GPS信号的捕获与跟踪

电子工程学院141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7-1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，并昀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。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电子工程学院142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，争取硬件实现的昀小化和软件实现的昀大化，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。滤波频率合成下变频器AGCADC基准振荡器天线RF前端数字中频RF捕获跟踪环路跟踪环路跟踪环路跟踪环路子帧识别星历数据及伪距位置解算用户接口软件程序DSP或通用PCLNA图7-2GPS软件接收机框图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，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。昀终，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电子工程学院143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，不同卫星发射的信号其载波频段和调制方式都一样，区别不同卫星的是它们的伪随机码不同。不仅是针对GPS系统，对于所有的码分多址（CDMA）系统，都会涉及到信号捕获问题，需要捕获的原因有以下几点：1．由于GPS系统所有卫星发射的信号共用相同的载波频率和信道时间，所以GPS接收机天线接收到的信号不可避免地混合了所有可能的卫星信号，而只有知道目前接收到的信号来自哪些卫星后，接收机才能对其进行跟踪并解调。从这个角度上说，捕获是GPS接收机内信号处理的第一步。2．GPS系统中导航电文和伪随机码相乘之后，对于C/A码和P码，原有的信号带宽分别从50Hz展宽到了2.046MHz或20.46MHz，根据香农定理2log(1/)CBSN=+可知，在噪声功率不变的前提下信号的功率可以降到很低的水平。在实际GPS系统中，接收机天线处接收到的信号功率相当微弱，信号电平往往比背景噪声电平还要低很多，或者可以说信号彻底的被噪声“淹没”了。在这种情况下，必须通过捕获和跟踪共同把微弱的GPS信号从噪声中提取出来。3．根据GPS信号的特点，必须利用伪随机码的强自相关性才能实现信号的跟踪和导航电文的解调，但信号能够实现跟踪的前提是先找到了正确的随机码相位，而接收机的上电时刻的随机性决定了其接收到的信号相位的随机性，所以必须由信号捕获告知信号的伪随机码相位。4．在GPS系统中，由于卫星是一直绕地球运动的，故必将产生多普勒效应，捕获的另外一个作用，就是提取出信号的载波频率。下面我们分析多普勒效应的产生：由前面章节介绍可知，GPS卫星的轨道是近圆轨道，我们可以把它近似看作是一个圆形（卫星轨道的离心率只有约0.01），其半径为26560km，卫星的周期大概是11小时58分钟。于是可以计算出卫星的平均角速度为42π/(1136005860)1.458510radsω−=×+×≈×(7-1)卫星平均运动速度为：4265601.458510rads3874m/svrω−=×=××≈(7-2)根据多普勒效应可知，如此高速运动必然会使接收机接收到的信号产生多普勒频移。卫星绕地球运行，相对于地球表面的某一点来说，其相对径向的速度分量不可能达到昀大的3874m/s，在相关文献中对这个问题有很详细的分析，其结论是卫星与地球表面的接收机之间相对运动的昀大径向速度dmv约为929m/s，由此计算出的可能的昀大多普勒频移为：68/1575.4210929/3104.9kHzdrrdmffvc=×=×××≈(7-3)电子工程学院144卫星导航原理与系统WEIXINGDAOHANGYUANLIYUXITONG式中，fr为L1频段载波频率，即1575.42MHz。除了卫星高速运动会产生多普勒频移外，由于接收机接收到的信号一般先与本地载波进行混频，下变频到中频后再进行后续信号处理，故接收机自身的时钟晶振偏差也会使下变频后的中频载频偏移理论值。