GPS信号的捕获与跟踪
信号调整、捕捉和跟踪
19
信号跟踪
延迟锁定鉴别器的输出为 式中
D ( ) R c [(
2
e ( t , ) y 2 ( t ) y1 ( t )
2
1 2
k A D ( )
2 2
1 2
) T c ] R c [(
1 2
)T c ]
在 0 附近，有 这里
R c ( )
2 c o s ( 2 ( f IF fˆD ) t ˆ ) 2 s in ( 2 ( f IF fˆD ) t ˆ )
它们分别称为同相和正交参考信号。
8
信号捕捉
s (t ) C D ( t ) x ( t ) co s( 2 ( f IF f D ) t )
D ( ) 2
Tc
是相对跟踪误差
是扩频码的自相关函数
20
信号跟踪
载波跟踪环的基本工作过程是：首先对剔除了 扩频码的输入信号进行正交混频，得到I 通道 和 Q 通道的信号，然后对它们分别进行通滤 波，输出结果送到载波跟踪环鉴别器确定输入 信号与参考信号的频率或相位误差，再利用频 率或相位误差控制载波数控振荡器（NCO） 对本地参考信号进行相位或频率的调整，以实 现参考信号与输入信号载波频率和相位的精确 同步，达到载波跟踪的目的。
2
式 中 ， A co s 表 示 接 受 到 的 信 号 ， B c o s 表 示 接 收 机 产 生 的 参 考 信 号 。 A co s B co s 2 c X ( t ) D ( t ) co s( 2 ( f L f D ) t ) 2 co s( 2 ( f L f IF ) t IF )
gps码跟踪原理(一)
GPS码跟踪原理- 什么是GPS码- GPS码如何实现跟踪- GPS码跟踪的原理- GPS码跟踪的应用领域- GPS码跟踪的未来发展什么是GPS码全球定位系统（GPS）是一种通过卫星来确定地球上任意点位置的系统。
GPS系统使用一种特殊的编码来传输信息，这种编码就是GPS码。
GPS码由一组信号组成，每个信号都由特定的频率和时间间隔组成，用来表示卫星的位置和时间信息。
GPS码如何实现跟踪GPS码实现跟踪主要依赖于GPS接收器。
GPS接收器接收来自卫星的GPS码，并通过计算卫星信号传播时间和接收时间的差值来确定自身位置。
GPS接收器通常至少接收来自四颗卫星的信号，通过比对这些信号的时间差来计算出自己的位置。
GPS码跟踪的原理GPS码跟踪的原理主要是基于三角定位和时间测量。
通过接收来自至少三颗卫星的GPS码，可以确定自己的位置，因为每颗卫星的位置都是已知的。
同时，通过测量信号传播的时间差，也可以确定自己与卫星的距离。
结合三角定位和时间测量，就可以实现高精度的定位跟踪。
GPS码跟踪的应用领域GPS码跟踪在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于航空航天、军事、交通运输、地理信息系统等。
在航空航天领域，GPS码可以用来确定飞行器的位置和轨迹，保证飞行器能够准确导航。
在军事领域，GPS码可以用来实现精确定位、导航和定时。
在交通运输领域，GPS码可以用来实现车辆跟踪、导航和路况监控。
在地理信息系统领域，GPS码可以用来实现地图绘制和空间分析。
GPS码跟踪的未来发展随着技术的不断发展，GPS码跟踪也在不断进步。
未来，我们可以期待更高精度、更强稳定性和更广应用的GPS码跟踪技术。
例如，通过引入新的卫星系统、改进信号处理算法、提高接收器灵敏度等手段，可以提高GPS码跟踪的定位精度和可靠性。
同时，随着5G、物联网等新兴技术的发展，GPS码跟踪也将在更多领域得到应用，为人类的生产生活带来更多便利和安全保障。
总结通过对GPS码跟踪原理的深入了解，我们可以看到这一技术在当今社会中的重要性和广泛应用。
基于GPS单频软件接收机的捕获与跟踪算法实现
踪 环 Ｉ 支路 的输 出 ， ７ ｂ 是跟 踪环 Ｑ 支 路 的输 图 （）
相 关 值 ×１ ０
二研 Ｆ ＿
毖
０ ０ ０
（） ６
ｃ ｚ去 一
航 接收 机融入 了软 件无线 电思 想 ， 突破 了 以往 接收 机 功能 单一 、 可扩展 性 差和 以硬件 为核 心 的设计 局 限 。软 件接 收机具 有前 端硬件 的可重用 性 、 件 的 软
可升级 性 、 能 的可配 置性 ， 功 以及 平 台的通用 性 、 灵 活性 、 开放性 ， 为导 航 接 收 机 的发 展 方 向 。本 成 ］
