，最大比特间隔为500 Hz)，可接受的最大信号衰减约为3.9dB。为了覆盖10 KHz的频率范围和1KHz的分辨率，需要11个频率组件。C/A码和RF信号相乘可以产生一个本地码。使用11个不同的频率可以产生11个本地码。
一旦生成了本地代码，就可以通过以下操作将其与1ms数据关联起来。由于采样率为5MHz，所以1ms的数据包含5000个点。输入由x(n)表示，本地信号由l(n)表示。
- 对输入数据和本地代码执行FFT。结果表示在频域内，用X(k)和L(k)表示。
- 取X(k)或L(k)的共轭复数。在这个讨论中，取X(k)的共轭复数为X(k)。
- 将X(k)和L(k)逐项相乘，结果为Y(k)。
- 求Y(k)的逆FFT;结果是y(x)，求y(x)的振幅。对于每个本地代码，生成5000个y(x)点。
- 对于11个本地代码，y(x)有55,000个点。找出所有y(x)值的最大值，并将其称为ym(x)。
- ym(x)值可用于确定C/A代码的开头以及输入信号的频率。输入信号的频率和C/A代码的开头是跟踪卫星所需的信息。
在正常情况下(-130 dBm)，1ms的数据就足以获得一颗卫星。对于弱信号，可以使用额外的输入数据来查找信号。有两种方法可以处理额外的输入数据：一种方法称为非相干集成，另一种方法称为相干处理。
对于非相干积分，可以将每毫秒所得的y(x)振幅相加。几毫秒后，就可以从得到的y(x)值中找到最大值。即使是较弱的信号，非相干积分方法也不能令人满意。如果用非相干积分处理N ms的数据，计算信噪比的改善。通常，对于非常弱的信号，是相干积分可用于捕获数据。对于N毫秒的数据，信噪比可以提高10logN dB。例如，如果使用20ms的数据通过非相干处理进行采集，则信噪比可提高约10.3dB，检测概率可提高90%，误报概率可提高10~7倍。对于相同的数据长度，如果采用相干处理，提高了13分贝。相干处理需要更多的操作，但是可以使用几种方法来简化操作。软件接收器具有灵活性，可以实现不同的捕获方法，以适应不同的信号条件。
图4(a)显示了1ms的数字化信号。图4(b)显示了信号在时域的采集。强峰值表示C/A代码的起始位置，类似地，图4(C)中的强峰值表示多普勒偏移。
信号的跟踪
在本节中，我们将介绍两种跟踪GPS信号的软件方法:常规方法和BASS(同步信号的块调整)方法。在传统的方法中，所有的硬件功能都是通过软件代码来实现的。BASS方法是在空军研究实验室开发的。一旦获得了信号，就必须对信号进行跟踪，以便获得导航数据。跟踪程序使用从采集程序中获得的两个参数:C/A码起始(相位)和RF(多普勒)开始处理。如果设计软件GPS接收机对输入信号进行连续跟踪，跟踪程序的运行速度必须与输入数据采集速度相匹配。
需要两个回路来跟踪一个GPS信号。一个循环通常被称为代码循环，它跟踪C/A代码。另一个是相位(或频率)锁定环，跟踪下行转换的射频信号载波分量。这两个跟踪循环如图5所示。载波消去是对输入码环的信号执行的，这意味着载波信号被消去只留下C/A代码。代码循环使用本地生成的C/ A代码来匹配输入信号的C/ A代码。通常使用三种本地生成的代码:即时代码、早期代码和后期代码。即时代码的目的是匹配数据中C/A代码的开头。早期代码通常比提示代码提前一半的芯片时间。C/A码片速率为1.023 MHz，对应的芯片时间约为0.978 ^s。提前时间大约0.489，美国标准。延迟信号相对于即时信号的延迟量与引导即时信号的早期信号的延迟量相同。这三个代码的相关输出可以用来准确地确定输入信号中C/A代码的开头。该信息用于调整本地生成的即时码的初始相位，以更好地匹配输入信号的代码相位。
锁相环用于跟踪输入信号的射频，该射频由捕获程序获得，跟踪程序在本地生成的参考射频信号应更接近输入信号的射频。二阶环可以跟踪多普勒的变化率，三阶环可以跟踪恒定的加速度。对于软件GPS接收机，参考信号的相位和频率每隔1毫秒或10毫秒调整一次。这种操作可能会使局部产生的信号的射频非常接近输入信号的射频，但可能并不完全等于它。
另一种用于软件GPS接收机的跟踪程序称为同步信号(BASS)的块调整程序。在这个程序中，本地生成的C/A代码和射频信号可以组合在一起。BASS算法也由三种信号组成:即时信号、早信号和晚信号。这些信号与输入信号相关联。利用两个连续输入数据相关峰的相位差来寻找更好的频率分辨率。从1ms的数据中计算出的相位是相当嘈杂的。因此，通常需要10毫秒的数据来计算一个更准确的参考频率，这也被称为精细频率，意思是更精细的频率，分辨率。即使有10ms的数据，局部产生的参考信号的射频值也只接近输入信号。根据输入信号的强度，通常在5Hz以内。图6(a)和图6(b)显示了使用BASS和常规锁相环跟踪PRN6和28的情况。图上的每个点表示1ms的C/A代码。
将该编码与射频环路相结合，利用BASS方法对输入信号进行跟踪。信号被跟踪后，C/A代码和射频信号被删除，只剩下导航数据。信号跟踪后的软件与传统的硬件接收机非常相似。需要以下步骤来计算用户位置。
- 子帧必须通过前导序列和子帧标识(ID)匹配来获得。前导序列位于遥测字(TLM)中，子帧ID位于交接字(HOW)中。
- 必须正确检查子帧中的奇偶校验位。这个操作决定了每个字的极性。
- 从不同卫星的子帧开始，可以发现相对伪距。伪距用于查找用户位置。
- 从每个字可以得到导航数据。前三个子帧提供卫星时钟改正和星历参数;子帧4提供电离层改正。
- 利用导航数据计算卫星在以地为中心的地固坐标系中的位置。
- 最后，在计算卫星位置之后，使用最小二乘计算用户位置。
信号从捕获到跟踪的转换
基于软件的捕获要5毫秒的数据就可以得到精细的频率分辨率(lt; 10-Hz的频率误差)，而对于微弱信号(lt;- 130dbm)，捕获的处理时间可达1秒以上。未来对捕获的改进和处理器速度的提高应该会将这种延迟降低到0.25秒或更少，但当需要获取至少四颗卫星以确定接收方的位置时，这种延迟仍然是一个问题。由于系统时钟的多普勒效应和误差，C/A码的位置随时间推移而改变，因此，当时间采集完成时，其结果可能不再适用于开始跟踪卫星。处理这种变化的一种方法是估计C/A代码序列在某段时间之后开始的样本。幸运的是，对于静止的接收机来说，这种移位的速率和信号的多普勒频率之间存在线性关系。如果接收机移动速度缓慢的变化率可以被认为是静止的时间短,因为多普勒频移的变化,由于接收机的运动带来的影响将小于由GPS卫星的运动造成的。例如，汽车以100km/h行驶时的多普勒频移小于146Hz;准确的量取决于相对卫星位置的运动方向，而多普勒则取决于卫星的位置，而需要指出的是，卫星的移动位移可达3000赫兹或以上。对于快速移动的接收机，如飞机上的接收机，需要一些来自惯性导航系统等设备的输入
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