第七章GPS信号的捕获与跟踪
GPS弱信号的捕获与跟踪的算法研究
重庆大学硕士学位论文GPS弱信号的捕获与跟踪的算法研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：***20120531重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要全球卫星定位系统能全天候地、实时地为人们提供位置、测速和授时服务。
但是，在城市街道、森林、峡谷和室内环境等受到阻挡条件下，ＧＰＳ信号功率受到极大的损耗。
普通的ＧＰＳ接收机无法在这样弱信号条件下正常工作，因此，高灵敏ＧＰＳ接收机技术逐渐成为ＧＰＳ技术发展与应用领域的研究热点之一。
ＧＰＳ信号的捕获与跟踪技术是ＧＰＳ接收机中的关键技术，因此，开展ＧＰＳ弱信号捕获与跟踪算法的研究具有良好的学术价值和重要的理论意义。
本文首先阐述了ＧＰＳ信号由导航数据、Ｃ／Ａ码和载波构成，并说明Ｃ／Ａ码的高自相关性和低互相关性是ＧＰＳ信号成功捕获的基础。
由于多普勒的影响，ＧＰＳ信号捕获搜索的频率范围为．１０ｋＨｚ～１０ｋＨｚ。
接着分析了单次相干累加可用的最大数据长度和多普勒频移步长对信号捕获的影响。
研究与分析了唐搜索检测器、相干一非相干累加和差分相干累加捕获算法，并用ｍａｔｌａｂ仿真了在不同的４和Ｂ条件时，唐搜索检测器捕获算法中捕获灵敏度和平均滞留次数的对应关系，仿真分析了相干．非相干累加算法和差分相干累加算法的捕获效果。
本文对唐搜索检测器算法中的检测统计变量进行改变，将相邻相干积分平方之和作为新的检测统计变量，较好地提高了信号捕获的灵敏度，可是增加了每个单元的平均驻留次数，延长了捕获时间。
采用二阶锁频环辅助三阶锁相环作为载波跟踪环结构，能较好地跟踪载噪比为３０ｄＢ／Ｈｚ和相对加速度为１２９的低载噪比高动态ＧＰＳ信号，并能正确地解调出导航数据。
关键词：ＧＰＳ弱信号，捕获，跟踪，锁相环，锁频环ＡＢＳＴＲＡＣＴＧ１０ｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｌｌｓｕｐｐｌｙｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄＳＯｏｎａｎｄｔｉｍｅｆｏｒｐｅｏｐｌｅ．Ｂｕｔｉｎｔｈｅｃｉｔｙｓｔｒｅｅｔｓ，ｆｏｒｅｓｔ，ｇｏｒｇｅ，ｉｎｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｒｅｃｅｉｖｅｒｓｉ印ａ１ｂｅｉｎｇｏｂｓｔｒｕｃｔｅｄ，ＧＰＳｓｉｇｎａｌｌｅｖｅｌｓｕｆｆｅｒｓａｇｒｅａｔｌｏｓｓ．ＴｈｅｏｒｄｉｎａｒｙＧＰＳｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＧＰＳｃａｎｎｏｔｗｏｒｌ（ｐｒｏｐｅｒｌｙｉｎｓｕｃｈａｗｅａｋｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｈｉｇｈｒｅｃｅｉｖｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｈｏｔｓｐｏｔｓｏｆＧＰＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｉｅｌｄｔｏｄａｙ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｓｉｇｎａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅＧＰＳｒｅｃｅｉｖｅｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＧＰＳｗｅａｋｓｉｇｎａｌｈａｓａｇｏｏｄａｃａｄｅｍｉｃｖａｌｕｅａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ·ｉｓｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｂｙＦｉｒｓｔｌⅥｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｉｒｂｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＧＰＳｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｄａｔａ，Ｃ／Ａｃｏｄｅａｎｄｃａｒｒｉｅｒ，ａｎｄｉｔｉｓｔｈａｔＣ／Ａｃｏｄｅｈｉｇｈｓｉｇｎａｌ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｌｏｗｃｒｏｓｓ．ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｃａｐｔｕｒｅｏｆＧＰＳｉｍｐａｃｔｏｆＤｏｐｐｌｅｒ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅｏｆｔｈｅＧＰＳｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｅａｒｃｈＩＳ．