GNSS软件接收机的结构和信号捕获跟踪算法
GNSS软件接收机中频信号数据分析

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GNSS信号捕获与跟踪算法的改进与实现

收机花在信号捕获上的时间是所有 1 - r F F ( 首次定位时间)
最冗长的一部分 。提高信号捕获的速度黥于缩短 r I f I 1 F F意
义重大[ 3 1 。 本文基于 F F r 循环相关捕获法提出了改进算法,
改进后的算法缩短了捕获时间, 并仿真验证了该算法的可
行性。
2 基于 F F T算 法 的信 号 捕 获
lg a o r i t h m wa s p r o p o s e d w h i c h c o u l d r e d u c e t h e c a p t u i r n g t i me o f GNS S r e c e i v e r , t h e t h r e s h o l d o f t h e lg a o i r t h m wa s
一 研 究 与 开 发
GN S S信 号捕获 与跟踪算 法 的改进与 实现
辛富国。 李 荣 芳
( 陕 西 邮 电职 业技 术 学 院 成 阳 7 1 2 0 0 0 )
摘 要 : 为 了缩短 G N S S接 收 机 捕 获 信 号 所 用 的 时 间 , 在对导航 信号进行频 谱观察 的基础上 , 改 进 了基 于 F F r 的捕 获算 法 和 阈值 的 设 定 , 并 对 改 进 后 的算 法 进 行 了仿 真 验 证 , 结果 表明该算法 具有可行 性 , 并 可 以 缩 短 捕 获 时间。 设计 了 G N S S接 收 机 的 完 整 跟 踪 通 道 , 利 用 MA T L A B软 件 对 该 跟 踪 通 道 进 行 仿 真 , 仿 真结 果 验 证 了该 跟 踪通 道的正确性 。
a l s o mo d i i f e d .S i mu l a io t n r e s u l t s s h o w t h a t t h e n e w lg a o r i t h m c a n s h o r t e r c a p t u in r g t i me .T h e c o mp l e t e t r a c k i n g
gnss 跟踪 原理

gnss跟踪原理
GNSS(全球导航卫星系统)跟踪的原理是基于接收器从多颗卫星接收信号并计算其位置的技术。
GNSS系统包括全球定位系统(GPS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)、格洛纳斯(GLONASS)和北斗卫星导航系统(BeiDou)等。
以下是GNSS跟踪的基本原理:
1.卫星信号传播:GNSS卫星发射无线信号,包含了卫星的位置、时间信息以及导航数据。
这些信号以电磁波的形式传播到地球。
2.接收器接收信号:GNSS接收器(例如GPS接收器)安装在地面、飞行器、船只或车辆等设备上。
接收器接收来自多颗卫星的信号。
3.信号延迟计算:GNSS接收器通过测量接收到信号的时间来计算信号的传播时间。
考虑到信号传播的速度是光速,通过测量时间可以得知信号传播的距离。
4.三角测量:接收器同时接收多颗卫星的信号,并使用三角测量原理计算设备的位置。
通过知道设备到每颗卫星的距离,可以确定设备在三维空间中的坐标。
5.时钟同步:GNSS接收器需要与卫星的精确时钟同步,以确保测量的准确性。
卫星的时钟通常比普通设备的时钟更准确。
6.多路径效应校正:由于信号在传播过程中可能发生反射和散射,导致接收器接收到的信号包含来自不同路径的分量。
接收器通常会使用算法来校正这些多路径效应,以提高位置测量的准确性。
总体来说,GNSS跟踪的原理是通过测量卫星信号的传播时间和三角测量等技术,确定接收器的位置。
这使得GNSS系统成为定位、导航和时间同步等领域中广泛应用的技术。
gnss接收机原理

GNSS接收机原理1. 概述GNSS(全球导航卫星系统)接收机是使用全球卫星导航系统进行定位和导航的设备。
通过接收来自卫星系统的信号,接收机能够计算出接收位置的经度、纬度和海拔等信息。
本文将详细介绍GNSS接收机的原理及其工作方式。
2. GNSS系统概述全球导航卫星系统目前主要包括GPS(美国)、GLONASS(俄罗斯)、Galileo(欧盟)和BeiDou(中国)等系统。
这些系统由一系列卫星组成,它们围绕地球运行,发射导航信号。
GNSS接收机接收这些信号,并通过计算信号的传播时间和几何关系,确定接收机的位置。
3. GNSS接收机的组成GNSS接收机通常由天线、前置放大器、中频处理器、基带处理器和用户接口等组成。
