第七章 GPS信号的捕获与跟踪
GPS软件接收机中信号捕获、跟踪算法的研究与实现中期报告
GPS软件接收机中信号捕获、跟踪算法的研究与实现中期报告一、研究背景随着GPS技术的不断发展，GPS接收机在各个领域得到广泛应用。
在GPS应用中，信号捕获、跟踪算法是GPS接收机的重要组成部分，它决定了接收机的性能和精度。
因此，对GPS信号捕获、跟踪算法的研究和实现具有重要意义。
二、研究现状目前，GPS信号捕获、跟踪算法主要分为两类：基于时域的算法和基于频域的算法。
其中，时域算法有单点搜索法、Hilbert-Huang 变换法等，频域算法则有二次互相关法、离散小波变换法等。
三、研究内容本研究将主要研究和实现以下内容：1.分析GPS信号的数学模型和特点，理解GPS信号的结构和原理；2.分析GPS信号的捕获、跟踪过程，研究GPS信号处理的基本方法；3.研究和实现不同的信号捕获、跟踪算法，包括多点搜索法、Costas 环路跟踪法、相位锁定环路跟踪法等；4.对比不同算法的性能和精度，分析各自的优点和适用范围；5.在基于FPGA的GPS软件接收机中实现上述算法，并进行性能测试和验证。
四、研究计划本研究计划分为以下阶段：1.阅读有关GPS信号处理和算法的文献，理解GPS信号处理的基本原理（已完成）；2.选定不同的信号捕获、跟踪算法，进行分析和比较（正在进行）；3.在Matlab环境下实现各种算法，并进行性能测试；4.基于FPGA实现GPS软件接收机，并将各种算法移植到硬件平台上；5.对比硬件实现和软件实现的性能和精度，进行实验验证并撰写论文。
五、初步结论本研究通过对GPS信号捕获、跟踪算法的研究和实现，可以提高GPS软件接收机的性能和精度，对应用于军事、航空、航海、交通等领域具有重要意义。
同时，该研究还可以为其他卫星导航系统的信号处理提供借鉴和参考依据。
信号调整、捕捉和跟踪
19
信号跟踪
延迟锁定鉴别器的输出为 式中
D ( ) R c [(
2
e ( t , ) y 2 ( t ) y1 ( t )
2
1 2
k A D ( )
2 2
1 2
) T c ] R c [(
1 2
)T c ]
在 0 附近，有 这里
R c ( )
2 c o s ( 2 ( f IF fˆD ) t ˆ ) 2 s in ( 2 ( f IF fˆD ) t ˆ )
它们分别称为同相和正交参考信号。
8
信号捕捉
s (t ) C D ( t ) x ( t ) co s( 2 ( f IF f D ) t )
D ( ) 2
Tc
是相对跟踪误差
是扩频码的自相关函数
20
信号跟踪
载波跟踪环的基本工作过程是：首先对剔除了 扩频码的输入信号进行正交混频，得到I 通道 和 Q 通道的信号，然后对它们分别进行通滤 波，输出结果送到载波跟踪环鉴别器确定输入 信号与参考信号的频率或相位误差，再利用频 率或相位误差控制载波数控振荡器（NCO） 对本地参考信号进行相位或频率的调整，以实 现参考信号与输入信号载波频率和相位的精确 同步，达到载波跟踪的目的。
2
式 中 ， A co s 表 示 接 受 到 的 信 号 ， B c o s 表 示 接 收 机 产 生 的 参 考 信 号 。 A co s B co s 2 c X ( t ) D ( t ) co s( 2 ( f L f D ) t ) 2 co s( 2 ( f L f IF ) t IF )
第七章 GPS卫星信号接收机
第六讲GPS接收机学习指导主要介绍GPS接收机及其系统，内容包括：GPS接收机的组成及基本原理、GPS 卫星信号接收机的分类、常见GPS测量接收机、GPS卫星接收机的选用与检验。
教学目的是使学生掌握GPS接收机的组成及基本原理，了解GPS接收机的分类、各类GPS 测量接收机的特征，学习GPS卫星接收机的选用与检验。
为GPS接收机选购、GPS测量的外业实施和数据处理打下理论基础。
本讲内容的特点是设备硬件概念多、技术指标多，不涉及技能训练。
学习时重点掌握各类GPS接收机的组成、各种常见GPS测量接收机。
对于GPS卫星接收机的检验过程不要求掌握，但对检验的项目应当理解并熟练掌握运用。
应能结合GPS卫星接收机的选用，从中看出影响定位精度的各种因素，并能通过以后章节学习，掌握相应的GPS测量接收机分类，选择合适的GPS接收机以保证测量精度的措施。
