GPS信号的捕获与跟踪.pdf

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1、第七章GPS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。7.1GPS软件接收机目前广泛使用的GPS接收机一般均基于ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）结构，又称为硬件接收机，结构如图7

2、-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

3、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。电子工程学院图7-1GPS传统硬件接收机框图软件无线电（SoftwareRadio）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

4、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141卫星导航原理与系统WEIXINGDAOHANGYUANLIYUXITONG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

5、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。软件程序天线捕获AGC滤RF下变跟踪环路LNAADC跟踪环路波频器跟踪环路子帧识别数跟踪环路字频率中合成频RF前端星历数据位置解算及伪距基准振荡器DSP或通用PC用户接口图7-2GPS软件接收机框

6、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，电子工程学院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

7、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142第七章GPS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。7.2GPS信号的捕获7.2.1GPS信号捕获原理信号捕

8、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