李玉柏衛(wèi)星導(dǎo)航與定位007-衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲(第五版)

1、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 第七講：衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲第七講：衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲 各種捕獲算法衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位7.1 導(dǎo)航接收機(jī)框架導(dǎo)航接收機(jī)框架 7.2 導(dǎo)航信號捕獲原理導(dǎo)航信號捕獲原理7.3 導(dǎo)航信號捕獲的基礎(chǔ)理論導(dǎo)航信號捕獲的基礎(chǔ)理論7.4 導(dǎo)航信號的多普勒效應(yīng)導(dǎo)航信號的多普勒效應(yīng)7.5 導(dǎo)航信號捕獲的考慮導(dǎo)航信號捕獲的考慮7.6 導(dǎo)航信號的捕獲方法導(dǎo)航信號的捕獲方法 7.7 導(dǎo)航信號頻率的精確估計導(dǎo)航信號頻率的精確估計 第七章：衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲第七章：衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位1、GPS接收機(jī)基本框架接收機(jī)基本框架 GPS接收機(jī)包括接收機(jī)包括天線、

2、射頻接收處理通道、自適天線、射頻接收處理通道、自適應(yīng)量化的高速應(yīng)量化的高速ADC、數(shù)字基帶處理、數(shù)字基帶處理幾個部分。其幾個部分。其中，中，GPS數(shù)字處理完成導(dǎo)航定位信號的基帶處理數(shù)字處理完成導(dǎo)航定位信號的基帶處理和定位應(yīng)用處理。和定位應(yīng)用處理。 導(dǎo)航信號的基帶處理包括導(dǎo)航信號捕獲、跟蹤、導(dǎo)航信號的基帶處理包括導(dǎo)航信號捕獲、跟蹤、偽導(dǎo)航信號拾取和解碼，以及偽距測量等。偽導(dǎo)航信號拾取和解碼，以及偽距測量等。 定位基帶處理包括定位基帶處理包括定位解算、位置信息濾波、信定位解算、位置信息濾波、信息格式處理，以及后端應(yīng)用核解決方案的底層軟息格式處理，以及后端應(yīng)用核解決方案的底層軟件開發(fā)件開發(fā)等，通常由

3、等，通常由SOC處理器完成。處理器完成。 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位GPS接收機(jī)基本原理接收機(jī)基本原理 基于基于ASIC實(shí)現(xiàn)的基帶處理實(shí)現(xiàn)的基帶處理SOC系統(tǒng)芯片系統(tǒng)芯片 衛(wèi)星定位信號衛(wèi)星定位信號 基帶處理基帶處理coreLNA射頻射頻處理處理中頻中頻處理處理AGCADC通道通道1：捕獲捕獲跟蹤跟蹤偽距測量偽距測量基帶信息基帶信息信噪比信噪比通道通道2：捕獲捕獲跟蹤跟蹤偽距測量偽距測量基帶信息基帶信息信噪比信噪比通道通道16：捕獲捕獲跟蹤跟蹤偽距測量偽距測量基帶信息基帶信息信噪比信噪比位同步和位同步和BCH譯碼、加解密處理、數(shù)據(jù)預(yù)處理譯碼、加解密處理、數(shù)據(jù)預(yù)處理ARM處理器處理器操作系統(tǒng)操作

4、系統(tǒng)解算預(yù)航跡處理解算預(yù)航跡處理衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位GPS接收機(jī)基本原理接收機(jī)基本原理 軟件接收機(jī)軟件接收機(jī)RFRF鏈鏈模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換器器（ADCADC) )捕獲捕獲跟蹤跟蹤子幀識別子幀識別導(dǎo)航解算導(dǎo)航解算天線天線硬件硬件（RFRF前端前端 ）軟件軟件（基帶信號處理基帶信號處理 、 導(dǎo)航解算導(dǎo)航解算）基帶信號處理基帶信號處理衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位2、衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理、衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理 為了解碼為了解碼GPS信號信號, 首先要捕獲到首先要捕獲到GPS信號。將信號。將捕獲到的捕獲到的GPS信號的參數(shù)立刻傳遞給跟蹤過程，信號的參數(shù)立刻傳遞給跟蹤過程，再通過跟蹤過程便

5、可得到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。再通過跟蹤過程便可得到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。 GPS衛(wèi)星處于高速運(yùn)動中，因此，其導(dǎo)航信號會衛(wèi)星處于高速運(yùn)動中，因此，其導(dǎo)航信號會產(chǎn)生多普勒頻移。為覆蓋高速衛(wèi)星預(yù)期中的所有產(chǎn)生多普勒頻移。為覆蓋高速衛(wèi)星預(yù)期中的所有多普勒頻率范圍，捕獲方法覆蓋的頻率范圍必須多普勒頻率范圍，捕獲方法覆蓋的頻率范圍必須在在10 kHz之內(nèi)。之內(nèi)。 GPS導(dǎo)航信號到達(dá)用戶位置較微弱，因此通過擴(kuò)導(dǎo)航信號到達(dá)用戶位置較微弱，因此通過擴(kuò)頻處理，接收信號時需要進(jìn)行相關(guān)獲得擴(kuò)頻增益，頻處理，接收信號時需要進(jìn)行相關(guān)獲得擴(kuò)頻增益，因此需要搜索衛(wèi)星的擴(kuò)頻碼，即測距碼因此需要搜索衛(wèi)星的擴(kuò)頻碼，即測距碼CA碼的碼的起始位置

6、（又稱為起始位置（又稱為CA碼相位）。碼相位）。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理 捕獲與跟蹤過程所用到的數(shù)據(jù)都是從原始的衛(wèi)星捕獲與跟蹤過程所用到的數(shù)據(jù)都是從原始的衛(wèi)星信號經(jīng)過下變頻器（即與中頻混頻）之后收集到信號經(jīng)過下變頻器（即與中頻混頻）之后收集到的，其中頻（的，其中頻（IF）頻率為）頻率為 fIF , 采樣頻率采樣頻率 fs（比如（比如為為5 MHz）的數(shù)字信號。）的數(shù)字信號。+1- 1+1- 1擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) + MOD 2 載波波形載波波形DSSS 調(diào)制后波形調(diào)制后波形衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理

7、 一旦捕獲到一旦捕獲到GPS信號，立刻去測量兩個重要參信號，立刻去測量兩個重要參數(shù)：數(shù)： C/A碼的起始點(diǎn)和載波頻率碼的起始點(diǎn)和載波頻率（因?yàn)槎嗥绽疹l（因?yàn)槎嗥绽疹l移而變化）。捕獲過程就是要找到移而變化）。捕獲過程就是要找到C/A碼的起始碼的起始點(diǎn)，并利用找到的起始點(diǎn)展開點(diǎn)，并利用找到的起始點(diǎn)展開C/A碼頻譜，一旦碼頻譜，一旦復(fù)現(xiàn)了復(fù)現(xiàn)了C/A碼的頻譜，碼的頻譜， 輸出信號將變成連續(xù)波輸出信號將變成連續(xù)波CW-Continuous Wave。本地載本地載 波復(fù)現(xiàn)波復(fù)現(xiàn) 本地本地 C C/ / A A碼復(fù)現(xiàn)碼復(fù)現(xiàn)輸入信號輸入信號導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)1( )( ) ( )sin(2)Ax tA Ct