3.1 天线天线用于接收来自卫星的导航信号。
天线的性能对接收机的定位精度有很大影响,因此选择合适的天线非常重要。
3.2 前置放大器前置放大器用于放大天线接收到的微弱信号,以增强信号的强度和抗干扰能力。
3.3 中频处理器中频处理器用于将接收到的高频信号转换为中频信号,以便后续处理。
3.4 基带处理器基带处理器是接收机的核心组件,它用于提取信号的导航信息,并进行信号处理和解算。
3.5 用户接口用户接口用于与接收机进行交互,显示定位信息和设置接收机参数等。
4. GNSS信号接收原理GNSS接收机的信号接收原理基于卫星导航原理和信号处理技术。
当GNSS接收机收到卫星发送的信号时,它会执行以下步骤来获取位置信息:4.1 信号接收接收机的天线接收卫星发送的导航信号。
4.2 信号处理接收机通过将接收到的信号与接收机内部的时钟信号进行比较,计算出接收信号的传输时间差。
4.3 定位解算接收机使用测距原理和多个卫星信号的时间差来计算接收机位置。
通过接收到的卫星信号的传播时间差,接收机可以确定其与每个卫星之间的距离。
4.4 误差校正为了提高位置定位的精度,接收机还需要对信号进行误差校正。
常见的误差包括大气延迟、钟差和多径效应等。
gnss接收机的工作原理

gnss接收机的工作原理GNSS(全球导航卫星系统)接收机是一种用于接收全球定位卫星系统信号并计算位置信息的设备。
它的工作原理基于卫星信号的接收和处理。
GNSS接收机的工作原理可以分为三个主要步骤:接收卫星信号、信号处理和位置计算。
接收卫星信号是GNSS接收机的第一步。
GNSS接收机通过接收来自多颗卫星的信号来确定其位置。
这些卫星通过它们在地球轨道上的位置以及它们发射的精确时间信号来提供定位服务。
GNSS接收机通常能够接收多个卫星的信号,以提高定位的精度和可靠性。
接收到卫星信号后,GNSS接收机进行信号处理。
这一步骤的目的是将接收到的信号转换为可用于定位计算的数据。
首先,接收机会对卫星信号进行放大和滤波,以提高信号质量。
然后,接收机会对信号进行解调和解码,以提取出有用的导航数据。
这些导航数据包括卫星的位置和时间信息。
最后,接收机会对信号进行跟踪,以确保持续接收和处理信号。
位置计算是GNSS接收机的最终步骤。
在此步骤中,接收机使用接收到的卫星信号和导航数据来计算其位置。
这通常是通过将接收到的信号与卫星的预测轨道进行比较,并使用三角测量技术来确定接收机的位置。
接收机通常需要接收至少四颗卫星的信号,以进行精确的位置计算。
计算得到的位置信息可以以经度、纬度和海拔高度的形式提供,以及其他相关的定位参数。
除了基本的位置计算,GNSS接收机还可以提供其他功能,如速度计算、时间同步和导航信息等。
这些功能都是基于接收到的卫星信号和导航数据进行计算和处理的。
GNSS接收机通过接收卫星信号、信号处理和位置计算来确定其位置。
它的工作原理基于卫星信号的接收和处理,以及三角测量技术的应用。
随着技术的不断发展,GNSS接收机的定位精度和可靠性也在不断提高,为我们的定位导航提供了重要的支持。
适用于北斗GNSS-R接收机的反射信号捕获算法

C om puter Technology and Its Applications适用于北斗GNSS-R接收机的反射信号捕获算法!杨锐黄海生李鑫曹新亮&(1.西安邮电大学电子工程学院,陕西西安710121;2.延安大学物理学与电子信息学院,陕西延安716000)摘要:针对北斗反射信号捕获难度大问题,提出一种适用于北斗'N S S-R接收机中反射信号的捕获算法。
该算法利用直射信号中的导航数据剥离掉反射信号中的导航数据,并通过周期累加运算和L L T相关,改进了传统的反射信号捕获算法。
算法可以降低长时间相干积分的运算量,提高算法捕获速率。
对新算法进行了M A T L A B仿真,并与 传统的捕获算法(相干非相干算法、差分相干算法)做了比较,仿真结果表明,该算法在捕获性能上明显优于传统的相干非相干与差分相干捕获算法。
