试论卫星导航接收机基带信号处理技术

[摘 要]随着科学技术的发展，卫星导航系统得到了飞速的发展，因此也对卫星导航接收机的研究和开发提出了更高的要求。基带信号处理技术作为卫星导航接收机的关键环节，决定着卫星导航接收机的性能，被广泛应用于民用工业和军工之中，对于生产生活和国防建设具有巨大的经济意义。本文以卫星导航系统作为出发点，通过分析卫星导航的基本原理，从而从捕获算法和跟踪算法两个方面分析了卫星导航接收机基带信号处理技术。

[关键词]卫星导航；接收机；基带信号；处理技术

中图分类号：TP206 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0229-01

1 前言

近年来，随着卫星导航技术的不断发展和建设，其应用领域也不断扩大，广泛应用于人们的日常生活当中。目前，全球的卫星导航系统呈现一种多系统同时运行的情况，包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统和我国的北斗系统。所以，面对这种状况，研制单一系统的卫星接收机已经不能够满足现实生活的需求，逐渐朝着多系统兼容接收机的方向发展。尤其是在我国，对于研制卫星导航接收机技术的起步较晚，仍然处于初步探索阶段，缺乏一定的核心技术。鉴于此，为了摆脱对于国外进口设备的依赖，加快研制卫星导航接收机技术的步伐越来越重要。就目前的情况来看，许多企业和研究单位已经开始了对于接收机技术的研制工作，并取得了一定的成绩，但是与国外的同类产品相比，在卫星导航接收机的性能上仍然存在着较大的差距，所以还需要进一步加强对卫星导航接收机性能的研制。

2 卫星导航系统的概述

2.1 卫星导航的基本原理

从军用到民用，从专业测量到生产生活，卫星导航的应用领域不断扩大，并得到了广泛应用。卫星导航依据导航卫星系统，通过处于地面或接近地面的卫星导航接收机来接受卫星导航的信号，然后经过一系列的信号处理过程，最终实现导航、测速、定位等功能，其基本原理如下：简单来说，卫星导航通过对导航卫星和用户接收机之间的距离进行测量，从而来判断用户的位置。在实际应用中，用户的接收机一般置于地面或接近地面的位置，需要捕获和跟踪卫星的信号，并根据信号传输的具体时间，计算二者之间的距离。之后，接收机再通过破解接收到的导航数据帧来计算卫星的位置以及自身的位置。鉴于以上分析我们可以看到，接收机的关键设计主要是对于捕获和跟踪环节的设计。

2.2 基带信号处理技术的原理分析

从内部结构角度来说，卫星导航接收机由射频通道、基带信号处理和信息处理三大部分组成。其中，基带信号处理技术是介于射频通道和信息处理之间的关键位置，直接影响着接收机的整体性能。在实际应用过程中，基带信号处理的方式有两种，一是应用卫星导航专用集成芯片，二是借助于FPGA+DSP的硬件平台来实现。一般基带信号处理应该以信息处理的灵活性为准则，所以在产品的研发阶段常常采用FPGA+DSP的硬件平台来完成基带信号的处理工作，并且能够快速的更新处理算法，保证研发工作的顺利进行。当前，世界上导航定位精度最高、最完善的卫星导航是美国的GPS系统，对比而言，我国北斗系统的定位精度非常差，结构上尚且还不完善。因此，在卫星导航蓬勃发展的时期，为了从整体上提高接收机的性能，需要依据先进的信息处理技术，优化接收机的基带信号处理功能。

3 卫星导航接收机基带信号处理技术

虽然卫星导航接收机广泛应用于人们的生产和生活当中，但是不同的应用环境拥有不同的要求。总的来说，首先在设计硬件时，要尽量使减小接收机的尺寸，降低功率消耗，从而降低其成本；其次，要尽量提高接收机的定位、测速、估算精度，以及保证测量的稳定性；再次，接收机要能够快速的实现定位功能，并及时更新实时数据；最后，卫星导航接收机的信号处理过程是一个动态的过程，在这个过程中，要保证其能够承受特定场景下的动态变化。一般，基带信号处理的过程开始于A/D采样，然后通过在数字下改变频率、捕获信号、跟踪信号，最后再将信号进行解读，一直到得出导航数据位置。所以，基带信号处理技术作为卫星导航接收机技术的关键环节，需要对其进行进一步的深化研究，提出更多的捕获和跟踪方法，从而不断提升接收机的性能，其中研究的重点也应该放在捕获和跟踪方面，从而保证接收机的顺利工作。

