卫星信号捕获
低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.05.006引用格式:方一鸣,赵祥天,赵亚飞,等.低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述[J].无线电通信技术,2023,49(5):816-825.[FANG Yiming,ZHAO Xiangtian,ZHAO Yafei,et al.A Survey on Low Earth Orbit Satellite Signal Acquisition and Tracking Technology [J].Radio Communications Technology,2023,49(5):816-825.]低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述方一鸣,赵祥天,赵亚飞,孙耀华,彭木根(北京邮电大学信息与通信工程学院网络与交换技术国家重点实验室,北京100876)摘㊀要:低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星互联网相较于地面网络有更大的网络覆盖范围与更强的网络稳定性,有利于实现全球立体无缝网络覆盖,是未来6G 网络重要的发展趋势㊂低轨卫星相较于中高轨卫星具有更高的运行速度,因此,低轨卫星信号具有更大的多普勒频移和动态特性,而低轨卫星信号的高精度捕获与跟踪是低轨卫星通信的基础㊂随着相控阵天线在低轨卫星和卫星终端上的推广应用,多波束和跳波束技术也为信号的捕获与跟踪带来挑战㊂从低轨卫星信号互联网的信号特点出发,提出了信号捕获与跟踪过程中的技术挑战,重点阐述了现有捕获与跟踪方法的基本原理与适用范围,探讨了低轨卫星网络中信号捕获与跟踪技术的未来发展方向㊂关键词:低轨卫星互联网;信号捕获;信号跟踪;波束控制中图分类号:TN927.2㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)05-0816-10A Survey on Low Earth Orbit Satellite Signal Acquisition andTracking TechnologyFANG Yiming,ZHAO Xiangtian,ZHAO Yafei,SUN Yaohua,PENG Mugen(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)Abstract :Compared with terrestrial networks,Low Earth Orbit (LEO)has larger network coverage and stronger network stability,which is beneficial to the realization of global three-dimensional seamless network coverage,and is an important direction trend of the fu-ture 6G network.LEO satellites have higher operating speeds compared to medium and high Earth orbit satellites.Therefore,LEO satel-lite signals have larger Doppler frequency shifts and dynamic characteristics.The high-precision acquisition and tracking of LEO satellite signals is the foundation of integrated satellite-terrestrial communication.With the promotion and application of phased array antennas in LEO satellites and satellite terminals,multi-beam and hopping beam technologies also pose challenges for signal acquisition and track-ing.This paper presents technical challenges in signal acquisition and tracking in view of signal characteristics of LEO satellite signal,focuses on basic principles and scope of application of existing acquisition and tracking methods,and finally discusses future develop-ment direction of signal acquisition and tracking technology in LEO satellite network.Keywords :LEO satellite internet;signal acquisition;signal tracking;beam control收稿日期:2023-06-03基金项目:中国博士后科学基金(2023M730337)FoundationItem :ChinaPostdoctoralScience Foundation(2023M730337)0 引言通信技术的价值在于为尽可能多的用户提供广泛㊁便捷㊁快速㊁稳定的网络覆盖㊂现有通信系统可以通过以光纤为代表的有线服务和以WiFi 