第五版卫星导航与定位卫星导航信号捕获
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。
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随着整个社会的不断发展，人们对于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）的依赖度也越来越高，从而导致这一领域的技术不断地改进与优化，其中信号捕获与跟踪技术是GNSS领域中至关重要的一个方面。
一、GNSS系统简介GNSS系统由多颗卫星及地面控制站、用户设备等组成，常见的系统包括GPS系统（全球定位系统）、GLONASS系统（全球卫星导航系统）、BDS系统（北斗导航卫星系统）以及GALILEO系统（欧洲卫星导航系统）等。
GNSS系统提供的服务包括位置、速度、时间等，广泛应用于交通、航空、农业、地震监测等领域，同时还为国防、公安等领域提供了重要的技术支持。
二、信号捕获与跟踪技术概述信号捕获与跟踪在GNSS系统运行中的作用可以简单地理解为卫星信号的捕获与对其进行解析的过程，而卫星信号的弱化则会严重影响该技术的效果。
通常GNSS系统中的信号捕获与跟踪技术包括前端噪声、门限控制、卷积码检测、循环码匹配等步骤，而具体的技术实现则与各系统的实际情况有关。
三、信号捕获与跟踪技术的研究进展目前针对信号捕获与跟踪技术的研究主要集中在以下几个方面：1. 技术改进技术改进可以分为硬件和软件两个方面。
在硬件方面，新型的卫星接收机能够更好地处理弱信号，并提高对噪声的抵抗能力。
在软件方面，各系统的算法不断改进，能够更快地捕获卫星信号。
另外，GNSS系统还可以采用多跟踪技术，在复杂的多路径信号环境下更准确地检测信号，提高定位精度。
2. 精度提高随着技术的改进，GNSS系统的定位精度不断提高。
目前GPS系统的精度可以达到厘米级别，而GLONASS系统能够提供更高精度的信号。
另外，利用卫星系统的差分定位技术也可以进一步提高定位的精度。
该技术通过比较同一时间不同位置接收到的信号差异，从而消除掉噪声和其他误差。
3. 抗干扰能力增强GNSS系统经常会受到人为和其他自然因素的干扰，对此提高抗干扰能力是十分必要的。
本科毕业论文北斗卫星信号快速捕获方法研究汇总
太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）设计(论文)题目：北斗卫星信号快速捕获方法研究学生：专业：测控技术与仪器班级：10-1指导教师：设计日期：2014年6月16日北斗卫星信号快速捕获方法研究摘要卫星信号捕获与跟踪是北斗全球导航卫星定位系统的重要组成部分，而快速捕获性能是影响卫星导航定位速度的重要因素。
北斗卫星导航定位系统可以为中国以及周边地区提供卫星导航及定位服务，促进卫星导航产业发展，满足用户交换信息的需求。
在北斗卫星导航定位系统中，如何快速捕获卫星信号，跟踪卫星信号是一件非常有难度的事情。
本课题研究与实现的内容是卫星导航定位中最重要的技术之一：微弱卫星信号快速捕获技术。
本文首先阐述了卫星导航定位系统的信号编码模型，并对二次编码技术进行了分析，包括其分类、产生方式、相关性、作用、设计准则。
然后本文介绍了现有微弱信号快速捕获算法研究，主要是串行捕获算法。
本文介绍了串行捕获算法的原理，并给出了原理框图，并分析了其性能。
串行捕获易于实现，但捕获时间很长。
最后，本文介绍了基于FFT并行捕获算法，包括其算法原理、实现方法、使用环境以及优缺点。
并对FFT并行捕获算法进行了仿真，分析了算法的性能，提出了改进方向。
关键词：全球定位系统，快速捕获，二次编码，卫星信号THE RESEARCH OF BEIDOU SATELLITE SIGNAL FAST ACQUISITION AND TRACKING TECHNOLOGY BASED ON SECONDARY CODINGABSTRACTSatellite signal acquisition and tracking is an important part of the Beidou global navigation satellite system, and the performance of fast acquisition the important factors that affect satellite navigation and positioning speeds. Beidou satellite navigation and positioning system can provide satellite navigation and positioning services to China and the surrounding areas, promote the development of the satellite navigation industry, meet the needs of users to exchange information. The Beidou satellite navigation and positioning system, how to fast acquisition the satellite signal