8、D tf t( ) ( )sin()AC t D t( )( )sin()y tD t衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對導(dǎo)航空間信號的捕獲過程要衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對導(dǎo)航空間信號的捕獲過程要完成兩個參量的捕獲：碼相位、載波頻率。完成兩個參量的捕獲：碼相位、載波頻率。 第一：第一：碼相位搜索，碼相位搜索，當(dāng)當(dāng)C/A碼相位對齊時，碼相位對齊時，碼相關(guān)器有一個大的自相關(guān)值。碼相關(guān)器有一個大的自相關(guān)值。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理 第二：載波頻率搜索，所以搜索過程是一個第二：載波頻率搜索，所以搜索過程是一個二

9、維搜索。二維搜索。當(dāng)當(dāng)CA相位對準(zhǔn)時，剝離相位對準(zhǔn)時，剝離CA碼后在碼后在一個數(shù)據(jù)內(nèi)是一個數(shù)據(jù)內(nèi)是CW信號（信號（20ms），因此在頻域），因此在頻域上有一個大的分量；上有一個大的分量； 所以搜索過程是一個二維搜索。所以搜索過程是一個二維搜索。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲原理 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位3、GPS衛(wèi)星信號捕獲的相關(guān)理論衛(wèi)星信號捕獲的相關(guān)理論 擴(kuò)展頻譜通信擴(kuò)展頻譜通信Spread Spectrum Communication簡稱擴(kuò)頻通信，其特點(diǎn)是傳輸信息所用的帶寬遠(yuǎn)簡稱擴(kuò)頻通信，其特點(diǎn)是傳輸信息所用的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬。大于信息本身帶

10、寬。 擴(kuò)頻通信技術(shù)的基本特性：擴(kuò)頻通信技術(shù)的基本特性： 抗干擾性能好；抗干擾性能好； 單位帶寬上的功率小，隱蔽性強(qiáng)、干擾??；單位帶寬上的功率小，隱蔽性強(qiáng)、干擾??； 易于實(shí)現(xiàn)碼分多址。易于實(shí)現(xiàn)碼分多址。1）擴(kuò)頻通信）擴(kuò)頻通信 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信 擴(kuò)展頻譜與解擴(kuò)過程擴(kuò)展頻譜與解擴(kuò)過程 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信-直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻 擴(kuò)頻通信可以獲得較高的抗干擾和抗阻塞特性，擴(kuò)頻通信可以獲得較高的抗干擾和抗阻塞特性，即對于窄帶干擾有抑制作用。即對于窄帶干擾有抑制作用。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 2）擴(kuò)頻增益）擴(kuò)頻增益 擴(kuò)頻通信可以獲得較高的抗干擾和

11、抗阻塞特性，擴(kuò)頻通信可以獲得較高的抗干擾和抗阻塞特性，即對于窄帶干擾有抑制作用。即對于窄帶干擾有抑制作用。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位擴(kuò)頻增益擴(kuò)頻增益 擴(kuò)頻增益：擴(kuò)頻增益：又稱為處理增益，定義為接收機(jī)相關(guān)又稱為處理增益，定義為接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器的輸入信噪比之比，器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器的輸入信噪比之比，即：即：/DSSSOOCHIPIDATASNRGSNR擴(kuò)頻衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位擴(kuò)頻增益擴(kuò)頻增益 對于對于GPS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)流系統(tǒng)，數(shù)據(jù)流50bit/s，擴(kuò)頻后，擴(kuò)頻后CHIP速率速率為為1.023Mbit/s，理論上擴(kuò)頻的處理增益為：，理論上擴(kuò)頻的處理增益為：10230

12、00/502046046GdB倍倍 實(shí)際接收機(jī)能達(dá)到實(shí)際接收機(jī)能達(dá)到40dB左右！左右！衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位3）擴(kuò)頻碼）擴(kuò)頻碼 什么樣的碼序列作為擴(kuò)頻碼什么樣的碼序列作為擴(kuò)頻碼? 偽隨機(jī)碼！偽隨機(jī)碼！ 偽隨機(jī)碼最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號的偽隨機(jī)碼最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號的性能。因?yàn)樵肼暰哂型耆碾S機(jī)性，也可以說具性能。因?yàn)樵肼暰哂型耆碾S機(jī)性，也可以說具有近似于噪聲的性能。有近似于噪聲的性能。 實(shí)際產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號來近似隨機(jī)實(shí)際產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號來近似隨機(jī)噪聲的性能，故稱為偽隨機(jī)碼或噪聲的性能，故稱為偽隨機(jī)碼或PN碼；碼； 常用常用M序列或序列或GOLD碼。

13、碼。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位( )0( )() ( )0rw tw t dtotherwise 擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻碼 白噪聲的相關(guān)性：白噪聲的相關(guān)性：00( )()( )1,0NiNkR kPN ik PN irk 擴(kuò)頻碼的相關(guān)性：擴(kuò)頻碼的相關(guān)性：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位GPS擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻碼 GPS系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用1023碼長的碼長的GOLD碼，碼，應(yīng)為一個數(shù)據(jù)周期應(yīng)為一個數(shù)據(jù)周期為為20ms，故連續(xù)使，故連續(xù)使用用20個個1023（供（供20460個個CHIP）碼）碼字?jǐn)U頻。字?jǐn)U頻。 擴(kuò)頻后的基帶擴(kuò)頻后的基帶CHIP數(shù)據(jù)圖示：數(shù)據(jù)圖示： 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位GPS擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻碼 GPS系

14、統(tǒng)相關(guān)器設(shè)計長度一般只有系統(tǒng)相關(guān)器設(shè)計長度一般只有20460個個CHIP的一半，因?yàn)榻邮艿牡囊话?，因?yàn)榻邮艿腉PS導(dǎo)航信號調(diào)制了導(dǎo)航信號調(diào)制了導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。 因?yàn)椴恢缹?dǎo)航電文數(shù)據(jù)的跳變沿，必須將因?yàn)椴恢缹?dǎo)航電文數(shù)據(jù)的跳變沿，必須將20ms數(shù)據(jù)分成兩個數(shù)據(jù)分成兩個10ms數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)累積，必數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)累積，必有一個不包含數(shù)據(jù)的跳變沿的影響。有一個不包含數(shù)據(jù)的跳變沿的影響。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位4）載波同步與多普勒頻率窗）載波同步與多普勒頻率窗 移動通信存在多普勒頻率，在接受需要進(jìn)行載波移動通信存在多普勒頻率，在接受需要進(jìn)行載波捕獲與同步，捕獲與同步，GPS導(dǎo)航信號處理也