为代表的无线服务来为用户提供低时延㊁大容量和高可靠的通信服务,但在较为偏远,且不适宜构建地面通信系统的地区存在覆盖不全面的问题,例如偏远山区㊁沙漠和海洋,无法提供有效的通信服务;另外由于地面设施相对固定,在发生自然灾害时,地面通信系统会受到影响而无法工作,这些问题导致现有地面系统无法完全满足全部通信要求㊂而处于高空的卫星已经在遥感㊁导航与检测领域证明其广覆盖㊁高可靠的特性,因此采用低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络进行通信可以实现通信的高质量与广泛覆盖,这也是通信网络发展的必然趋势[1-5]㊂在低轨卫星通信场景下,由于卫星载体的运动,会导致传输过程中接收机接收信号有较大的多普勒频移和多普勒频率变化率,这种高动态特性会导致接收机无法正常对信号进行接收,需要采取高性能的信号捕获与跟踪技术,实现信号同步,才能实现星间以及星地的信号正常传输,进而实现低轨卫星通信[6]㊂本文从低轨卫星互联网实际应用场景出发,探讨信号特点与挑战,重点分析阐述信号同步过程中信号捕获㊁跟踪与波束控制技术的特点与基本原理,最后展望未来低轨卫星通信场景下信号捕获与跟踪技术可能的发展趋势㊂1㊀低轨卫星互联网应用低轨卫星网络由于其距地面较近且覆盖范围大,因此有利于为较大范围内用户提供低时延㊁强稳定㊁高通信质量㊁高公平且资源利用率高的通信服务[5,7]㊂低轨卫星通信主要应用场景包括手机直连㊁边远地区覆盖㊁应急情况保障和通导遥一体等[8]㊂1.1㊀手机直连手机直连卫星实现通信是低轨卫星网络最核心也是最基础的应用,通过手机直连,用户可以在任何区域内获得网络连接㊂基于移动性管理,用户可以同时与多颗卫星及地面基站通信,实现真正的 无缝切换 ;基于频谱管理,精确化管理小区覆盖,提供更可靠更稳定的信息传输,同时降低地面通信系统负载㊂1.2㊀边远地区通信覆盖由于环境以及成本限制,传统地面通信系统无法完全覆盖所有地区㊂而卫星具有高覆盖与无视地理环境等传输特性,因此采用低轨卫星进行通信可以破除地理环境限制,低成本地为所有用户提供通信与数据服务,实现全球通信覆盖㊂1.3㊀应急通信保障由于地面通信系统基于地面固定设备实现通信,因此当遇到地震㊁洪水等地质灾害时,会由于设备受损与停电而中止地区通信服务㊂因此采用低轨卫星进行通信可以在出现应急状况时,全面接管通信传输任务,保障基础服务,进而提高救灾恢复效率,提高通信系统的抗毁性㊂1.4㊀通导遥一体低轨卫星互联网可以将太空低轨通信卫星㊁导航卫星㊁遥感卫星融合,实现通导遥一体,在这种情况下,可以根据任务由卫星互联网传递遥感㊁导航需求与指令,并快速传输具体的导航与遥感数据,让地面能够及时㊁准确地获得特定导航与遥感信息[9-10]㊂2㊀低轨卫星信号特点2.1㊀低轨卫星链路构成与分析在低轨卫星网络中主要有星间链路㊁馈电链路㊁用户链路和测控链路,具体构成如图1所示㊂其中星间链路指的是卫星之间的通信链路,馈电链路指的是卫星与信关站之间的通信链路,而用户链路则指的是卫星与移动终端之间的通信链路㊂卫星测控链路则是卫星与地面测控站之间的通信控制链路,用于实现对卫星的控制与遥测㊂卫星测控链路中指令的准确传输直接关系到卫星的安全运行,因此卫星测控链路着重于信息传输的准确性与可靠性,通常采用抗干扰性能强的扩频通信体制进行通信㊂而星间链路㊁用户链路和馈电链路则由于效率等方面原因较少采用扩频体制,通常基于3GPP的5G体制进行设计,如AST和Lynk等,只有Globalstar与苹果手机直连中由于Globalstar采用的私有通信协议而导致用户链路使用扩频体制,以及应用场景出于保密与抗干扰需求才会选择扩频体制㊂图1㊀低轨卫星网络链路构成Fig.1㊀LEO satellite network link architecture本文主要介绍具有普适性且适用于各种终端的信号捕获与跟踪技术,另外考虑到卫星网络中存在扩频体制以及捕获与跟踪技术的多样性,因此也列举了一些主要针对扩频体制的信号捕获与跟踪技术㊂2.2㊀信号特性分析低轨卫星通信系统中卫星主要运行在500~ 1500km的低空轨道中,由于其轨道高度低,因此具有传输损耗低和低时延的特性,是最有可能实现卫星互联网的卫星通信系统㊂但由于卫星本身体积与宇宙空间环境限制,卫星发射功率有限,同时也因为距离以及干扰等因素导致接收机所收信号信噪比较低㊂另外,卫星较快的运动速度会给信号带来多达几百kHz的多普勒频移,如此大的频谱偏移会给接收机设计带来挑战,迫使接收机放大前端带宽,进而导致带外噪声引入,使得接收信噪比降低,同时如此大的频谱偏移还会导致同步中频率搜索区间过大,给信号同步带来更大挑战,影响信号接收㊂由于卫星信号具有信噪比低且多普勒频移大的动态特性,因此如何在这种环境下,实现稳定可靠接收成为了实现低轨卫星通信的关键点㊂2.3㊀低轨卫星波束特点2.3.1卫星多波束特点及挑战多波束技术可以通过数字波束合成(Digital Beam Forming,DBF)来指向低轨卫星信号接收方向,提高接收信号信噪比[11-12]㊂多波束技术在接收时需要分析波束指向来达到最佳接受性能㊂遍历所有情况找出最大接收功率显然效率较低,因此如何迅速根据接收信号分配权值合成最佳接收波束成为实现波束捕获的主要挑战㊂2.3.2卫星跳波束特点及挑战跳波束技术基于相控阵技术实现,通过改变相位来快速调整波束方向,实现信号发送与接收[13]㊂跳波束技术使低轨卫星频谱资源能够被灵活调配,在功率有限情况下,产生更高质量的信号,有效提高低轨卫星系统频谱效率;同时跳波束技术可以让低轨卫星通信系统灵活适应不同吞吐率,根据需求求解出时隙切换表,进行波束的周期性调整[14-15]㊂由于低轨卫星通信中的跳波束技术在不断变换波束,而只有成功捕获波束才能正常接收信号,因此如何在短时间内跟踪到波束指向并进行跟踪控制成为了跳波束应用的主要挑战㊂3㊀关键技术信号接收过程中,首先需要进行的是波束捕获与跟踪控制㊂波束捕获的目的是在接收到信号后能迅速锁定到接收信号对应的波束,从而进行跟踪控制,实现波束对准㊂波束跟踪控制针对多波束技术而言,通过分析找出实现波束对准所需权值,通过设置相控阵权值来对准波束,完成接收㊂通过波束捕获与跟踪控制,完成波束对准,实现信号的准确接收,然后需要获取接收信号的多普勒频移和码相位偏移来实现同步㊂其中对信号的同步具体包含捕获过程和跟踪过程㊂首先是进行捕获,通过信号捕获技术获取较为粗略的码相位信息与多普勒频移信息,这些低分辨率的信息有助于之后的信号跟踪;之后进行跟踪,通过信号跟踪技术利用捕获得到的信息精确估计码相位信息与载波频率,解调出导航数据㊂3.1㊀波束捕获与跟踪控制3.1.1波束捕获低轨卫星通信网络中通常采用跳波束技术来提高频谱利用效率,会存在波束的频繁切换,需要波束捕获技术来及时跟踪捕获波束变化,实现准确接收㊂低延迟快速捕获(Low Delay Fast