１０ｋＨｚ～１０ｋＨｚ．ＴｈｅｎａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆＧＰＳｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｗｈｉｃｈｉｓａｂｏｕｔｔｈｅａＶａｉｌａｂｌｅｍａｘｉｍ啪ｄａｔａｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｓｔｅｐｏｆＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＴｏｎｇｓｅａｒｃｈｄｅｔｅｃｔｏｒｓ，ｃｏｈｅｒｅｎｔ—ｎｏｎｃｏｈｅｒｅｎｔａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｏｈｅｒｅｎｔａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｅａｒｃｈｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｅａｎｒｅｓｉｄｅｎｃｅｏｆＴｏｎｇｄｅｔｅｃｔｏｒｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＡａｎｄＢｂｙｔｈｅＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｃａｐｔｕｒｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｈｅｒｅｎｔ－ｎｏｎｃｏｈｅｒｅｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｏｈｅｒｅｎｔａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ａｌｇｏｒｉｔｈｍａｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｍａｋｅｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｔｈｅＴｏｎｇｓｅａｒｃｈｄｅｔｅｃｔｏｒｗｌｌｉｃｈａｄｄｓｔｈｅａｄｊａｃｅｎｔｔｈｅｓｑｕａｒｅｏｆｃｏｈｅｒｅｎｔｉｎｔｅｇｒａｌａｓａｎｅｗｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｔｅｓｔｖａｒｉａｂｌｅ，ｓｉｇｎａｌ，ｂｕｔｉｎｃｒｅａｓｅａｖｅｒａｇｅｄｗｅｌｌｎｕｍｂｅｒｓＯｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆＧＰＳａｓｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｅａｃｈｕｎｉｔ，ａｎｄｅｘｔｅｎｄｔｈｅｔｉｍｅｏｆＧＰＳｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．Ａｄｏｐｔ３ｍＰＬＬｏｎｏｆ２ｎａＦＬＬｆｏｒｔｈｅｓｔｍｃ眦ｏｆｃａｒｒｉｅｒｔｒａｃｋｉｎｇｌｏｏｐ，ａｎｄｉｔｉｓｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｔｒａｃｋｔｈｅＧＰＳｓｉｇｎａｌｗｈｏｓｅｃａｒｔｉｅｒｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｉｓ３０ｄＢ／Ｈｚａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓ１２９ｌｏｗｃａｒｒｉｅｒｔｏｄａｔａ·ｎｏｉｓｅｒａｎｏａｎｄｈｉｇｈｄｙｎａｍｉｃＧＰＳｓｉｇｎａｌ，ａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｌｙｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｔｈｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｌｏｃｋｅｄＫｅｙｗｏｒｄ：ＧＰＳｗｅａｋｓｉｇｎａｌ，ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌｏｏｐＩＩ１绪论１．１课题的研究背景及意义全球定位系统（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）是一个基于人造卫星、面向全球、为人们提供全天候的实时、定时和连续、精确定位系统【ｌ儿２１。
GPS软件接收机中信号捕获、跟踪算法的研究与实现中期报告
GPS软件接收机中信号捕获、跟踪算法的研究与实现中期报告一、研究背景随着GPS技术的不断发展，GPS接收机在各个领域得到广泛应用。