15、不例外。導(dǎo)航信號處理也不例外。 載波捕獲的方法有兩種：載波捕獲的方法有兩種： 按一定步長按一定步長f 搜索；或者搜索；或者FFT計算；計算； 按步長按步長f 搜索捕獲時，在頻率搜索捕獲時，在頻率fi 載有超過門限載有超過門限的相關(guān)峰，即接收的導(dǎo)航信號載頻為：的相關(guān)峰，即接收的導(dǎo)航信號載頻為：:/ 2ifff 步長步長f 決定了搜索時間，它取決于相關(guān)器相關(guān)決定了搜索時間，它取決于相關(guān)器相關(guān)積分的時間長度，是很重要的參數(shù)，稱為多普勒積分的時間長度，是很重要的參數(shù)，稱為多普勒頻率窗（大?。ｎl率窗（大?。?。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位載波同步與多普勒頻率窗載波同步與多普勒頻率窗 在在GPS導(dǎo)航信號捕

16、獲時，設(shè)載波頻率有一定偏差，導(dǎo)航信號捕獲時，設(shè)載波頻率有一定偏差，則輸入到相關(guān)器的輸入為：則輸入到相關(guān)器的輸入為： 相關(guān)器輸出：相關(guān)器輸出：( )( ) cos()AA D tCtt0( )( )( ) cos()corTAAA D t CtCttdt衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位載波同步與多普勒頻率窗載波同步與多普勒頻率窗 顯然載波的頻偏要小于相關(guān)器相關(guān)積分顯然載波的頻偏要小于相關(guān)器相關(guān)積分Tcor的倒的倒數(shù)，一般至少小于數(shù)，一般至少小于1/2Tcor。150011050100corcorTmsHzfkHzTmsHzfHz 課堂練習(xí)課堂練習(xí)Classroom work： 計算載波的頻偏等于計算

17、載波的頻偏等于1/2Tcor時，對處理增益的時，對處理增益的最小影響是多少最小影響是多少dB?衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位載波同步與多普勒頻率窗載波同步與多普勒頻率窗 課堂練習(xí)課堂練習(xí)Classroom work： 基本思路：基本思路：0( )( )( )( )corTideaAA LocalcorRA D tC tCt dtA D t T000( )( )( )cos(2)( )cos(2)sin(2)2sin(2) sin( )2CORCORCORTAA LocalTTideaideaCORCORideaCORCORR tA D tC tftCt dtRRftdtftTf TRfTf T

18、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位載波同步與多普勒頻率窗載波同步與多普勒頻率窗 課堂練習(xí)課堂練習(xí)Classroom work： 在在0;0:( )ideafR tR 在在10;2CORfT2( )sinsin22sin20log(2/ )1.9ideaCORCORCORCORideaRR tTTTTRdB最小損益：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位(5-1) 4265601.458 103874/ssr dvkmm sdt421.458 10/11 360058 602.05drad sdt4、GPS衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng)衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng) GPS衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一周的時間是衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一周的時間是11h

19、58min 2.05s， 從衛(wèi)星軌道的近似半徑可以求得衛(wèi)星的從衛(wèi)星軌道的近似半徑可以求得衛(wèi)星的角速度角速度d/dt和運(yùn)動速度和運(yùn)動速度vs： 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位1）GPS衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng)衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng) 衛(wèi)星在位置衛(wèi)星在位置S處，用戶在位處，用戶在位置置A處，相對處，相對用戶的衛(wèi)星角用戶的衛(wèi)星角速度速度vd 造成了造成了多普勒頻移，多普勒頻移， 其中其中vd 值為：值為： sindsvv衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位emaxs3874 6368929m/s26560sdv rvr GPS衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng)衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng) 根據(jù)衛(wèi)星軌道速度，取水平方向的最大值，根據(jù)衛(wèi)星軌道

20、速度，取水平方向的最大值， 得得到多普勒角速度的最大值為：到多普勒角速度的最大值為： 81575.42 9294.93 10rdmdrf vfkHzc 由于地面設(shè)施引起的多普勒頻移通常非常小，由于地面設(shè)施引起的多普勒頻移通常非常小，因此衛(wèi)星運(yùn)動引起了最大多普勒效應(yīng)。對由因此衛(wèi)星運(yùn)動引起了最大多普勒效應(yīng)。對由C/A碼調(diào)制過的頻率碼調(diào)制過的頻率L1 (f =1575.42 MHz），最大的），最大的頻移為：頻移為： 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 GPS衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng)衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng) 所以，對于一固定用戶來說，最大的多普勒頻所以，對于一固定用戶來說，最大的多普勒頻移是移是5 kHz。 如果

21、地面如果地面GPS接收設(shè)備高速移動，就要考慮進(jìn)接收設(shè)備高速移動，就要考慮進(jìn)多普勒效應(yīng)了。要單獨(dú)產(chǎn)生一個多普勒效應(yīng)了。要單獨(dú)產(chǎn)生一個5 kHz的頻率的頻率范圍，接收設(shè)備需以范圍，接收設(shè)備需以2078 m/h的速度相對衛(wèi)星的速度相對衛(wèi)星運(yùn)動，這個速度將包含最高速度的航空器。運(yùn)動，這個速度將包含最高速度的航空器。 因而，在設(shè)計因而，在設(shè)計GPS接收機(jī)時，如果接收機(jī)用接收機(jī)時，如果接收機(jī)用在低速設(shè)備，則認(rèn)為載波頻率的多普勒頻移在低速設(shè)備，則認(rèn)為載波頻率的多普勒頻移范圍在范圍在5 kHz； 相反地，如果用在高速設(shè)備，就要合理假定相反地，如果用在高速設(shè)備，就要合理假定其多普勒頻移的范圍在其多普勒頻移的范圍

22、在10 kHz。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 GPS衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng)衛(wèi)星信號的多普勒效應(yīng) GPS導(dǎo)航信號的捕獲，需要在導(dǎo)航信號的捕獲，需要在10kHz范圍內(nèi)搜范圍內(nèi)搜索實(shí)際導(dǎo)航信號的載波頻率。索實(shí)際導(dǎo)航信號的載波頻率。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 2）C/A碼的多普勒效應(yīng)碼的多普勒效應(yīng) 由于由于C/A碼頻率非常低，所以碼頻率非常低，所以C/A碼上的多普勒碼上的多普勒頻移也是非常小的。頻移也是非常小的。C/A碼的頻率是碼的頻率是1.023 MHz，比載波頻率低比載波頻率低1540倍。倍。 C/A碼的多普勒頻率為：碼的多普勒頻率為： 681.023 109293.23 10chdcf vfHz

23、c 如果接收機(jī)高速移動，這個值就得取雙倍，為如果接收機(jī)高速移動，這個值就得取雙倍，為6.4 Hz。得到的這個值對跟蹤過程來說是至關(guān)重。得到的這個值對跟蹤過程來說是至關(guān)重要的，輸入信號與本地產(chǎn)生數(shù)據(jù)必須要緊密對要的，輸入信號與本地產(chǎn)生數(shù)據(jù)必須要緊密對齊，而齊，而C/A碼的多普勒頻移可能造成輸入碼與本碼的多普勒頻移可能造成輸入碼與本地生成碼的不對齊。地生成碼的不對齊。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位C/A碼的多普勒效應(yīng)碼的多普勒效應(yīng) 在跟蹤過程中，期望本地生成信號與輸入信號在跟蹤過程中，期望本地生成信號與輸入信號未對齊的長度在半個碼片時間（在未對齊的長度在半個碼片時間（在977.5/2 = 488.7

