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
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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 接收机 通道 接收机 通道 接收机 通道 接收机 通道 接收机 通道 Receiver 通道 接收机 channel 通道
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。
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频率搜索步长与数据长度的关系
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搜索捕获原理
起始位置估计
Incoming code
Generated code
Correlation 0 1 2 3 4 5 6 7
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捕获原理
载频估计
Correlation 1 2 3 4 5 6 7 8
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二阶锁相环的特性

自然频率

阻尼系数
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二阶锁相环的特性

噪声带宽

自然频率与噪声带宽的关系
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阻尼系数
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噪声带宽
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Frequency offsets is 20 Hz
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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
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延迟锁定环基本结构
接收到的GPS信号
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载波跟踪环
解扩频后的信号
I、Q支路的输出
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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
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鉴相器
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鉴相器
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载波跟踪环的输出
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锁相环
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滤波器前的鉴相器输出
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滤波器后的鉴相器输出
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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
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
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GPS卫星信号
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GPS中的多普勒频移
2 / (11 3600 58 60)
1.4585 10 rad / s
卫星周期11小时58分
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r 26560 1.4585 10
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码跟踪环结构
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Байду номын сангаас
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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
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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。
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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
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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
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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
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载波跟踪环
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码相位鉴别器
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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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3874m / s
卫星轨道半径26560km
4
4
GPS中的多普勒频移
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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：
fCAvd max 1575.5 929 f dr 4.9kHz 8 c 3 10
。
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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
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串行搜索捕获方法
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串行搜索捕获方法
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串行搜索捕获方法
FFT频域捕获方法
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PRN code demodulation
Incoming signal
Local PRN code
Result of multiplication