第七章 GPS信号的捕获与跟踪

1、 1GPSGPS信号捕获与跟踪信号捕获与跟踪 pGPSGPS信号的组成信号的组成pGPSGPS信号捕获的两个参数信号捕获的两个参数p捕获原理及步骤捕获原理及步骤pGPSGPS信号的跟踪信号的跟踪p载频跟踪载频跟踪p码跟踪码跟踪School of Electronic Engineering 2接收机接收机通道通道Receiverchannel接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道射频射频前端前端A/D转换器转换器捕获捕获接收机接收机通道通道用户位置用户位置计算计算码码跟踪跟踪载频载频跟踪跟踪数据位数据位同步同步解码解码导航数据导航数

2、据读取读取卫星位置卫星位置计算计算伪距伪距捕获和跟踪在接收机中的位置捕获和跟踪在接收机中的位置 3GPS卫星信号卫星信号 4GPS中的多普勒频移中的多普勒频移42/(11 360058 60)1.4585 10/rad s卫星周期11小时58分426560 1.4585 103874/rm s 卫星轨道半径26560km 5GPS中的多普勒频移中的多普勒频移 6在卫星可能引起多普勒效应的方向上的最大速度：在卫星可能引起多普勒效应的方向上的最大速度：C/A信号的载频：信号的载频： 卫星运动造成的最大多普勒频：卫星运动造成的最大多普勒频：max929dvm s1575.42CAfMHzmax815

3、75.5 9294.93 10CAddrf vfkHzc卫星造成的多普勒频移卫星造成的多普勒频移 7捕获的三维搜索捕获的三维搜索 8捕获的三维搜索捕获的三维搜索p信号中存在哪些卫星的信号，即存在哪些信号中存在哪些卫星的信号，即存在哪些PRN码调制的信号；码调制的信号；p对每一个存在的对每一个存在的PRN码信号，提取其多普码信号，提取其多普勒频移；勒频移；p对每一个存在的对每一个存在的PRN码信号，提取其伪码码信号，提取其伪码相位。相位。 9GPS信号捕获的关键参数信号捕获的关键参数p卫星搜索的数量卫星搜索的数量p捕获使用数据的长度捕获使用数据的长度 p载波频率搜索范围和频率搜索步长载波频率搜索

4、范围和频率搜索步长p码相位搜索空间，码相位搜索步长码相位搜索空间，码相位搜索步长 10卫星搜索的数量卫星搜索的数量p卫星搜索的数量范围：卫星搜索的数量范围：032颗颗 ；p卫星搜索数量对捕获精度没有影响卫星搜索数量对捕获精度没有影响;p必须能成功捕获到必须能成功捕获到4颗或更多颗卫星颗或更多颗卫星; p两种搜索方式：两种搜索方式：n利用星历搜索方式：利用用户位置估计值、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卫星的位置，然后确定哪颗卫星为可见卫星 ；n满天搜索方式：搜索所有可能的卫

5、星满天搜索方式：搜索所有可能的卫星PRN码码。 11捕获使用数据的长度捕获使用数据的长度 p使用的数据越长，捕获效果就越好，但使用较长的使用的数据越长，捕获效果就越好，但使用较长的数据必然会使运算量增加；数据必然会使运算量增加；p限制捕获使用的数据长度的因素有两个：导航电文限制捕获使用的数据长度的因素有两个：导航电文的跳变和的跳变和C/A码的多普勒效应；码的多普勒效应；pC/A码的周期是码的周期是1ms，所以至少需要，所以至少需要1ms的数据才的数据才能完成捕获操作。能完成捕获操作。p导航电文每个数据位的长度是导航电文每个数据位的长度是20ms或者说是或者说是20个个C/A码的长度码的长度p选

6、用选用10ms的数据进行捕获时，可以不用考虑的数据进行捕获时，可以不用考虑C/A码码多普勒频移的影响。多普勒频移的影响。 12频率搜索步长与数据长度的关系频率搜索步长与数据长度的关系 130 1 2 3 4 5 6 7 搜索捕获原理搜索捕获原理IncomingcodeGeneratedcodeCorrelation起始位置估计起始位置估计 14 捕获原理捕获原理1 2 3 4 5 6 7 8Correlation载频估计载频估计 15串行搜索捕获方法串行搜索捕获方法 16串行搜索捕获方法串行搜索捕获方法串行搜索捕获方法串行搜索捕获方法 18FFT频域捕获方法频域捕获方法 19School of

7、 Electronic EngineeringPRN code demodulationIncoming signalLocal PRN codeResult of multiplicationFFT频域捕获方法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 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 23快速算法的改进快速算法的改进 24GPS信号的跟踪信号的跟踪GPS卫星信号是动态变化的，变化包括：p多普勒效应引起载波频率发生动态偏移；多普勒效应引起载波频率发生动态偏移；p伪随机码的起始时间回随着卫星与接收机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

8、间距离的变化而变化。 两个跟踪环：载波跟踪环和码跟踪环 25载波跟踪环载波跟踪环接收到的接收到的GPS信号信号 26载波跟踪环载波跟踪环解扩频后的信号解扩频后的信号I、Q支路的输出支路的输出 27载波跟踪环载波跟踪环噪声信号的表示噪声信号的表示积分、去高频的后的积分、去高频的后的I、Q支路的输出支路的输出 28鉴相器鉴相器 29鉴相器鉴相器 30载波跟踪环的输出载波跟踪环的输出 31锁相环锁相环 32滤波器前的鉴相器输出 33滤波器后的鉴相器输出 34p 环路滤波器和环路滤波器和VCO的传递函数的传递函数p环路传递函数环路传递函数 二阶锁相环的特性 35p 自然频率自然频率p 阻尼系数阻尼系数

9、 二阶锁相环的特性 36p 噪声带宽噪声带宽p自然频率与噪声带宽的关系自然频率与噪声带宽的关系 二阶锁相环的特性 37阻尼系数 38噪声带宽 39School of Electronic EngineeringFrequency offsets is 20 Hz 40School of Electronic Engineering 41School of Electronic Engineering 42Code Tracking: Three local codes are generated and correlated with the incoming signal码跟踪环码跟踪环-延迟锁定环延迟锁定环 43码跟踪环码跟踪环-延迟锁定环延迟锁定环 44延迟锁定环延迟锁定环基本结构基本结构 45码跟踪环结构码跟踪环结构 46School of Electronic Engineering 47School of Electronic Engineering 48School of Electronic Engineering 49Sch