24、5ns以內(nèi)），若兩個信號之間相差超過這個以內(nèi)），若兩個信號之間相差超過這個長度，跟蹤將失鎖，即失去跟蹤靈敏性。長度，跟蹤將失鎖，即失去跟蹤靈敏性。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位C/A碼的多普勒效應(yīng)碼的多普勒效應(yīng) C/A碼多普勒頻移碼多普勒頻移6.4Hz，每一個，每一個CHIP時間為時間為977.5 ns，產(chǎn)生一個，產(chǎn)生一個CHIP周期需要花費(fèi)周期需要花費(fèi)156.3 ms（1/6.4）。）。 對這句話的理解是：多普勒頻移使對這句話的理解是：多普勒頻移使C/A碼的頻碼的頻率由率由1.023106變?yōu)樽優(yōu)?.023106+6.4，即每秒，即每秒內(nèi)多變化了內(nèi)多變化了6.4個周期，則多變化一個周期的個周期

25、，則多變化一個周期的時間為時間為(1/6.4) s= 156.3 ms 。 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位C/A碼的多普勒效應(yīng)碼的多普勒效應(yīng) 工程上輸入信號的調(diào)整時間定義為在最大多普工程上輸入信號的調(diào)整時間定義為在最大多普勒頻率時產(chǎn)生勒頻率時產(chǎn)生Ts/2的時間變化。的時間變化。 5MHz采樣近似在采樣近似在16ms 100 156.3/977.5就要進(jìn)就要進(jìn)行調(diào)整。工程上一般每行調(diào)整。工程上一般每20 ms選擇一批輸入信號選擇一批輸入信號進(jìn)行跟蹤調(diào)整。對一個低速導(dǎo)航器來說，這個時進(jìn)行跟蹤調(diào)整。對一個低速導(dǎo)航器來說，這個時間可拓寬到間可拓寬到40 ms。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位C/A碼的多普勒

26、效應(yīng)碼的多普勒效應(yīng) 課堂練習(xí)：課堂練習(xí)： 計算衛(wèi)星俯仰角為計算衛(wèi)星俯仰角為45度是，度是，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號衛(wèi)星導(dǎo)航信號L1的載波多普勒頻率和的載波多普勒頻率和CA碼多普勒頻率！碼多普勒頻率！2erserrhsin2657/dssesvvv rrm s衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位5、GPS衛(wèi)星信號捕獲的其他考慮衛(wèi)星信號捕獲的其他考慮 1）捕獲時的最大連續(xù)相關(guān)捕獲電文長度）捕獲時的最大連續(xù)相關(guān)捕獲電文長度 GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)50bit/s，擴(kuò)展，擴(kuò)展20個個CA碼碼20460個個CHIP，在已知導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)沿石最長捕獲電，在已知導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)沿石最長捕獲電文長度為文長度為20ms。 在未知導(dǎo)航

27、電文數(shù)據(jù)沿，為了保證捕獲電文中在未知導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)沿，為了保證捕獲電文中不含有數(shù)據(jù)偏移，需要用兩組連續(xù)的電文來捕不含有數(shù)據(jù)偏移，需要用兩組連續(xù)的電文來捕獲，獲， 這個電文最大長度是這個電文最大長度是10ms。如果使用兩。如果使用兩組連續(xù)的組連續(xù)的10ms電文來捕獲，電文來捕獲， 就保證了在某一就保證了在某一組電文中不含導(dǎo)航數(shù)據(jù)相位偏移。組電文中不含導(dǎo)航數(shù)據(jù)相位偏移。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位捕獲時的最大電文相關(guān)長度捕獲時的最大電文相關(guān)長度 限制電文長度的第二個因素是限制電文長度的第二個因素是C/A碼的多普勒效應(yīng)。碼的多普勒效應(yīng)。如果理想相關(guān)峰值是如果理想相關(guān)峰值是1，當(dāng)，當(dāng)C/A碼超前或滯后在

28、碼超前或滯后在1/2碼時以內(nèi)，相關(guān)的峰值將降為碼時以內(nèi)，相關(guān)的峰值將降為0.5，對應(yīng)地，幅值，對應(yīng)地，幅值下降下降6 dB。 假定未對準(zhǔn)的假定未對準(zhǔn)的C/A碼允許在半個碼時（碼允許在半個碼時（488.75ns）內(nèi)，內(nèi)，C/A碼上預(yù)期的最大多普勒頻移是碼上預(yù)期的最大多普勒頻移是6.4 Hz， 那那么兩個相差么兩個相差6.4 Hz的頻率變化半個碼時需要的頻率變化半個碼時需要78 ms， 這個數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于這個數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于10 ms。n 結(jié)論：捕獲相關(guān)時間（連續(xù)積分）最大結(jié)論：捕獲相關(guān)時間（連續(xù)積分）最大10ms。 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位捕獲時的最大電文相關(guān)長度捕獲時的最大電文相關(guān)長度 在最大捕獲相

29、關(guān)時間（連續(xù)積分在最大捕獲相關(guān)時間（連續(xù)積分10ms ）時擴(kuò)頻）時擴(kuò)頻增益為：增益為：101023040msGdb倍 為了獲得更大的處理增益，還可以對多次連續(xù)積為了獲得更大的處理增益，還可以對多次連續(xù)積分進(jìn)行累加獲得處理增益，稱為分進(jìn)行累加獲得處理增益，稱為非連續(xù)積分。非連續(xù)積分。 由于不連續(xù)，不具有相關(guān)性，不是累加多少由于不連續(xù)，不具有相關(guān)性，不是累加多少次就獲得多少倍增益；次就獲得多少倍增益； 由于時間持續(xù)長，多普勒頻率偏差影響大，由于時間持續(xù)長，多普勒頻率偏差影響大，實(shí)際非連續(xù)積分獲得的增益較小。實(shí)際非連續(xù)積分獲得的增益較小。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位2）捕獲中的頻率步長）捕獲中的頻率

30、步長 捕獲時的另一個考慮因素是捕獲中剝離載波所需捕獲時的另一個考慮因素是捕獲中剝離載波所需的頻率。多普勒頻率范圍是的頻率。多普勒頻率范圍是10 kHz，決定覆蓋，決定覆蓋這這20 kHz范圍的步進(jìn)頻率非常重要。范圍的步進(jìn)頻率非常重要。 步進(jìn)頻率的大小與捕獲中的連續(xù)相關(guān)的電文長度步進(jìn)頻率的大小與捕獲中的連續(xù)相關(guān)的電文長度緊密相關(guān)：緊密相關(guān)：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位2）捕獲中的頻率步長）捕獲中的頻率步長 顯然頻偏相距顯然頻偏相距1個周期，相關(guān)器就沒有相關(guān)峰；個周期，相關(guān)器就沒有相關(guān)峰；如果兩者小于如果兩者小于1個周期，個周期， 則它們有部分相關(guān)性。則它們有部分相關(guān)性。如果電文記錄長度為如果電文