一 ａ ｃａ （ ） ｒｔ ｎ
』 ｐ
（） ４
３ １ 码 跟 踪 环 ．
在 高信 噪 比和低 信 噪 比情 况 下都 有 最优 的鉴 相特性 ， 相斜 率不 受信号 幅度 影 响Ｉ 。鉴相 器 的 鉴 ６ ］ 输 出用来 调 整本 地 ＮＣ 的频 率 ， Ｏ 以保 证 环路 可 以 连续地 对输 入 信 号进 行 解 调 。锁 相 环需 要 根 据 所 要 处 理 的信 号特 性来 选取 ， 锁相 环最佳 化 的理论 准
表示 为
Ｎ－ １ －
（） ２ ｘｍ） （ ＋ ｎ 一 （ ｙｎ ）
ｍ ０
（） １
对 （ 进行 离散 傅立 叶变 换 （ Ｔ） 结 果 为 ） ＤＦ ，
Ｎ一 １ Ｎ一 １
ｚ忌 ＝∑ ∑ｘｍｙｎ ） （ ＝ ）＝ （）（＋ ｅ
＝
０ ｍ ＝ Ｏ
图 ３ 码 跟 踪 环 和 载 波跟 踪 环
图 ２ 基 于 Ｆ Ｔ的 并 行 码 相 位 搜 索 捕 获 算 法 Ｆ
gps 追踪器原理
gps 追踪器原理
GPS追踪器是一种利用全球定位系统（GPS）技术进行定位和
追踪的装置。
它的原理主要包括接收和解码GPS卫星发出的
信号、计算位置坐标，并通过通信技术将相关信息传输给用户。
首先，GPS追踪器通过接收GPS卫星发出的信号来确定自身
的位置。
GPS系统由多颗绕地球轨道运行的卫星组成，这些
卫星通过无线电信号不断地发射定位信息。
接收器内置的天线会接收到这些信号，并将其传输到处理器中。
其次，GPS追踪器的处理器会对接收到的信号进行解码和计算，以确定自身的位置坐标。
接收器会同时接收多颗卫星的信号，通过测量信号的传播时间和距离，以及每颗卫星的位置和精确时间，计算出自身的位置。
通常需要接收到至少三颗卫星的信号才能准确计算位置。
最后，GPS追踪器通常会通过通信技术将位置信息传输给用户。
通信技术可以包括无线网络、蜂窝网络或卫星通信等。
追踪器会将定位信息转换成可识别的数据格式，并通过通信模块将数据传输给用户的手机或电脑等设备。
用户可以通过相应的软件或应用程序实时查看设备的位置、运动轨迹等信息。
总的来说，GPS追踪器的原理是利用GPS卫星发射的信号进
行定位、解码和计算，然后通过通信技术将位置信息传输给用户。
这种装置在许多应用领域中起着重要的作用，如车辆追踪、物品定位、个人安全等。
GPS卫星信号的捕获
则它们有部分相关性。随意选取两个信号允许的最大频率相离
是0.5个周期， 如果电文记录长度为1 ms，一个1 kHz的信号
将在1 ms内变换一个周期，为了保持1 ms内的最大频率相离在
0.5个周期，步进频率须为1 kHz。在这种情况下，在输入信号
与卷积信号之间最大限度的频率相离是500 Hz/s或0.5 Hz/ms，
讲解：XX
17
第5章 GPS卫星信号的捕获
5.4 GPS卫星信号的捕获方法
5.4.1 传统捕获方法
捕获的基本思想就是展开输入信号，找到载波频率。如果 相位正确的C/A码与输入信号相乘，输入信号将如图5-2中所示 变成一个连续信号。图5-2中最上端是输入信号，这个信号是 C/A码编码的射频信号相位，注意到射频信号与C/A码是任意选 择的，它们并不代表卫星传输过来的真正的信号。中间的图表 示C/A码，其值在±1之间。 最下端的图是连续信号，代表输 入信号与C/A码的乘积，其对应的频谱不再是扩频， 而是一个 连续信号，这个过程有时称做输入信号的C/A码剥离。
讲解：XX
12
第5章 GPS卫星信号的捕获
从以上讨论我们知道，输入信号的调整取决于采样频率。 采样频率高将缩短调整时间，因为采样时间变短，在半个周 期内匹配输入码与本地生成码的时间变短。如果输入信号的 强弱和跟踪灵敏度不成问题，则输入信号的调整时间可以拓 宽。然而，输入信号与本地生成信号相离必须在半个基波或 488.75 ns(977.5/2)之内，这个时间看做是输入信号与本地 生成信号相离允许的最大值。C/A码的多普勒频率是6.4 Hz， 调整时间可以拓宽到78.15 ms（1/2×6.4）。
fd rfrc vd m1 5 7 5 3 . 4 1 2 0 89 2 94 .9 kH z (5-4)
GPS信号捕获原理
