GPS软件接收机跟踪模块的实现

２．３．２ 载波跟踪环路
１８０°相移，因此选用的是对 １８０ｏ 相移不敏感 的 Ｃｏｓｔａｓ 环。通过载波环鉴相器得出频率变 化误差，经滤波后反馈到 ＮＣＯ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）以调整本地生成载波频 率，使之与输入信号载波频率相同，这样一来， 将已经去掉 Ｃ／Ａ 码的输入信号再与本地精确 匹配载波相乘，就可以去除掉输入信号中的载 波， 从而剩下的就是导航数据。
关键词： Ｇ Ｐ Ｓ 接受机 信号跟踪 解码
中图分类号： Ｔ Ｐ ３ １ １ ． ５ ６
文献标识码： Ａ
文章编号：１６７３－０５３４（２００７）０９（ａ）－００２８－０２
１ 引言
对于用户端来说，ＧＰＳ 系统最为核心的部 分就是 ＧＰＳ 接收机 ，以往的 ＧＰＳ 接收机都是 基于硬件实现的，但是随着数字信号处理技术 的发展，ＧＰＳ 信号接收越来越趋向采用软件无 线电的方法来实现，而其重要的实际价值便体 现在低价格、小型化、方便灵活、便于扩展等 方面。
可以根据学号查询每个学生的综合测评 成绩， 如图所示， 该模块是利用前面所有数据 库创建视图而成，具有很强的动态性， 并可以 以 Ｅｘｃｅｌ 的格式导出。“详情”：点击可以查看 指定学生的各项详细信息。“更新数据库”：可 以自动更新各科测评成绩、自动计算综合测 评成绩以及自动排名，见图 ３。
４ 结语
２ 基本原理
２．１ 基本参数 在成功的捕获了 ＧＰＳ 信号之后，可以获得
两个非常重要的参数， 一个是 Ｃ ／ Ａ 码的起始 码位置， 另一个是载波频率的初始值， 这两个 参数作为跟踪模块的已知条件将转入伪码环 和载波环的跟踪。
对于伪码和载波的跟踪都是基于锁相环 （ Ｐ Ｌ Ｌ ） 的同步跟踪技术实现的。 ２．２ 数学原理
２．３．３ 鉴相器的选择 伪码跟踪的目的比较简单，所以计算尽量 简单以减少整个跟踪过程的耗时，采用的鉴相 器为： Ｄ ＝ Ｅ ／ Ｌ ， 并且当Ｄ超过一定的阈值时， 才移动本地生成的 Ｐ Ｒ Ｎ 码， 而阈值的设置与 输入信号的性质有关。 对于载波环路的跟踪，因为多普勒效应引 起的频移范围很小，所以尽量要求频率的调整 精确化， 因此采用的鉴相器为： Ｄ＝ｔａｎ－１（Ｑ／Ｉ） 这是最为精确的Ｃｏｓｔａｓ鉴相器，但是计算 量比较大，因此比较耗时。 这样选择鉴相器是考虑到不同环路对精 度的不同要求，做到在保证结果准确的基础上 尽量节省计算时间和计算量。
一般来说， Ｇ Ｐ Ｓ 接收机包括捕获、跟 踪、解码和定位四个模块，本文着重讨论的是 继成功捕获 ＧＰＳ 信号之后，如何基于软件的方 法实现信号的跟踪，并最终获得有效的导航电 文。跟踪的目的主要就是利用载波和伪码的 环路进行跟踪，实现本地参考信号对输入信号 的准确同步， 使相关输出始终处于最大状态。
４ 结语
本文最主要基于锁相环的同步跟踪技术 来实现 ＧＰＳ 信号的跟踪过程的。以软件的方 法，利用延时锁相（ＤＬＬ）与相位锁相（ＰＬＬ）同时 追踪 ＧＰＳ 信号的 Ｃ／Ａ 码和载波，最终滤除 Ｃ／ Ａ 码和载波之后初步解码，通过寻找子帧起始 位和奇偶校验得到了有效的导航数据，同时验 证了跟踪过程的正确性，为下一步伪距计算和 定位打下了良好的基础。
［２］ Ｐｅｔｅｒ Ｒｉｎｄｅｒ Ｎｉｃｏｌａｊ Ｂｅｒｔｅｌｓｅｎ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＧＰＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ［Ｍ］． Ａａｌｂｏｒｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２００４．
