第七章GPS信號(hào)的捕獲與跟蹤

1、 1GPSGPS信號(hào)捕獲與跟蹤信號(hào)捕獲與跟蹤 pGPSGPS信號(hào)的組成信號(hào)的組成pGPSGPS信號(hào)捕獲的兩個(gè)參數(shù)信號(hào)捕獲的兩個(gè)參數(shù)p捕獲原理及步驟捕獲原理及步驟pGPSGPS信號(hào)的跟蹤信號(hào)的跟蹤p載頻跟蹤載頻跟蹤p碼跟蹤碼跟蹤School of Electronic Engineering 2接收機(jī)接收機(jī)通道通道Receiverchannel接收機(jī)接收機(jī)通道通道接收機(jī)接收機(jī)通道通道接收機(jī)接收機(jī)通道通道接收機(jī)接收機(jī)通道通道接收機(jī)接收機(jī)通道通道射頻射頻前端前端A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器捕獲捕獲接收機(jī)接收機(jī)通道通道用戶位置用戶位置計(jì)算計(jì)算碼碼跟蹤跟蹤載頻載頻跟蹤跟蹤數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位同步同步解碼解碼導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)航數(shù)

2、據(jù)讀取讀取衛(wèi)星位置衛(wèi)星位置計(jì)算計(jì)算偽距偽距捕獲和跟蹤在接收機(jī)中的位置捕獲和跟蹤在接收機(jī)中的位置 3GPS衛(wèi)星信號(hào)衛(wèi)星信號(hào) 4GPS中的多普勒頻移中的多普勒頻移42/(11 360058 60)1.4585 10/rad s衛(wèi)星周期11小時(shí)58分426560 1.4585 103874/rm s 衛(wèi)星軌道半徑26560km 5GPS中的多普勒頻移中的多普勒頻移 6在衛(wèi)星可能引起多普勒效應(yīng)的方向上的最大速度：在衛(wèi)星可能引起多普勒效應(yīng)的方向上的最大速度：C/A信號(hào)的載頻：信號(hào)的載頻： 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的最大多普勒頻：衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的最大多普勒頻：max929dvm s1575.42CAfMHzmax815

3、75.5 9294.93 10CA ddrf vfkHzc衛(wèi)星造成的多普勒頻移衛(wèi)星造成的多普勒頻移 7捕獲的三維搜索捕獲的三維搜索 8捕獲的三維搜索捕獲的三維搜索p信號(hào)中存在哪些衛(wèi)星的信號(hào)，即存在哪些信號(hào)中存在哪些衛(wèi)星的信號(hào)，即存在哪些PRN碼調(diào)制的信號(hào)；碼調(diào)制的信號(hào)；p對(duì)每一個(gè)存在的對(duì)每一個(gè)存在的PRN碼信號(hào)，提取其多普碼信號(hào)，提取其多普勒頻移；勒頻移；p對(duì)每一個(gè)存在的對(duì)每一個(gè)存在的PRN碼信號(hào)，提取其偽碼碼信號(hào)，提取其偽碼相位。相位。 9GPS信號(hào)捕獲的關(guān)鍵參數(shù)信號(hào)捕獲的關(guān)鍵參數(shù)p衛(wèi)星搜索的數(shù)量衛(wèi)星搜索的數(shù)量p捕獲使用數(shù)據(jù)的長度捕獲使用數(shù)據(jù)的長度 p載波頻率搜索范圍和頻率搜索步長載波頻率搜

4、索范圍和頻率搜索步長p碼相位搜索空間，碼相位搜索步長碼相位搜索空間，碼相位搜索步長 10衛(wèi)星搜索的數(shù)量衛(wèi)星搜索的數(shù)量p衛(wèi)星搜索的數(shù)量范圍：衛(wèi)星搜索的數(shù)量范圍：032顆顆 ；p衛(wèi)星搜索數(shù)量對(duì)捕獲精度沒有影響衛(wèi)星搜索數(shù)量對(duì)捕獲精度沒有影響;p必須能成功捕獲到必須能成功捕獲到4顆或更多顆衛(wèi)星顆或更多顆衛(wèi)星; p兩種搜索方式：兩種搜索方式：n利用星歷搜索方式：利用用戶位置估計(jì)值、利用星歷搜索方式：利用用戶位置估計(jì)值、GPS時(shí)間估計(jì)值和最近幾天內(nèi)的歷書，計(jì)算出時(shí)間估計(jì)值和最近幾天內(nèi)的歷書，計(jì)算出衛(wèi)星的位置，然后確定哪顆衛(wèi)星為可見衛(wèi)星衛(wèi)星的位置，然后確定哪顆衛(wèi)星為可見衛(wèi)星 ；n滿天搜索方式：搜索所有可能的