二、GPS 信号的捕获2.1 GPS 信号模型GPS 的射频信号L1频段是1575.42MHz, 对其进行下变频到中频后，以s f 为采样率得到的采样信号可以表示如下：()()()()(){}()2,0,01,,,,cos 2sat N k sat sat k sat dsat sat k sat dsat nk sat IF dsat k sat k k sat r t A d t f C t f f f t t n t ττθθππα==+++++∑ 其粗略的中频信号模型可以如下表示：()()()[]t T t C T t D P S dopp IF d d r ϖϖ+--=cos 2 2.2 GPS 信号的捕获2.2.1信号捕获原理信号捕获的目的是使本地产生的复制C/A 码与接收到的调制在载波上的C/A 码同步，以实现相关解扩与码相位精确跟踪。
GPS 天线所接收到的 GPS 信号淹没在热噪声中，不易于捕获和跟踪。
GPS 信号的捕获利用 C/A 码的强自相关特性，在对应不同码相位偏移、不同多普勒偏移的相关值中找出相关峰值，从而确定卫星信号的存在及其码相位偏移和载波频率(包括载波多普勒频移)的信息。
当接收机产生的码相位和载波频率必须与接收到的码相位和载波频率相匹配，使得相关值高于信号检测阈值，完成伪码捕获和载波频率捕获，进而对信号进行跟踪。
根据导航卫星信号的特点，其信号的捕获常采用二维的搜索方式。
在二维搜索法中，信号的捕获基于时域(伪码相位)和频域(多普勒频移)的二维空间进行（见图1）。
图1 GPS信号捕获中的二维搜索2.2.2信号搜索方法2.2.2.1步进相关法本地码生成器以C/A码标称频率(6Hz)产生C/A码与接收1.02310到的采样信号相关累加，一个积分周期（通常1个码周期）后，相关峰与检测门限比较，如果相关峰大于门限，则认为捕获成功，得到对应的码相位估计；如果相关峰小于门限，码发生器自动将本地码码相位向前或向后跳动1/2或1/4个码片，然后继续相关累加检测，最多在2L或4L个伪码周期后找到与本地伪码同步的输入伪码的相位状态（L即为一个码周期内码片的数目），以实现伪码的捕获。
一种简单快速的GPS信号捕获方法
能 的主要 因素 。因此 ， 掌握 Ｇ Ｐ Ｓ信 号捕 获 的 核 心技 术， 研 发 高性能 Ｇ Ｐ Ｓ 信 号捕 获方 法 ， 进一 步提 高 Ｇ Ｐ Ｓ 接 收机 的快 捕特 性 ， 为我国“ 北斗 ” 二代 导 航 系统 等 接 收机核心 芯片 的研 发 奠定 基 础 ， 具有 十分 重 大 的
一
种简单快速的 Ｇ Ｐ Ｓ 信号捕获方法
陈 迅， 袁星星料
（ 江苏科技大学 电子信息学院 ， 江苏 镇江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ）
摘 要 ： 结合 一般 的 Ｇ Ｐ Ｓ信 号捕 获 算法 ， 提 出了一种更 为 简单 快速 的 Ｇ Ｐ Ｓ信号捕 获 方 法。此 方 法在
１ ０ ２ ３ 个码片时间约１ ｎ ｌ ￥ ， 可以完成一颗卫星在一个多普勒频移下的全码捕获检测。Ｆ Ｐ Ｇ Ａ仿真表明， 与传 统的捕 获方 法相 比 ， 所提 方法减 少了资源 消耗 与 时间 消耗 ， 同时保 证 了能在 一 个 Ｃ ／ Ａ码 周期 内 获取 一 个 多普勒 频移 下的 Ｃ ／ Ａ码相 位 ， 捕 获更 简单 快速 。 关键词 ： Ｇ Ｐ Ｓ 信 号捕 获 ； 全码捕 获 ； 串行搜 索捕 获 ； 并行 搜 索捕 获 中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ９ １ １ ； Ｔ Ｎ ９ ６ 文献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ １ —８ ９ ３ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ —０ １ ８ ２— ０ ６
Ａ Ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ Ｆａ ｓ ｔ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ ＧＰＳ Ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ Ａｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｃ ＨＥＮ Ｘｕ ｎ， ＹＵＡＮ Ｘｉ ｎ ｇ — ｘ ｉ ｎ ｇ