31、記錄長度為1 ms，為了保持最大頻率相，為了保持最大頻率相離在離在0.5個周期，步進(jìn)頻率須為個周期，步進(jìn)頻率須為1 kHz。 如果電文記錄長度為如果電文記錄長度為10 ms，100 Hz的搜索步進(jìn)的搜索步進(jìn)頻率就可以滿足要求。頻率就可以滿足要求。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位捕獲中的頻率步長捕獲中的頻率步長 捕獲中的操作執(zhí)行次數(shù)與總的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不是成線捕獲中的操作執(zhí)行次數(shù)與總的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不是成線性比例關(guān)系：性比例關(guān)系： 當(dāng)電文長度從當(dāng)電文長度從1 ms上升到上升到10 ms時，電文長度上時，電文長度上升升10倍，頻率點(diǎn)數(shù)目也上升了倍，頻率點(diǎn)數(shù)目也上升了10倍，倍， 捕獲所需捕獲所需的操作次數(shù)上升了超

32、過的操作次數(shù)上升了超過100倍。倍。 因此，實(shí)際捕獲時，因此，實(shí)際捕獲時， 如果強(qiáng)調(diào)捕獲的速度的話，如果強(qiáng)調(diào)捕獲的速度的話，相關(guān)捕獲電文長度需保持在最小值。相關(guān)捕獲電文長度需保持在最小值。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位6、GPS衛(wèi)星信號的捕獲方法衛(wèi)星信號的捕獲方法1） 傳統(tǒng)捕獲方法傳統(tǒng)捕獲方法 捕獲的基本思想就是捕獲的基本思想就是找到載波頻率。找到載波頻率。如果相位正確的如果相位正確的C/A碼與輸入信號相乘，輸入信號碼與輸入信號相乘，輸入信號將變成一個連續(xù)信號。這個過程有時稱做輸入信號將變成一個連續(xù)信號。這個過程有時稱做輸入信號的的C/A碼剝離。碼剝離。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位傳統(tǒng)捕獲方法傳

33、統(tǒng)捕獲方法 一旦輸入變成連續(xù)信號，通過傅立葉變換可以一旦輸入變成連續(xù)信號，通過傅立葉變換可以知曉其頻率。如果輸入電文長是知曉其頻率。如果輸入電文長是1 ms，則傅立，則傅立葉變換的頻率分辨率為葉變換的頻率分辨率為1 kHz（ 500Hz）。）。 可以設(shè)置一個閾值，即一個門限來判斷一個頻可以設(shè)置一個閾值，即一個門限來判斷一個頻率分量是否足夠大，高于這個門限的最高頻率率分量是否足夠大，高于這個門限的最高頻率分量就是要找的頻率。分量就是要找的頻率。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位傳統(tǒng)捕獲方法傳統(tǒng)捕獲方法 為了搜索為了搜索1 ms的電文，的電文， 輸入電文與本地產(chǎn)生數(shù)字輸入電文與本地產(chǎn)生數(shù)字化的化的C/A

34、碼必須彼此相對移動碼必須彼此相對移動N次（次（1ms/Ts），每），每一次相乘結(jié)果使用一次相乘結(jié)果使用FFT運(yùn)算，共操作運(yùn)算，共操作N次。次。 N = 1ms/Ts = 1ms/(1/5MHz) = 5000 在頻域共有在頻域共有N個輸出，每個輸出中個輸出，每個輸出中 10kHz以內(nèi)的以內(nèi)的頻譜頻譜，尋找最高頻率分量。，尋找最高頻率分量。 對于對于5MHz采樣情況下采樣情況下 總輸出可以降低到總輸出可以降低到105000 (N21= 500021)個。通過這種方法，個。通過這種方法，可以找出時間分辨率為可以找出時間分辨率為200 ns(1/5 MHz)的的C/A碼起始點(diǎn)。同時，由于碼起始點(diǎn)。同

35、時，由于FFT的頻率分辨率為的頻率分辨率為1 kHz，估計的載波頻率精度為，估計的載波頻率精度為500Hz。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位傳統(tǒng)捕獲方法傳統(tǒng)捕獲方法 FFT算法圖示：算法圖示：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位傳統(tǒng)捕獲方法傳統(tǒng)捕獲方法 傳統(tǒng)捕獲的傳統(tǒng)捕獲的FFT算法，采樣并行計算非常耗資源，算法，采樣并行計算非常耗資源，串行計算中串行計算中FFT計算要非常的快。計算要非常的快。 我們并不需要所有我們并不需要所有FFT結(jié)果，只需要結(jié)果，只需要 10kHz范圍范圍的結(jié)果，共的結(jié)果，共21個頻譜值。因此，也可以建議采用個頻譜值。因此，也可以建議采用DFT方法直接計算。方法直接計算。衛(wèi)星導(dǎo)航與定

36、位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位傳統(tǒng)捕獲方法傳統(tǒng)捕獲方法 DFT算法圖示：算法圖示：2( )( )if tACA tCte串行模式（串行模式（CA碼相位捕獲）碼相位捕獲）（多普勒頻率）（多普勒頻率）（并行處理）（并行處理）DFT計算計算衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位傳統(tǒng)捕獲方法傳統(tǒng)捕獲方法課堂練習(xí)課堂練習(xí) 假設(shè)采樣頻率為假設(shè)采樣頻率為5MHz，采用串行，采用串行CA捕獲技術(shù)，捕獲技術(shù)，分別計算分別計算FFT計算和計算和DFT計算的運(yùn)算量，運(yùn)算計算的運(yùn)算量，運(yùn)算量單位用量單位用MIPS表示！表示！ 要在一次采樣內(nèi)完成：要在一次采樣內(nèi)完成：1/5/:/ 2lglgsTMSa sFFTNNNNN ：,:時時間間運(yùn)運(yùn)算

37、算：對對應(yīng)應(yīng)相相乘乘:lg/ 2 15;lg5178.6307.2TotalNNMNNMGOPSGOPS 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位2）循環(huán)相關(guān)捕獲方法）循環(huán)相關(guān)捕獲方法 我們使用循環(huán)相關(guān)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)器工作，直接實(shí)現(xiàn)我們使用循環(huán)相關(guān)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)器工作，直接實(shí)現(xiàn)CA碼相位的并行捕獲。碼相位的并行捕獲。 循環(huán)相關(guān)的運(yùn)算法則：循環(huán)相關(guān)的運(yùn)算法則：1011(2)/00*( )( )( )( ) ()( )( ) ()( )()( )( )( )( )( )( )NmNNjknNnmz nx ny nx m y nmZ kx m y nm eY k XkY k Xkif x m is realz nIFF