and tracking satellite signals is a very difficult thing. The research and implementation is one of the most important technologies of satellite navigation and positioning: Fast acquisition weak satellite signal tracking technology.First, describes the signal encoding model of satellite navigationand positioning system, and analysis of the Secondary Coding,including classification, generation method, correlation, function, design guidelines.This article describes the weak signal fast acquisition algorithm of existing, serial acquisition algorithm. Introduces the principle of serial acquisition algorithm, schematics, analysis of the performance. Serial capture easy to implement, but to capture a very long time.Finally, Introduction parallel FFT acquisition algorithm, including the algorithm principle, implementation methods, use of the environment and the advantages and disadvantages. Implemented Parallel FFT acquisition algorithm simulation, analysis of the performance of the algorithm, suggestions for improvement.KEY WORDS: The Global Positioning System, Fast Acquisition, Secondary Coding, Satellite Signals目录摘要 (II)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1 研究背景和意义 (1)第二章卫星导航系统的信号编码模型与二次编码分析 (4)2.1 卫星导航系统的信号编码模型 (4)2.1.1 卫星信号产生原理与特性 (4)2.1.2 卫星信号结构 (7)2.1.3 卫星信号的调制解调 (8)2.1.4 卫星信号导航电文 (9)2.2 二次编码分析 (10)2.2.1 二次编码概述 (10)2.2.2 二次编码的作用 (10)2.2.3 二次编码设计准则 (11)2.3 本章小结 (11)第三章基于FFT并行捕获算法研究 (13)3.1 捕获方法分析 (13)3.1.1 串行捕获算法 (14)3.1.2 并行捕获算法 (14)3.1.3 FFT捕获算法 (15)3.1.4 并行FFT快速捕获算法总结 (16)3.2 算法的选择 (16)3.2.1 滑动相关捕获方法 (16)3.2.2 基于FFT的并行捕获算法 (18)3.2.3 算法性能比较 (20)3.2.4 复杂性分析 (21)3.3 基于FFT快速捕获 (22)3.3.1 基于FFT快速捕获的多通道信号捕获流程 (23)3.4 本章小结 (25)第四章改进的捕获算法 (26)4.1 传统基于FFT的并行捕获算法 (26)4.2 改进的基于FFT的快速并行捕获算法 (28)4.2.1 捕获算法基本原理 (28)4.2.2 捕获算法的计算量分析 (30)4.2.3 基于内插的精细捕获算法 (30)4.3 本章小结 (31)第五章结论 (32)参考文献 (34)附录外文资料及译文 (38)致谢 (56)第一章绪论1.1 研究背景和意义全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)是为了打破美国的 GPS 在卫星定位、导航、授时方面的垄断，由欧盟提出的一种综合星座系统，是所有在轨工作的导航卫星系统的统称。
李玉柏卫星导航与定位007-卫星导航信号的捕获(第五版)
卫星导航与定位
1、GPS接收机基本框架
• GPS接收机包括天线、射频接收处理通道、自适 应量化的高速ADC、数字基带处理几个部分。其 中，GPS数字处理完成导航定位信号的基带处理 和定位应用处理。 • 导航信号的基带处理包括导航信号捕获、跟踪、 伪导航信号拾取和解码，以及伪距测量等。 • 定位基带处理包括定位解算、位置信息滤波、信 息格式处理，以及后端应用核解决方案的底层软 件开发等，通常由SOC处理器完成。
卫星导航信号的捕获原理
