第五版卫星导航与定位卫星导航信号捕获

电子工程学院141GPS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。

7.1 GPS软件接收机目前广泛使用的GPS接收机一般均基于ASIC（Application Specific Integrated Circuit）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，并最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7-1 GPS传统硬件接收机框图软件无线电（Software Radio）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。

全球导航卫星系统中的信号捕获与跟踪技术研究随着整个社会的不断发展，人们对于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）的依赖度也越来越高，从而导致这一领域的技术不断地改进与优化，其中信号捕获与跟踪技术是GNSS领域中至关重要的一个方面。

一、GNSS系统简介GNSS系统由多颗卫星及地面控制站、用户设备等组成，常见的系统包括GPS系统（全球定位系统）、GLONASS系统（全球卫星导航系统）、BDS系统（北斗导航卫星系统）以及GALILEO系统（欧洲卫星导航系统）等。

GNSS系统提供的服务包括位置、速度、时间等，广泛应用于交通、航空、农业、地震监测等领域，同时还为国防、公安等领域提供了重要的技术支持。

二、信号捕获与跟踪技术概述信号捕获与跟踪在GNSS系统运行中的作用可以简单地理解为卫星信号的捕获与对其进行解析的过程，而卫星信号的弱化则会严重影响该技术的效果。

通常GNSS系统中的信号捕获与跟踪技术包括前端噪声、门限控制、卷积码检测、循环码匹配等步骤，而具体的技术实现则与各系统的实际情况有关。

三、信号捕获与跟踪技术的研究进展目前针对信号捕获与跟踪技术的研究主要集中在以下几个方面：1. 技术改进技术改进可以分为硬件和软件两个方面。

在硬件方面，新型的卫星接收机能够更好地处理弱信号，并提高对噪声的抵抗能力。

在软件方面，各系统的算法不断改进，能够更快地捕获卫星信号。

另外，GNSS系统还可以采用多跟踪技术，在复杂的多路径信号环境下更准确地检测信号，提高定位精度。

2. 精度提高随着技术的改进，GNSS系统的定位精度不断提高。

目前GPS系统的精度可以达到厘米级别，而GLONASS系统能够提供更高精度的信号。

另外，利用卫星系统的差分定位技术也可以进一步提高定位的精度。

该技术通过比较同一时间不同位置接收到的信号差异，从而消除掉噪声和其他误差。

3. 抗干扰能力增强GNSS系统经常会受到人为和其他自然因素的干扰，对此提高抗干扰能力是十分必要的。

太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）设计(论文)题目：北斗卫星信号快速捕获方法研究学生：专业：测控技术与仪器班级：10-1指导教师：设计日期：2014年6月16日北斗卫星信号快速捕获方法研究摘要卫星信号捕获与跟踪是北斗全球导航卫星定位系统的重要组成部分，而快速捕获性能是影响卫星导航定位速度的重要因素。