38、T Y k Xk衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 循環(huán)相關(guān)捕獲方法循環(huán)相關(guān)捕獲方法 上面討論了循環(huán)相關(guān)的運(yùn)算法則，利用這些運(yùn)算上面討論了循環(huán)相關(guān)的運(yùn)算法則，利用這些運(yùn)算法則就可以執(zhí)行法則就可以執(zhí)行CA碼的并行捕獲了；碼的并行捕獲了； 在實(shí)際捕獲中，循環(huán)相關(guān)算法只需要一組輸入電在實(shí)際捕獲中，循環(huán)相關(guān)算法只需要一組輸入電文，比如文，比如1ms/2ms/10ms等長度的導(dǎo)航電文。輸入等長度的導(dǎo)航電文。輸入電文經(jīng)過電文經(jīng)過5 MHz的的ADC(模擬模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換器)采樣存采樣存儲在存儲器中；儲在存儲器中； 實(shí)際上，只需要實(shí)際上，只需要1 ms的輸入電文用來尋找的輸入電文用來尋找C/A碼的碼的起始

39、點(diǎn)，可以計算出其搜索頻率分辨率，即步進(jìn)起始點(diǎn)，可以計算出其搜索頻率分辨率，即步進(jìn)頻率是頻率是1 kHz。 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 循環(huán)相關(guān)捕獲方法循環(huán)相關(guān)捕獲方法 對對1ms的輸入電文的輸入電文x(n)進(jìn)行快速傅立葉變換進(jìn)行快速傅立葉變換FFT，將輸入轉(zhuǎn)換到頻域，值為，將輸入轉(zhuǎn)換到頻域，值為X(k)；取取X(k)的復(fù)共軛，值為的復(fù)共軛，值為X(k)*；利用下式，產(chǎn)生利用下式，產(chǎn)生21個本地碼個本地碼 lki (n) ( i = 1, 2, , 21)，本地碼包含了衛(wèi)星，本地碼包含了衛(wèi)星 k 的的C/A碼和一個復(fù)射碼和一個復(fù)射頻信號的乘積，頻信號的乘積， 本地碼的頻率本地碼的頻率fi 相距

40、相距1kHz;對對lki (n)進(jìn)行進(jìn)行FFT變換到頻域中，值為變換到頻域中，值為Lki (m)。2( )ijf tkiklCA t e衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 循環(huán)相關(guān)捕獲方法循環(huán)相關(guān)捕獲方法 將將X(m)*與與Lki (m)點(diǎn)對點(diǎn)相乘，結(jié)果為點(diǎn)對點(diǎn)相乘，結(jié)果為Rki (m)。對對Rki (m)進(jìn)行反傅立葉變換，變換到時域中的值進(jìn)行反傅立葉變換，變換到時域中的值為為rki (n)，得到其絕對值，得到其絕對值| rki (n)| ，總共有，總共有500021個個| rki (n)| 。 在輸入電文在輸入電文200ns的時間分辨率和載波頻率為的時間分辨率和載波頻率為1kHz分辨率的條件下，分

41、辨率的條件下，| rki (n)|最大值中的第最大值中的第n位位和第和第i個載波頻率芯給出了個載波頻率芯給出了C/A碼的初始點(diǎn)。碼的初始點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 循環(huán)相關(guān)捕獲方法循環(huán)相關(guān)捕獲方法 循環(huán)相關(guān)捕獲示意圖：循環(huán)相關(guān)捕獲示意圖：對齊后輸出對齊后輸出本地本地CA碼碼衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位循環(huán)相關(guān)捕獲方法循環(huán)相關(guān)捕獲方法 課堂練習(xí)課堂練習(xí) 假設(shè)采樣頻率為假設(shè)采樣頻率為5MHz，采用循環(huán)相關(guān)捕獲方法，采用循環(huán)相關(guān)捕獲方法 ，計算運(yùn)算量，運(yùn)算量單位用計算運(yùn)算量，運(yùn)算量單位用MIPS表示。表示。 要在一次采樣的要在一次采樣的5000個點(diǎn)內(nèi)完成：個點(diǎn)內(nèi)完成：5000 1/5/11/1

42、121()21.5lg43lg21TMSa smsKHzFFTFFTIFFTNNNNN ：, 時時間間運(yùn)運(yùn)算算對對應(yīng)應(yīng)相相乘乘各各種種FFTFFT衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位循環(huán)相關(guān)捕獲方法循環(huán)相關(guān)捕獲方法 課堂練習(xí)課堂練習(xí) 假設(shè)采樣頻率為假設(shè)采樣頻率為5MHz，采用循環(huán)相關(guān)捕獲方法，采用循環(huán)相關(guān)捕獲方法 ，計算運(yùn)算量，運(yùn)算量單位用計算運(yùn)算量，運(yùn)算量單位用MIPS表示。表示。43:lg2111.426;243lg126422.642NTotalNNKGOPSNNKMOPSGOPS 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位3）循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法）循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法 循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法就是傅立葉變

43、換循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法就是傅立葉變換FFT的長度可以減小一半。循環(huán)相關(guān)方法的第的長度可以減小一半。循環(huán)相關(guān)方法的第(3)步步產(chǎn)生本地碼產(chǎn)生本地碼lki (n)，由于，由于lki (n)是復(fù)量，故其頻譜是復(fù)量，故其頻譜是不對稱的，是不對稱的， 但其信息包含在前半頻譜圖中，但其信息包含在前半頻譜圖中，后半部分只含有非常少量的信息。從而，循環(huán)后半部分只含有非常少量的信息。從而，循環(huán)相關(guān)的捕獲方法可以做如下修改：相關(guān)的捕獲方法可以做如下修改：對對1ms的輸入電文的輸入電文x(n)進(jìn)行快速傅立葉變換進(jìn)行快速傅立葉變換FFT，將輸入轉(zhuǎn)換到頻域，值為，將輸入轉(zhuǎn)換到頻域，值為X(k)； 取取X(k)的復(fù)共軛

44、，值為的復(fù)共軛，值為X(k)*； 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法 產(chǎn)生產(chǎn)生21個本地碼個本地碼 lki (n) ( i = 1, 2, , 21)，本地碼，本地碼包含了衛(wèi)星包含了衛(wèi)星 k 的的C/A碼和一個復(fù)射頻信號的乘積，碼和一個復(fù)射頻信號的乘積， 本地碼的頻率本地碼的頻率fi 相距相距1kHz; 對對lki (n)進(jìn)行進(jìn)行FFT變換到頻域中，值為變換到頻域中，值為Lki (m)。 Lki (m)后半部只含有少量信息，后半部只含有少量信息， 因此，取前半因此，取前半部分的部分的Lki (m)與與X(m)*點(diǎn)對點(diǎn)相乘，結(jié)果為點(diǎn)對點(diǎn)相乘，結(jié)果為Rki (

45、m)，m=1, 2, , 2500。對對Rki (m)進(jìn)行反傅立葉變換，變換到時域中的進(jìn)行反傅立葉變換，變換到時域中的值為值為rki (n)，得到其絕對值，得到其絕對值| rki (n)| ，總共有，總共有250021個個| rki (n)| 。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法循環(huán)相關(guān)捕獲的改進(jìn)方法 在輸入電文在輸入電文400ns的時間分辨率和載波頻率為的時間分辨率和載波頻率為1kHz分辨率的條件下，分辨率的條件下，| rki (n)|最大值中的第最大值中的第n位和第位和第i個載波頻率，給出了個載波頻率，給出了C/A碼的初始點(diǎn)和碼的初始點(diǎn)和多普勒頻率初值。多普勒頻率初值。由于