• 一旦捕获到GPS信号，立刻去测量两个重要参 数： C/A码的起始点和载波频率（因为多普勒频 移而变化）。捕获过程就是要找到C/A码的起始 点，并利用找到的起始点展开C/A码频谱，一旦 复现了C/A码的频谱， 输出信号将变成连续波 CW-Continuous Wave。
输入信号 导航数据
卫星导航与定位
4）载波同步与多普勒频率窗
• 移动通信存在多普勒频率，在接受需要进行载波 捕获与同步，GPS导航信号处理也不例外。 • 载波捕获的方法有两种： – 按一定步长Δf 搜索；或者FFT计算； • 按步长Δf 搜索捕获时，在频率fi 载有超过门限 的相关峰，即接收的导航信号载频为： f : f i f / 2 • 步长Δf 决定了搜索时间，它取决于相关器相关 积分的时间长度，是很重要的参数，称为多普勒 频率窗（大小）。
• GPS卫星绕地球旋转一周的时间是11h58min 2.05s， 从卫星轨道的近似半径可以求得卫星的 角速度dθ/dt和运动速度vs：
d 2 1.458 10 4 rad / s dt 11 3600 58 60 2.05
rs d vs 26560 km 1.458 10 4 3874 m / s dt
李玉柏卫星导航与定位006- GPS定位误差分析(第五版)
天顶方向
Z 中心电离层
– 广泛地用于GPS导航 定位中，GPS卫星的 导航电文中播发其模 型参数供用户使用。
约 350km
电离层穿刺点 IP
地球
卫星导航与定位
Klobuchar模型
• 具体模型表达式：
信号的电离层穿刺点处天顶方向的电离层时延
Tiono
TZ
[5 109
AMP cos
2
PER
(t
卫星导航与定位
消除或消弱各种误差影响的方法
• 回避法
– 原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的 环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设 备，消除或减弱误差的影响
– 适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解； 具有特殊的设备。
– 所针对的误差源 • 电磁波干扰 • 多路径效应
卫星导航与定位
即两者的频率差f
为
s
fs
fs
f
Vs 2 2c2
f
结论：在狭义相对论 效应作用下，卫星上 钟的频率将变慢！
考虑到GPS卫星的平均运动速度Vs 3874 m s和真空中的光速
c 299792458 m s，则fs 0.8351010 f
卫星导航与定位
相对论效应
• 广义相对论：将相对论与引力论进行了统一。 – 原理：钟的频率与其所处的重力位有关 – 对GPS卫星钟的影响：
卫星导航与定位
第六讲：GPS定位误差分析
——各种误差源及其修正方法
卫星导航与定位
第6章：GPS定位误差分析
§6.1 GPS定位中的误差源概述 §6.2 时钟误差 §6.3 相对论效应 §6.4 电离层延迟 §6.5 对流层延迟 §6.6 多路径误差 §6.7 其他误差改正
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。
李玉柏卫星导航与定位001-概述(第五版)
卫星导航与定位
课程说明
• 让我们开始吧。。。。
卫星导航与定位
第一讲：卫星导航与定位概述 —基本概念
卫星导航与定位
第一章：卫星导航技术概述
§1.1 定位与授时的基本概念 §1.2 GPS的诞生与发展 §1.3 GPS在各个领域中的应用 §1.4 美国政府的GPS政策
§1.5 其它卫星导航定位系统
卫星导航与定位
卫星导航原理与应用 H0104630
主讲人：李玉柏 ybli@
卫星导航与定位
课程说明
• 课程名称：卫星导航原理与应用 • 课程编号：3
• 课程性质：专业选修课 • 课程主要参考书（教材） – 《GPS软件接收机基础 (第2版) 》(美)IAMES BAO-YEN TSUI著，陈军等译，电子工业出版 社，2008年7月
卫星导航与定位
GPS的发展—方案论证阶段
• 1973年12月，美国国防部批准研制GPS。 • 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 • 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制 了地面接收机及建立地面跟踪网。
卫星导航与定位
GPS的发展—全面研制和试验阶段
• 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星， 研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精 度远远超过设计标准。
卫星导航与定位
课程说明
• 课程主要参考资料：
1）《GPS原理与应用（第2版）》， (美) Elliott D. Kaplan著，译者寇艳红， 电子工业出版社，2007年 07月； 2）《全球定位系统--信号、测量与性能(第2版)》， (美) Pratap Misra，Per Enge著，电子工业出版社， 2008 年4月； 3）《GPS基本原理及其MATLAB仿真》，杨俊等著， 西安电子科技大学出版社，2006年8月。 4）《卫星导航原理与应用》，袁建平等编著，中国宇 航出版社出版，2004年9月；
李玉柏卫星导航与定位003卫星运动第五版PPT课件