基于采样率变换和循环卷积的GPS信号快速捕获
比较长 ， 且传递给跟踪过程 的数据 就可能过时 了。
可 见捕 获速 度 至 关 重 要 ， 般 而 言 ， 尽 可 能 地 缩 一 应
１ ＧＰ Ｓ信 号捕 获 的 数 学模 型
短 用于 捕获 的数 据 长 度 ＿ 。因 此 Ｇ Ｓ信 号 的快 速 ２ Ｊ Ｐ
捕 获对 接 收机是 非常重 要 的 。
程 。如 果接 收机 实 时工 作 ， 踪 过程 将 根 据 接 收机 跟
１０４Ｍ ｚ具有运算量小 的优点 ， ．２ Ｈ ， 但是 １０４Ｍ ｚ ．２ Ｈ
的采样 率较难 捕获 低 信 噪 比的信 号 ， 并且 没 有 提 供
样 率变换 Ｆ Ｔ和时域卷 积 的捕 获 ， 以实 现 Ｇ Ｓ信 Ｆ 可 Ｐ
能有 效地提 高运 算速 度 。文 献 ［ ］ 出的算 法 具有 ６提
运算 量小 、 度 高 的优 点 ， 是 该 方 法 要 求 信 号 采 精 但
样率为 ２的幂次 ， 一般 的 Ｇ Ｓ 号采样 率较难达 Ｐ信
到。文献 ［ ］ 出的算 法是将原始信 号重采样 到 ７提
相位 和 载波多 普勒 频 移 ， 后 传递 给跟 踪 模块 解 调 然 出导航 数据 … 。在 软件 接 收 机 中 ， 获 是 基 于一 批 捕 数据 的。 当 捕 获 到 信 号 时 ， 信 息 传 递 到 跟 踪 过 其
现 Ｇ Ｓ信 号 的捕 获 ， Ｐ 随后启 动 伪码 跟 踪环 路 和 载波
跟踪 环路 ， 实现 Ｇ Ｓ信 号 的锁定 和 跟 踪 。接 收到 Ｐ
快， 并且可 以提供插值来达到较高的分辨率。文献 ［］ ４ 提出的频域搜索法是将 时域卷积转化为频域的 乘积 ， 从而大大提高 了运算 速度 ， 是频率搜索 的 但 载波多普勒频移的分辨率较差 。文献 ［ ］ 出了将 ５提
高动态GPS C／A码的快速捕获与跟踪技术
维普资讯
第 ４期
程 乃 平 ， ： 动 态 ＧＰ Ａ 码 的 快 速 捕 获 与 跟 踪 技 术 等 高 ＳＣ／
７ １
检 积 分 时 间 ； 志 一 （ ）
（ ）・ 志 ｔ＋九 为 载 波相 位 ；
２ 码 捕 获 、 踪 环 路 闭合 控 制 算 法 跟
第１卷 第４ ３ 期
高 动 态 ＧＰ Ａ 码 的 快 速 捕 获 与 跟 踪 技 术 ＳＣ／
程 乃 平
（ 备指 挥 技 术 学 院 测 量控 制 系 ，北 京 １ １ １ ） 装 ４ ０ ６
王 绍 山
（ 备 指 挥 技 术 学 院 研 究 生 队 ，北 京 １ １ １ ） 装 ０ ４ ６
维普资讯
２０ ０ ２年
８月
装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆｔ ｅＡｃ ｄ ｍｙ ｏ ｑ ｉｍｅ ｔＣｏ ｏ ｒ ａ ｈ ａ ｅ ｆＥ ｕｐ ｎ ｍｍａ ｄ ＆ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｎ ． ｃ ｎ ｌｇ
Ａｕ ｕ ｔ ２ ０ ｇ ｓ ０ ２ Ｖｏ ．１ Ｎｏ ４ Ｉ ３ ．
易 捕获 和 跟踪 。而对 它 的捕 获速 度 和跟 踪 精度 又 直 接影 响 到 ＧＰ Ｓ接 收 机 的性 能 ， 是 高 动 态接 收 这 机设 计 中要解 决 的一 个 重 要 问题 。多普 勒 频率 的
信 号 解 调处 理 ， 到导 航 电 文进 行 定 位解 算跟踪 数 字 系统
和 载 波 频 率 相 匹 配 ， 得 相 关 值 高 于 信 号 检 测 域 使 值 ， 成 码捕 获 ， 而 才 能进 行 跟踪 与 解 扩 。 完 进 ２ １ 基 于最 大 似 然 估计 算 法 （ Ｅ） ． ＭＬ 的伪 码 串行
GPS软件接收机的信号捕获和跟踪
Ａｃ ｕｓｔ ｎ ａ ｄ Ｔｒ ｃ ｉｇ ｆ ＰＳ Ｓｏ ｔ ｒ ｃ ｉｅ ｑ ｉｉｏ ｎ ａ ｋｎ ｏｒＧ ｆ ｉ ｗａ ｅ Ｒｅ ｅｖ ｒ
处理 速度快 ， 但是 成 本 较 高 ， 一旦 设 计 成 型后 ， 且 无 法改 变 ， 配置 不够 灵 活 。
软件 接收 机 ， 名 思 义 ， 指 采 用 通 用 处 理 芯 顾 是 片 ， 实时 采集 的 Ｇ Ｓ卫 星 信 号 利用 一 定 的软 件算 对 Ｐ 法进 行处理 ， 而实 现定 位 的设 备 ， 有灵 活性 和可 从 具