在GPS应用中，信号捕获、跟踪算法是GPS接收机的重要组成部分，它决定了接收机的性能和精度。
因此，对GPS信号捕获、跟踪算法的研究和实现具有重要意义。
二、研究现状目前，GPS信号捕获、跟踪算法主要分为两类：基于时域的算法和基于频域的算法。
其中，时域算法有单点搜索法、Hilbert-Huang 变换法等，频域算法则有二次互相关法、离散小波变换法等。
三、研究内容本研究将主要研究和实现以下内容：1.分析GPS信号的数学模型和特点，理解GPS信号的结构和原理；2.分析GPS信号的捕获、跟踪过程，研究GPS信号处理的基本方法；3.研究和实现不同的信号捕获、跟踪算法，包括多点搜索法、Costas 环路跟踪法、相位锁定环路跟踪法等；4.对比不同算法的性能和精度，分析各自的优点和适用范围；5.在基于FPGA的GPS软件接收机中实现上述算法，并进行性能测试和验证。
四、研究计划本研究计划分为以下阶段：1.阅读有关GPS信号处理和算法的文献，理解GPS信号处理的基本原理（已完成）；2.选定不同的信号捕获、跟踪算法，进行分析和比较（正在进行）；3.在Matlab环境下实现各种算法，并进行性能测试；4.基于FPGA实现GPS软件接收机，并将各种算法移植到硬件平台上；5.对比硬件实现和软件实现的性能和精度，进行实验验证并撰写论文。
五、初步结论本研究通过对GPS信号捕获、跟踪算法的研究和实现，可以提高GPS软件接收机的性能和精度，对应用于军事、航空、航海、交通等领域具有重要意义。
同时，该研究还可以为其他卫星导航系统的信号处理提供借鉴和参考依据。
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 )
跟踪
（10）
2
Bn H ( j ) df
0
（11）
ω 为角频率，它与频率的关系为ω =2π f。
GPS卫星信号的跟踪 为了了解锁相环的特性，通常采用两种类型的输入信号。 第一种为单位阶跃函数：
i (t ) u(t )
第二种是频率调制信号：
或者
1 i (s) s
k0 k1 2 s
1
k0 k1
1
2 n
1
1
（23）
GPS卫星信号的跟踪 其中，ωn表示固有频率，其定义为：
n def
ζ 是抑制因子，定义为：
k0 k1
1
（24）
2 n def
k0 k1 2
1
或
def
n 2
2
（25）
H(s)的分母是s的二阶函数。
GPS卫星信号的跟踪 得到噪声带宽为： 2 Bn H ( j ) df
2 2 t s C1 2 1 ts C2 1
（34）
这个滤波器如图6－2所示。
GPS卫星信号的跟踪
图3 环路滤波器
GPS卫星信号的跟踪
锁相环中的压控振荡器VCO被离散数字频率合成器代替，
其传递函数N(z)取代了式(6－7)：
k1 z 1 N ( z) U 0 ( z ) 1 z 1
GPS卫星信号的跟踪
2.2
二阶锁相环
二阶锁相环意味着传递函数 H(s)的分母是 s的二阶函数。
构成这种二阶锁相环的一种滤波器为：
s 2 1 F (s) s 1
将上式代入式(6－9)中，传递函数变为：
（22）
GPS软件接收机信号的快速捕获与跟踪
GPS软件接收机信号的快速捕获与跟踪
刘娣;薄煜明;赵高鹏
【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2010(036)001
【摘要】根据GPS软件接收机对数据块进行信号处理的工作方式,研究基于快速博里叶变换的循环相关法伪码快速捕获与跟踪技术.基于实测GPS中频数据,采用循环相关法在频域计算输入信号与本地信号的相关值,由相位关系得到精细载频.仿真结果表明,该技术能减少运算量,缩短捕获时间.得到的载频能满足跟踪环对频率分辨率的要求.对跟踪结果进行子帧匹配和奇偶校验后,可以获得导航电文信息.
【总页数】3页(P239-241)
【作者】刘娣;薄煜明;赵高鹏
【作者单位】南京理工大学自动化学院,南京,210094;南京理工大学自动化学院,南京,210094;南京理工大学自动化学院,南京,210094
【正文语种】中文
【中图分类】P228.4
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1.一种GPS软件接收机信号快速捕获算法研究 [J], 李亚峰;王新龙;纪新春
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GPS软件接收机的信号捕获和跟踪
GPS软件接收机的信号捕获和跟踪
鲍雍荣;李振波;陈佳品
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2008(029)001
【摘要】由于GPS软件接收机的高度灵活性,其应用也越来越广泛.这里我们使用Zarlink的GP2015和GP4020硬件电路接收卫星信号,将其降至中频IF,将模拟信号采样转为数字信号.之后将数字信号传送给PC机,在PC机上用Matlab对接收到的信号进行捕获和跟踪,之后将得到的GPS导航信号传给后面的处理模块,最终得到位置坐标.