卫星导航与定位
真近点角 fs的计算
• 平近点角Ms 是一个假设量，在轨道力学中是轨 道上的物体在辅助圆上相对于中心点的运行角度， 在测量上不同于其他的近点角，平近点角与时间 的关系是线性的。
• 当卫星运动的平均角速度为n有平近点角计算： Ms = n ( t - t0 ) … t 为观测卫星时刻
其中t0为卫星过近地点的时刻。 • 偏近点角 Es 是在轨道上的位置投影在垂直于半
– Sspz : Ssmz = b : a
-
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卫星导航与定位
真近点角 fs的计算
• 平近点角M s 与偏近点 角 E s 的关系：
Scmz = Scms+Ssmz = Scms+Scyz
=>
Es = Ms + esinEs
课堂练习 — 证明上式
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卫星导航与定位
第一：平近点角与偏近点角间关系
➢ 轨道倾角i ；
➢ 长半径a ；
➢ 偏心率e ；
➢ 近地点角距ω ；
➢ 卫星过近地点的时刻t0 。
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卫星导航与定位
2）卫星轨道重要的点与面
• 赤道面 • 卫星轨道面
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卫星导航与定位
卫星轨道重要的点与面
• 近地点与远地点 • 升交点与降交点
卫星轨道与赤道平
面有2个交点。当卫 星从赤道平面以下
长轴的外接园上，并从椭圆的中心量度和近地点 方向之间的角度。
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卫星导航与定位
真近点角 fs的计算
• 点y 被定义是：在圆上 的扇形区域z-c-y的面积 与椭圆上的扇形区域z-sp面积比，等同椭圆半长 轴与半短轴的比。
李玉柏卫星导航与定位008-卫星导航信号的跟踪(第五版)
( s) H e ( s) s 2 s 2 2n s n 2
lim (t ) lim s ( s)
t
lim s s 2n s n
2 s 0
s 0
2
0
与一阶锁相环相比，二阶锁相环频率调制信号 的稳态误差为零，即二阶环路能够用频率调制 信号，并能使相位比较器最终回到零点； GPS接收机中的传统锁相环一般都是二阶的。
卫星导航与定位
概述
• 跟踪GPS信号需要两个环路： – 用来跟踪载波频率，叫做载波环路； – 用来跟踪C/A码，称为码元环路。 • 如果GPS接收机是静态固定的，卫星运动产生 的频率变化是非常缓慢的。这种情况下，本地 信号的频率变化也是非常缓慢的，因此，跟踪 环的更新率就非常低。
卫星导航与定位
2、锁相环的基本理论
1 C R1 , 2 C R2
2 2 Ts C1 , 其中： 2 1 C2
1
Ts
卫星导航与定位
连续系统到离散系统的转换
• 这个滤波器如下图所示：
课堂练习： 请推导离散z 域一阶滤波器的表达式。
卫星导航与定位
连续系统到离散系统的转换
• 数字鉴相器一般直接使用乘法器：
卫星导航与定位
码环跟踪原理
• 本地码的发生与相关器输出：
卫星导航与定位
载波和码元跟踪
• 本地码的发生与相关器输出：
卫星导航与定位
DLL码环跟踪原理
• DLL跟踪环利用E码和L码的差值进行本地CA时钟 控制，确保CA的跟踪，典型电路为:
卫星导航与定位
DLL码环跟踪原理
• 考虑载波影响，工程上采用改进的DLL码跟踪环。 GPS中频导航信号首先与本地载波的同相及正交 信号相乘，如果载波跟踪环完成载波跟踪，本地 载波就与接收的中频信号的频率同步，那么相乘 后的信号将剥离载波成分。 – 将本地产生的超前码E、即时码P和滞后码L分 别与接收信号相关累加，分别得到I路和Q路相 关结果。 – 利用6个相关结果进行码跟踪环的鉴相，鉴相输 出进行控制本地码发生时钟和相位控制，实现 码跟踪环工作。
李玉柏卫星导航与定位004-卫星导航信号和电文(第五版)
卫星导航与定位
GPS卫星信号结构
• 载波频率选择的因素 – 所选择的频率有利于测定多普勒频移； – 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折 射影响； – 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折 射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）。
卫星导航与定位
现代化后的载波信号频谱
卫星导航与定位
3）卫星信号的调制
947 948 950
1134 1456 1713
卫星导航与定位
4、GPS卫星的导航电文D(t)（数据码）
1）导航电文及其格式
– 导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状 态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改 正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信 息的数据码（或D(t)）。 – 50bps的导航数据D(t) 先模2和到P(Y)和C/A码 上，生成的比特序列，再调制L1和L2载波。 • 对一个给定的卫星，P(Y)和C/A码在L1及L2 上所用的都是同一个导航数据序列D(t)。