本单元教学重点和难点4、GPS接收机的结构。
教学目标1、熟悉GPS接收机的结构；2、了解GPS接收机的分类；3、了解GPS接收机的天线装置。
GPS卫星信号接收机，是GPS导航卫星的用户关键设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。
它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。
本章针对GPS信号接收机的特性，论述了GPS信号接收机的基本结构原理和GPS卫星接收机的选用与基本性能检验。
同时、简要介绍了依据当前国际上GPS接收机的发展现状和我国拥有GPS接收机的实际情况， GPS卫星信号接收机类型的测量型与GPS接收机选择。
一、GPS接收机的结构原理1 GPS接收机的基本结构144145信号通道变频 器电源频率综合基准频率前置放大 器频率变换 器信号解扩解调D(t)伪码 测量载波相位 测量显示器C/A 码发生器P 码发生器控制信号GPS 天线存储器CPU 数据输出GPS 接收机主要由GPS 接收机天线单元、GPS 接收机主机单元和电源三部组成。
GPS信号捕获原理
二、GPS 信号的捕获2.1 GPS 信号模型GPS 的射频信号L1频段是1575.42MHz, 对其进行下变频到中频后，以s f 为采样率得到的采样信号可以表示如下：()()()()(){}()2,0,01,,,,cos 2sat N k sat sat k sat dsat sat k sat dsat nk sat IF dsat k sat k k sat r t A d t f C t f f f t t n t ττθθππα==+++++∑ 其粗略的中频信号模型可以如下表示：()()()[]t T t C T t D P S dopp IF d d r ϖϖ+--=cos 2 2.2 GPS 信号的捕获2.2.1信号捕获原理信号捕获的目的是使本地产生的复制C/A 码与接收到的调制在载波上的C/A 码同步，以实现相关解扩与码相位精确跟踪。
GPS 天线所接收到的 GPS 信号淹没在热噪声中，不易于捕获和跟踪。
GPS 信号的捕获利用 C/A 码的强自相关特性，在对应不同码相位偏移、不同多普勒偏移的相关值中找出相关峰值，从而确定卫星信号的存在及其码相位偏移和载波频率(包括载波多普勒频移)的信息。
当接收机产生的码相位和载波频率必须与接收到的码相位和载波频率相匹配，使得相关值高于信号检测阈值，完成伪码捕获和载波频率捕获，进而对信号进行跟踪。
根据导航卫星信号的特点，其信号的捕获常采用二维的搜索方式。
在二维搜索法中，信号的捕获基于时域(伪码相位)和频域(多普勒频移)的二维空间进行（见图1）。
图1 GPS信号捕获中的二维搜索2.2.2信号搜索方法2.2.2.1步进相关法本地码生成器以C/A码标称频率(6Hz)产生C/A码与接收1.02310到的采样信号相关累加，一个积分周期（通常1个码周期）后，相关峰与检测门限比较，如果相关峰大于门限，则认为捕获成功，得到对应的码相位估计；如果相关峰小于门限，码发生器自动将本地码码相位向前或向后跳动1/2或1/4个码片，然后继续相关累加检测，最多在2L或4L个伪码周期后找到与本地伪码同步的输入伪码的相位状态（L即为一个码周期内码片的数目），以实现伪码的捕获。
GPS信号的捕获与跟踪
电子工程学院141GPS信号的捕获与跟踪第七章 GPS信号的捕获与跟踪前几章讲述了GPS系统结构和GPS定位原理，本章介绍GPS软件接收机和GPS信号处理方法，主要探讨对GPS信号进行捕获和跟踪的过程。
捕获的目的是搜索到可视卫星，并粗略地确定卫星信号的载波频率和伪码相位，跟踪的目的则是精确地跟踪信号的载波频率和伪码相位的变化，完成GPS信号解扩和解调，从而提取出导航电文、伪距观测量等。
7.1 GPS软件接收机目前广泛使用的GPS接收机一般均基于ASIC（Application Specific Integrated Circuit）结构，又称为硬件接收机，结构如图7-1所示。