北斗卫星导航定位系统可以为中国以及周边地区提供卫星导航及定位服务，促进卫星导航产业发展，满足用户交换信息的需求。

在北斗卫星导航定位系统中，如何快速捕获卫星信号，跟踪卫星信号是一件非常有难度的事情。

本课题研究与实现的内容是卫星导航定位中最重要的技术之一：微弱卫星信号快速捕获技术。

本文首先阐述了卫星导航定位系统的信号编码模型，并对二次编码技术进行了分析，包括其分类、产生方式、相关性、作用、设计准则。

然后本文介绍了现有微弱信号快速捕获算法研究，主要是串行捕获算法。

本文介绍了串行捕获算法的原理，并给出了原理框图，并分析了其性能。

串行捕获易于实现，但捕获时间很长。

最后，本文介绍了基于FFT并行捕获算法，包括其算法原理、实现方法、使用环境以及优缺点。

并对FFT并行捕获算法进行了仿真，分析了算法的性能，提出了改进方向。

关键词：全球定位系统，快速捕获，二次编码，卫星信号THE RESEARCH OF BEIDOU SATELLITE SIGNAL FAST ACQUISITION AND TRACKING TECHNOLOGY BASED ON SECONDARY CODINGABSTRACTSatellite signal acquisition and tracking is an important part of the Beidou global navigation satellite system, and the performance of fast acquisition the important factors that affect satellite navigation and positioning speeds. Beidou satellite navigation and positioning system can provide satellite navigation and positioning services to China and the surrounding areas, promote the development of the satellite navigation industry, meet the needs of users to exchange information. The Beidou satellite navigation and positioning system, how to fast acquisition the satellite signal and tracking satellite signals is a very difficult thing. The research and implementation is one of the most important technologies of satellite navigation and positioning: Fast acquisition weak satellite signal tracking technology.First, describes the signal encoding model of satellite navigationand positioning system, and analysis of the Secondary Coding,including classification, generation method, correlation, function, design guidelines.This article describes the weak signal fast acquisition algorithm of existing, serial acquisition algorithm. Introduces the principle of serial acquisition algorithm, schematics, analysis of the performance. Serial capture easy to implement, but to capture a very long time.Finally, Introduction parallel FFT acquisition algorithm, including the algorithm principle, implementation methods, use of the environment and the advantages and disadvantages. Implemented Parallel FFT acquisition algorithm simulation, analysis of the performance of the algorithm, suggestions for improvement.KEY WORDS: The Global Positioning System, Fast Acquisition, Secondary Coding, Satellite Signals目录摘要 (II)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1 研究背景和意义 (1)第二章卫星导航系统的信号编码模型与二次编码分析 (4)2.1 卫星导航系统的信号编码模型 (4)2.1.1 卫星信号产生原理与特性 (4)2.1.2 卫星信号结构 (7)2.1.3 卫星信号的调制解调 (8)2.1.4 卫星信号导航电文 (9)2.2 二次编码分析 (10)2.2.1 二次编码概述 (10)2.2.2 二次编码的作用 (10)2.2.3 二次编码设计准则 (11)2.3 本章小结 (11)第三章基于FFT并行捕获算法研究 (13)3.1 捕获方法分析 (13)3.1.1 串行捕获算法 (14)3.1.2 并行捕获算法 (14)3.1.3 FFT捕获算法 (15)3.1.4 并行FFT快速捕获算法总结 (16)3.2 算法的选择 (16)3.2.1 滑动相关捕获方法 (16)3.2.2 基于FFT的并行捕获算法 (18)3.2.3 算法性能比较 (20)3.2.4 复杂性分析 (21)3.3 基于FFT快速捕获 (22)3.3.1 基于FFT快速捕获的多通道信号捕获流程 (23)3.4 本章小结 (25)第四章改进的捕获算法 (26)4.1 传统基于FFT的并行捕获算法 (26)4.2 改进的基于FFT的快速并行捕获算法 (28)4.2.1 捕获算法基本原理 (28)4.2.2 捕获算法的计算量分析 (30)4.2.3 基于内插的精细捕获算法 (30)4.3 本章小结 (31)第五章结论 (32)参考文献 (34)附录外文资料及译文 (38)致谢 (56)第一章绪论1.1 研究背景和意义全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)是为了打破美国的 GPS 在卫星定位、导航、授时方面的垄断，由欧盟提出的一种综合星座系统，是所有在轨工作的导航卫星系统的统称。

全球导航卫星系统中的信号捕获与跟踪技术研究全球导航卫星系统（GNSS）是一种基于卫星的定位和导航系统，可以提供全球性的定位、导航和时间同步服务。

全球最主要的GNSS系统包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、欧洲的伽利略系统（Galileo）以及中国的北斗导航系统（BeiDou）。

这些系统的核心技术是信号捕获与跟踪技术，它们确保接收设备能够有效捕获和跟踪卫星发射的信号，从而实现定位和导航功能。

信号捕获是指在卫星信号到达接收设备之前，通过接收天线将信号采集到接收机中。

GNSS卫星发射的信号是微弱的，同时还存在多路传播等环境干扰因素，因此信号捕获技术需要具备高灵敏度和抗干扰的能力。

常用的信号捕获技术有频率捕获和码捕获。

频率捕获通过多个频率，找到卫星信号的频率，并将接收设备的本地振荡器频率锁定到卫星信号的频率上。

这种方法在频率稳定性要求高的情况下非常有效，但需要较长时间来完整的频率范围。

码捕获是通过卫星信号的码片序列，找到与之匹配的码片序列，并确定在码片序列中的位置。

这种方法速度相对较快，但对接收设备的频率稳定性和初值的要求相对较高。

信号捕获之后，接收设备需要进行信号跟踪，以保持对卫星信号的稳定跟踪，实现定位和导航功能。

信号跟踪的关键是解调卫星信号，并提取出导航信息，如伪距和航空数据。

信号跟踪技术中常用的方法是延迟锁定环（DLL）和相位跟踪环（PLL）。

DLL用于解调伪距信息，它通过比较接收到的卫星信号与自身产生的码片序列的差异，并不断调整对码片序列的延迟，从而实现伪距测量。

PLL用于解调航空数据信息，它通过比较接收到的卫星信号与自身产生的航空数据序列的相位差异，并不断调整对相位的锁定，从而实现航空数据解调。

除了常规的信号捕获与跟踪技术，还有一些改进和创新的研究方向。

例如，自适应波束形成技术可以通过调整接收天线的辐射模式来提高信号捕获和跟踪的性能；盲解调技术可以在没有先验信息的情况下对卫星信号进行解调，从而简化信号捕获和跟踪过程；多普勒补偿技术可以有效抑制多普勒频移带来的性能降低；最优滤波技术可以通过优化滤波器参数来提高信号跟踪的性能。