接收器如何解码同一载频上的多个 GPS 信号?

电器工程 信号 信号处理 全球定位系统 全球导航卫星系统
2022-01-29 23:35:22

我目前正在研究 GPS 信号,并试图完全了解信号从卫星到接收器的路径。

我知道混合到 GPS 信号中的是一个 C/A 代码以及一个 PRN,它有助于接收器执行 CDMA 的过程。但是,我对接收器在接收信号时如何实际区分信号有点迷茫。

例如,假设 GPS 信号ABC都是从卫星XY和传输的Z这些都L11575.42 MHz

接收器现在将这些信号作为在 处振荡的乱码数据获得1575.42 MHz我知道 PRN 用于解码这些卫星,以便接收器/主机可以区分它们,但这个过程究竟是如何完成的?

1个回答

该系统利用了 PRN 的几个数学特性:

  • 首先,PRN 与其自身的互相关(即自相关)看起来有点像带有一些噪声的单个脉冲,
  • 其次,PRN 与不同 PRN 的互相关看起来像没有脉冲的噪声。

我们还注意到,将未知信号与固定模式互相关是该信号的线性、时不变函数。

这使我们能够构建 GPS 使用的直接序列扩频系统。接收器检测到围绕 1575.42 MHz 中心频率扩展的 GPS 信号 A、B 和 C,以及噪声 N(例如接收器热噪声、混频器闪烁噪声等)。每个信号都是其卫星的 PRN 序列,乘以以每秒 50 位编码卫星导航消息的慢速调制信号(对 L1C 信号使用 BPSK,对较新的民用 GPS 信号使用更有趣的调制方案,如 BOC)

假设接收机希望获得卫星 X 上的锁定。它将混合 A+B+C+N 与卫星 X 的已知 PRN(称为 V)互相关,得到 V*(A+B+C+ N) = V*A + V*B + V*C + V*N(其中*代表互相关,我们可以分布因为与V的互相关是接收信号的线性函数)。

这个总和是来自与信号 A 相关的一系列强脉冲,加上来自 B 和 C 的一些微弱的扩展噪声,以及更多扩展噪声 V*N。这些强脉冲代表调制后的导航数据,可以对其进行解码并用于实际的定位过程。1

在频域中,这看起来也像是一种“扩频”——​​低带宽的 BPSK 导航信号通过乘以 PRN 被扩频到更宽的带宽,它既可以扩频到更多,也可以通过与错误的 PRN 相关联,或通过与正确的 PRN 相关联“去扩散”回一个尖峰。

在此处输入图像描述

实际上,GPS 接收器将具有多个解码器,每个解码器都能够同时关联到自己的 PRN,从而允许设备跟踪和解码来自多个卫星的信号。

1这忽略了多普勒频移。正如 Dave Tweed 在他的评论中指出的那样,每个信号不仅因其 PRN 而在频率上扩展,而且在一定程度上偏离了 1575.42 MHz 的指定载波频率,从而进一步降低了互相关,但增加了搜索空间。