46、這種方法尋找由于這種方法尋找C/A碼起始點(diǎn)的時間分辨率是碼起始點(diǎn)的時間分辨率是400 ns，可以通過比較第，可以通過比較第n位的幅值與位的幅值與(n-1)和和(n+1)位幅值，位幅值， 將分辨率提高到將分辨率提高到200ns。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位4）延遲與累積捕獲方法）延遲與累積捕獲方法 基于延遲與累積的捕獲方法是為了去除輸入信基于延遲與累積的捕獲方法是為了去除輸入信號中的頻率信息。去除了頻率信息，只需用本號中的頻率信息。去除了頻率信息，只需用本地地C/A產(chǎn)生碼去尋找輸入信號產(chǎn)生碼去尋找輸入信號C/A碼的起始點(diǎn)。碼的起始點(diǎn)。2( )( )jfts tCA t e22()2( ) ()(

47、 )()( ),( )( )()jftjf tjfnns t s tCA t CA teeC t eC tCA t CA t 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 延遲與累積捕獲方法延遲與累積捕獲方法 Gold Code與其延遲的乘積可以看做是一個與其延遲的乘積可以看做是一個“新碼新碼”，也屬于戈爾德碼家族，利用其自，也屬于戈爾德碼家族，利用其自相關(guān)可找到相關(guān)可找到“新碼新碼”的起始點(diǎn)。的起始點(diǎn)?！靶麓a新碼”的起始點(diǎn)與的起始點(diǎn)與C/A碼的起始點(diǎn)相同。碼的起始點(diǎn)相同。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 延遲與累積捕獲方法延遲與累積捕獲方法 延遲相乘結(jié)果有意思的地方在于它的頻率不變延遲相乘結(jié)果有意思的地方在于它

48、的頻率不變性，即頻率變化不受其他變量支配，因?yàn)樾?，即頻率變化不受其他變量支配，因?yàn)?f 和和都都是常量，是常量， 因而因而e j2f項(xiàng)是常量，因此，只需項(xiàng)是常量，因此，只需搜索搜索“新碼新碼”的起始點(diǎn)。的起始點(diǎn)。這種方法要求輸入信號是復(fù)量，由于采集的這種方法要求輸入信號是復(fù)量，由于采集的輸入電文都是實(shí)數(shù)，輸入電文都是實(shí)數(shù)， 因而相關(guān)計算是復(fù)數(shù)格因而相關(guān)計算是復(fù)數(shù)格式式 一般一般I/Q正交接收得到復(fù)數(shù)格式。正交接收得到復(fù)數(shù)格式。相關(guān)運(yùn)算一旦找到相關(guān)運(yùn)算一旦找到“新碼新碼”其起始點(diǎn)，其起始點(diǎn)，CA碼碼就可對齊，然后剝離就可對齊，然后剝離CA碼的信號經(jīng)碼的信號經(jīng)FFT或或DFT得到多普勒頻率。得到多

49、普勒頻率。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 延遲與累積捕獲方法延遲與累積捕獲方法 為避免將實(shí)數(shù)信號轉(zhuǎn)化成復(fù)數(shù)信號的額外計算，為避免將實(shí)數(shù)信號轉(zhuǎn)化成復(fù)數(shù)信號的額外計算， 可以采用如下方法可以采用如下方法：( )( )cos(2)s tCA tft( ) ()( )()sin(2)sin 2()( ) cos(2)cos2(2) /2ssns t s tC t C tftf tC tfft 延遲相乘結(jié)果包含一個直流項(xiàng)和一個高頻項(xiàng)。延遲相乘結(jié)果包含一個直流項(xiàng)和一個高頻項(xiàng)。 通常，高頻可以直接用濾波器濾去。通常，高頻可以直接用濾波器濾去。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 延遲與累積捕獲方法延遲與累積捕獲方法

50、cos(2)f 為使延遲累積方法可用，為使延遲累積方法可用， 必須接近單必須接近單位位1。理論上，很難做到這點(diǎn)，因?yàn)轭l率。理論上，很難做到這點(diǎn)，因?yàn)轭l率f 未知，未知，然而，由于頻率在一定范圍之內(nèi)，選擇一個延然而，由于頻率在一定范圍之內(nèi)，選擇一個延遲時間來滿足這個條件是完全可能的。遲時間來滿足這個條件是完全可能的。2( , )1( )()KAAffKy tCt Ct 一一般般選選擇擇 和和接接收收中中頻頻 滿滿足足: :則則：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 延遲與累積捕獲方法延遲與累積捕獲方法 例如：例如：2IFf通常可選擇：通?？蛇x擇：1.25,5400IFsfMHz fMHzns636cos

51、(2)cos 2 (1.25 1010 10 ) 400 100.9997f 輸入電文用輸入電文用5 MHz 數(shù)字化，采樣時間是數(shù)字化，采樣時間是200ns。 在這個條件下，在這個條件下， 。如果。如果頻率偏離頻率偏離10 kHz，其相關(guān)值非常接近，其相關(guān)值非常接近1：cos(2)cos1f 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位5）長記錄電文的相干處理）長記錄電文的相干處理 尋找弱信號的方法通常是增加捕獲的電文長度，尋找弱信號的方法通常是增加捕獲的電文長度，這樣做的好處是提高了信噪比這樣做的好處是提高了信噪比：對此的一個簡單解釋是，長對此的一個簡單解釋是，長2ms的電文的的電文的FFT產(chǎn)生產(chǎn)生500H

52、z的頻率分辨率，而的頻率分辨率，而1ms的電的電文的文的FFT產(chǎn)生產(chǎn)生1kHz的頻率分辨率。的頻率分辨率。由于信號在頻譜展開后帶寬窄，因而信號強(qiáng)由于信號在頻譜展開后帶寬窄，因而信號強(qiáng)度并不會因?yàn)橄鄬φ念l率分辨率而降低，度并不會因?yàn)橄鄬φ念l率分辨率而降低，降低頻率分辨率帶寬反而將噪聲降低了一半，降低頻率分辨率帶寬反而將噪聲降低了一半，因此，信噪比上升了因此，信噪比上升了3dB。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位長記錄電文的相干處理長記錄電文的相干處理 通常通常GPS可以連續(xù)積分電文長度達(dá)到可以連續(xù)積分電文長度達(dá)到10ms，此，此時，時，5MHz采樣數(shù)據(jù)時采樣數(shù)據(jù)時50000，直接進(jìn)行，直接進(jìn)行FF

