李玉柏卫星导航与定位007-卫星导航信号的捕获(第五版)
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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
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
卫星定位信号 基带处理core ……
通道16： 捕获 跟踪 伪距测量 基带信息 信噪比
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SOC系统芯片
卫星导航与定位
GPS接收机基本原理
• 软件接收机
天线 基带信号处理 子帧识别
捕获 跟踪
RF链
模/数转换 器（ADC)
导航解算
硬件（RF前端 ）
软件（ 基带信号处理 、 导航解算 ）
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。 • 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）。
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 +1 -1
× 数据 + MOD 2 扩频码
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 CW-Continuous Wave。
输入信号 导航数据
x(t ) A C A (t ) D (t ) sin(2 f1t )
本地载 波复现
CA (t ) D(t ) sin( )
本地 C/ A 码复现
y (t ) D (t ) sin( )
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。 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。
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。
卫星导航与定位
卫星导航信号的捕获原理
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。 • 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。
卫星导航与定位
扩频通信 — 扩展频谱与解扩过程
卫星导航与定位
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。
卫星导航与定位
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。
卫星导航与定位
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， DSSS 扩频 即： SO / N O RCHIP G SI / N RDATA
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 46 dB
– 实际接收机能达到40dB左右！
卫星导航与定位
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。
卫星导航与定位
扩频码
• 白噪声的相关性：
( ) 0 r ( ) w(t )w(t ) dt 0 otherwise • 扩频码的相关性： k 0 N R ( k ) PN (i k ) PN (i ) i 0 1, r k 0
N
卫星导航与定位
GPS扩频码
• GPS系统采用1023 码长的GOLD码， 应为一个数据周期 为20ms，故连续使 用20个1023（供 20460个CHIP）码 字扩频。
• 扩频后的基带CHIP数据图示：
卫星导航与定位
GPS扩频码
• GPS系统相关器设计长度一般只有20460个 CHIP的一半，因为接受的GPS导航信号调制了 导航电文数据。 • 因为不知道导航电文数据的跳变沿，必须将 20ms数据分成两个10ms数据进行相关累积，必 有一个不包含数据的跳变沿的影响。
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）。
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
• 在GPS导航信号捕获时，设载波频率有一定偏差， 则输入到相关器的输入为：
A D (t ) C A (t ) cos( t ) • 相关器输出： Tcor ˆ (t ) cos( t )dt A D (t )C (t ) C
0
A
A
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
• 显然载波的频偏要小于相关器相关积分Tcor的倒 数，一般至少小于1/2Tcor。
Tcor 1ms 500 Hz f 1kHz Tcor 10 ms 50 Hz f 100 Hz
课堂练习Classroom work： 计算载波的频偏等于1/2Tcor时，对处理增益的 最小影响是多少dB?
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
课堂练习Classroom work： 基本思路：Ridea
R(t )
TCOR 0 TCOR
Tcor
0
A D(t ) CA (t ) CA Local (t ) dt A D(t ) Tcor
A D(t ) C A (t ) cos(2ft ) C A Local (t )dt Ridea Ridea cos(2ft )dt sin(2ft ) TCOR 2f TCOR 0
TCOR
0
Ridea sin(2f TCOR ) sin( ) 2f TCOR
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
课堂练习Classroom work： • 在 0; f 0 : R(t ) Ridea • 在 0; f 1 2T COR
R(t )
TCOR TCOR
Ridea
2 TCOR sin sin 2TCOR
2sin Ridea 最小损益： 20log(2 / ) 1.9dB
卫星导航与定位
4、GPS卫星信号的多普勒效应
• 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
(5-1)
卫星导航与定位
1）GPS卫星信号的多普勒效应
• 卫星在位置S 处，用户在位 置A处，相对 用户的卫星角 速度vd 造成了 多普勒频移， 其中vd 值为：
vd vs sin
卫星导航与定位
GPS卫星信号的多普勒效应
• 根据卫星轨道速度，取水平方向的最大值， 得 到多普勒角速度的最大值为：
vd max
vs re 3874 6368 929m / s rs 26560
• 由于地面设施引起的多普勒频移通常非常小， 因此卫星运动引起了最大多普勒效应。对由C/A 码调制过的频率L1 (f =1575.42 MHz），最大的 频移为：