关键词:反射信号;导航数据&相干积分&L L T&积分增益中图分类号:T N961 文献标识码:A D0I :10.16157/j.issn.0258-7998.174212中文引用格式!杨锐,黄海生,李鑫,等.适用于北斗G1S S-R接收机的反射信号捕获算法[J].电子技术应用,201+,44 (8) :118-121,125.英文弓I用格式:Yang R u i,Huang Haisheng,Li X i n,et al.A reflected signal acquisition algorithm for Beidou G N S S-R receiver[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(8) :118-121,125.A reflected signal acquisition algorithm for Beidou GNSS-R receiverYang R u i1,Huang Haisheng1,Li X in1,Cao Xinliang2(1.School of Electronic Engineering,X i'an University of Posts and Telecommunications,X i!an 710121,China;2.School of Physics and Electronic Information,Y a n'an University,Y a n!an 716000,China)Abstract :Aiming at the difficulty of Beidou reflected signal acquisition,this paper presents a capture algorithm for the reflected signal in the Beidou G N S S- R receiver.The algorithm uses the navigation data in the direct signal to peel off the navigation data in the reflected signal,and improves the traditional reflection signal acquisition algorithm through the cyclic accumulation operation and the F F T correlation.The algorithm can greatly reduce the computational complexity and shorten the capture time of long time integral of the reflected signal.In this paper,the M A T L A B simulation of the new algorithm i s carried out,and compared with the traditional coherent-uncoupling algorithm and the difference coherence algorithm.The simulation results show that the algorithm in this paper i s superior to the traditional coherent noncoherent and differential coherent acquisition algorithm in capturing performance. Key words :reflected signals;navigation data;coherent noncoherent;F F T;integral gain〇引言全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite S y s t e m,G N S S)不仅可以为用户提供导航定位信息、授时等功能,其反射信号也可以被接收与处理。
GNSS软件接收机中频信号数据分析

Hale Waihona Puke 的方 法使 得 对 接 收 机 内部 算 法 的 研 究 具 有 巨 大 的
灵 活性和 经济性 , 。
用, 如军 用 、 量 、 姿 及普 通 导航 等 。在 军 用 方 面 测 测
可以促进指挥 、 控制、 通信 、 导航等各 系统 的统 一; 民用方 面 , 由于 软 件 接 收 机 的 成 本 低 廉 , 可更 有 利
2 1 中频 采样 方案 及频 率选取 .
1 G S 软件接收机的结构 NS
基于软件的 G S P 接收机系统 由天线 、 射频前端
和软件 处 理 单 元 组 成 , 构 如 图 1所 示 。其 中 , 结 射频前 端部 件 主要 用来 将 射 频 信号 下 变 频 到 中频 ,
2 1 年 3 7日收到 , 月 2 02 月 3 3日修改
第一作者 简 介 : 宋其 聪 , 男。昆 明理 工 大 学硕 士研 究 生 。Ema — i l
s n q c n 1 8 @ 1 3. o o g io g 9 7 6 t mo
.