１ Ｇ Ｓ软 件 接 收 机 简 介 Ｐ
随着 Ｇ Ｓ全 球定 位 系统 的 民用 化 ， 在 普通 消 Ｐ 其 费者 中 的应 用 越 来 越 广 泛 。传 统 的 Ｇ Ｓ接 收机 主 Ｐ
计算 出位 置信 息 。
天 线
要 由接收 天 线 和 专 门硬 件 （ ＳＣ） 成 。其 优 点 是 ＡＩ 组
（ 海交 通 大学微 纳科 学技 术研 究院微 系统 与集 成技术 研 究所 ， 海 ２ ０ ３ ） 上 上 ０００ 摘 要 ： 由于 Ｇ Ｓ软件 接 收机 的高度 灵 活性 ， 应用 也 越 来越 广 泛 。这 里 我们 使 用 Ｚ ｒｎ Ｐ 其 ａｌ ｋ的 ｉ
Ｇ２ １ Ｐ０ ５和 Ｇ ４ ２ 件 电路 接 收卫 星信 号 ， 其 降至 中频 Ｉ 将模 拟 信 号采 样 转为 数 字信 号。 之 Ｐ０ ０硬 将 Ｆ，
后将 数 字信 号传 送 给 Ｐ ｃ机 ， Ｐ 在 ｃ机上 用 Ｍａ ａ ｔ ｂ对接 收到 的信 号 进 行 捕获 和跟 踪 ， 后 将得 到 的 ｌ 之 Ｇ Ｓ导航 信 号传 给后 面 的处理 模块 ， 终得 到位 置坐标 。 Ｐ 最
GPS信号捕获
GPS课程设计实验报告（2）学院姓名LSC班级学号指导教员一、试验名称：GPS信号捕获二、试验目的：1. 熟悉GPS信号捕获基本概念；2. 掌握串行搜索算法、并行频率搜索算法和并行码相位搜索捕获算法的基本思想、特点及算法流程；3. 训练在实际当中分析问题、解决问题的能力。
三、试验内容1. 编写GPS信号捕获子程序，算法自选。
f的多普勒频移，2. 将实验一最终生成的信号延迟 时间，并加上大小为D使用以上编写的信号捕获子程序对该信号进行捕获。
3. 画出三维捕获结果图（要求至少画出两幅，一幅对应信号成功捕获，一幅对应未捕获到信号）。
四、试验原理4.1 概述为了跟踪和解码GPS信号, 首先要捕获到GPS信号。
将捕获到的GPS信号的必要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。
GPS卫星处于高速运动中，因此，其频率会产生多普勒频移。
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。
针对某个特定的卫星信号，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（Continuous Wave，CW），于是便得到其载波频率。
也就是说，捕获过程就是要获得输入信号的C/A码的起始点和载波频率，然后传递给跟踪过程。
4.2 卫星信号捕获的考虑4.2.1 捕获时的最大电文长度C/A码长1 ms，那么至少要用1ms的电文来捕获，甚至只用1 ms的电文来捕获时，都可能发生导航电文相位偏移。
因此，为了保证捕获电文中不含有数据偏移，需要用两组连续的电文来捕获，这个电文最大长度是10 ms。
如果使用两组连续的10 ms电文来捕获，就保证了在某一组电文中不含相位偏移。
限制电文长度的第二个因素是C/A码的多普勒效应。
4.2.2 捕获中的频率步长捕获时的另一个考虑因素是捕获中剥离载波所需的频率。
步进频率的大小与捕获中的电文长度紧密相关。
gps码跟踪原理
GPS码跟踪原理主要是通过接收GPS卫星信号，解码后获得卫星位置信息，再根据这些信息计算得到自己的位置。
具体来说，GPS接收机首先接收到GPS卫星的信号，这些信号中包括伪距测量值（伪距是GPS接收机测量到的与卫星之间的距离，由于包含接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距）。
这些伪距值和卫星的位置信息（包括卫星星历中的位置信息）一起被接收机接收。
接收机对收到的卫星信号进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值。
但由于开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，整周模糊度只能在数据处理中作为参数解算。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
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 。