硬件接收机的数字接收机通道（包括捕获、跟踪的相关运算）一般用一个或几个专用GPS信号通道处理芯片（ASIC）来实现，接收机微处理器从ASIC输出的相关输出结果译出导航数据，从而可以得到卫星星历及伪距，星历可用来得到卫星位置，并最终可由卫星位置及伪距解算出用户位置等信息。
这类ASIC芯片具有运行速度快、成本低的特点。
但由于ASIC限制了接收机的灵活性，用户不能轻易改变硬件接收机各类参数以适应随着GPS发展的升级需要；同时近年来出现了许多减少导航定位误差和提高抗干扰能力的算法，如抗多径跟踪环路设计、高动态的跟踪环路设计等，对于硬件接收机测试和使用新的算法，不便之处显而易见。
随着软件无线电思想的发展，GPS软件接收机的设计与实现逐渐成为研究热点。
图7-1 GPS传统硬件接收机框图软件无线电（Software Radio）的概念是由美国科学家J.Mitola于1992年5月在美国电信系统会议上首次明确提出的。
随着通信技术的迅速发展，新的通信体制与标准不断提出，通信产品的生存周期缩短，开发费用上升，导致以硬件为基础的传统通信体制无法适应这种新局面。
同时不同体制间互通的要求日趋强烈，而且随着通信业务的不断增长，无线频谱变得越来越拥挤，这对现有通信系统的频带利用率及抗干扰能力提出了更高的要求，但是沿着现有通信体制的发展，很难对频带重新规划。
GPS信号捕获原理
二、GPS 信号的捕获2.1 GPS 信号模型GPS 的射频信号L1频段是1575.42MHz, 对其进行下变频到中频后，以s f 为采样率得到的采样信号可以表示如下：()()()()(){}()2,0,01,,,,cos 2sat N k sat sat k sat dsat sat k sat dsat nk sat IF dsat k sat k k sat r t A d t f C t f f f t t n t ττθθππα==+++++∑ 其粗略的中频信号模型可以如下表示：()()()[]t T t C T t D P S dopp IF d d r ϖϖ+--=cos 2 2.2 GPS 信号的捕获2.2.1信号捕获原理信号捕获的目的是使本地产生的复制C/A 码与接收到的调制在载波上的C/A 码同步，以实现相关解扩与码相位精确跟踪。
GPS 天线所接收到的 GPS 信号淹没在热噪声中，不易于捕获和跟踪。
GPS 信号的捕获利用 C/A 码的强自相关特性，在对应不同码相位偏移、不同多普勒偏移的相关值中找出相关峰值，从而确定卫星信号的存在及其码相位偏移和载波频率(包括载波多普勒频移)的信息。
当接收机产生的码相位和载波频率必须与接收到的码相位和载波频率相匹配，使得相关值高于信号检测阈值，完成伪码捕获和载波频率捕获，进而对信号进行跟踪。
根据导航卫星信号的特点，其信号的捕获常采用二维的搜索方式。
在二维搜索法中，信号的捕获基于时域(伪码相位)和频域(多普勒频移)的二维空间进行（见图1）。
图1 GPS信号捕获中的二维搜索2.2.2信号搜索方法2.2.2.1步进相关法本地码生成器以C/A码标称频率(6Hz)产生C/A码与接收1.02310到的采样信号相关累加，一个积分周期（通常1个码周期）后，相关峰与检测门限比较，如果相关峰大于门限，则认为捕获成功，得到对应的码相位估计；如果相关峰小于门限，码发生器自动将本地码码相位向前或向后跳动1/2或1/4个码片，然后继续相关累加检测，最多在2L或4L个伪码周期后找到与本地伪码同步的输入伪码的相位状态（L即为一个码周期内码片的数目），以实现伪码的捕获。
卫星导航系统-第7讲GPS接收机技术-1
卫星导航系统-第7讲GPS接收机技术-1GPS接收机的概念⼀种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的⽆线点接收设备，即具有⽆线电接收设备的共性，⼜具有捕获、跟踪和处理微弱的GPS卫星信号的特性。
GPS接收机本质是⼀种传感器，它主要⽤于感应、测量GPS卫星相对于接收机本⾝的距离以及卫星信号的多普勒频移，并从卫星信号中解调出导航电⽂，实现定位和测速等。
⽬前是多通道接收机为主！按接收机⼯作原理分类码相关型接收机：C/A码的码相关获取接收机的位置平⽅型接收机：利⽤载波相位来获得位置混合型接收机:同时利⽤了上⾯两者来实现的⼲涉型接收机⽬前绝⼤部分是采⽤混合型接收机；接收机的体系结构GPS接收机基本结构天线模块、射频前端模块、基带处理模块、应⽤处理模块；接收机天线天线作⽤接收天线是接收机的⾸个元器件，它接收卫星发射的电磁波信号并转变成电流信号，以供接收机射频前端摄取和处理。