Acquisition, LDFA)是一种用于在卫星通信系统中快速捕获和跟踪通信波束的算法㊂LDFA算法的目标是最小化与卫星建立可靠通信链路所需的时间,这对于延迟敏感的应用(如实时语音和视频通信)来说非常重要㊂为了与卫星建立通信链路,地面站必须首先确定其当前所在的波束,然后将其接收器调谐到适当的频率,这个过程被称为波束采集㊂LDFA算法旨在通过结合使用快速信号处理技术和智能搜索策略,将执行波束捕获所需的时间降至最低㊂低延迟快速捕获算法通常涉及以下步骤:①使用宽带接收机搜索卫星㊂②一旦检测到卫星,将接收机调谐到卫星信号的频率,并对信号进行解调,以提取关于波束结构和可用波束的信息㊂③确定地面站当前所处波束,并将接收机调谐到该波束的适当频率㊂④在波束移动时跟踪波束,根据需要调整接收机频率,以保持可靠的通信链路㊂3.1.2波束跟踪控制在卫星通信中应用多波束技术可以方便快捷地针对信号来源处产生对应波束,以较高信噪比接收信号㊂传统波束跟踪过程中采用机械电机结构来实现波束对准,其中天线方向决定波束方向,通过不断转动实现接收信噪比最大化㊂但这种方式需要精密的机械结构㊁高昂的制造成本以及较慢的对准过程,因此使用效果并不能满足低轨卫星互联网通信需求㊂而采用数字波束合成的多波束技术可以通过数字方式简单㊁方便地控制波束方向,快速追踪波束㊂波束跟踪控制主要有两种方法:波束自适应控制和波束切换控制㊂波束自适应控制方法根据输入信号情况自适应调整阵列权值,从而在无需估计输入信号方向情况下给出最优波束控制方向㊂但自适应控制每次都需要重新估计,导致计算复杂度过高,因此实时性较差,且需要较多的硬件资源,在实际情况下应用较少㊂波束切换控制方法会在设备中预存有对应方向的波束权值,过程中需要确定输入信号方向,通过比较各个指向上的功率,来判断信号指向,再通过查询权值表获得波束指向的正确权值㊂这种方式可以预先求解出各个波束指向的权值,进而在实际控制过程中直接查表获取权值,相比较于自适应控制方法更简单㊁高效㊂在实际情况中,可以借助先验信息(例如星历㊁轨道信息)来缩小搜索范围,加快波束切换控制方法的搜索㊂波束捕获流程图如图2所示㊂图2㊀波束捕获流程图Fig.2㊀Flowchart of beam acquisition3.2㊀信号捕获技术传统的捕获方法中,常常通过相关运算和能量检测来观察较高的能量峰,以此来找到码相位,但实际情况下会由于多普勒频移导致载波不能完全消除进而导致能量峰急剧下降,从而难以找到正确的码相位㊂因此,十分有必要得到准确的载波信息,将其对相关峰的影响完全消除,进而得到较为准确的码相位,实现捕获㊂信号捕获的目标是将相位差别控制在半个码元宽度内㊂本节介绍的滑动相关捕获算法㊁并行捕获算法和序列估计捕获算法主要用于测控链路中扩频信号的捕获,而匹配滤波器算法㊁FFT 捕获算法和PMF-FFT 捕获算法则可以用于馈电链路㊁星间链路㊁用户链路和测控链路㊂3.2.1滑动相关捕获算法滑动相关算法是最常见的信号捕获方法,通常用于扩频体制下的信号捕获,在低轨卫星网络中可以用于测控链路,其本质是一种二维搜索法,同时搜索载波频率与相位㊂其为伪码生成器设置与接收信号不同的速率,进而实现二者相对滑动,在一个相关周期内一般伪码会滑动半个码片,滑动会一直持续到两个码序列相位对齐时,此时便得到所接收伪码的相位㊂另外对于载波频率的搜索可以通过改变本地载波来实现,当本地载波频率与伪码载波频率接近时,可以输出相关峰,因此可以通过对相关峰的检测来得到伪码载波频率㊂滑动相关算法结构如图3所示,其将对伪码载波频率与相位的搜索分别转化成对本地载波频率和本地伪码发生器时钟的控制,当相位一致且出现足够的相关峰时,便搜索得到伪码的载波频率与相位,从而实现捕获[16]㊂图3㊀滑动相关法伪码捕获的结构框图Fig.3㊀Block diagram of the structure of pseudocodeacquisition by slide correlationmethod3.2.2并行捕获算法并行捕获算法与滑动相关算法类似,均针对测控链路中的扩频体制实现捕获,不同的是其在通过本地载波解调进行载波剥离后,会并行使用2N 个支路的伪码序列相关解扩器分别处理,之后使用最大值选择器选择各并行支路的最大值,由于输出最大值的相位与接收信号相位误差最低,因此其相位可以作为捕获得到的伪码相位,进而实现信号捕获[16]㊂并行捕获算法原理如图4所示㊂图4㊀并行捕获算法Fig.4㊀Parallel acquisition method㊀㊀并行捕获算法是2N 个支路同时进行,所需时间短㊁效率高,但也由于要使用2N 个支路以及2N 个解扩单元,因此设备复杂度较高㊂3.2.3序列估计算法序列估计算法也是针对测控链路中的扩频体制实现信号捕获,其从接收信号中提取到PN 码,利用提取到的PN 码来设置本地PN 码序列发生器,将该发生器所产生的PN 码序列与接收信号进行相关,当出现相关峰时完成捕获,此时相位便是接收信号的相位㊂序列估计算法原理如图5所示㊂序列估计算法通过提取接收信号PN 码来进行相位估计,但很多情况下PN 码并不方便提取,这就导致序列估计法可能无法实现㊂另一方面,序列估计算法对于干扰和噪声十分敏感,当信噪比较低时实际捕获效果不好,因此在低轨卫星场景下适用性有限㊂图5㊀序列估计算法原理图Fig.5㊀Schematic diagram of sequence estimation method3.2.4匹配滤波器算法匹配滤波器算法可以通过改变系统传递函数快速捕获相位,因此可以灵活应用在星间链路㊁馈电链路㊁用户链路和测控链路等场景㊂匹配滤波器根据输入信号改变系统传递函数,使得输出是输入信号的自相关函数,基于这一特点,采用匹配滤波器捕获相位,可以大大缩短捕获时间㊂具体来说,匹配滤波器算法基于接收信号设置本地码序列,之后采用移位寄存器依次对接收信号延迟码元宽度以获得不同相位时的相关,通过包络检测找到具有最大相关峰时的相位实现相位捕获㊂匹配滤波器算法原理如图6所示㊂图6㊀DMF 原理框图Fig.6㊀Block diagram of DMF㊀㊀匹配滤波器算法在一个码周期内就可以捕获到码相位,实现快速捕获㊂但是包络检测判决输出会随着多普勒频移的增加而迅速衰减,不利于信号检测,因此匹配滤波器算法并不适用于高动态场景[16]㊂3.2.5快速傅里叶变换捕获算法快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)算法,可以从信号的时域表示中获取到信号的频域表示,其可以将时域中卷积运算简化为频域中乘法运算,也可以将捕获中的时域相关运算转化成频域相乘运算㊂FFT 