Receiver PRN
卫星导航与定位
2）P码的产生
• P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生 电路采用的是两组各由24级反馈移位寄存器产 生的截短码。 – 码长： NP 2.31014 比特； – 码元宽：TP 1/10.23M 0.0977752us ， 相应的距离为29.3m。 – 周期为： ， T NP TP 267天（38周） – 数码率为：10.23Mbit/s。
卫星导航与定位
P码的产生
• P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码 的周期被分成38部分，每一部分为7天，其中1部 分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给 不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具 有相同的码长和周期，但结构不同。 • P码的捕获一般先捕获C/A码，再根据导航电文信 息，捕获P码。 • P码的码元宽度为C/A码的1/10，码元对齐精度约 为码元宽度的1/10，则相应的距离误差为2.9m， 故P码称为精码。
李玉柏卫星导航与定位005- GPS定位算法(第五版)
– 相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面 某一参考点之间的相对位置。
卫星导航与定位
GPS卫星导航定位方法
相对定位的类型
• 静态定位 – 普通静态定位 – 快速静态定位：Go and Stop；快速确定整周未 知数
卫星导航与定位
确定用户位置的基本方程
• 假设用户位置在协议地球坐标系中的坐标（x, y, z），三颗卫星的位置为 (xi , yi , zi ), i 1, 2,3。
1 (x1 xu )2 ( y1 yu )2 (z1 zu )2 2 (x2 xu )2 ( y2 yu )2 (z2 zu )2 3 (x3 xu )2 ( y3 yu )2 (z3 zu )2
➢上述两类观测对GPS设备要求较高。
卫星导航与定位
2.2 GPS基本观测量的观测精度
1）测距码伪距精度： – 测距码伪距测量原理：接收机在接收卫星传 送来的测距码时，本地产生完全相同的PRN 码，通过延时器使码对齐并确定测距码在空 间传播的时间，进而可确定伪距。 – C/A码、P码的码元宽分别为：0.98μs和 0.098μs ，等效距离分别为293m和29.3m， 现代技术进行码对齐的误差为码元宽度的 1/10，因而两种测距码伪距的观测误差最大 分别为29m和2.9m。
• 达到时间差是传感 器与目标之间的实 际距离差，决定了 目标在以两个传感 器为焦点，且距离 差恒为Δd的双曲 线上。
卫星导航与定位
双曲线定位基本原理
• 多个传感器的TDOA可以计算目标位置：
(x x2 )2 ( y y2 )2 (z z2 )2 (x x1)2 ( y y1)2 (z z1)2 r2 r1 Ct21
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卫星定位信号 基带处理core
……
位同步和BCH译码、加解密处理、数据预处理 解算预航迹处理 操作系统 ARM处理器
基于ASIC实现的基带处理S第OC五系版统卫星芯导片号航捕与获定位卫星导航信
通道16： 捕获 跟踪 伪距测量 基带信息 信噪比
卫星导航与定位
GPS接收机基本原理
• 软件接收机
天线
RF链
卫星导航与定位
第七讲：卫星导航信号的捕获
——各种捕获算法
卫星导航与定位
第七章：卫星导航信号的捕获
§7.1 导航接收机框架 §7.2 导航信号捕获原理 §7.3 导航信号捕获的基础理论 §7.4 导航信号的多普勒效应 §7.5 导航信号捕获的考虑 §7.6 导航信号的捕获方法 §7.7 导航信号频率的精确估计
输入信号
导航数据
x(t) A CA (t)D(t)
sin(2 f1t )
C A (t)D (t) sin ( )
y(t) D(t) sin()
本地载
本地 C/ A
第五版卫星波导复航与现定位卫星导航信 码复现
号捕获
卫星导航与定位
卫星导航信号的捕获原理
• 卫星导航接收机对导航空间信号的捕获过程要 完成两个参量的捕获：码相位、载波频率。
• 定位基带处理包括定位解算、位置信息滤波、信 息格式处理，以及后端应用核解决方案的底层软 件开发等，通常由SOC处理器完成。
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
卫星导航与定位
GPS接收机基本原理
LNA
射频 处理
中频 处理
AGC
ADC
通道1： 捕获 跟踪 伪距测量 基带信息 信噪比
通道2： 捕获 跟踪 伪距测量 基带信息 信噪比
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
卫星导航与定位
卫星导航信号的捕获原理
