大学毕业设计一席谈v2之十一扩频通信系统(12)GPS信号和北斗信号

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之前讲的都是物理层知识，在接收机完成信号的捕获和跟踪后，物理层算法工作基本就完成了！但对于卫星导航接收机而言则远没有结束，还需要成功搞定位同步和帧同步了。即从解调信号中找到数据比特的边缘，接着再实现帧同步，即从接收信号中找到子帧起始边缘。那什么是位同步和帧同步？

先讲位同步！

由于数据的速率是50bps，即每一比特电文是20ms；伪码的速率是1.023MHz，即码周期为1ms；而我们的积分清除时间是1ms，每一个伪码第一个码片产生时开始积分，并送出结果。所得的即时位积分清除结果为1ms计算一次，与一个伪码同步。因此这里需要对数据进行位同步，就是找到真实数据中每20ms的开始端，这样才能进行后面的帧同步。

考虑到导航电文中相邻数据比特之间会发生相位跳变，也就是说相邻的20ms数据之间可能会出现一次相位跳变，并且每一个宽20ms的数据比特起始沿在时间上必定与伪码周期的第一个码片起始沿重合，这与前面实时计算1ms的积分清除结果一样。所以理想情况下，相邻两个1ms宽的数据之间如果发生相位跳变，则发生跳变的地方必然是20ms数据比特的起始沿。

再讲帧同步！

帧同步过程是在取得码相位跟踪、载波频率跟踪和数据位同步之后的过程，主要目的是将相关器20ms历元计数器的起始位置与子帧起始位置相对应起来，从而将接收机时间与GPS时相对应起来，使得1ms与20ms历元计数器真正表达GPS时的秒内计数。同步过程另一个重要的作用就是对前面各个同步过程的一个总的校验，是数据解调之后的校验，因而也是最为严格的。

帧同步过程校验的内容包括：（参考谢刚的书）

数据位反转校验，由于上一个字最后一位校验位与本字的异或相关特性，需对该校验位进行判断并相应反转本字中的所有信息位。
遥测字（TLM）巴克码验证。
交接字（HOW）末两位全零校验码验证。
子帧号验证。
字校验位验证。
当前20ms历元计数器值验证。

GPS导航电文一共有5帧，每一帧有10个字，每1个字由30bit组成。每一帧的前两个字为TLM和HOW，各30比特，其中TLM的前8bit也就是每一帧的前8bit都为固定的“10001011”（0x8b），同时每一个字的最后6bit（24~30）为奇偶校验标志位，因此这里帧同步不仅需要寻找到“10001011”帧头，同时还要把找到的数据组成完整的帧并通过奇偶校验才能确保后面的运算正确进行。

在查找帧头的时候需要考虑180°相位模糊度的问题。在卫星实际播发的数据中，因为每一个子帧的最后两位被控制为“00”，所以每一帧的帧头不会受到奇偶校验位的影响，也就是永远都为“10001011”。因而我们可以通过对帧头的判断来消除180°相位模糊度问题。

北斗系统！

北斗系统是我国自主研制的卫星导航系统，为祖国的日益强大点赞！现阶段北斗二号和北斗三号是共存的。北斗二号系统从2012年开始正式向亚太地区提供区域服务。随着技术的发展，2009 年我国启动了北斗三号系统建设，并于2020 年完成 30 颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。虽然北斗三号系统性能更优、功能更强、服务范围更广，但北斗二号系统仍然在发挥着一定的作用。
一方面，北斗二号系统的部分卫星仍在轨道上正常运行，为一些特定用户和区域提供服务，并且其积累的运行经验和数据对于北斗系统的后续发展具有重要的参考价值。另一方面，在北斗三号系统全面提供服务的过渡阶段，北斗二号系统起到了一定的辅助和补充作用，确保了导航服务的连续性和稳定性。随着时间的推移，未来北斗系统将逐渐以北斗三号系统为主，北斗二号系统的卫星会逐步退役。但在当前阶段，两者是共存的状态。

相对于GPS L1信号，北斗二号B1信号主要有两点不一样。

频点：北斗B1频点为1561.098MHz，和GPS L1频点1575.42MHz相差不大。

带宽：北斗B1信号带宽为4.092MHz，码速率是2.046Mbps。而GPS L1信号带宽是2.046MHz，码速率是1.023Mbps。

参考GPS L1频点在MAX2771的配置，只要稍微修改一下就可以配置成北斗B1频点了。北斗B1信号的捕获跟踪与GPS L1信号的捕获跟踪处理基本是差不多的，只要射频能够收到信号，有了处理GPS L1信号的基础，接下来北斗B1信号捕获跟踪也就不是什么难事了，不过要注意信号带宽的设置差异！