捕获算法可以通过FFT 算法简化捕获过程,主要有并行频率搜索和并行码相位搜索两种,可以灵活应用在星间链路㊁馈电链路㊁用户链路和测控链路等场景㊂并行频率搜索法原理如图7所示,其首先将接收信号与本地载波混频,去除载波,然后与本地码发生器相关,并对相关结果使用傅里叶变换,使得时域的相关转换为频域相乘,通过取模观察频谱峰值,根据频谱峰值得到多普勒频移,并不断调整本地码相位使得频谱峰值超过门限,从而得到码相位偏移[17-20]㊂图7㊀并行频率搜索原理框图Fig.7㊀Block diagram of parallel frequency search㊀㊀并行码相位搜索法原理如图8所示,其与并行频率搜索均在一开始利用混频器对接收信号去除载波影响,不同的是并行码相位搜索在此之后对该信号与本地码发生器所产生的本地码提前进行傅里叶变换,二者分别进行傅里叶变换之后共轭相乘,通过频域相乘完成与时域相关一样的效果,之后通过傅里叶反变换获得时域结果,根据取模后峰值得到码相位偏移,通过不断调整载波频率,使峰值超过门限值,此时的频率即为多普勒频移㊂可以看到,无论是哪种方法,都可以将二维的对载波频率和码相位的捕获变成一维捕获,大大降低算法复杂度,实现快速捕获㊂采用FFT 进行捕获虽然可以大幅度提高捕获效率,但会由于傅里叶变换需要大量运算而导致实际实现复杂度高以及信号处理延时较大,因此也不适合实时信号处理㊂图8㊀并行码相位搜索结构图Fig.8㊀Structure of phase search for parallel codes3.2.6部分匹配滤波器和快速傅里叶变换捕获算法部分匹配滤波器和快速傅里叶变换(PartialMatched Filter FFT,PMF-FFT)捕获算法的实现流程如图9所示[21-23]㊂其与匹配滤波器算法和FFT 算法一致,均可以应用在星间链路㊁馈电链路㊁用户链路和测控链路等场景㊂图9㊀基于PMF-FFT 的捕获算法Fig.9㊀Acquisition algorithm based on PMF-FFT㊀㊀PMF-FFT 捕获算法通过将匹配滤波与频域并行捕获方法有效结合,在利用二者优势的情况下,补偿各自弊端,在卫星通信接收机中得到了大规模的使用[24]㊂PMF-FFT 捕获算法首先通过混频器剥离载波,在此之后使用多个匹配滤波器代替传统相关器进行相关,并将I㊁Q 路产生的多个输出结果合成为复数信号,对其进行FFT 运算,检测FFT 的峰值结果,如果大于门限,则峰值频率对应为多普勒频移量,相位对应为码相位㊂其使用多个匹配滤波器,相比相关器大幅减少运算时间,并通过整体FFT 变换,快速完成所有频率的搜索,再经由滤波器拆分,减少FFT 运算点数,大大降低复杂度,因此最为适宜低轨卫星网络场景下的信号捕获㊂PMF-FFT捕获算法包含以下几个步骤:①将输入信号送入多个匹配滤波器;②将匹配滤波的结果补零加窗并进行FFT;③取FFT运算结果的最大相关值进行输出㊂3.3㊀信号跟踪技术捕获过程是粗略估计接收信号的多普勒频移和码相位偏移,分辨率稍低,又称为粗同步㊂跟踪阶段,从捕获算法得到的信号多普勒频移和码相位的粗略估计值出发,精确估计两个参量的值,使得本地复制信号与接收信号一致,解调出导航数据,以便于下一个阶段解算[25]㊂本节介绍的锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)㊁科斯塔斯(Costas)环和基于卡尔曼滤波的跟踪方法均可以用于星间链路㊁馈电链路㊁用户链路和测控链路等场景下的信号跟踪㊂3.3.1锁相环锁相环用来实现对输入信号的跟踪并给出精确的载波相位测量值㊂锁相环由三部分构成,分别为:鉴相器(PD)㊁压控振荡器(VCO)和环路滤波器(LF)㊂锁相环能产生与输入信号在频率和相位上同步的输出信号㊂当锁相环处于锁定状态下,其处于同步状态,输出信号与输入信号频率一致,相位误差固定为某一常数;而当锁相环处于失锁状态下,锁相环中的VCO会根据误差产生相应控制信号来纠正输出信号频率与相位,从而回到锁定状态,使得输出信号与输入信号完全一致㊂不过锁相环在高动态场景下由于多普勒频移和多普勒频率变化率较大,因此难以稳定跟踪输入信号,并不能直接用于低轨卫星场景㊂3.3.2Costas环由于BPSK扩频后的信号频谱不会在载波频率处出现峰值,因此采用锁相环无法提取出载波频率,除此之外,锁相环对180ʎ的相位翻转敏感,无法正常读取BPSK数据㊂Costas环可以解决以上两点问题,有助于在星间链路㊁馈电链路㊁用户链路和测控链路等场景下对PSK信号进行跟踪㊂在Costas环中,VCO产生的载波信号分两路与接收信号相乘进行载波剥离,其中一路载波信号先进行90ʎ相移再相乘,这样的两路信号分别经过低通滤波器之后相乘,抵消PSK的调制效果,获得精确的多普勒频移与伪码相位㊂Costas环原理如图10所示㊂图10㊀Costas环解调器Fig.10㊀Costas ring demodulator Costas环虽然非常适用于PSK调制,但其对信号的灵敏度不如纯锁相环,因此也不能直接用于低轨卫星场景下的信号跟踪过程㊂3.3.3基于卡尔曼滤波的跟踪方法锁相环在高动态场景下难以稳定跟踪信号,可以引入卡尔曼滤波来对高动态信号进行持续跟踪㊂卡尔曼滤波是控制领域常用的估计方法,其核心原理是根据测量数据与估计数据的相对关系,在二者间取某一中间值,这个中间值相对于测量与估计结果均更加准确,且由于卡尔曼滤波具有收敛速度快㊁仅需上一时刻结果和计算复杂度低等优点被广泛使用㊂卡尔曼滤波具体流程如图11所示,总结如下㊂图11㊀卡尔曼滤波基本流程Fig.11㊀Kalman filtering basicflow。
基于短时相关和FFT的GPSL2C信号捕获算法
基于短时相关和FFT的GPSL2C信号捕获算法GPSL2C信号捕获是全球定位系统（GPS）接收器中的一个重要步骤，用于提取特定卫星发射的信号。
GPSL2C信号捕获算法基于短时相关和FFT （快速傅里叶变换），通过计算信号与预先定义的本地信号的相关性并利用频谱分析技术，确定信号的到达时间和频率偏移，从而实现对信号的捕获。
GPSL2C信号具有复杂的结构，包括导航数据、预定导航消息等，并且经过了调制和编码处理。
为了捕获这些复杂的信号，首先需要通过短时相关算法来计算信号与本地信号的相关性。
短时相关算法将输入信号与本地信号进行乘积累加，并产生一个相关性函数。
相关性函数中的峰值对应于信号的到达时间。