3.1 接收机捕获算法分析

在卫星导航系统中，一般当导航信号传输到临近地面的时候，其信号功率低于噪声功率，所以必须通过伪码解扩的技术来提高信号功率，才能够使其被接收机接收到。在这个过程中最关键的就是捕获算法。一般来说，捕获的方法有很多，按照原理、性能和实现程度的不同，可以将其分为时域搜索、基于FFT的循环相关捕获算法、匹配滤波器组结合FFT的捕获算法等。时域搜索法是比较传统的算法，它根据一个频道下的每一颗可能存在的导航卫星，搜索所有可能的伪码相位，当将一些相关的峰值检测到时，这就说明已经搜索到了相应的卫星。但是这种方法的捕获所读是非常慢的，由此将会考虑到一种并行搜索方式，即增加搜索的并行性，也就是所说的基于FFT的循环相关捕获算法。这种算法能够减少搜索的单元，从而降低运算量。首先要将滑动本地伪码和输入的数据相乘，从而找出输入信号的伪码，一旦得出的伪码与本地的伪码相同时，则用FFT对输入信号的连续载波信号进行频谱分析，当得到的峰值超过预定的功率上限，那么认为成功捕获了信号。这种方法成功的避免了搜索多普勒频率，从而提高了捕获的速度。除了以上提到的两种捕获算法之外，还有一种将匹配滤波器和FFT结合的方式，从理论上说，这种方式的捕获速度更加便捷，但是却加大了逻辑设计的难度，而且需要耗费过多的资源。综上，在设计接收机的捕获方案的过程当中，不仅仅要将提高捕获算法的性能作为考虑要素，还要考虑工程实施的难易程度以及资源的占用率。在上述分析中，我们可以看见，时域搜索方法的实现过程十分简便，但是却要消耗很多时间，不能使实现快速捕获的需求；相对应的，匹配滤波器组结合FFT的捕获算法虽然捕获速度很快，但是很难实现。因此综合上述因素，在研制接收机的捕获使，通常要采用基于FFT的循环相关捕获算法，既快速，又容易实现。

3.2 接收机跟踪算法分析

在接收机捕获相应的信号之后，就需要对输入信号进行精细化的动态跟踪，从而能够精确的获得载波多普勒频率和载波相位，这也就是所说的载波跟踪。一般接收机当中有两个跟踪环路：载波跟踪环和，码跟踪环，这两种方式是同时进行的，相辅相成，缺一不可。载波跟踪环是为了得到输入信号的载波频率和相位变化，而码跟踪环则是为了跟踪输入信号的码相位变化。在对跟踪算法的整个仿真分析中，我们可以得出每一个跟踪甬道都相应的拥有一个载波跟踪环和码跟踪环，因此设计的跟踪性质也就决定了接收机的工作性能，随接收机的定位、测速、测量等功能都具有不同的作用。依据跟踪算法的理论，在确定接收机的跟踪方案时，要从硬件平台入手，不断实现跟踪算法的程序处理过程，经过静态和动态场景的双重实验，从而保证跟踪功能的正常实现。

4 结束语

综上所述，基于FPGA+DSP的硬件平台，卫星导航接收机的基带信号处理技术对接收机的设计和应用具有非常重要的作用，所以加强对基带信号处理技术的研究是十分必要的。针对捕获和跟踪算法的理论分析，在现代实时接收机的研制过程中，需要考虑接收机的结构、成本等多种因素，找出高效的处理算法，从而实现基带信号的快速处理，显著地提升接收机的性能。但是在研制的过程中还存在一定的问题，例如提高接收机的灵敏度问题，因此，在实际应用过程中还需要对其进行进一步的完善。

参考文献

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