高灵敏度GPS接收机载波跟踪环路的设计优化与实现

论GPS测量的数据处理方法及其优化方式。

一、GPS测量数据处理方法1、数据预处理GPS数据预处理包括了资料收集、数据筛选、数据校正、数据过滤、数据插值等步骤。

其中最重要的步骤是数据校正，由于GPS卫星所发出的信号在传输过程中会遭受导航信号、地球大气层、接收机时间、传输媒介等干扰，导致GPS采集的数据有较大的误差，因此需要对GPS数据进行校正。

数据校正包括了数据预处理、误差模型建立、误差分析和校正方法等步骤。

2、数据处理GPS数据处理主要包括了基准的选择和建立、数据分析和拟合、解算算法和数据融合等步骤。

基准的选择和建立是指在数据处理过程中需要明确使用的基准坐标系，例如WGS84坐标系、北京54坐标系等。

数据分析和拟合是指采用数学模型对GPS数据进行处理，例如最小二乘法、卡尔曼滤波、粒子滤波等方法。

解算算法与数据融合主要是指将GPS数据与其他信息进行融合，例如地图数据、气象数据、传感器数据等。

二、GPS测量数据处理优化方式1、信号接收优化GPS信号接收优化是指改善信号接收的操作和环境，例如改善接收机本身的性能、选用合适的天线、改善接收机自身的环境、减少信号干扰等。

2、误差模型优化误差模型建立是将误差分为多个部分，例如常数误差、轨道误差、大气误差、接收机误差等，然后对各部分误差采用不同的方法进行模拟和处理。

误差模型的优化一方面是对误差模型进行精细化建模，另一方面是通过分析误差来源和数据特性来对误差模型进行改进和优化。

3、算法优化GPS数据处理算法的优化可以从多个方面入手，例如减少计算量，提高算法计算速度和鲁棒性，改进算法的精度和可靠性，例如采用粒子滤波算法可以有效地解决非线性滤波问题。

4、数据融合优化数据融合是将不同数据源的数据信息综合起来，以提高得到的GPS数据的精度和可靠性，并提高研究结果的确定性和可靠性。

数据融合的优化可以通过改进融合算法、改善数据质量和改进数据采集的设计等来实现。

5、差分处理差分GPS是基于两个接收机之间的同步观测数据得到相对的精密定位，其可以有效地消除接收机和卫星的共同误差，以实现高精度的测量。

GPS 接收机的灵敏度分析The Analysis on the Sensitivity of GPS Receiver深圳市华颖锐兴科技有限公司摘要：GPS 接收机的灵敏度是影响GPS 应用范围的非常关键的指标，目前业界纷纷推出高灵敏度的GPS 接收系统，使得GPS 的室内定位成为可能，大大拓展了GPS 的应用场景。

本文对GPS 接收机的灵敏度性能进行原理性分析，并给出了设计高灵敏度GPS 接收模块的建议。

关键词：GPS 高灵敏度 接收机设计Abstract: High sensitivity is a key feature for GPS receiver to extend its application field. A lot of high sensitivity GPS receiver chipsets has been put forward in the industry, making the indoor positioning possible. This paper analyzes the principle of the high sensitivity from both RF part and baseband part, and gives some advices on the design of high sensitivity GPS receiver. Key words: GPS, High Sensitivity, Receiver Design1 GPS 接收机的灵敏度定义随着GPS 应用范围的不断扩展，业界对GPS 接收机的灵敏度要求也越来越高，高灵敏度的接收性能可以令接收机在室内或其它卫星信号较弱的场景下仍然能够实现定位和跟踪，大大拓展了GPS 的使用范围。