式() 1 中输 入 频率 是 , 样 频 率 是 , 出频 率 是 采 输 厂, 3个 未 知数 , 解 不 是 唯一 的 , 设 计 接 收 机 0有 故 故 时有 许多 可 能 的 选 择 。 由于 G S信 号 频 谱 必 然 是 P 关 于其载 波频率 对称 的 , 以在实 际工 程 中 , n 所 当
第1 2卷
第1 7期
2 1 年 6月 02
科
学
技
术
与
工
程
Vo. 2 No 1 J n 0 2 11 .7 u .2 1
建筑工程测量任务二GNSS接收机的认识及使用ppt课件

15
情境二 GNSS-RTK技术及应用
2.连续运行参考站网络(CORS) 连续运行参考站网络(Continuously Operating Reference Stations)是基于网络的基础设施之一, 可以动态、连续、快速、高精度地获取空间和地理特 征的现代信息网络。 CORS技术运用了网络、GNSS、现代大地测量、 地球动力学等技术和方法。提供移动定位、动态连续 的空间参考框架和地球动力学参考等服务。CORS系 统由基准站(参考站)、系统中心、呼叫中心、数据 通信、用户应用等子系统组成,用户无须设置基站。
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情境二 GNSS-RTK技术及应用
3.后处理动态测量(PPK) 在实际作业过程中,有一些通信信号较弱或覆盖 不到的困难地区,无法实时进行单基站RTK和网络 RTK测量,现场可以采用后处理动态测量的模式进行 RTK测量。 后处理动态测量具体做法是:在测区选择一个基 准点,安置接收机连续跟踪所有可见卫星;另一台或 几台接收机先在任一开阔地带观测数分钟进行初始化 测量,在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下, 移动接收机在观测点进行测量。
10
情境一 GNSS接收机的认识
其定位的具体方法是,接收机按一定卫星仰角要 求捕获到待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。接收机 通过捕获到的卫星信号,测量出接收天线至卫星的距 离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据 这些数据,接收机中的微处理计算机按定位解算方法 进行计算,计算出用户所在位置的地理经纬度、高度、 速度、时间等信息。
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GNSS软件接收机的结构和信号捕获跟踪算法汪伟1,郭际明1(武汉大学测绘学院,武汉市珞瑜路129号,430079)Email: wangwei_sgg@ , jmguo@摘要:GNSS软件接收机具有模块化、可编程性、灵活性和强适应性的特点,是兼容将来多导航系统的发展需要。
通过对GNSS软件接收机的研究,可以找到改正和消除多路径的数学模型和抗干扰的 方法,提高接收机的环境适应能力。
本文对GNSS软件接收机结构和捕获、跟踪环路算法等做了较详 细的说明和讨论。
关键词:GNSS;软件接收机;信号跟踪;信号捕获;0 引言自从1992年5月,在美国电信系统会议上,来自Mitre公司的Joe Mitola首先提出了“Software Radios” 概念[1]以来,软件接收机就被受到广泛的关注。
1995年5月,IEEE Communication Magazine 专题讨论了 Software Radios 的详细架构和关键技术[2]。
由于软件接收机的开放性、全面可编程性、和灵活性的特点,在不需要更改硬件的前提下,通过对软件模块的调整和升级就可以满足不同用户的需要,因此,在整合的GNSS各种导航数据接收中,有很深远的意义。
本文讨论说明了GNSS软件接收机的系统结构和信号的捕获、跟踪算法。
1 GNSS软件接收机发展背景和特点及系统构成在过去的10年中,有很多国外学者研究了GNSS软件接收机,并取得了长足的进步。
1997年8月,Ohio大学的Dennis M. Akos在他的博士论文中讨论了GNSS软件接收机前端模拟信号的接收和模数转化(Front-End)的两种设计方案[3],并且事后处理并验正了卫星信号捕获的FFT算法的可行性和跟踪环路的稳定性。
