导航与定位技术李晋遥测遥控10

1、gpsgps与与gisgis技术技术(6)(6)电子工程学院电子工程学院 2第七章 gps信号捕获与跟踪 主要内容主要内容7.1 gps7.1 gps信号的组成信号的组成7.2 gps7.2 gps信号捕获的两个参数信号捕获的两个参数7.3 7.3 捕获原理及步骤捕获原理及步骤7.4 gps7.4 gps信号的跟踪信号的跟踪7.5 7.5 载频跟踪载频跟踪7.6 7.6 码跟踪码跟踪 3信号捕获和跟踪在接收机中的位置信号捕获和跟踪在接收机中的位置接收机接收机通道通道receiverchannel接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道接收机接收机通道通道

2、射频射频前端前端a/d转换器转换器捕获捕获接收机接收机通道通道用户位置用户位置计算计算码码跟踪跟踪载频载频跟踪跟踪数据位数据位同步同步解码解码导航数据导航数据读取读取卫星位置卫星位置计算计算伪距伪距接收机通道接收机通道 47.1 gps信号的组成信号的组成u导航数据导航数据u伪随机码伪随机码u载波载波0( )2( ) ( )cos(2)cs tpd t c tf t 57.1 gps信号的组成信号的组成u导航数据导航数据 是卫星以二进制码的形式发送给用户的导航定是卫星以二进制码的形式发送给用户的导航定位数据，是用户用来定位和导航的数据基础。位数据，是用户用来定位和导航的数据基础。主要包括：主要

3、包括：卫星星历，时钟更正，电离层时延更卫星星历，时钟更正，电离层时延更正，工作状态信息，正，工作状态信息，c/ac/a码转换到码转换到p p码的信息，码的信息，全部卫星的概略星历全部卫星的概略星历 67.1 gps信号的组成信号的组成u伪随机码的参数及作用伪随机码的参数及作用1.码长是码长是 1023 码片码片2.时长是时长是1ms3.码率是码率是1.023mcps4.有有32组伪随机码被分配到组伪随机码被分配到 gps 卫星上卫星上5.用以对卫星进行编号用以对卫星进行编号6.接收机用以区分来自不同卫星的信号接收机用以区分来自不同卫星的信号 77.1 gps信号的组成信号的组成u载波载波载波是

4、指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。 gps信号中有信号中有2个载波：个载波：l1和和l2l1载波：载波：l2载波：载波：11575.42lfmhz21227.6lfmhz 87.1 gps信号的组成信号的组成u载波载波l1载波上有载波上有c/a码和码和p码；码；l2载波上只有载波上只有p码。码。对对gps信号的接收首先需要完成对信号的接收首先需要完成对c/a码的捕获，然码的捕获，然后再通过后再通过c/a码实现对码实现对p码的捕获，因此码的捕获，因此c/a码的捕码的捕获是根本，也是这里讨论的对象。获是根本，也是这里讨论的对象。 97.1 gps

5、信号的组成信号的组成载波载波导航导航数据数据加载数据加载数据的载波的载波20ms1ms1 data bit 107.1 gps信号的组成信号的组成加载数据加载数据的载波的载波生成生成信号信号prn码码 11两个重要参数两个重要参数：u多普勒频移多普勒频移u伪随机伪随机(prn)码的起始位置码的起始位置7.2 gps信号捕获的两个参数信号捕获的两个参数df0( )2( ) ()cos(2 ()scds tpd t c ttfftst这个两个不确定参数是怎样产生的这个两个不确定参数是怎样产生的？ 127.2 gps信号捕获的两个参数信号捕获的两个参数由卫星造成的多普勒频移由卫星造成的多普勒频移在卫

6、星可能引起多普勒效应的方向上的最大速度是在卫星可能引起多普勒效应的方向上的最大速度是c/a信号的载频是：信号的载频是： ；所以卫星运动造成的最大多普勒频是：所以卫星运动造成的最大多普勒频是：max929dvm s1575.42cafmhzmax81575.5 9294.93 10ca ddrf vfkhzc 137.2 gps信号捕获的两个参数信号捕获的两个参数由由gps接收机运动造成的多普勒频移接收机运动造成的多普勒频移gps接收机接收机(包括高速航空器包括高速航空器)可能的产生多普勒效应的可能的产生多普勒效应的速度是：速度是：c/a信号的载频是：信号的载频是： ；所以所以gps接收机运动造

7、成的最大多普勒频率是：接收机运动造成的最大多普勒频率是：929uservm s1575.42cafmhz81575.5 9294.93 10ca userdrf vfkhzc 147.2 gps信号捕获的两个参数信号捕获的两个参数 因此，因此，gps信号需要搜索的多普勒频移信号需要搜索的多普勒频移范围一般定为：范围一般定为：10khz10khz 15伪随机伪随机(prn)码的起始位置码的起始位置:起始位置起始位置 ，是在一个周期内的起始位置，是在一个周期内的起始位置，由于由于c/a码中的伪随机码是以码中的伪随机码是以1ms为周期的，为周期的，因此，因此， 的搜索范围是的搜索范围是1ms。7.2

