GPS接收機的位同步和幀同步驗證過程

前言

跟蹤成功搞定后，基本上難啃的骨頭已經(jīng)都啃完了。后面的工作就是時間的問題了，跟蹤的下一步就是位同步和幀同步了。接收機在對信號保持穩(wěn)定跟蹤后，還需要完成位同步，即從接收信號中找到數(shù)據(jù)比特的邊緣，接著再實現(xiàn)幀同步，即從接收信號中找到子幀起始邊緣。

位同步

由于數(shù)據(jù)的速率是50bps，即每一比特電文是20ms；偽碼的速率是1.023MHz，即碼周期為1ms；而我們的積分清除時間是1ms，每一個偽碼第一個碼片產(chǎn)生時開始積分，并送出結果。所得的即時位積分清除結果為1ms計算一次，與一個偽碼同步。因此這里需要對數(shù)據(jù)進行位同步，就是找到真實數(shù)據(jù)中每20ms的開始端，這樣才能進行后面的幀同步。

考慮到導航電文中相鄰數(shù)據(jù)比特之間會發(fā)生相位跳變，也就是說相鄰的20ms數(shù)據(jù)之間可能會出現(xiàn)一次相位跳變，并且每一個寬20ms的數(shù)據(jù)比特起始沿在時間上必定與偽碼周期的第一個碼片起始沿重合，這與前面實時計算1ms的積分清除結果一樣。所以理想情況下，相鄰兩個1ms寬的數(shù)據(jù)之間如果發(fā)生相位跳變，則發(fā)生跳變的地方必然是20ms數(shù)據(jù)比特的起始沿。但實際由于受到真實數(shù)據(jù)和噪聲等因素的干擾，相鄰1ms之間的相位跳變次數(shù)有一定的范圍，所以這里采用直方圖判斷的方法實現(xiàn)，原理如下圖所示。

根據(jù)謝剛書上描述的方法，可以設定位同步時間為1秒鐘，兩個門限N1 = 25和N2 = 15。

計數(shù)器結果達到或超過門限N1，則其對應符號位的起始時刻宣布建立位同步。

需要注意的是，由于載波環(huán)采用的是二象限反正切鑒相器，所解調(diào)出來的數(shù)據(jù)存在180°相位模糊度的問題。有關如何消除180°相位模糊度的問題將下面的幀同步中做進一步介紹。

幀同步

幀同步過程是在取得碼相位跟蹤、載波頻率跟蹤和數(shù)據(jù)位同步之后的過程，主要目的是將相關器20ms歷元計數(shù)器的起始位置與子幀起始位置相對應起來，從而將接收機時間與GPS時相對應起來，使得1ms與20ms歷元計數(shù)器真正表達GPS時的秒內(nèi)計數(shù)。同步過程另一個重要的作用就是對前面各個同步過程的一個總的校驗，是數(shù)據(jù)解調(diào)之后的校驗，因而也是最為嚴格的。

幀同步過程校驗的內(nèi)容包括：（參考謝剛的書）

數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)校驗，由于上一個字最后一位校驗位與本字的異或相關特性，需對該校驗位進行判斷并相應反轉(zhuǎn)本字中的所有信息位。

遙測字（TLM）巴克碼驗證。

交接字（HOW）末兩位全零校驗碼驗證。

子幀號驗證。

字校驗位驗證。

當前20ms歷元計數(shù)器值驗證。

GPS導航電文一共有5幀，每一幀有10個字，每1個字由30bit組成。每一幀的前兩個字為TLM和HOW，各30比特，其中TLM的前8bit也就是每一幀的前8bit都為固定的“10001011”（0x8b），同時每一個字的最后6bit（24~30）為奇偶校驗標志位，因此這里幀同步不僅需要尋找到“10001011”幀頭，同時還要把找到的數(shù)據(jù)組成完整的幀并通過奇偶校驗才能確保后面的運算正確進行。

在查找?guī)^的時候需要考慮180°相位模糊度的問題。在衛(wèi)星實際播發(fā)的數(shù)據(jù)中，因為每一個子幀的最后兩位被控制為“00”，所以每一幀的幀頭不會受到奇偶校驗位的影響，也就是永遠都為“10001011”。因而我們可以通過對幀頭的判斷來消除180°相位模糊度問題。更具體的描述可以參考謝剛的書上的描述

奇偶校驗

奇偶校驗算法如下：

總結

完成位同步和幀同步，不僅是為了把電文給解析出來，同時為偽距觀測量的計算打下了基礎。在位同步和幀同步的過程中，需要同時記錄當前的epoch數(shù)（20ms中第幾個1ms）和bit數(shù)（一幀有300個bit）以及當前幀號（一個星期100800個幀），這些計數(shù)值可以交由PL端進行維護。為后面的本地時間和偽距計算打下基礎。