作为GPS 接收机最为重要的性能指标之一，高灵敏度一直是各个GPS 接收模块孜孜以求的目标。

GPS软件接收机跟踪环路设计李豹;曹可劲;马建国【摘要】GPS软件接收机跟踪环路的设计在环路参数与鉴相器选择上有很大空间.在分析GPS跟踪原理的基础上,对比码环与载波环不同鉴相器的性能,然后在不同环路参数下对跟踪效果进行了仿真比较,最后选择一组鉴相器并设计合适的环路参数,对实际采集的GPS中频信号进行跟踪,跟踪结果验证了设计环路的有效性.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2010(018)002【总页数】3页(P4-6)【关键词】GPS;软件接收机;跟踪;二阶锁相环【作者】李豹;曹可劲;马建国【作者单位】海军工程大学导航工程系,湖北,武汉,430033;海军工程大学导航工程系,湖北,武汉,430033;海军工程大学导航工程系,湖北,武汉,430033【正文语种】中文【中图分类】TN966.4接收机是全球导航定位系统（GPS）用户端的主要设备，随着软件无线电技术的发展，软件接收机由于其灵活、可扩展、经济等优点成为当前的研究热点[1]。

而GPS信号的捕获与跟踪是软件接收机的核心部分。

捕获算法中，并行码频域搜索算法由于其无可比拟的速度优势已成为经典算法，而跟踪算法在环路鉴相器以及环路参数的选择上却很灵活。

目前国内GPS软件接收机跟踪环路参数设计多根据已有经验值[2]，文献[3]给出部分参数的设计准则，但尚无不同环路参数的对比研究。

本文在分析GPS软件接收机跟踪原理的基础上，首先比较码环与载波环不同鉴相器的性能，然后对二阶锁相环中不同环路参数设置下的跟踪效果进行仿真分析，最后设计了合适的码环与载波环路，并用实际采集的GPS数据论证了所设计环路的有效性，为GPS软件接收机跟踪环路的设计提供了参考。

1 GPS跟踪基本原理1.1 数学原理GPS信号跟踪是利用捕获到的粗略码相位和载波多普勒频移实现本地信号与输入信号的准确同步，从而提取出导航电文。

其数学原理[4]97如下：单颗GPS卫星信号经滤波、下变频、A/D转换后得到数字中频信号，其数学模型为：式中，sk（n）为中频信号，Ck（n）为 C/A 码，Dk（n）为导航电文，ωIF为中频信号角频率，e（n）为噪声信号，k为某颗卫星编号。

第 21 卷 第 11 期2023 年 11 月太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyVol.21，No.11Nov.，2023一种高动态弱GNSS信号跟踪解调算法研究与实现吴军伟，梁涛涛，王川(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999)摘要：在某些高动态弱信号场景中，载波相位难以锁定。

为实现对高动态弱全球导航卫星系统(GNSS)信号的跟踪，考虑锁频环较锁相环更为鲁棒，提出了一种基于锁频环(FLL)+差分解调的算法，实现对GNSS信号的跟踪和解调。

该算法采用二阶FLL实现对卫星信号的频率进行跟踪，差分解调算法实现对比特数据的解调。

工程应用上，算法采用现场可编程门阵列和数字信号处理器(FPGA+DSP)的架构实现，在FPGA中实现信号的跟踪信号的前处理，在DSP中实现跟踪环路算法、位同步和差分解调。

本文在Matlab平台中实现算法的仿真，通过模拟器平台和对天接收真实的GNSS信号对算法进行验证。

仿真结果与实验结果表明，该算法在高动态弱信号条件下能实现对卫星信号的稳定跟踪和数据的解调，克服了锁相环难以锁定导致数据无法解调的难题，最终实现GNSS信号在该条件下的位置、速度和时间(PVT)解算。