天线要求天线与低噪声放⼤器⼀体；能够接收来⾃任何⽅向的卫星信号，不产⽣死⾓；有防护与屏蔽多路径的措施；天线相位中⼼保持⾼度稳定，并与⼏何中⼼⼀致；说明接收机的测量中⼼是在相位测量中⼼；⼏个常见的概念⾃由空间传播公式说明了接收GPS的强度⼤约是多少；P R表⽰接收天线接收信号的强度，指功率；P T表⽰卫星上发射天线的功率；G T表⽰发射天线的增益；G R表⽰接收天线的增益；第四项表⽰的是路径电磁波的衰减；最后⼀项指⼤⽓损耗通过上⾯公式就能够⼤概估算出地⾯的接收机接收到信号的强度⼤概是多少。
从上⾯可以计算出在对应的仰⾓情况下，这个信号到达地⾯的强度是多少信号强度是不同的，因为距离不同；但我们希望在不同点接收到的信号强度是相同的；如果功率相差⽐较⼤会带来什么问题呢，如果不同的话，会给别的信号的互相关产⽣⼲扰；怎样保证在地球不同位置接收到同⼀卫星的强度相差不⼤呢，在GPS系统的发射天线在不同的⾓度上它的增益是不同的，来调整在地球表⾯不同位置的信号强度相差不⼤；在地球上⾓度为40度的时候，接收到的信号强度是最强的；信号强度并不能完整地描述信号的清晰程度以及它的质量好坏；信噪⽐和载噪⽐；信号接收功率强弱并不能完整的⽤来描述信号的清晰程度或者质量好坏，还需要知道信号相对于噪声的强弱。
GPS软件接收机的信号捕获和跟踪
Ａｃ ｕｓｔ ｎ ａ ｄ Ｔｒ ｃ ｉｇ ｆ ＰＳ Ｓｏ ｔ ｒ ｃ ｉｅ ｑ ｉｉｏ ｎ ａ ｋｎ ｏｒＧ ｆ ｉ ｗａ ｅ Ｒｅ ｅｖ ｒ
处理 速度快 ， 但是 成 本 较 高 ， 一旦 设 计 成 型后 ， 且 无 法改 变 ， 配置 不够 灵 活 。
软件 接收 机 ， 名 思 义 ， 指 采 用 通 用 处 理 芯 顾 是 片 ， 实时 采集 的 Ｇ Ｓ卫 星 信 号 利用 一 定 的软 件算 对 Ｐ 法进 行处理 ， 而实 现定 位 的设 备 ， 有灵 活性 和可 从 具
１ Ｇ Ｓ软 件 接 收 机 简 介 Ｐ
随着 Ｇ Ｓ全 球定 位 系统 的 民用 化 ， 在 普通 消 Ｐ 其 费者 中 的应 用 越 来 越 广 泛 。传 统 的 Ｇ Ｓ接 收机 主 Ｐ
计算 出位 置信 息 。
天 线
要 由接收 天 线 和 专 门硬 件 （ ＳＣ） 成 。其 优 点 是 ＡＩ 组
（ 海交 通 大学微 纳科 学技 术研 究院微 系统 与集 成技术 研 究所 ， 海 ２ ０ ３ ） 上 上 ０００ 摘 要 ： 由于 Ｇ Ｓ软件 接 收机 的高度 灵 活性 ， 应用 也 越 来越 广 泛 。这 里 我们 使 用 Ｚ ｒｎ Ｐ 其 ａｌ ｋ的 ｉ
Ｇ２ １ Ｐ０ ５和 Ｇ ４ ２ 件 电路 接 收卫 星信 号 ， 其 降至 中频 Ｉ 将模 拟 信 号采 样 转为 数 字信 号。 之 Ｐ０ ０硬 将 Ｆ，
后将 数 字信 号传 送 给 Ｐ ｃ机 ， Ｐ 在 ｃ机上 用 Ｍａ ａ ｔ ｂ对接 收到 的信 号 进 行 捕获 和跟 踪 ， 后 将得 到 的 ｌ 之 Ｇ Ｓ导航 信 号传 给后 面 的处理 模块 ， 终得 到位 置坐标 。 Ｐ 最
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GPS信号捕获与跟踪
GPS信号的组成
GPS信号捕获的两个参数
捕获原理及步骤 GPS信号的跟踪 载频跟踪 码跟踪
1
捕获和跟踪在接收机中的位置
射频 前端
A/D 转换器
捕获
接收机 接收机 通道 接收机 通道 接收机 通道 接收机 通道 接收机 通道 Receiver 通道 接收机 channel 通道
选用10ms的数据进行捕获时，可以不用考虑C/A码
多普勒频移的影响。
11
频率搜索步长与数据长度的关系
12
搜索捕获原理
起始位置估计
Incoming code
Generated code
Correlation 0 1 2 3 4 5 6 7
13
捕获原理
载频估计
Correlation 1 2 3 4 5 6 7 8
34
二阶锁相环的特性
自然频率
阻尼系数
35
二阶锁相环的特性
噪声带宽
自然频率与噪声带宽的关系
36
阻尼系数
37
噪声带宽
38