f r vdm 1575.42 929 f dr 4.9 kHz 8 c 3 10
卫星导航与定位
GPS卫星信号的多普勒效应
• 所以，对于一固定用户来说，最大的多普勒频 移是±5 kHz。 • 如果地面GPS接收设备高速移动，就要考虑进 多普勒效应了。要单独产生一个±5 kHz的频率 范围，接收设备需以2078 m/h的速度相对卫星 运动，这个速度将包含最高速度的航空器。 – 因而，在设计GPS接收机时，如果接收机用 在低速设备，则认为载波频率的多普勒频移 范围在±5 kHz； – 相反地，如果用在高速设备，就要合理假定 其多普勒频移的范围在±10 kHz。
卫星导航与定位
GPS卫星信号的多普勒效应
• GPS导航信号的捕获，需要在±10kHz范围内搜 索实际导航信号的载波频率。
卫星导航与定位
2）C/A码的多普勒效应
• 由于C/A码频率非常低，所以C/A码上的多普勒 频移也是非常小的。C/A码的频率是1.023 MHz， 比载波频率低1540倍。 C/A码的多普勒频率为：
f c vh 1.023 106 929 f dc 3.2 Hz 8 c 3 10
• 如果接收机高速移动，这个值就得取双倍，为 6.4 Hz。得到的这个值对跟踪过程来说是至关重 要的，输入信号与本地产生数据必须要紧密对 齐，而C/A码的多普勒频移可能造成输入码与本
地生成码的不对齐。
卫星导航与定位
C/A码的多普勒效应
• 在跟踪过程中，期望本地生成信号与输入信号 未对齐的长度在半个码片时间（在977.5/2 = 488.75ns以内），若两个信号之间相差超过这个 长度，跟踪将失锁，即失去跟踪灵敏性。
卫星导航与定位
C/A码的多普勒效应
• C/A码多普勒频移6.4Hz，每一个CHIP时间为 977.5 ns，产生一个CHIP周期需要花费156.3 ms （1/6.4）。 – 对这句话的理解是：多普勒频移使C/A码的频 率由1.023×106变为1.023×106+6.4，即每秒 内多变化了6.4个周期，则多变化一个周期的 时间为(1/6.4) s= 156.3 ms 。
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
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
卫星定位信号 基带处理core ……
通道16： 捕获 跟踪 伪距测量 基带信息 信噪比
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SOC系统芯片
卫星导航与定位
GPS接收机基本原理
• 软件接收机
天线 基带信号处理 子帧识别
捕获 跟踪
RF链
模/数转换 器（ADC)
导航解算
硬件（RF前端 ）
软件（ 基带信号处理 、 导航解算 ）
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。 • 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）。
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 +1 -1
× 数据 + MOD 2 扩频码
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 CW-Continuous Wave。
输入信号 导航数据
x(t ) A C A (t ) D (t ) sin(2 f1t )
本地载 波复现
CA (t ) D(t ) sin( )
本地 C/ A 码复现
y (t ) D (t ) sin( )
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。 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。
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。
卫星导航与定位
卫星导航信号的捕获原理
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。 • 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。
卫星导航与定位
扩频通信 — 扩展频谱与解扩过程
卫星导航与定位
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。
卫星导航与定位
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。
卫星导航与定位
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， DSSS 扩频 即： SO / N O RCHIP G SI / N RDATA
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 46 dB
– 实际接收机能达到40dB左右！
卫星导航与定位
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。
卫星导航与定位
扩频码
• 白噪声的相关性：
( ) 0 r ( ) w(t )w(t ) dt 0 otherwise • 扩频码的相关性： k 0 N R ( k ) PN (i k ) PN (i ) i 0 1, r k 0
N
卫星导航与定位
GPS扩频码
• GPS系统采用1023 码长的GOLD码， 应为一个数据周期 为20ms，故连续使 用20个1023（供 20460个CHIP）码 字扩频。
• 扩频后的基带CHIP数据图示：
卫星导航与定位
GPS扩频码
• GPS系统相关器设计长度一般只有20460个 CHIP的一半，因为接受的GPS导航信号调制了 导航电文数据。 • 因为不知道导航电文数据的跳变沿，必须将 20ms数据分成两个10ms数据进行相关累积，必 有一个不包含数据的跳变沿的影响。
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）。
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
• 在GPS导航信号捕获时，设载波频率有一定偏差， 则输入到相关器的输入为：
A D (t ) C A (t ) cos( t ) • 相关器输出： Tcor ˆ (t ) cos( t )dt A D (t )C (t ) C
0
A
A
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
• 显然载波的频偏要小于相关器相关积分Tcor的倒 数，一般至少小于1/2Tcor。
Tcor 1ms 500 Hz f 1kHz Tcor 10 ms 50 Hz f 100 Hz
课堂练习Classroom work： 计算载波的频偏等于1/2Tcor时，对处理增益的 最小影响是多少dB?