【总页数】3页(P121-123)
【作者】鲍雍荣;李振波;陈佳品
【作者单位】上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,上海,200030;上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,上
海,200030;上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,上
海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】TN967.1
【相关文献】
1.GPS软件接收机中微弱信号捕获算法研究 [J], 李建伟;严丽云
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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。
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
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。
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。
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。
微弱GPS信号的捕获与跟踪处理的研究与实现
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 引言
“导航的定义是使运载体或人员从一个地方到另一个地方的科学” 。在日常 生活中，我们每一个人都会进行某种形式的导航。而在一些情况下，我们需要更 精确的位置、预期的航向或到达期望目的地所需的时间。此时，便要使用所谓的 无线电导航装置。它利用多个已知位置的无线电装置的信号来确定某一点的位 置。 GPS（Global Positioning System，全球定位系统）[1][2]即为一种无线电导航系 统。它是美国在上世纪 70 年代开始研制的高精度的星基导航定位系统，能全天 候地向全球范围内具有适当接收设备的用户提供精确、 连续的三位位置和速度信 息，并具有良好的抗干扰性和保密性。 GPS 系统由卫星星座、 地面控制/监测网络和用户接收设备组成。 标称的 GPS 卫星星座 24 颗卫星组成，均匀分布在 6 个轨道平面上。分布在世界各地的地面 控制/监视网时刻监视着卫星的健康与状态，并对 GPS 卫星提供实时的检测、指 挥和控制。其主要由主控站、L 波段检测站和 S 波段地面天线组成。用户接收设 备，即 GPS 信号接收机，用来处理 GPS 信号，并能解算出用户所需的导航信息。 GPS 系统提供了标准定位服务(SPS) 和精密定位服务(PPS) 两种不同的服务。 其中前者提供给民用，而后者主要由美国军方使用。SPS 对全世界的所有用户均 是免费可用的， 而且在 2000 年 1 月， 美国政府取消了 SPS 服务的选择可用性(SA) 政策，使得 SPS 的定位精度大为提高。目前这种服务提供的预测精度为：在水 平面内，优于 13m(95%); 在垂直平面内， 22m(95%) 以内（ U.S. Department of Defense, Standard Positioning System Performance Specification, Oct 2001）[1]。随 着大规模集成电路技术飞速发展，基于 GPS 系统的导航设备运用越来越广泛， 在民用导航领域一枝独秀，并拥有着非常广阔的发展前景。s designed. A piece of development board called DE2 with FPGA chip produced by Altera is used. This circuit can realize the conventional acquisition algorithm and it also has nice real-time performance. This realized module lays solid foundation of subsequent work and provides an important module. The emphasis of this thesis is weak GPS signal tracking. All algorithms in this thesis are based on Kalman filtering theory. And different Kalman filter models are used to replace the traditional tracking loops including PLL and DLL to obtain higher sensitivity and precision. This thesis proposes two kind algorithms. First, a square-root filter with Potter algorithm is implemented to alleviate round-off errors. And square process is called after accumulation to remove the unknown navigation bit. At last this algorithm introduces incoherent integration to strengthen the signal and restrain the noise effectively. The second algorithm uses another form of square-root Kalman filter, and improves the filter model with a dual Kalman filter, which reduces computational cost with high efficiency. This algorithm introduces Beyesian estimation theory to deal with the navigation bit of every accumulation period. This thesis uses a kind of software to generate GPS IF signals to make simulations. And the simulation results indicates that the first algorithm can track signals as weak as 17dB-Hz but the precision is not ideal and it costs a little more time. The second algorithm can track signal as weak as 19dB-Hz. And its
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信号捕获
实验二GPS信号捕获姓名：学号：一、实验目的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。
二、实验要求1. 编写GPS信号捕获子程序，算法自选。