School of Electronic Engineering
Frequency offsets is 20 Hz
39
School of Electronic Engineering
40
School of Electronic Engineering
41
码跟踪环-延迟锁定环
Code Tracking: Three local codes are generated and
correlated with the incoming signal
42
码跟踪环-延迟锁定环
43
延迟锁定环基本结构
接收到的GPS信号
25
载波跟踪环
解扩频后的信号
I、Q支路的输出
26
载波跟踪环
噪声信号的表示
积分、去高频的后的I、Q支路的输出
27
鉴相器
28
鉴相器
29
载波跟踪环的输出
30
锁相环
31
滤波器前的鉴相器输出
32
滤波器后的鉴相器输出
33
二阶锁相环的特性
环路滤波器和VCO的传递函数
环路传递函数
用户位置 计算
码 跟踪
载频 跟踪
数据位 同步
解码 导航数据
读取 卫星位置
计算 伪距
2
GPS卫星信号
3
GPS中的多普勒频移
2 / (11 3600 58 60)
1.4585 10 rad / s
卫星周期11小时58分
4
r 26560 1.4585 10
44
码跟踪环结构
45
School of Electronic Engineering
46
School of Electronic Engineering
47
School of Electronic Engineering
48
School of Electronic Engineering
Байду номын сангаас
49
9
卫星搜索的数量
卫星搜索的数量范围：0~32颗 ；
卫星搜索数量对捕获精度没有影响;
必须能成功捕获到4颗或更多颗卫星;
两种搜索方式：
利用星历搜索方式：利用用户位置估计值、 GPS时间估计值和最近几天内的历书，计算出 卫星的位置，然后确定哪颗卫星为可见卫星 ；
满天搜索方式：搜索所有可能的卫星PRN码
6
捕获的三维搜索
7
捕获的三维搜索
信号中存在哪些卫星的信号，即存在哪些
PRN码调制的信号； 对每一个存在的PRN码信号，提取其多普 勒频移； 对每一个存在的PRN码信号，提取其伪码
相位。
8
GPS信号捕获的关键参数
卫星搜索的数量
捕获使用数据的长度
载波频率搜索范围和频率搜索步长 码相位搜索空间，码相位搜索步长
19
FFT频域捕获方法
基于循环相关的快速捕获方法
基于循环相关的快速捕获方法
快速算法的改进
23
GPS信号的跟踪
GPS卫星信号是动态变化的，变化包括：
多普勒效应引起载波频率发生动态偏移； 伪随机码的起始时间回随着卫星与接收机 间距离的变化而变化。
两个跟踪环：载波跟踪环和码跟踪环
24
载波跟踪环
School of Electronic Engineering
50
School of Electronic Engineering
51
码相位鉴别器
52
鉴别器输出与码元差的关系曲线
53
GPS接收机的跟踪环
54
3874m / s
卫星轨道半径26560km
4
4
GPS中的多普勒频移
5
卫星造成的多普勒频移
在卫星可能引起多普勒效应的方向上的最大速度：
vd max 929 m s
C/A信号的载频： fCA 1575.42MHz 卫星运动造成的最大多普勒频：
fCAvd max 1575.5 929 f dr 4.9kHz 8 c 3 10
。
10
捕获使用数据的长度
使用的数据越长，捕获效果就越好，但使用较长的 数据必然会使运算量增加； 限制捕获使用的数据长度的因素有两个：导航电文
的跳变和C/A码的多普勒效应；
C/A码的周期是1ms，所以至少需要1ms的数据才 能完成捕获操作。 导航电文每个数据位的长度是20ms或者说是20个 C/A码的长度
14
串行搜索捕获方法
15
串行搜索捕获方法
16
串行搜索捕获方法
FFT频域捕获方法
18
School of Electronic Engineering
PRN code demodulation
Incoming signal
Local PRN code
Result of multiplication