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
课堂练习Classroom work： 基本思路：Ridea
R(t )
TCOR 0 TCOR
Tcor
0
A D(t ) CA (t ) CA Local (t ) dt A D(t ) Tcor
A D(t ) C A (t ) cos(2ft ) C A Local (t )dt Ridea Ridea cos(2ft )dt sin(2ft ) TCOR 2f TCOR 0
TCOR
0
Ridea sin(2f TCOR ) sin( ) 2f TCOR
卫星导航与定位
载波同步与多普勒频率窗
课堂练习Classroom work： • 在 0; f 0 : R(t ) Ridea • 在 0; f 1 2T COR
R(t )
TCOR TCOR
Ridea
2 TCOR sin sin 2TCOR
2sin Ridea 最小损益： 20log(2 / ) 1.9dB
卫星导航与定位
4、GPS卫星信号的多普勒效应
• 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
(5-1)
卫星导航与定位
1）GPS卫星信号的多普勒效应
• 卫星在位置S 处，用户在位 置A处，相对 用户的卫星角 速度vd 造成了 多普勒频移， 其中vd 值为：
vd vs sin
卫星导航与定位
GPS卫星信号的多普勒效应
• 根据卫星轨道速度，取水平方向的最大值， 得 到多普勒角速度的最大值为：
vd max
vs re 3874 6368 929m / s rs 26560
• 由于地面设施引起的多普勒频移通常非常小， 因此卫星运动引起了最大多普勒效应。对由C/A 码调制过的频率L1 (f =1575.42 MHz），最大的 频移为：
f r vdm 1575.42 929 f dr 4.9 kHz 8 c 3 10
卫星导航与定位
GPS卫星信号的多普勒效应
• 所以，对于一固定用户来说，最大的多普勒频 移是±5 kHz。 • 如果地面GPS接收设备高速移动，就要考虑进 多普勒效应了。要单独产生一个±5 kHz的频率 范围，接收设备需以2078 m/h的速度相对卫星 运动，这个速度将包含最高速度的航空器。 – 因而，在设计GPS接收机时，如果接收机用 在低速设备，则认为载波频率的多普勒频移 范围在±5 kHz； – 相反地，如果用在高速设备，就要合理假定 其多普勒频移的范围在±10 kHz。
卫星导航与定位
GPS卫星信号的多普勒效应
• GPS导航信号的捕获，需要在±10kHz范围内搜 索实际导航信号的载波频率。
卫星导航与定位
2）C/A码的多普勒效应
• 由于C/A码频率非常低，所以C/A码上的多普勒 频移也是非常小的。C/A码的频率是1.023 MHz， 比载波频率低1540倍。 C/A码的多普勒频率为：
f c vh 1.023 106 929 f dc 3.2 Hz 8 c 3 10
• 如果接收机高速移动，这个值就得取双倍，为 6.4 Hz。得到的这个值对跟踪过程来说是至关重 要的，输入信号与本地产生数据必须要紧密对 齐，而C/A码的多普勒频移可能造成输入码与本
地生成码的不对齐。
卫星导航与定位
C/A码的多普勒效应
• 在跟踪过程中，期望本地生成信号与输入信号 未对齐的长度在半个码片时间（在977.5/2 = 488.75ns以内），若两个信号之间相差超过这个 长度，跟踪将失锁，即失去跟踪灵敏性。
卫星导航与定位
C/A码的多普勒效应
• C/A码多普勒频移6.4Hz，每一个CHIP时间为 977.5 ns，产生一个CHIP周期需要花费156.3 ms （1/6.4）。 – 对这句话的理解是：多普勒频移使C/A码的频 率由1.023×106变为1.023×106+6.4，即每秒 内多变化了6.4个周期，则多变化一个周期的 时间为(1/6.4) s= 156.3 ms 。