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
卫星导航与定位
3、GPS卫星信号捕获的相关理论 1）扩频通信
• 扩展频谱通信Spread Spectrum Communication 简称扩频通信，其特点是传输信息所用的带宽远 大于信息本身带宽。
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
卫星导航与定位
卫星导航信号的捕获原理
• 捕获与跟踪过程所用到的数据都是从原始的卫星 信号经过下变频器（即与中频混频）之后收集到 的，其中频（IF）频率为 fIF , 采样频率 fs（比如 为5 MHz）的数字信号。
载波波形
×
+1
-1
数据
+ MOD 2
+1
扩频码
-1
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
DSSS 调制后波形
卫星导航与定位
卫星导航信号的捕获原理
• 一旦捕获到GPS信号，立刻去测量两个重要参数：
C/A码的起始点和载波频率（因为多普勒频移而
变化）。捕获过程就是要找到C/A码的起始点， 并利用找到的起始点展开C/A码频谱，一旦复现 了C/A码的频谱， 输出信号将变成连续波CWContinuous Wave。
第一：码相位搜索，当C/A码相位对齐时， 码相关器有一个大的自相关值。
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
卫星导航与定位
卫星导航信号的捕获原理
第二：载波频率搜索，所以搜索过程是一个 二维搜索。当CA相位对准时，剥离CA码后在 一个数据内是CW信号（20ms），因此在频域 上有一个大的分量；
• 所以搜索过程是一个二维搜索。
/
NO
DSSS 扩频
RCHIP
SI / N
RDATA
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
卫星导航与定位
扩频增益
• 对于GPS系统，数据流50bit/s，扩频后CHIP速率 为1.023Mbit/s，理论上扩频的处理增益为： G 1023000 / 50 20460倍 46dB – 实际接收机能达到40dB左右！
第五版卫星导航与定位卫星导航信 号捕获
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3）扩频码
• 什么样的码序列作为扩频码? —伪随机码！ • 伪随机码最重要的特性是具有近似于随机信号的
性能。因为噪声具有完全的随机性，也可以说具 有近似于噪声的性能。 – 实际产生一种周期性的脉冲信号来近似随机
噪声的性能，故称为伪随机码或PN码； – 常用M序列或GOLD码。
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扩频码
• 白噪声的相关性：
r( )
w(t
)w(t)dt
0
( ) 0
模/数转换 器（ADC)
基带信号处理
捕获
跟踪
子帧识别 导航解算
硬件（RF前端 ）
软件（基带信号处理 、导航解算 ）
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卫星导航与定位
2、卫星导航信号的捕获原理
• 为了解码GPS信号, 首先要捕获到GPS信号。将捕 获到的GPS信号的参数立刻传递给跟踪过程，再 通过跟踪过程便可得到卫星的导航电文。
• 扩频通信技术的基本特性： – 抗干扰性能好； – 单位带宽上的功率小，隐蔽性强、干扰小； – 易于实现码分多址。
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扩频通信 — 扩展频谱与解扩过程
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扩频通信-直接序列扩频
• 扩频通信可以获得较高的抗干扰和抗阻塞特性， 即对于窄带干扰有抑制作用。
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1、GPS接收机基本框架
• GPS接收机包括天线、射频接收处理通道、自适 应量化的高速ADC、数字基带处理几个部分。其 中，GPS数字处理完成导航定位信号的基带处理 和定位应用处理。
• 导航信号的基带处理包括导航信号捕获、跟踪、 伪导航信号拾取和解码，以及伪距测量等。
• GPS卫星处于高速运动中，因此，其导航信号会 产生多普勒频移。为覆盖高速卫星预期中的所有 多普勒频率范围，捕获方法覆盖的频率范围必须 在±10 kHz之内。
• GPS导航信号到达用户位置较微弱，因此通过扩 频处理，接收信号时需要进行相关获得扩频增益， 因此需要搜索卫星的扩频码，即测距码CA码的 起始位置（又称为CA码相位）。
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2）扩频增益
• 扩频通信可以获得较高的抗干扰和抗阻塞特性， 即对于窄带干扰有抑制作用。
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扩频增益
• 扩频增益：又称为处理增益，定义为接收机相关
器输出信噪比和接收机相关器的输入信噪比之比，
即：
G
SO