8、 gps信号捕获的两个参数信号捕获的两个参数ststst 167.3 捕获原理捕获原理通过对本地码本地码与接收码接收码的相关峰值检测，实现对信号参数的估计( )( )( )cor ts tl t 170 1 2 3 4 5 6 77.3 捕获原理捕获原理incomingcodegeneratedcodecorrelation起始位置估计起始位置估计 187.3 捕获原理捕获原理1 2 3 4 5 6 7 8correlation载频估计载频估计0( )( ) ( )cos(2)s td t c tf t0( )( )cos(2)s tc tf t卫星发送信号：卫星发送信号：只考虑只考虑1个码周

9、期：个码周期：本地信号：本地信号：接收数据：接收数据：( )()cos(2)cx tc tf t0cdfff0( )()cos(2)ll tc ttf t其中：其中：起始相位，起始相位，fd多普勒频移多普勒频移df通过本地信号通过本地信号l(t)与接收信号与接收信号x(t)的相关的相关性的实现对信号的捕获。性的实现对信号的捕获。当当t0与与 ，fl与与fc最接近时，出现最大的最接近时，出现最大的相关峰值。相关峰值。( )( )( )corx tl tdf本地信号本地信号l(t)与接收信号与接收信号x(t) 相关：相关：转换成频域表示：转换成频域表示：( )( ) ( )cor fxf l f用

10、用fft提高运算速度：提高运算速度：( ) ( ) ( )fft corfftx tfft l tdf步骤步骤1:对对1ms的接收信号的接收信号x(n)做做fft 得到得到x(k);步骤步骤2:取取x(k)的共轭，得到的共轭，得到x(k)*;步骤步骤3:在在10khz的范围内产生的范围内产生21个本地码个本地码li(n), i=-10,10 ;步骤步骤4:对对21个本地码做个本地码做 fft 得到得到li(k);步骤步骤5:将将x(k)*与与li(k)相乘得到相关运算的频谱相乘得到相关运算的频谱表表 示示 cori(k);步骤步骤6:对对cori(k)做逆做逆fft，等到相关值，等到相关值;步

11、骤步骤7:搜索搜索cori(n)的最大值，其所在位置表明的最大值，其所在位置表明prn码的起始位置和载频码的起始位置和载频. 247.3 捕获原理捕获原理*( )( )( ),0,1sisirkx klkk4999 257.3 捕获原理捕获原理 267.3 捕获原理捕获原理相关结果相关结果：u载频跟踪u码跟踪7.4 gps信号跟踪的组成信号跟踪的组成两个部分：两个部分：gps卫星信号是动态变化的，变化包括：1.多普勒效应引起载波频率发生动态偏移；2.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。需要对这两类变化进行跟踪，因此需要有两个跟踪环7.4 gps信号跟踪的组成信号跟踪的组成g

12、psgps信号跟踪为什么由两部分组成：信号跟踪为什么由两部分组成： 297.4 gps信号跟踪的组成信号跟踪的组成 307.4 gps信号跟踪的组成信号跟踪的组成 gpsgps信号跟踪为什么由两部分组成：信号跟踪为什么由两部分组成：码元跟踪环路产生三个输出：码元跟踪环路产生三个输出：超前码超前码(early)(early)，及时码，及时码(prompt)(prompt)，滞后码，滞后码(late)(late)其中，及时码用以数字化输入信号并从中剥离其中，及时码用以数字化输入信号并从中剥离prnprn码，那么相应码，那么相应的输出是仅含有导航电文引起相位偏移的连续信号，这个信号的输出是仅含有导航

13、电文引起相位偏移的连续信号，这个信号用来做载波环路的输入。用来做载波环路的输入。载波环路的输出：载波环路的输出：是频率为输入信号载波频率的连续信号。是频率为输入信号载波频率的连续信号。这个信号用来剥离输入信号中的载波，这意味着输出是只含有这个信号用来剥离输入信号中的载波，这意味着输出是只含有伪随机码，不含有载波，这个信号又被用作码元环路的输入。伪随机码，不含有载波，这个信号又被用作码元环路的输入。 317.5 载频跟踪载频跟踪 327.5 载频跟踪载频跟踪u目的：增加捕获得到的载频精度目的：增加捕获得到的载频精度u步骤步骤1：产生本地码；：产生本地码；u步骤步骤2：测量接收信号和本地信号的相位

14、差；：测量接收信号和本地信号的相位差；u步骤步骤3：调整频率知道相位和频率稳定：调整频率知道相位和频率稳定输入信号输入信号本振本振比相器比相器环路滤波器环路滤波器prn 码码载频跟踪的基本原理：载频跟踪的基本原理：核心部件是核心部件是锁相环锁相环 337.6 码元跟踪码元跟踪 347.6 码元跟踪码元跟踪码元跟踪环路产生三个输出：码元跟踪环路产生三个输出：超前码超前码(early)(early)，及时码，及时码(prompt)(prompt)，滞后码，滞后码(late)(late) 357.6 码元跟踪码元跟踪earlypromptlate输入信号输入信号-1-0.500.5100.51相关值相关值