GNSS导航信号处理与精度评估方法
GNSS导航信号处理与精度评估方法导航定位系统在现代社会中扮演着重要角色，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）作为其中的一种系统，已经成为当今世界最常用的定位技术之一。
GNSS的成功与它所使用的导航信号处理和精度评估方法密不可分。
在本文中，我们将探讨GNSS导航信号处理的一些方法以及精度评估的重要性。
一、GNSS导航信号处理方法1、信号捕获与跟踪GNSS接收机首先需要捕获导航卫星发射的信号，并在某个时间窗口内将其跟踪下来。
信号捕获的目标是找到卫星信号的初始频率和码相位。
捕获算法通常使用相关和FFT等计算方法，以确定信号参数，从而实现有效的信号跟踪。
2、多路径干扰抑制多路径干扰是GNSS导航中的一大问题，它是由于信号在传播路径上反射和散射所导致的。
为了降低多路径干扰对导航定位的影响，需要使用特定的信号处理算法。
例如，时域滤波和空域滤波等方法可用于抑制多路径干扰，提高导航系统的性能。
3、解码与解调GNSS接收机接收到卫星信号后，需要对信号进行解码与解调，以获取其中的导航信息。
解码算法的目标是从信号中还原出导航电文，通常使用相关和匹配滤波等技术。
解调算法的目标是提取出码相位，确定接收机与卫星之间的时延差。
4、信号合成与导航解算通过对接收到的多个卫星信号进行信号合成，可以获得接收机的位置、速度和时间等导航参数。
导航解算算法通常使用扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter）或粒子滤波（Particle Filter）等方法，结合接收机的测量和局部参考信号，估计出导航参数的最优解。
二、精度评估方法1、载波相位残差方法载波相位残差是评估GNSS定位精度的重要指标之一。
通过测量接收机的载波相位残差，可以评估系统的定位误差。
这种方法通常需要高精度的接收机和测距设备，并结合无人机等平台进行实地测量。
2、伪距残差方法伪距残差是评估GNSS定位精度的另一种方法。
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。
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信号捕获算法的研究
GPS信号捕获算法的研究全球导航卫星系统（GNSS）作为一种重要的定位技术，广泛应用于各个领域，如汽车导航、无人机导航、船舶导航等。
但是，由于 GPS 信号在空间传输过程中会受到多种干扰和衰减，因此接收机需要具备强大的信号捕获算法。
本文将介绍 GPS 信号捕获算法的研究。
一、 GPS 信号的捕获GPS 信号捕获是指接收机在接收到 GPS 信号前，需要搜索是否存在某个卫星的信号，并在搜索到信号后，对其进行跟踪。
GPS 信号捕获过程包括三个主要的步骤：初步搜索、细搜索和码捕获。
1. 初步搜索初步搜索是指在搜索到信号的卫星之前，接收机需要搜索整个码相位空间，以确定是否存在一个信号。
在初步搜索中，接收机需要依次搜索所有可能的卫星并计算与之相关的码延时。
由于 GPS 信号的码相位空间非常大，因此初步搜索时间较长。
2. 细搜索细搜索是指一旦确定存在一个卫星的信号，接收机需要在该卫星的码相位空间上进行细致的搜索，以确定其码偏移。
与初步搜索不同的是，细搜索中接收机只需对码相位空间中的一小部分进行搜索，以加快搜索速度。
3. 码捕获码捕获是指接收机在确定卫星信号的码偏移后，对码进行捕获，并进入跟踪模式。
在码捕获中，接收机对接收到的信号进行解调，以分离出来自于卫星的码信号，并与接收机本地生成的码进行匹配以进行跟踪。
二、 GPS 信号捕获算法的研究为了提高 GPS 信号的捕获速度和准确性，许多学者进行了广泛的研究。
这些研究主要围绕以下三个方面展开。
1. 初步搜索算法初步搜索算法是 GPS 信号捕获中最耗时的环节。
为了加快初步搜索速度，常用的方法包括并行搜索、局部搜索和二进制搜索。
并行搜索是指将搜索任务分拆成多个子任务并在多个通道上同时执行，以缩短搜索时间。
局部搜索是指在初步搜索过程中，在预先确定的窗口范围内进行搜索，以加快搜索速度。
二进制搜索是指将搜索空间等分为两个部分并依次执行，以减小搜索时间。
