[科普中国]-GLONASS 接收机

简介

GLONASS 接收机是接收GLONASS卫星信号并确定地面空间位置的仪器。由于可用卫星的增多，星座的几何形状明显改善，在不利的操作环境中，诸如大厦耸立的城市、树木笼罩的山区或其它部分天空和卫星被遮挡的地区，提供了更高的定位解算精度和可靠程度。可广泛应用于导航、定位、授时、差分等多个领域。

俄罗斯 GLONASS 全球导航卫星系统1995年完成24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网，耗资30多亿美元，由俄罗斯国防部控制。GLONASS空间部分也由24颗卫星组成，卫星高度19130千米，位于3个倾角为64.8度的轨道平面内。这一高度除避免和GPS同一高程以防止两个星座相互影响外，其周期为11小时15分钟，8天内卫星运行17圈回归，3个轨道面内的所有卫星都在同一条多圈衔接的星下点轨迹上顺序运行。系统工作基于单向伪码测距原理，采用频分多址，它的码速率是GPS的一半。GLONASS未能达到GPS的导航精度，但它的主要好处是没有加SA干扰，民用精度优于加SA的GPS。GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短，后期增长为5年，其应用普及情况远不及GPS。前一时期由于经济无力补网，原来在轨卫星陆续退役，1998年12月和2000年10月各发射3颗星，目前轨道上只有6颗星可用，不能独立组网，只能与GPS联合使用。其计划改进型卫星GLONASS－M平均寿命7年，民用频率将由1个增加到2个1。

GLONASS( GLObal NAvigation Satellite System)系统具有巨大的潜在应用前景，由于其采用独特的信号体制和调制方式，在北半球尤其是高纬度地区相比 GPS、伽利略等其他系统拥有很强的自身优势，并且与其他系统互补性很强2。

工作原理扩频体制扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)是指将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列：Spreading Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调和相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信与一般常见的窄带通信方式不同，主要体现在信息数据经扩展频谱以后成为宽带信号，再经过相关处理恢复成窄带信号后解调出信息数据。因此它具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩频通信具备了一般窄带通信所没有的优点，例如抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、能在低信噪比条件下工作、保密性强、可多址复用和任意选址、可高精度测量等等。扩展频谱通信作为一种新型通信方式，特别引人注目，得到了迅速发展和广泛应用，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信方式。

GLONASS 卫星信号GLONASS 卫星与GPS卫星一样，发送L1 、L 2两种载波信号，并且在载波上采用 BPSK 调制用于测距的伪随机码和用于定位的导航电文。L1 载波上调制的信号有：伪随机测距码（PR）、导航数据、100Hz 辅助的明德码序列（meander）。L2 载波上调制的信号有：伪随机测距码（PR）、100Hz 辅助的明德码序列。

导航信息数据包括即时和非即时数据。即时数据（卫星星历）与该卫星直接相关，它发送该卫星的导航信号，非即时数据（卫星历书）与 GLONASS 星座中的所有卫星相关。导航数据速率为每秒 50bps，并以 Module-2 的形式加载到 PR 测距码上。

各阶段 GLONASS 卫星载波频率计划鉴于 GLONASS 的载波频率与用于射电天文研究的频率 1610.6—1613.8MHz 存在交叉，以及国际电讯联合会已将频段 1610.0—1626.5MHz 分配给近地卫星移动通讯，俄罗斯计划减小 GLONASS 载波带宽和频率。频率改变后，GLONASS 系统将仅有 12个频率加 2 个测试频率。因为地球上任何一个地方，不可能同时看见在同一轨道平面上位置相差180° 的 2 颗卫星。所以这 2 颗卫星可以采用同一频率而不至于产生相互干扰。俄罗斯就是用这个方法解决了用 12 个频率识别 24 颗卫星的问题。

GLONASS 接收机捕获、跟踪及同步策略卫星信号的捕获是利用伪随机码良好的自相关特性，通过检测本地生成的伪随机码与接收卫星信号中伪随机码作相关运算的峰值，当峰值超过门限即可认定为捕获成功。

接收机的捕获策略为:现场可编程逻辑门阵列( FieldProgrammable Gate Array，FPGA) 中有8个相关通道，数字信号处理器( Digital Signal Processor，DSP) 在每个通道中分配某1颗卫星用于捕获，若卫星信号中没有该通道分配的卫星，则认为该通道空闲并继续为其分配其他可见卫星，直到捕获成功。如果通道环路失锁，则通过重补或重新分配可见星继续捕获。当卫星捕获成功后，通道状态即改为跟踪。跟踪主要借助载波环和码环完成，目的是复制一个与接收信号频率、相位相同的载波信号和伪随机码序列，并通过自相关运算剥离卫星信号中的载波和伪随机码。

信号同步主要分为位同步和帧同步两部分，位同步的目的是找到导航电文数据比特的起始边缘，帧同步的目的是找到导航电文帧的起始边缘。由 GLONASS 导航电文结构可知其码元宽度为 10 ms，接收机跟踪环路的相干积分时间为1 ms，即载波环每 1 ms 输出一个 0 或 1 的当前数据比特估计值。在各种噪声的影响下，1 ms 宽的数据比特流并不呈现一个清晰而又有规律的模式，所以并不能把发生比特跳变的位置认为是电文码元的边缘。采用直方图法可以找到数据比特的边缘，将 1 ms 相干积分结果从 1 到 10 编号，比较相邻1 ms 积分结果是否发生翻转，若发生则给该编号对应的直方图计数器加 1，直到出现某一个直方图计数器位于高低门限之间时，即认为该直方所代表的比特位置就是比特的边缘。

GLONASS 每串电文都以固定的 30 比特时间标记同步码 MB结尾，由于在跟踪过程中存在相位模糊等问题，被解调出来的电文比特值可能存在 180°相位反转，所以在搜索时间标记时若得到 30 比特该同步码的相反码也认为已找到时间标记。因为 GLONASS 导航电文是一串接一串连续播报的，所以当检测到时间标记 MB 后，接下来解调的下一比特即为某串电文的开头，当解调出来的下一比特为 1 时，即找到电文第一串的开头，至此可认为帧同步成功。