短时相关算法的效果受到信号的噪声和多径干扰的影响。
为了提高算法的鲁棒性，可以使用平均相关函数来减小噪声和多径干扰的影响。
平均相关函数通过将多次计算的相关性函数进行平均来获得更准确的峰值位置。
在获得信号的到达时间后，可以使用FFT算法进行频率分析。
FFT将时域信号转换为频域信号，可以计算信号的频率特性和频率偏移。
通过对经过相关性计算后的信号进行FFT变换，可以确定信号的频率偏移，并将信号与预定的频率进行匹配，从而实现对信号的捕获。
在实际应用中，为了提高算法的性能，可以采用并行化计算和优化算法来加速信号捕获过程。
并行化计算可以将相关性计算和FFT计算等步骤并行处理，提高计算效率。
优化算法可以根据具体的硬件和实时需求进行优化，例如使用快速相关算法和GPU等加速技术。
总结来说，基于短时相关和FFT的GPSL2C信号捕获算法通过计算信号与本地信号的相关性和频率特性，实现对复杂信号的捕获。
这种算法能够提高信号捕获的准确性和鲁棒性，并可以通过并行化计算和优化算法来提高计算效率。
卫星通信系统信号处理技术研究
卫星通信系统信号处理技术研究第一章：引言随着科技的不断发展，卫星通信系统已经成为近年来最重要的通信方式之一。
其在军事、气象、导航、遥感等领域的应用也越来越广泛。
卫星通信系统的核心技术是信号处理技术，信号处理技术的研究对于卫星通信系统的发展具有重要意义。
本文将从卫星通信系统信号处理技术的相关理论、传输技术和应用案例三个方面进行探讨，旨在为研究者提供有用的参考资料，推动卫星通信系统信号处理技术的进一步发展。
第二章：卫星通信系统信号处理技术的相关理论卫星通信系统信号处理技术的研究需要掌握一系列相关理论。
其中，数字信号处理技术是卫星通信系统信号处理技术的核心。
2.1 数字信号处理技术数字信号处理是指将模拟信号转换为数字信号，并对数字信号进行加工处理。
数字信号处理的目的是减小信号干扰，提高信号传输质量和传输速度。
数字信号处理技术已经广泛应用于卫星通信系统。
数字信号处理技术主要包括数字滤波器、数字滤波器设计、数字信号变换等方面。
数字滤波器用于滤除信号中的噪声，使信号更为清晰；数字滤波器设计是指根据滤波要求对滤波器进行设计，以满足实际的滤波需求；数字信号变换是指将数字信号从一种表示方式转换成另一种表示方式，以便于信号分析和处理。
2.2 卫星通信系统信号处理技术的应用卫星通信系统信号处理技术的应用十分广泛，包括卫星信号捕获、卫星定位、遥感数据处理等方面。
卫星信号捕获是指接收卫星信号后将其解码、分离出有效信息并进行处理的过程。
卫星定位是通过卫星信号确定接收器的位置，目前广泛应用于GPS导航系统、军事侦察等领域。
遥感数据处理则是指利用卫星对地球表面实行监测、测量、图像获取等操作，广泛用于天气预报、农业生产、城市规划等领域。
第三章：卫星通信系统信号处理技术的传输技术传输技术是卫星通信系统信号处理技术的重要组成部分，其主要有数字信号传输技术、调制技术和信道编码技术等。
3.1 数字信号传输技术数字信号传输技术是指将数字信号从一个系统传输到另一个系统的过程。
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追踪器原理
gps追踪器原理
GPS追踪器的原理主要是基于GPS定位技术。
GPS定位技术是通过接收GPS卫星信号来确定地面目标的位置。
GPS追踪器内部装有GPS接收机，可以接收到GPS卫星信号，并通过计算得出目标的位置坐标。
GPS追踪器的定位原理包括三个主要步骤：
1. 捕获卫星信号：GPS追踪器通过接收来自GPS卫星的信号，并通过对这些信号进行分析和处理，得到卫星的位置信息。
2. 计算位置坐标：根据接收到的卫星信号和已知的卫星位置信息，GPS追踪器可以计算出自身的位置坐标，包括经度、纬度、高度等信息。
3. 数据传输：GPS追踪器将位置信息通过无线通信网络传输到指定的服务器或客户端，用户可以通过互联网或手机APP等途径查询到追踪器的位置信息。
此外，GPS追踪器还具有一些其他功能，如移动检测、报警提示等，可以根据不同的应用场景进行定制和扩展。
需要注意的是，GPS追踪器的定位精度和可靠性受到多种因素的影响，如天气、遮挡物、电磁干扰等。
因此，在使用GPS追踪器时需要考虑到这些因素，并适当采取措施来提高定位精度和可靠性。
gnss基带算法
gnss基带算法GNSS基带算法是全球导航卫星系统（GNSS）中的关键技术之一，它在接收机端对接收到的卫星信号进行解调、解调、伪距计算等处理，从而实现定位、导航和时间同步等功能。
本文将从基带算法的基本原理、常见算法以及应用领域等方面进行介绍。
一、基带算法的基本原理GNSS基带算法的基本原理是将接收到的卫星信号进行分析和处理，从中提取出有关卫星位置、接收机位置和时间等信息，以实现定位和导航功能。
基带算法主要包括信号捕获、跟踪和解调、伪距计算等过程。
1. 信号捕获：接收机接收到的卫星信号是非常微弱的，需要通过信号捕获技术将其从背景噪声中提取出来。
信号捕获是通过对接收到的信号进行相关运算，从而得到与接收机位置相关的初始伪码延迟值。
2. 跟踪和解调：在信号捕获之后，接收机需要跟踪和解调接收到的信号。
跟踪是指在接收机端精确跟踪卫星信号的相位和频率，解调是指将接收到的信号解调为基带信号。
跟踪和解调过程是通过对信号进行相位锁定环（PLL）和频率锁定环（FLL）的运算来实现的。
3. 伪距计算：伪距是指接收机与卫星之间的距离，通过测量伪距可以计算出接收机的位置。
伪距计算是基于接收到的卫星信号的传播时间来进行的，通过测量接收机与多颗卫星之间的伪距差异，可以确定接收机的位置。
二、常见的GNSS基带算法1. 码相位测量算法：码相位测量算法是GNSS中常用的基带算法之一，它通过对接收到的信号进行码相位测量，从而得到接收机与卫星之间的伪距差异。
码相位测量算法主要包括码延迟估计、码相位测量和伪距计算等过程。
2. 载波相位测量算法：载波相位测量算法是GNSS中另一种常用的基带算法，它通过对接收到的信号进行载波相位测量，从而得到接收机与卫星之间的相位差。
载波相位测量算法主要包括载波相位锁定和载波相位差计算等过程。
三、GNSS基带算法的应用领域GNSS基带算法在各个领域都有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 定位和导航：GNSS基带算法可以实现对接收机位置的测量和定位，从而实现导航和导航功能。