2. 细搜索算法细搜索算法的目标是尽可能缩短搜索时间并降低搜索误差。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
而软件无线电则提供了一种很好的解决方案。
软件无线电是实现通信的新概念和新体制，它被视为继模拟和数字技术后的又一次电子技术电142 卫星导航 原理与系统 WEIXING DAOHANG YUANLI YU XITONG 革命。
软件无线电的基本概念是将硬件作为无线通信的基本通用平台，而用软件实现尽可能多的无线及个人通信功能。
软件无线电采用模块化设计原则，具有开放的体系结构、良好的功能可编程性和软件可移植性，支持宽频段、高速率、多模式的无线通信。
软件无线电的中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将工作频段、调制/解调方式、数据格式、加密模式以及通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带A/D 转换器和D/A 转换器尽量靠近天线，争取硬件实现的最小化和软件实现的最大化，以充分发挥软件实现的升级方便、调整灵活、适应性强等优点。
GPS 软件接收机和传统GPS 硬件接收机实现的功能是相同的，因此二者在设计结构上有很多相似之处，其结构如图7-2所示。
图7-2 GPS 软件接收机框图 GPS 软件接收机由天线接收GPS 卫星信号，经过射频前端，输入信号的幅值被适度放大，并经下变频变为中频信号，ADC 将上述中频信号数字化。
GPS 软件接收机中天线和RF 前端仍由硬件实现。
中频信号数字化以后，在传统接收机中，由硬件实现捕获和跟踪，而在软件接收机中，全部处理交给软件实现。
根据导航数据的跟踪结果，可以进行导航电文的解调，获取导航数据的子帧，进而得到星历数据和伪距，从星历数据可确知卫星位置。
最终，用户位置可通过卫星位置和伪距计算得出。
至于GPS 软件接收机的软件平台，它可以是数字信号处理DSP 芯片，也可以是通用PC 。
中频数字信号处理部分的不同是软件GPS 接收机与硬件GPS 接收机的根本区别。
软件接收机整个数字部分均采用通用处理芯片，包含较少的硬件，可编程性及灵活性均强于硬件接收机，而且无需升级硬件，仅加载不同的算法软件即可实现GPS 接收机的升级或改型；并且对于不同的射频前端，仅需修改少量参数即可；软件接收机适应性强、可移植性高的优点是硬件接收机所无法比拟的。
GPS 软件接收机在算法研究和算法验证方面亦有很大的优电子工程学院 143GPS 信号的捕获与跟踪势，本章对信号捕获、跟踪的探讨，就是基于如上的GPS 软件接收机结构来进行的。
7.2 GPS 信号的捕获7.2.1 GPS 信号捕获原理信号捕获是GPS 接收机内信号处理的第一步，只有完成信号捕获，才有可能开始信号跟踪、导航电文提取及伪距计算等后续的处理过程。
对GPS 系统而言，不同卫星发射的信号其载波频段和调制方式都一样，区别不同卫星的是它们的伪随机码不同。
不仅是针对GPS 系统，对于所有的码分多址（CDMA ）系统，都会涉及到信号捕获问题，需要捕获的原因有以下几点：1．由于GPS 系统所有卫星发射的信号共用相同的载波频率和信道时间，所以GPS 接收机天线接收到的信号不可避免地混合了所有可能的卫星信号，而只有知道目前接收到的信号来自哪些卫星后，接收机才能对其进行跟踪并解调。
从这个角度上说，捕获是GPS 接收机内信号处理的第一步。
2．GPS 系统中导航电文和伪随机码相乘之后，对于C/A 码和P 码，原有的信号带宽分别从50Hz 展宽到了2.046MHz 或20.46MHz ，根据香农定理2log (1/)C B S N =+可知，在噪声功率不变的前提下信号的功率可以降到很低的水平。
在实际GPS 系统中，接收机天线处接收到的信号功率相当微弱，信号电平往往比背景噪声电平还要低很多，或者可以说信号彻底的被噪声“淹没”了。
在这种情况下，必须通过捕获和跟踪共同把微弱的GPS 信号从噪声中提取出来。
3．根据GPS 信号的特点，必须利用伪随机码的强自相关性才能实现信号的跟踪和导航电文的解调，但信号能够实现跟踪的前提是先找到了正确的随机码相位，而接收机的上电时刻的随机性决定了其接收到的信号相位的随机性，所以必须由信号捕获告知信号的伪随机码相位。