如1ppm的16.368MHz晶振偏差就将导致大约1.6kHz的载频偏差。根据以上多普勒效应和晶振偏差的分析，在进行后续信号处理之前，提取出信号当前的载波频率就变得尤其重要，这也从另外一个角度证实了，信号捕获是GPS接收机内信号处理的第一步，也是极为关键的一步。GPS接收机中信号捕获可以看作是一个三维搜索的过程，如图7-3所示，第一维是从卫星（PRN码）的方向搜索；第二维是从伪随机码相位的方向搜索；第三维是从多普勒频移的方向搜索。图7-3捕获的三维搜索从PRN码的方向搜索，也就是搜索当前接收机能够接收到的卫星信号。如果接收机上电的时候对天空的GPS卫星分布一无所知，此时需要搜索的PRN码数目是32个，即搜索空中的32颗卫星，这种启动方式又称为“冷启动（coldstart）”，冷启动搜索PRN码耗费的时间昀长。为了避免这种“漫天搜星”，许多GPS接收机都存储上一次使用时定位的结果和星历，这样，在下一次使用时，可以根据上次使用时存储的数据来获知目前的可视卫星及其相应的参数，这就是“热启动（hotstart）”。但热启动的条件为使用时间间隔不超过两小时或是接收机位移不超过300Km，否则经验值失效。在“经验值”失效的情况下的启动便称为“温启动（warmstart），温启动要根据存储的星历来推算目前天顶的卫星。温启动的耗时介于热启动和冷启动之间。从伪随机码相位的方向搜索，首先需要产生本地伪码，通过调整不同的本地伪码相位，将本地伪码和输入信号做相关，假定本地载波频率与信号的载波一致，只有在本地伪随机码相位和信号的伪随机码相位对齐的情况下，才能产生昀强的相关值，一旦某一个本地伪码相电子工程学院145第七章GPS信号的捕获与跟踪位与信号做相关产生的峰值超过了预定门限，我们就可以认为找到了正确的信号伪随机码相位。从载波频率方向搜索，需要产生本地载波，不断调整载波频率并使载波信号与输入信号相乘。假定码相位对齐，如果本地载波和输入信号的载波很接近，输入信号中的高频分量就会被去除，这样伪码做相关的时候才会产生一个峰值。通过搜索峰值，即可以找到信号的载波频率。在实际的信号捕获中，伪码相位的搜索和载波频率的搜索是同时进行和完成的。如果仅仅只完成了伪码相位的搜索，而载波分量依然存在，则将输入信号和本地伪码相乘后，虽然完成了伪码剥离，但相对于积分时间而言依然是高频信号，对高频信号积分不会得到一个很高的峰值；反之，如果仅仅完成了载波频率的搜索，而伪码依然存在，则输入信号和本地载波相乘之后虽然变成了低频信号，但伪码的存在使得信号依然是扩频信号，通过积分器后依然不会出现高的峰值。只有同时完成伪码剥离和载波剥离之后，得到一个低频连续波信号，通过积分器才会出现比较高的峰值。在GPS接收机中，捕获就是完成这样一个三维搜索，提取出以下三个参数，完成捕获的过程后，再将这三个信息传送到跟踪部分，就可以对信号开始跟踪过程。z信号中存在哪些卫星的信号，即存在哪些PRN码调制的信号；z对每一个存在的PRN码信号，提取其多普勒频移；z对每一个存在的PRN码信号，提取其伪码相位。7.2.2捕获关键参数分析1．卫星搜索的数量卫星搜索的数量范围是0~32颗，搜索的卫星数量越多，可能捕获到的卫星就越多，但同时总的计算量也增大，捕获的总耗时可能会增加。卫星搜索数量对捕获精度没有影响，但要完成GPS定位，必须要能成功捕获到4颗或更多颗卫星。搜索可见卫星有两种方式。一种方式是利用用户位置估计值、GPS时间估计值和昀近几天内的历书，计算出卫星的位置，然后确定哪颗卫星为可见卫星。如果用户在地球表面，昀多有11颗可见卫星。另一种方式是“满天搜索”，即搜索所有可能的卫星PRN码，当没有可以采用的历书时就只能采用这种方式。第一种方式耗时短，效率高，但是需要历书的辅助，第二种方式耗时长，效率低，但是不需要历书。2．捕获使用数据的长度在捕获过程中，使用的数据越长可以得到的信噪比就越好，即捕获效果就越好，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：一个是导航电文的跳变；另一个是C/A码的多普勒效应。由于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。但是GPS信号有时比较微弱，只用1ms的数据进行捕获，则需要较高的设备灵敏度，而且还容易产生较高的误判。由于导航电文