通信系统中的信号捕获与跟踪技术
通信系统中的信号捕获与跟踪技术在现代社会中，通信系统已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。
无论是手机通话、互联网传输还是卫星导航，都需要信号的捕获与跟踪技术来确保通信的顺利进行。
本文将重点探讨通信系统中的信号捕获与跟踪技术，以及其在各种通信场景中的应用。
一、信号捕获技术信号捕获技术是通信系统中的重要环节，其主要功能是从环境中接收和解码信号。
常见的信号捕获技术包括天线设计、射频前端设计和数字信号处理。
天线设计是信号捕获的第一步，通过合适的天线可以有效接收传输信号。
射频前端设计则负责信号的放大和滤波，以确保信号质量。
数字信号处理是信号捕获的最后一步，通过各种算法对信号进行处理和解码。
在通信系统中，不同的信号类型需要采用不同的信号捕获技术。
比如，对于无线通信系统来说，需要采用合适的天线设计和射频前端设计来捕获无线信号；而对于卫星导航系统来说，需要采用特殊的接收器来捕获卫星信号。
二、信号跟踪技术信号跟踪技术是在信号捕获的基础上，对信号进行跟踪和调整的过程。
主要包括信号分析、信号跟踪和反馈控制。
信号分析是对捕获的信号进行数据处理和解析，以提取有用信息。
信号跟踪是对信号源的位置和状态进行跟踪，以保持通信连接的稳定。
反馈控制则是根据信号的跟踪情况对系统进行调整，以优化通信性能。
在通信系统中，信号跟踪技术可以应用于各种场景。
比如，在移动通信系统中，信号跟踪技术可以实现用户间的切换和漫游，以保持通话质量；在卫星导航系统中，信号跟踪技术可以实现卫星信号的持续跟踪，以提供精准的导航服务。
三、应用案例分析以手机通信系统为例，信号捕获与跟踪技术的应用十分广泛。
当手机用户进行通话时，手机会通过天线捕获基站发射的信号，射频前端对信号进行处理，数字信号处理对信号进行解码；同时，系统会通过信号跟踪技术实现用户话音的传输和保持通话连接的稳定。
另外，以卫星导航系统为例，GPS接收器通过信号捕获技术接收卫星信号，通过信号跟踪技术实现卫星信号的持续跟踪，并通过反馈控制实现定位服务。
GPS卫星信号的捕获算法
上缩短捕获时 间。相 比较 来看 ，两种 算法都能
【 关键词 】Ｇ Ｐ Ｓ卫星信号 捕获算法
够增加新 的运算模块 ，主要是在执行中需要重 复多次利用 原有模 块，且搜索范围较小 ，捕获
辕１ ￣ ；
高效捕 获是 准确 定位 的前提 和基 础 ，捕 获算 法 决定 捕 获效 果，对 于接 收机 性 能具有 重要 影 响。 算 法 不 同，捕 获质 量 也有 所 差别 。 文章从 Ｇ Ｐ Ｓ信 号 结构 入 手 ，从 不 同方 面探 讨 Ｇ Ｐ Ｓ卫星 信 号捕 获 算 法 ，并借 助仿 真 结 果验证 捕 获 方
案 准 确性 。
方处理后得出结论 。如果本地与接收信号 的伪
码能够完全吻合 ，那么获得 的输 出值较 大。串
行搜索捕获算法实现起来更为简单 ，但 是搜 索 范围过大 ，且需要更 多的时间，无法实现对高
动 态 目标 的定 位 ，仅 适 用 于低 速 、 定 位 时 间 要 求 不 高 的 接 收 机 。而 并 行 频 率 空 间搜 索 算 法 ， 只 需要对 Ｃ ／ Ａ 码 移 位 即 可 ， 能 够 在 很 大 程 度 图１ ：Ｇ Ｐ Ｓ卫 星捕 获 算 法
数补零至 ２ ｎ ，进行 Ｆ Ｆ Ｔ运 算 。
（ ２ ）对本地信 号补零处理后 进行 Ｆ Ｆ Ｔ运 算，得出完整的结果。 （ ３ ）将前两个数值进行相乘 。 （ ４ ）确 定峰值位置 ，计 算出两帧跳 时
数。
参数进行估计 ，能够对模块对应 的参数予 以细 化处理，解调 出具体 的导航数据 ，为实际工作 提供 科学 依据 。文章 从 ＧＰ Ｓ信 号构 成入 手， 对不同的捕获算法进行介绍和 分析 ，发现 不同 的算法产生 的效 果也有 所差别。因此在 日后实 践应用 中，要根据具体 需求 ，合理选择算法 ， 不 断提高捕获有 效性 。
卫星捕获原理
卫星捕获原理
卫星捕获原理是利用在轨卫星技术，通过机械臂捕捉另一个航天器，使其与目标卫星形成一个组合体。
这一过程涉及空间交会对接技术，包括变轨机动、全向自由度控制和动力学耦合等。
具体来说，卫星捕获是在地面辅助引导和自主引导下，使卫星运动到目标卫星所处的空间轨道，然后缓慢接近目标航天器。
在测距传感器、视觉传感器和数据运算处理器等控制系统的相互作用下，卫星可以缓慢靠近目标飞行器，并与目标星实现刚性锁紧连接，从而与目标飞行器完全整合为一体，最终使两航天器的相对速度为零。
以上信息仅供参考，如有需要，建议您查阅相关网站。
全球导航卫星系统中的信号捕获与跟踪技术研究
全球导航卫星系统中的信号捕获与跟踪技术研究全球导航卫星系统（GNSS）是一种基于卫星的定位和导航系统，可以提供全球性的定位、导航和时间同步服务。
全球最主要的GNSS系统包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、欧洲的伽利略系统（Galileo）以及中国的北斗导航系统（BeiDou）。
这些系统的核心技术是信号捕获与跟踪技术，它们确保接收设备能够有效捕获和跟踪卫星发射的信号，从而实现定位和导航功能。
信号捕获是指在卫星信号到达接收设备之前，通过接收天线将信号采集到接收机中。
GNSS卫星发射的信号是微弱的，同时还存在多路传播等环境干扰因素，因此信号捕获技术需要具备高灵敏度和抗干扰的能力。
常用的信号捕获技术有频率捕获和码捕获。
频率捕获通过多个频率，找到卫星信号的频率，并将接收设备的本地振荡器频率锁定到卫星信号的频率上。
这种方法在频率稳定性要求高的情况下非常有效，但需要较长时间来完整的频率范围。
码捕获是通过卫星信号的码片序列，找到与之匹配的码片序列，并确定在码片序列中的位置。
这种方法速度相对较快，但对接收设备的频率稳定性和初值的要求相对较高。
信号捕获之后，接收设备需要进行信号跟踪，以保持对卫星信号的稳定跟踪，实现定位和导航功能。
信号跟踪的关键是解调卫星信号，并提取出导航信息，如伪距和航空数据。
信号跟踪技术中常用的方法是延迟锁定环（DLL）和相位跟踪环（PLL）。
DLL用于解调伪距信息，它通过比较接收到的卫星信号与自身产生的码片序列的差异，并不断调整对码片序列的延迟，从而实现伪距测量。
PLL用于解调航空数据信息，它通过比较接收到的卫星信号与自身产生的航空数据序列的相位差异，并不断调整对相位的锁定，从而实现航空数据解调。