［３］ Ｓｏｐｈｉａ Ｙ．Ｚｈｅｎｇ． Ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒ［Ｍ］． Ｂｌａｃｋｓｂｕｒｇ Ｖｉｒｇｉｎｉａ． ２００５．
３ 算法实现以及分析
３．１ 初始条件 在算法实现部分将利用 Ｍａｔｌａｂ 将上述数
学原理以及跟踪流程用程序语言加以实现，并 对跟踪结果进行进一步解码以检验跟踪过程 的正确性。
已知实验过程中采用的 ＧＰＳ 数据信噪比 为 ４５ｄＢ，采样频率为 ４．７５ＭＨｚ，ＩＦ（中频）为 １ ５ ． ４ ２ Ｍ Ｈ ｚ 。通过前期捕获过程的搜索， 对 ３２ 颗卫星进行遍历搜索捕获之后，有 ３ 颗星成 功捕获， 得到的初始 Ｃ ／ Ａ 码起始位置和初始 载波频率依次为：
图 ３ 完整跟踪环路示意图
本地 Ｃ ／ Ａ 码更新方面， 同样也是每隔 １ ｍ ｓ 更新一次本地生成的 Ｃ ／ Ａ 码， 当本地生 成的 Ｃ ／ Ａ 码与输入信号中的 Ｃ ／ Ａ 码的偏差 达到 １／２ 个码片时，则需要调整本地码以适应 输入信号。算法的主要思想是： 通过鉴相器 的结果设置一定的门限值作为调整本地 Ｃ ／ Ａ 码的依据。在本次码环跟踪过程中，输入为经 过载波环后得出的信号，分别计算Ｉ通路和９０ｏ 相移后的 Ｑ 通路的 Ｌ 和 Ｅ 通道值，经过 １ｍｓ 即 ４７５０ 次运算之后分别，将 ＩＱ 两通路的值相加 分别得到 Ｌ 和Ｅ通道的总能量，计为“ｌｌ”和 “ｅｅ”。当鉴相器的结果大于最大门限值或小于 最小门限值时，则右移或左移本地码。 ３．３ 解码并验证跟踪过程
从一颗 ＧＰＳ 系统卫星发出的信号可以描 述为：
①
其中 ， 和 分别代表 Ｃ／Ａ 码和 Ｐ
码的功率，
代表 Ｃ／Ａ 码序列， 代表
Ｐ 码序列，
代表导航数据序列。通过滤
波和向下变频（ｄｏｗｎ－ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）之后，卫星
信号转换为中频信号（ Ｉ Ｆ ， ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｍ ｅ ｄ ｉ ａ ｔ ｅ
（上接 ２７ 页）
３．２ 德、智、能力、体育成绩管理 （１）德育素质管理模块：分为查询和编辑两
个功能，见图 ２； （ ２ ） 智育素质管理模块： 包括课程课时管
理，和考试成绩管理； （３）能力素质管理模块：功能同德育素质管
理模块； （４）体育成绩管理模块：可以根据学号查询
学生体育成绩， 管理员具有修改功能， 修改完 成后提交数据库， 并更新数据库。 ３．３ 综合测评管理系统
摘 要： Ｇ Ｐ Ｓ 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 Ｇ Ｐ Ｓ 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 ＧＰＳ 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。
３．３．１ 寻找子帧起始位置 导航数据中发送一个子帧需要６ｓ的时间， 每个子帧都是以８ｂｉｔ的导言开始的，其导言结 构为 １０００１０１１。因此将规整后的 Ｐ 通道值与 导言作相关运算，如果得到的结果出现最大值 ８，则表明该对应的点为子帧起始点。（注：将导 言的 ０ 转化为 －１ 之后，若完全匹配，则结果为 ４ ＊ １ ＊ １ ＋ ４ ＊ （ － １ ） ＊ （ － １ ） ＝ ８ 。） ３．３．２ 提取导航数据
为了能从跟踪结果中提取有用的导航数 据信息， 同时验证跟踪结果的有效性， 必须对