53、T計計算，運(yùn)算量大。算，運(yùn)算量大。長記錄電文相干處理的思想是利用很少的數(shù)長記錄電文相干處理的思想是利用很少的數(shù)據(jù)點(diǎn)執(zhí)行快速傅立葉變換據(jù)點(diǎn)執(zhí)行快速傅立葉變換(FFT)。假設(shè)本地假設(shè)本地C/A碼的相位對準(zhǔn)，如果接收信號已碼的相位對準(zhǔn)，如果接收信號已變成零中頻，則接收信號與本地變成零中頻，則接收信號與本地C/A相乘輸出相乘輸出將變成連續(xù)信號，由多普勒效應(yīng)引起的最大頻將變成連續(xù)信號，由多普勒效應(yīng)引起的最大頻率范圍在率范圍在10 kHz。對于帶寬對于帶寬20 kHz，用，用2.5倍的頻率倍的頻率50 kHz來采來采樣，樣，10 ms的電文只需要的電文只需要500個數(shù)據(jù)點(diǎn)。個數(shù)據(jù)點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航

54、與定位長記錄電文的相干處理長記錄電文的相干處理 為此，為此， 對于對于5 MHz采樣的中頻采樣的中頻1.25MHz的接收的接收信號，乘上信號，乘上1.25MHz本地載波與本地本地載波與本地C/A，輸出，輸出產(chǎn)生產(chǎn)生50,000個數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以每個數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以每100個數(shù)據(jù)點(diǎn)取一個數(shù)據(jù)點(diǎn)取一次平均值，然后進(jìn)行次平均值，然后進(jìn)行DFT計算。計算。這個取均值的過程等價于一個低通濾波器，這個取均值的過程等價于一個低通濾波器，去除了乘法運(yùn)算后的去除了乘法運(yùn)算后的2.5 MHz連續(xù)信號中的高連續(xù)信號中的高頻分量，和接收機(jī)接收到的各種噪聲信號。頻分量，和接收機(jī)接收到的各種噪聲信號。取均值運(yùn)算就是累積的過程，在

55、取均值運(yùn)算就是累積的過程，在GPS接收機(jī)接收機(jī)中經(jīng)常使用積分中經(jīng)常使用積分-清零濾波器。清零濾波器。.衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位長記錄電文的相干處理長記錄電文的相干處理 這個方法用這個方法用10ms的電文的例子說明：的電文的例子說明：將將10ms長的輸入信號與本地生成長的輸入信號與本地生成1.25 MHz的本的本地載波信號相乘，其輸出包括最大頻率是地載波信號相乘，其輸出包括最大頻率是 10 kHz的低頻輸出和頻率近似為的低頻輸出和頻率近似為2.5 MHz的高頻分的高頻分量。如果是用量。如果是用5 MHz采樣，采樣， 10ms輸出結(jié)果將得輸出結(jié)果將得到到50,000個數(shù)據(jù)點(diǎn)；個數(shù)據(jù)點(diǎn)；將這些輸

56、出數(shù)據(jù)與將這些輸出數(shù)據(jù)與10ms長的長的C/A碼碼50,000個個數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)相乘；數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)相乘； 將每將每100個相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)取其均值，變成一個新的個相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)取其均值，變成一個新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這個過程濾去了頻率近似為數(shù)據(jù)點(diǎn)，這個過程濾去了頻率近似為2.5 MHz的高頻分量。的高頻分量。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位長記錄電文的相干處理長記錄電文的相干處理 對新產(chǎn)生的對新產(chǎn)生的500個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行FFT變換，找到頻率變換，找到頻率內(nèi)的最高輸出，這個操作產(chǎn)生的頻率輸出中，只內(nèi)的最高輸出，這個操作產(chǎn)生的頻率輸出中，只有有250個頻譜輸出有用。個頻譜輸出有用。 將本地產(chǎn)生的將本地產(chǎn)生的CA碼相對

57、接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)移動一個碼相對接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)移動一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后重復(fù)步驟數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后重復(fù)步驟(3)和和(4)。由于。由于C/A碼周期碼周期是是1毫秒，我們需要該操作毫秒，我們需要該操作5000次（對應(yīng)次（對應(yīng)1ms采樣采樣數(shù)據(jù)變化），而非數(shù)據(jù)變化），而非50,000次。次。 在頻域中，總共得到在頻域中，總共得到1.25106 (2505000)個輸出，個輸出， 大于預(yù)置門限值的最高幅值就是期望值，從這個大于預(yù)置門限值的最高幅值就是期望值，從這個值可以得到值可以得到C/A碼的起始點(diǎn)和多普勒頻移，碼的起始點(diǎn)和多普勒頻移， 由此由此得到的頻率分辨率是得到的頻率分辨率是100 Hz。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與

58、定位長記錄電文的相干處理長記錄電文的相干處理 盡管上述方法簡單易懂，但循環(huán)相關(guān)的捕獲方法盡管上述方法簡單易懂，但循環(huán)相關(guān)的捕獲方法也可以用很少的操作來達(dá)到同樣的目的。也可以用很少的操作來達(dá)到同樣的目的。 隨堂練習(xí)：隨堂練習(xí)： 請分別計算出請分別計算出10ms的電文的相干處理算法、的電文的相干處理算法、以及循環(huán)相關(guān)處理算法各自的運(yùn)算量！以及循環(huán)相關(guān)處理算法各自的運(yùn)算量！ 要在一次采樣的要在一次采樣的50000個點(diǎn)內(nèi)完成：個點(diǎn)內(nèi)完成：50000 1/5/101/100TMSa smsHz：時時間間衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位長記錄電文的相干處理長記錄電文的相干處理 相干處理算法相干處理算法:771

59、)50000;()2)50000;()3)50000;()50004)250lg500;500lg500;():26.126 1010026.12627.241 1010027.241IFCAFilterFFTtotalGIPSGIPS 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位長記錄電文的相干處理長記錄電文的相干處理 循環(huán)相關(guān)處理算法循環(huán)相關(guān)處理算法:1201()201.5lg403lg201FFTFFTIFFTNNNNN , 對對應(yīng)應(yīng)相相乘乘各各種種FFTFFT:50000 (201201.5 15.6) 10016.68350000 403 15.6 10031.434totalGIPSGIPS 衛(wèi)星

60、導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位7、精頻估計的基本概念、精頻估計的基本概念 從從1ms電文中得到的頻率分辨率大約是電文中得到的頻率分辨率大約是1kHz，對，對跟蹤環(huán)來說，這個值太粗糙了。適合跟蹤過程的跟蹤環(huán)來說，這個值太粗糙了。適合跟蹤過程的頻率必須在幾十頻率必須在幾十Hz之內(nèi)。之內(nèi)。通常，跟蹤環(huán)的頻寬是幾通常，跟蹤環(huán)的頻寬是幾Hz，用，用DFT(或或FFT)計計算精細(xì)頻率算精細(xì)頻率Fine Frequency是不可取的。因?yàn)闉槭遣豢扇〉?。因?yàn)闉榱说玫搅说玫?0 Hz的分辨率，需的分辨率，需100 ms的電文記錄，的電文記錄，如果如果5MHz采樣，采樣，100 ms就有就有500,000個數(shù)據(jù)點(diǎn)，個數(shù)