除了常规的信号捕获与跟踪技术，还有一些改进和创新的研究方向。
例如，自适应波束形成技术可以通过调整接收天线的辐射模式来提高信号捕获和跟踪的性能；盲解调技术可以在没有先验信息的情况下对卫星信号进行解调，从而简化信号捕获和跟踪过程；多普勒补偿技术可以有效抑制多普勒频移带来的性能降低；最优滤波技术可以通过优化滤波器参数来提高信号跟踪的性能。
北斗B3I信号捕获方法的研究与实现
第３８卷第６期 计算机应用与软件Ｖｏｌ ３８Ｎｏ．６２０２１年６月 ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅＪｕｎ．２０２１北斗Ｂ３Ｉ信号捕获方法的研究与实现沈周锋（漳州职业技术学院电子工程学院 福建漳州３６３０００）收稿日期：２０１９－１０－１６。
福建省中青年教师教育科研项目（ＪＡＴ１９１４０１）。
沈周锋，讲师，主研领域：电子测量技术，通信技术。
摘 要 针对北斗导航系统Ｂ３Ｉ频段信号捕获计算量大、速度慢的难题，提出具有码相位检测和频偏估计的自适应捕获方法。
利用本地伪码检测接收序列码相位，采用扫频方法进行频偏估计。
扫频过程中自适应改变本地伪码编号，累加时长和扫频步长，从而帮助终端优先捕获信噪比高的卫星信号。
理论分析和仿真表明，该方法在信噪比大于－２５ｄＢ时只需７次扫频即可达到１００％的捕获概率。
信噪比在－４０ｄＢ至－２５ｄＢ之间时，累加时长自适应增大，捕获概率仍然维持在１００％。
总之，该算法总是以最小计算量尝试捕获质量最优信号，恶劣环境下仍能可靠捕获，符合导航终端信号搜索要求。
关键词 信号捕获 同步 北斗导航系统 Ｂ３Ｉ信号中图分类号 ＴＰ３９３ ＴＮ９６７．１ 文献标志码 Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００ ３８６ｘ．２０２１．０６．０１８ＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＩＭＰＬＥＭＥＮＴＡＴＩＯＮＯＦＢＤＳＢ３ＩＳＩＧＮＡＬＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮＭＥＴＨＯＤＳｈｅｎＺｈｏｕｆｅｎｇ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＺｈａｎｇｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ３６３０００，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ＦｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌｏｗｓｐｅｅｄｏｆｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎＢ３ＩｂａｎｄｏｆＢＤＳ，ａｎａｄａｐｔｉｖｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｃｏｄｅｐｈａｓｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｌｏｃａｌｐｓｅｕｄｏ ｃｏｄｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｐｈａｓｅｏｆｒｅｃｅｉｖｅｄｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｄｅ，ａｎｄｔｈｅｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｗａｓｅｓｔｉｍａｔｅｄｂｙｓｃａｎｎｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｌｏｃａｌｐｓｅｕｄｏ ｃｏｄｅ，ｔｈｅｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｓｔｅｐｌｅｎｇｔｈｗｅｒｅａｄａｐｔｉｖｅｌｙｃｈａｎｇｅｄｔｏｈｅｌｐｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌｔｏｃａｐｔｕｒｅｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｓｉｇｎａｌｗｉｔｈｈｉｇｈｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｆｉｒｓｔ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｔｈａｔａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｒｅａｃｈ１００％ｗｉｔｈｏｎｌｙ７ｓｗｅｅｐｓｗｈｅｎｔｈｅｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ－２５ｄＢ．ＷｈｅｎｔｈｅＳＮＲｉｓｂｅｔｗｅｅｎ－４０ｄＢａｎｄ－２５ｄＢ，ｔｈｅｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｔｉｍｅｉｎｃｒｅａｓｅｓａｄａｐｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｒｅｍａｉｎｓａｔ１００％．Ｉｎａｗｏｒｄ，ｔｈｉｓａｌｇｏｒｉｔｈｍａｌｗａｙｓｔｒｉｅｓｔｏｃａｐｔｕｒｅｔｈｅｂｅｓｔｑｕａｌｉｔｙｓｉｇｎａｌｗｉｔｈｔｈｅｌｅａｓｔａｍｏｕｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｔｃａｎｓｔｉｌｌｂｅｒｅｌｉａｂｌｙｃａｐｔｕｒｅｄｉｎｈａｒｓｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｒｍｉｎａｌｓｉｇｎａｌｓｅａｒｃｈ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ＢＤＳ Ｂ３Ｉｓｉｇｎａｌ０ 引 言北斗导航系统（ＢｅｉＤｏｕＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓ ｔｅｍ，ＢＤＳ）是我国着眼于国家安全和经济发展需要，自主建设、独立研发的导航系统。