跟踪结果进行初步的解码。在跟踪过程中， 本地生成的 ＰＲＮ 序列和载波频率修正值都是 每个 １ｍｓ 更新一次的，并每 １ｍｓ 输出一个跟踪 结果值即 Ｐ 通道的输出值，但是 ＧＰＳ 导航数据 每 ２０ｍｓ 才更新一次，因此需将 Ｐ 通道的结果 规整到导航数据本身的频率上， 且用 １ 和 － １ 表示， 之后寻找子帧的起始位置。
用了近半个月的时间，综合测评自动运算 管理系统的全部设计过程终于完成了，并通过
调试测试使该系统达到可实际应用的阶段。 软件设计是一个精细漫长的过程。在整
个过程中， 都需要周密的计划和安排， 每一步 骤， 都需要按照软件工程标准来完成。在设 计中， 坚持理论指导实践， 并通过实践来加强 理论的学习，通过实习锻炼加强对实际问题的 处理能力。实践证明， 在高科技突飞猛进的 时代， 光靠书本的知识是远远不够的， 必须依 靠实践去不断的深化认识， 尤其是计算机科 学， 操作性和实践性很强， 只有加强实际的动 手能力， 才能更好的掌握这一现代化工具。
当然为了使整个跟踪过程的速度更快，结 果更加准确，整个算法过程还有亟待完善的空 间， 比如鉴相器的选择， 载波环路滤波器的选 择以及码环更新频率的选择，如何改进这些参 数的设置以更好的完成 ＧＰＳ 信号的跟踪过程 将是下一阶段研究的重点。
参考文献
［１］ Ｊａｍｅｓ Ｂａｏ－Ｙｅｎ Ｔｓｕｉ． Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ： Ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ［Ｍ］． Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， Ｉｎｃ． ２０００．
科技咨询导报 ２００７ ＮＯ．２５ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｈｅｒａｌｄ ＧＰＳ 软件接收机跟踪模块的实现
工 程 技 术
卢婧 金竞 （１．中国地质大学资源学院国土资源信息系统研究所 武汉 ４３００７４； ２．武汉市中光通信公司 武汉 ４３００７４）
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ），通过模数转换器（Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）
之后，Ｐ 码转换为噪音部分，剩下的信号为：
②
然后将 先后与本地生成的载波信号
复本与伪码信号复本相乘， 滤除掉上式中的
和
， 实现本地信号与输入信号
的精确同步， 从而最终得到有用的导航数据，
过程如③④：
③ ④
由此得到的
就是用于结算定位的导
航数据。
２．３ 跟踪环路框图
２．３．１ 伪码பைடு நூலகம்踪环路
图 １ 伪码跟踪环路
伪码跟踪的目的是使本地生成的 ＰＲＮ 码 相位与输入信号的 Ｃ ／ Ａ 码相位保持一致， 本 文中采用到的是ＤＬＬ（ｄｅｌａｙ ｌｏｃｋ ｌｏｏｐ）环路， 即生成本地 Ｐ Ｒ Ｎ 码的同时， 分别生成延迟或 者提前 １／２ 码片的另外两个复本，加上最早生 成的本地 Ｐ Ｒ Ｎ 码共三个不同版本的 Ｐ Ｒ Ｎ 码 复本， 其中提前码、实时码和延迟码在图中 分别用Ｅ、Ｐ、Ｌ来表示。 在跟踪过程中，经 过输入信号与本地三个不同 ＰＲＮ 码复本的相 关运算， 如果Ｐ通道的值始终保持最大， 则表 明码跟踪成功，如果最大值出现在Ｅ或者Ｌ通 道， 则表明本地生成的 Ｐ Ｒ Ｎ 码与输入信号的 Ｐ Ｒ Ｎ 码出现了± １ ／ ２ 个码的错位， 则相应地 将本地 ＰＲＮ 码的 Ｐ 通道的码复本右移或者左 移以使Ｐ通道的输出值继续保持最大，这样一 来将输入信号与 Ｐ 通道的 Ｐ Ｒ Ｎ 码复本相乘， 便可以去除掉输入信号中的 Ｃ ／ Ａ 码。