5、衛(wèi)星滿天搜索方式：搜索所有可能的衛(wèi)星PRN碼碼。 11捕獲使用數(shù)據(jù)的長度捕獲使用數(shù)據(jù)的長度 p使用的數(shù)據(jù)越長，捕獲效果就越好，但使用較長的使用的數(shù)據(jù)越長，捕獲效果就越好，但使用較長的數(shù)據(jù)必然會(huì)使運(yùn)算量增加；數(shù)據(jù)必然會(huì)使運(yùn)算量增加；p限制捕獲使用的數(shù)據(jù)長度的因素有兩個(gè)：導(dǎo)航電文限制捕獲使用的數(shù)據(jù)長度的因素有兩個(gè)：導(dǎo)航電文的跳變和的跳變和C/A碼的多普勒效應(yīng)；碼的多普勒效應(yīng)；pC/A碼的周期是碼的周期是1ms，所以至少需要，所以至少需要1ms的數(shù)據(jù)才的數(shù)據(jù)才能完成捕獲操作。能完成捕獲操作。p導(dǎo)航電文每個(gè)數(shù)據(jù)位的長度是導(dǎo)航電文每個(gè)數(shù)據(jù)位的長度是20ms或者說是或者說是20個(gè)個(gè)C/A碼的長度碼的長度p

6、選用選用10ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲時(shí)，可以不用考慮的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲時(shí)，可以不用考慮C/A碼碼多普勒頻移的影響。多普勒頻移的影響。 12頻率搜索步長與數(shù)據(jù)長度的關(guān)系頻率搜索步長與數(shù)據(jù)長度的關(guān)系 130 1 2 3 4 5 6 7 搜索捕獲原理搜索捕獲原理IncomingcodeGeneratedcodeCorrelation起始位置估計(jì)起始位置估計(jì) 14 捕獲原理捕獲原理1 2 3 4 5 6 7 8Correlation載頻估計(jì)載頻估計(jì) 15串行搜索捕獲方法串行搜索捕獲方法 16串行搜索捕獲方法串行搜索捕獲方法串行搜索捕獲方法串行搜索捕獲方法 18FFT頻域捕獲方法頻域捕獲方法 19School o

7、f Electronic EngineeringPRN code demodulationIncoming signalLocal PRN codeResult of multiplicationFFT頻域捕獲方法頻域捕獲方法基于循環(huán)相關(guān)的快速捕獲方法基于循環(huán)相關(guān)的快速捕獲方法 基于循環(huán)相關(guān)的快速捕獲方法基于循環(huán)相關(guān)的快速捕獲方法 23快速算法的改進(jìn)快速算法的改進(jìn) 24GPS信號(hào)的跟蹤信號(hào)的跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)是動(dòng)態(tài)變化的，變化包括：p多普勒效應(yīng)引起載波頻率發(fā)生動(dòng)態(tài)偏移；多普勒效應(yīng)引起載波頻率發(fā)生動(dòng)態(tài)偏移；p偽隨機(jī)碼的起始時(shí)間回隨著衛(wèi)星與接收機(jī)偽隨機(jī)碼的起始時(shí)間回隨著衛(wèi)星與接收機(jī)間距離的變化而變

8、化間距離的變化而變化。 兩個(gè)跟蹤環(huán)：載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán) 25載波跟蹤環(huán)載波跟蹤環(huán)接收到的接收到的GPS信號(hào)信號(hào) 26載波跟蹤環(huán)載波跟蹤環(huán)解擴(kuò)頻后的信號(hào)解擴(kuò)頻后的信號(hào)I、Q支路的輸出支路的輸出 27載波跟蹤環(huán)載波跟蹤環(huán)噪聲信號(hào)的表示噪聲信號(hào)的表示積分、去高頻的后的積分、去高頻的后的I、Q支路的輸出支路的輸出 28鑒相器鑒相器 29鑒相器鑒相器 30載波跟蹤環(huán)的輸出載波跟蹤環(huán)的輸出 31鎖相環(huán)鎖相環(huán) 32濾波器前的鑒相器輸出 33濾波器后的鑒相器輸出 34p 環(huán)路濾波器和環(huán)路濾波器和VCO的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)p環(huán)路傳遞函數(shù)環(huán)路傳遞函數(shù) 二階鎖相環(huán)的特性 35p 自然頻率自然頻率p 阻尼系數(shù)阻尼系

9、數(shù) 二階鎖相環(huán)的特性 36p 噪聲帶寬噪聲帶寬p自然頻率與噪聲帶寬的關(guān)系自然頻率與噪聲帶寬的關(guān)系 二階鎖相環(huán)的特性 37阻尼系數(shù) 38噪聲帶寬 39School of Electronic EngineeringFrequency offsets is 20 Hz 40School of Electronic Engineering 41School of Electronic Engineering 42Code Tracking: Three local codes are generated and correlated with the incoming signal碼跟蹤環(huán)碼跟蹤環(huán)-延遲鎖定環(huán)延遲鎖定環(huán) 43碼跟蹤環(huán)碼跟蹤環(huán)-延遲鎖定環(huán)延遲鎖定環(huán) 44延遲鎖定環(huán)延遲鎖定環(huán)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 45碼跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)碼跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu) 46School of Electronic Engineering 47School of Electronic Engineering 48School of Electronic Engineering 49Sch