卫星信号捕获原理
卫星信号捕获原理
嘿，朋友们！今天咱就来唠唠卫星信号捕获原理。
你想啊，那卫星在遥远的太空里转啊转，就像一个孤独的守护者，而我们在地球上要和它取得联系，这当中的门道可深着呢！
比如说，咱们就像是在茫茫大海里寻找宝藏的探险家，卫星信号就是那
珍贵的宝藏。
你看啊，卫星会不断发出信号，就像一个不停呼喊的小伙伴，“我在这儿呢！我在这儿呢！”而我们的接收设备呢，就得努力去捕捉到这个呼喊声。
想象一下，卫星信号就像一只只小小的飞鸟，在天空中自由自在地飞翔。
我们的接收天线呢，就是那等待飞鸟降落的枝头，得时刻准备好，稍有疏忽，那些“小鸟”就飞走啦！这可不简单啊，得非常精准才行，不然怎么能抓住那些快速飞过的“小鸟”呢。
就拿手机导航来说吧，它能准确地给我们指路，靠的就是成功捕获了卫
星信号呀！你说神奇不神奇？咱平时刷个视频不卡顿，也有卫星信号捕获的功劳呢！要是没有这项技术，那我们的生活得变成啥样啊？简直不敢想！
在这个过程中，有好多科学家和技术人员在背后默默努力呢，他们就像是一群神奇的魔法师，不断地钻研、尝试，让我们能更好地和卫星“交流”。
所以说啊，卫星信号捕获原理真的超级重要！它让我们能和遥远的太空
建立联系，让科技的力量在我们生活中发挥巨大的作用。
我们得感谢那些为之付出努力的人们，是他们让这一切成为可能！。
北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告(附MATLAB程序)
北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告一、原理卫星导航信号的串行捕获算法如图1所示。
图1 卫星导航信号的串行捕获算法接收机始终在本地不停地产生对应某特定卫星的本地伪码，并且接收机知道产生的伪码的相位，这个伪码按一定速率抽样后与接收的GPS中频信号相乘，然后再与同样知晓频率的本地产生的载波相乘。
GPS中频信号由接收机的射频前端将接收到的高频信号下边频得到。
实际产生对应相位相互正交的两个本地载波，分别称为同相载波和正交载波，信号与本地载波相乘后的信号分别成为，产生同相I支路信号和正交的Q 支路信号。
两支路信号分别经过一个码周期时间的积分后，平方相加。
分成两路是因为C/A码调制和P码支路正交的支路上，假设是I支路。
当然由于信号传输过程中引入了相位差，解调时的I支路不一定是调制时的I支路，Q支路也一样，二者不一定一一对应，因此为了确定是否检测到接收信号，需要同时对两支路信号进行研究。
相关后的积分是为了获取所有相关数据长度的值的相加结果，平方则是为了获得信号的功率。
最后将两个支路的功率相加，只有当本地伪码和本地载波的频率相位都与中频信号相同时，最后得到的功率才很大，否则结果近似为零。
根据这个结论考虑到噪声的干扰，在实际设计时应该设定一个判定门限，当两路信号功率和大于设定的门限时则判定为捕获成功，转入跟踪过程，否则继续扫描其它的频率或相位。
二、MATLAB仿真过程及结果仿真条件设置：抽样频率16MHz，中频5MHz，采样时间1ms，频率搜索步进1khz，相位搜索步进1chip，信号功率-200dBW，载噪比55dB（1）中频信号产生卫星导航信号采用数字nco的方式产生，如图2所示。
载波nco控制字为：carrier_nco_word=round(f_carrier*2^N/fs); 伪码nco控制字为：code_nco_word=round(f_code*2^N/fs);图 2其中载波rom存储的是正弦信号的2^12个采样点，伪码rom存储长度为2046的卫星伪码。
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信号捕获中需要解决的问题
1.搜索范围估计 2.门限值确定
搜索范围估计
门限值确定
信号搜索和捕获的算法
接收历但却掌握着误差 小于5分钟的当前时间，误差小于100km的当前位置 以及有效历书的情况下的启动。他可以大致确定三 维搜索范围。时间大概在45S左右。 热启动：如果接收机不但具备暖启动的条件，而且 还保存着有效星历，那么接收机可以进行热启动。 热启动的接收机可以准确计算出各颗卫星的可见性 及其相当小的搜索范围。时间大概为12s。
信号捕获的目的就是获取所有可见卫星的的载波频率 码相位的粗略估计值。
捕获和追踪的关系和转换
笼统的讲，当接收机搜索到某个卫星信号后，相应的 接收通道就从捕获阶段进入跟踪阶段。 下图描述了一种接收通道在捕获与跟踪阶段之间的状 态转换情况:
信号捕获原理的概况
为了估算某个卫星信号载波频率和码相位这两个参 数值,接收机的信号捕获过程一般是通过对该卫星信号 的载波频率和码相位这二维进行扫描式搜索来完成的, 一旦信号被搜索到并得到确认,捕获过成也就结束了。 可是在对一个卫星的载波频率和码相位二维搜索前, 接收机首先需要确定这个卫星有可能可见而且值得对其 信号进行搜索,而确定依据的信息大多是来自卫星星历 和历书,当然还有其他的一些信息。根据这些信息,接收 机会对32颗卫星进行优先次序排序,这样,卫星信号的捕 获实际上是关于伪码,频率和码相位的三维扫描。
信号捕获原理的概况
接收机启动方式
接收机在定位时，用户最为关心的一个接收机性能是 首次定位所需的时间，即接收机启动后直到给出第一个 GPS定位结果所需的时间。而这个性能和接收机的启动方 式有直接关系。 接收机启动方式通常有三种：冷启动，暖启动，热启 动。 冷启动：在冷启动时，接收机不知道当前的时间和所 处的位置，并且它的存储器上也没有保存任何有效的卫星 星历与历书。因此，接收机只能在整个GPS星座中逐个依 次搜索所有卫星，并对每个卫星进行最大范围的二维搜索。 在获得至少4颗卫星的信息和星历之后，才能完成定位。 冷启动的时间大概在60S。
卫星信号的捕获
捕获和追踪的关系和转换 信号捕获原理的概况 接收机的启动方式 信号捕获中需要解决的问题 信号搜索和捕获的算法
捕获和追踪的关系和转换
为了让接收机跟踪环路成功地跟踪GPS卫星信号，接收 机内部所初始复制的载波和C/A码信号必须与接收机信号吻 合到一定程度。否则,若复制信号与接收信号之间的差异超 过跟踪环路的牵引范围，则环路会对信号失锁。因此,我们 先要估计出接收信号的载波多普勒频移和码相位这两个参 数,然后根据这些信号参数估计值初始化跟踪环路,来帮助 接收通道展开对信号的追踪。