而后,James.B.Y.T写了一本书,介绍了GPS 软件接收机的系统结构和信号捕获以及跟踪的算法细节[4],并且提出了一种新的信号跟踪方法——BASS(Block Adjustment of Synchronizing Signal)[5]。
美国Cornell大学的很多学者也都相继发表了有关实时多通道GPS软件接收机的相关文章,并实现了软件接收机的功能[6][7][8]。
GNSS软件接收机的特点表现在:随着GPS系统、GLONASS系统和Galileo系统的不断发展和完善,如果不对硬件进行升级,现有的GPS接收机很难做到多种信号的兼容接收。
跟这点相比,GNSS软件接收机有很大的优势,只要其RF前端能接收到多种波段的卫星信号,只对软件相应模块做修改,就可以实现多种测距信号的捕获和跟踪,从而节约成本;另外,用软件算法代替硬件实现,从而避免了由于电子器件发热等因素引起的信号捕获、跟踪环节中的噪声污染,同时,还可以分析原始信号数据,为有效抑制多路径的影响和电子干扰找到有效的解决方法[9]。
传统的GNSS接收机(以GPS接收机为例),其主要的捕获和跟踪运算由专门ASIC (Application Specific Integrated Circuit)实现,一旦设计定型,就很难更改。
其由接收卫星 信号的前端模拟电路、信号通道、微处理器组成,系统构成如下图一所示[10]:图一传统GPS接收机的系统构成对GNSS软件接收机来说,其与传统的GNSS接收机比较,最大的特点就是,让A/D(Analog to Digital Converter)转换器尽可能的靠近天线,获得的数字信号用PC机或者是可编程的DSP来处理,从而达到数字信号的解括和解调的目的,进而得到定位信息。
其由采集卫星信号的前端模拟电路和数字信号处理软件组成,系统构成如图二所示:图二 GPS软件接收机的系统构成该结构的硬件部分有两种实现方法,一种是限于目前的CPU的处理速度,在RF 前端模拟电路部分仍然采用先下变频成中频信号(IF),再用A/D转化为数字信号;另外一种用A/D直接对GPS天线接收的高频模拟信号采样,然后通过PC或者可编程DSP来处理,鉴于目前的CPU处理能力和高达3GHz的AD器件的造价,这种方法还没有人采用。
2 GNSS软件接收机的捕获算法捕获的根本目的是快速搜索到可见卫星,估计CA码的码相位,并且估计出载波的多普勒频率,为后续的相位、载波跟踪提供参考。
GNSS软件接收机的关键技术就是在捕获和跟踪算法的数学实现上。
到目前为止,对实时处理的多通道GNSS软件接收机,主要有下面几种捕获算法。
2.1 时域相关捕获算法:时域相关捕获算法的思想是:顺序搜索1023个码相位和载波的多普勒频带(对GPS 来说,在载体低速或者动态情况下产生的多普勒效应小于±5KHz (以930米/秒沿卫星径向运动产生的多普勒效应约为±5KHz ),高速动态情况下多普勒效应可取为±10KHz [4]),利用伪随机码的相关性特征,采用相关性算法达到捕获的目的。
相关捕获算法有滑动相关算法和延迟相关算法两种。
其原理如图三所示:图三 时域相关捕获算法原理图在该原理图中,根据(1)式PRN 码m 序列的相关函数,确定相关门限阈值T 。
11(1).............................0211()..........................................(22)2111(22)(1)...(22)(21)2121N N N N N N N T T R T T T T ττττττ⎧−+≤≤⎪−⎪⎪=−<≤−⎨−⎪⎪+−+−−<≤−⎪−−⎩N T ……(1) 其中,τ是在一个周期内的相关时间点,是移位寄存器的级数,T 是PRN 码一个码元长度的时间表达,同时根据相位在某时间段N 2t t 1−内的相关性(2)式,为相关点:n 212121cos 1()cos()cos()()[sin(2)sin(2)]24t t n R n n d t t t n ααα=+=−++−∫t n +1……(2) 可以知道,顺序搜索个码元和多普勒频率范围,根据最大的相关性,就可以得到码相位跟载波频率的估值。
从而完成了信号的捕获。
这种办法需要搜索的范围很大,最大共有2n−2(21n N δ−)搜索点(是多普勒频率的最大值,N δ是多普勒频率搜索的步长),所以这种办法是费时的。
在以前的硬件GPS 接收机中,采用多通道的方法提高搜索效率。