关键词：高动态弱GNSS信号；二阶FLL；比特同步；差分解调；现场可编程门阵列和数字信号处理器(FPGA+DSP)中图分类号：TN961 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021322Research and implementation of tracking demodulation algorithm for highdynamic and weak GNSS signalWU Junwei，LIANG Taotao，WANG Chuan(Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China)AbstractAbstract：：In some high dynamic weak signal scenarios, the carrier phase is difficult to lock. In order to track the high dynamic weak Global Navigation Satellite System(GNSS) signal, considering thatthe Frequency Locked Loop(FLL) is more robust than the Phase-Locked Loop(PLL), an algorithm basedon FLL+differential demodulation is proposed to track and demodulate the GNSS signal. The algorithmuses the second-order FLL to track the frequency of satellite signal, and the differential demodulationalgorithm is employed to demodulate bit data. In engineering application, the algorithm adopts thearchitecture of Field Programmable Gate Array+Digital Signal Processing(FPGA+DSP), realizes the pre-processing of signal tracking signal in FPGA, and realizes the tracking loop algorithm, bitsynchronization and differential modulation in DSP. The simulation of the algorithm is performed inMatlab platform, and the algorithm is verified by receiving the real GNSS signal from the simulatorplatform and the sky. The simulation and experimental results show that the algorithm can realize thestable tracking of satellite signal and data demodulation under the condition of high dynamic and weaksignal, and overcome the problem that the data cannot be demodulated due to the difficulty of PLLlocking, finally realize the Position Velocity and Time(PVT) solution of GNSS signal under this condition.KeywordsKeywords：：high dynamic and weak Global Navigation Satellite System(GNSS) signal；the second order Frequency Locked Loop(FLL)；bit synchronization;differential demodulation；Field ProgrammableGate Array+Digital Signal Processor(FPGA+DSP)在某些特殊的弱信号、高动态环境下[1]，天线相位衰减起伏较大，锁相环无法实现对GNSS信号的相位跟踪，无法实现数据的解调和观测量的提取，导致PVT解算结果错误甚至解算中断。

GPS抗干扰天线技术的介绍和设计GPS（Global Positioning System）是一种利用卫星系统跟踪和定位地球上特定位置的技术。

然而，在使用GPS进行定位时，经常会遇到各种干扰，如建筑物、天气条件、电磁干扰等，这些干扰会降低GPS的精确度和可靠性。

为了解决这个问题，人们开发出了GPS抗干扰天线技术。

首先，GPS抗干扰天线技术可以通过天线的形状和位置来优化信号接收。

天线的形状可以采用带有偶极子和负载的设计，以增加天线的增益和频率响应。

此外，天线的位置选择可以尽量避开高耗散物体的附近，以减少干扰的影响。

其次，通过使用多元极化技术，可以提高天线接收GPS信号的灵敏度和可靠性。

多元极化技术通过在天线中使用两个或多个天线来接收不同极化方向的信号，以降低干扰的影响。

这种技术可以进一步提高天线对GPS信号的抗干扰性能。

另外，利用各种滤波技术也是GPS抗干扰天线技术中常用的方法之一、滤波器可以帮助消除特定频率范围内的干扰信号，以保持GPS接收机只接收到GPS卫星发送的信号。

常用的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

此外，天线的调谐和匹配技术也是GPS抗干扰天线技术中的关键因素之一、通过适当选择和调谐天线的频率和阻抗匹配，可以提高天线对GPS信号的接收效率和抗干扰性能。

调谐电路的设计和优化可以根据GPS系统的频率和特性进行。

最后，使用增强天线技术也是GPS抗干扰天线技术中的一种方法。

增强天线技术包括天线阵列和波束形成技术。

天线阵列技术使用多个天线组成阵列，以提高接收天线的增益和方向性，从而抑制干扰信号的影响。

波束形成技术通过调整天线阵列中每个天线的相位和幅度来形成一个指向卫星的波束，以增强GPS信号的接收。

综上所述，GPS抗干扰天线技术是一种为了提高GPS定位精确度和可靠性而开发的技术。

通过天线设计的优化、多元极化技术的应用、滤波技术的使用、调谐和匹配技术的探索以及增强天线技术的应用，可以有效地提高GPS接收器对GPS信号的接收能力，减少干扰的影响，从而提高GPS 定位的准确性和可靠性。