2. 将实验一最终生成的信号延迟 时间，并加上大小为D f的多普勒频移，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）。
三、实验内容1.实验代码%指标是signalpower=-185dBW，此时可以进行室内定位；%指标是SNR=-52dB，此时noisepower=-133dBWDopler_bound=10; %原来是20，为加快运行速度，减少频率槽数Freq_bin=500;Fc=1250000;Length_of_data=5000;Length_of_fft=4096;NUM=5;%50010;Signalpower=-177; %I路信号的功率（dBW）Noisepower=-143; %噪声的复功率（dBW）Threshold=1e5;Times_of_ncoh=40;%变量初始化successcount=0;%在卫星从地平线升起或降落时，用户速度900m/s时,径向速度差不多(+ -)10K，fid_ca=fopen('CA_5000.txt','r');CA_samp=fscanf(fid_ca,'%d');%5000点fclose(fid_ca);CA_samp=CA_samp';%本地伪码FFT:CA_fftCA_local=Average(Length_of_data, Length_of_fft, CA_samp);%plot(CA_local)CA_fft=fft(CA_local);%plot(imag(CA_fft))Idata=ReadIn( ); %把文本Idata全部读到Idata数组中Qdata=ReadIn( ); %Idata=Idata';Qdata=Qdata';Idata(1:NUM)=[]; %删去前NUM个元素Qdata(1:NUM)=[];AMP=sqrt(2*10^(Signalpower/10)); %输入量为幅度系数，单位相当于（V），%AMP=1e-9，此时signal power=-183dBWDIV_AWGN= 10^(Noisepower/10); %输入量为高斯白噪声的方差。
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码相位鉴别器
52
鉴别器输出与码元差的关系曲线
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GPS接收机的跟踪环
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School of Electronic Engineering
GPS信号捕获与跟踪
GPS信号的组成 GPS信号捕获的两个参数 捕获原理及步骤 GPS信号的跟踪 载频跟踪 码跟踪
1
捕获和跟踪在接收机中的位置
射频 前端
A/D 转换器
捕获
接收机 接通接通接通收道接通收R道接c通收道机e通h收道接机收c道a机道e机n收机inv机eelr
18
School of Electronic Engineering
PRN code demodulation
Incoming signal Local PRN code Result of multiplication
19
FFT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
快速算法的改进
23
GPS信号的跟踪
GPS卫星信号是动态变化的，变化包括： 多普勒效应引起载波频率发生动态偏移； 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。 两个跟踪环：载波跟踪环和码跟踪环
24
载波跟踪环
接收到的GPS信号
25
载波跟踪环
解扩频后的信号 I、Q支路的输出
26
载波跟踪环
噪声信号的表示 积分、去高频的后的I、Q支路的输出
27
鉴相器
28
鉴相器
29
载波跟踪环的输出
30
锁相环
31
滤波器前的鉴相器输出
32
滤波器后的鉴相器输出
33
二阶锁相环的特性
环路滤波器和VCO的传递函数
环路传递函数
34
二阶锁相环的特性
自然频率 阻尼系数
35
二阶锁相环的特性
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41
码跟踪环-延迟锁定环
Code Tracking: Three local codes are generated and
correlated with the incoming signal
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码跟踪环-延迟锁定环
43
延迟锁定环基本结构
44
码跟踪环结构
45
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10
捕获使用数据的长度
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； 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C/A码的多普勒效应； C/A码的周期是1ms，所以至少需要1ms的数据才 能完成捕获操作。 导航电文每个数据位的长度是20ms或者说是20个 C/A码的长度 选用10ms的数据进行捕获时，可以不用考虑C/A码 多普勒频移的影响。
9
卫星搜索的数量
卫星搜索的数量范围：0~32颗 ； 卫星搜索数量对捕获精度没有影响; 必须能成功捕获到4颗或更多颗卫星; 两种搜索方式：
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 卫星的位置，然后确定哪颗卫星为可见卫星 ； 满天搜索方式：搜索所有可能的卫星PRN码 。
4.9kHz
6
捕获的三维搜索
7
捕获的三维搜索
信号中存在哪些卫星的信号，即存在哪些 PRN码调制的信号； 对每一个存在的PRN码信号，提取其多普 勒频移； 对每一个存在的PRN码信号，提取其伪码 相位。
8
GPS信号捕获的关键参数
卫星搜索的数量 捕获使用数据的长度 载波频率搜索范围和频率搜索步长 码相位搜索空间，码相位搜索步长
11
频率搜索步长与数据长度的关系
12
搜索捕获原理Байду номын сангаас
起始位置估计
Incoming code
Generated code
Correlation 01 23 45 67
13
捕获原理
载频估计
Correlation 12 34 56 78
14
串行搜索捕获方法
15
串行搜索捕获方法
16
串行搜索捕获方法
FFT频域捕获方法
3874m / s
卫星轨道半径26560km
4
GPS中的多普勒频移
5
卫星造成的多普勒频移
在卫星可能引起多普勒效应的方向上的最大速度：
vd max 929 m s
C/A信号的载频：fCA 1575.42MHz 卫星运动造成的最大多普勒频：
fdr
fCAvd max c
1575.5 929 3108
噪声带宽 自然频率与噪声带宽的关系
36
阻尼系数
37
噪声带宽
38
School of Electronic Engineering
Frequency offsets is 20 Hz
39
School of Electronic Engineering
40
School of Electronic Engineering
通道
用户位置 计算
码 跟踪
载频 跟踪
数据位 同步
解码 导航数据
读取 卫星位置
计算 伪距
2
GPS卫星信号
3
GPS中的多普勒频移
2 / (11 3600 58 60)
1.4585104 rad / s
卫星周期11小时58分
r 265601.4585104