该方法硬件容易实现。
2.2 频域相关捕获算法: 该算法的思想是:把时域信号转化为频域信号,再做相关性运算,这种算法跟时域相关算法比较,对信号直接利用离散傅立叶变换(DFT )或者是快速傅立叶变换(FFT ),提高了信号捕获的运算速度,节约了捕获时间。
根据对信号傅立叶变换的先后顺序的不同,分为: 并行频域搜索捕获法(Parallel Frequency Space Searching Acquisition )和并行码相位搜索法[3](Parallel PRN Code Phase Searching Acquisition )。
2.2.1 并行频域搜索捕获法: 该方法由本地产生的已知某颗卫星的PRN 码和码相位,跟输入信号相乘,把结果做傅立叶变换。
我们知道,只有恢复了连续的载波(在20ms 内的连续性),通过对该信号做傅立叶变换,就可以得到该信号的特定频率特性,从而可以获得载波的频率,同时得到PRN 码相位。
原理如图四所示图四 并行频域搜索捕获方法原理如果本地PRN 码与信号相乘没有得到连续的载波(即信号没有正确的解扩),由FFT 变换得到的载波频率就不会与信号载波频率的峰值相当。
该种方法获取的载波频率的分辨率取决于对PRN 码一个周期内的采样频率的高低和多普勒频带的大小[11]。
2.2.2并行码相位搜索捕获法:该方法原理:先用本地两路载波信号(需要不断调整多普勒频率)与输入信号相乘,得到信号的基带信号,同时把I 路和Q 路输出分别看成是傅立叶变换的实部和虚部的输入。
本地PRN 码经离散傅立叶变换后,并取变换后的复数共轭,与前者傅立叶变换结果相乘(实际该过程完成了两个序列的循环卷积),经过数学运算转化为序列的相关性运算,从原理上讲得到的结果是解扩后相关系数在频域中的值,把该值经傅立叶反变换转化到时域,并做相关门限的阈值检验,如果通过阈值检验就完成了信号的捕获。
原理如图五所示图五 并行码相位搜索捕获原理()x n 其数学过程如下:设做相关运算的序列的长度为,相关序列分别写为N 、,则其相关函数为:()y n 10()()()N n r m x n y m n −==+∑ (3)做离散傅立叶变换得到:21100[()]()()()N N j N m n F r m R k x n y m n e π−−−====+∑∑..........(4) ()x n 的循环卷积,即: 而实际上根据图五运算得到的是10()()*()()()N n r m x n y n x n x m n −=′==∑−.. (5)做离散傅立叶变换得到:21100[()]()()()[][]N N j mk N m n F r m R k x n y m n e X k Y k π−−−==′′==−=∑∑ (6)()x n (6)式中,、分别为序列[]X k []Y k 、的离散傅立叶变换,(4)式可以继续写为:()y n 221()0[()]()()()N j nk j n m k N N m F r m R k x n ey n m e ππ−−+===+∑*[][]X k Y k = (7)在实际计算中,由(6)转化为(7)式,只需要在PRN 码做离散傅立叶变化后取复数共轭,从而把序列的循环卷积运算转化为序列的相关性运算。
该方法可以提前对卫星的PRN 码进行离散傅立叶变换,从而提高了捕获速度。
3 GNSS 软件接收机的跟踪算法信号跟踪的目的,就是通过跟踪环路产生的环路误差,对跟踪的频率和相位做出相应的调整,使得本地信号跟接收信号保持一致,并给出准确的载波和码相位信息,从而保证对信号的完全解调,并得到星历信息。
一般分别用码相位延迟锁相环和载波锁相环来跟踪信号,其基本原理如图六所示:图六 环路跟踪、基带解调原理图 在GNSS 软件接收机中,载波跟踪和码相位跟踪是密切联系在一起的。
从上面可以看出,在捕获过程中得到的对载波频率和码相位的估计值被用于跟踪环路。
在码跟踪环路(DLL )中,信号首先和本地载波(频率由捕获过程估计得到)相乘,恢复成窄带信号,然后,由本地PRN 码产生器产生的一前一后相差半个码元(约488.7ns )的PRN 码序列分别跟窄带信号相乘,结果经低通滤波、取模后求差,并产生一个调整信号,进而调整本地PRN 码,使得其始终与接收信号的PRN 码保持一致;而后,用该PRN 码和捕获后的信号相乘,恢复捕获后的信号为连续载波(在20ms 内)。