4．在GPS 系统中，由于卫星是一直绕地球运动的，故必将产生多普勒效应，捕获的另外一个作用，就是提取出信号的载波频率。
下面我们分析多普勒效应的产生： 由前面章节介绍可知，GPS 卫星的轨道是近圆轨道，我们可以把它近似看作是一个圆形（卫星轨道的离心率只有约0.01），其半径为26 560 km ，卫星的周期大概是11小时58分钟。
于是可以计算出卫星的平均角速度为 42π/(1136005860) 1.458510rad s ω−=×+×≈× (7-1) 卫星平均运动速度为： 426560 1.458510rad 3874m/s v r ω−=×=××≈ (7-2) 根据多普勒效应可知，如此高速运动必然会使接收机接收到的信号产生多普勒频移。
卫星绕地球运行，相对于地球表面的某一点来说，其相对径向的速度分量不可能达到最大的3874m/s ，在相关文献中对这个问题有很详细的分析，其结论是卫星与地球表面的接收机之间相对运动的最大径向速度dm v 约为929m/s ，由此计算出的可能的最大多普勒频移为：68/1575.4210929/310 4.9kHz dr r dm f f v c =×=×××≈ (7-3)电子工程院144 卫星导航 原理与系统 WEIXING DAOHANG YUANLI YU XITONG 式中，f r 为L1频段载波频率，即1575.42MHz 。
除了卫星高速运动会产生多普勒频移外，由于接收机接收到的信号一般先与本地载波进行混频，下变频到中频后再进行后续信号处理，故接收机自身的时钟晶振偏差也会使下变频后的中频载频偏移理论值。
如1ppm 的16.368MHz 晶振偏差就将导致大约1.6kHz 的载频偏差。
根据以上多普勒效应和晶振偏差的分析，在进行后续信号处理之前，提取出信号当前的载波频率就变得尤其重要，这也从另外一个角度证实了，信号捕获是GPS 接收机内信号处理的第一步，也是极为关键的一步。
GPS 接收机中信号捕获可以看作是一个三维搜索的过程，如图7-3所示，第一维是从卫星（PRN 码）的方向搜索；第二维是从伪随机码相位的方向搜索；第三维是从多普勒频移的方向搜索。
图7-3 捕获的三维搜索 从PRN 码的方向搜索，也就是搜索当前接收机能够接收到的卫星信号。
如果接收机上电的时候对天空的GPS 卫星分布一无所知，此时需要搜索的PRN 码数目是32个，即搜索空中的32颗卫星，这种启动方式又称为“冷启动（cold start ）”，冷启动搜索PRN 码耗费的时间最长。
为了避免这种“漫天搜星”，许多GPS 接收机都存储上一次使用时定位的结果和星历，这样，在下一次使用时，可以根据上次使用时存储的数据来获知目前的可视卫星及其相应的参数，这就是“热启动（hot start ）”。
但热启动的条件为使用时间间隔不超过两小时或是接收机位移不超过300 Km ，否则经验值失效。
在“经验值”失效的情况下的启动便称为“温启动（warm start ），温启动要根据存储的星历来推算目前天顶的卫星。
温启动的耗时介于热启动和冷启动之间。
从伪随机码相位的方向搜索，首先需要产生本地伪码，通过调整不同的本地伪码相位，将本地伪码和输入信号做相关，假定本地载波频率与信号的载波一致，只有在本地伪随机码相位和信号的伪随机码相位对齐的情况下，才能产生最强的相关值，一旦某一个本地伪码相电子工程学院145GPS信号的捕获与跟踪位与信号做相关产生的峰值超过了预定门限，我们就可以认为找到了正确的信号伪随机码相位。
从载波频率方向搜索，需要产生本地载波，不断调整载波频率并使载波信号与输入信号相乘。
假定码相位对齐，如果本地载波和输入信号的载波很接近，输入信号中的高频分量就会被去除，这样伪码做相关的时候才会产生一个峰值。
通过搜索峰值，即可以找到信号的载波频率。
在实际的信号捕获中，伪码相位的搜索和载波频率的搜索是同时进行和完成的。
如果仅仅只完成了伪码相位的搜索，而载波分量依然存在，则将输入信号和本地伪码相乘后，虽然完成了伪码剥离，但相对于积分时间而言依然是高频信号，对高频信号积分不会得到一个很高的峰值；反之，如果仅仅完成了载波频率的搜索，而伪码依然存在，则输入信号和本地载波相乘之后虽然变成了低频信号，但伪码的存在使得信号依然是扩频信号，通过积分器后依然不会出现高的峰值。
只有同时完成伪码剥离和载波剥离之后，得到一个低频连续波信号，通过积分器才会出现比较高的峰值。