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极弱GNSS信号精确跟踪技术研究

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Ｃｈｉｎａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　信息技术　极弱ＧＮＳＳ信号精确跟踪技术研究　

孔吉邓宁雍雯　（上海美迪索科电子科技有限公司，上海２００２４１）　

【摘要】由于卫星轨道高度较高，容易造成ＧＮｓｓ卫星信号较弱，针对传统载波跟踪环路检测概率低，提出了一种采用基于Ｄｕ伍Ｉ１ｇ混沌振子的多　普勒检测与补偿的载波精确跟踪方法；针对跟踪环路检测时间较小时，失锁概率较大，提出了一种考虑电文反转的极弱信号码精确跟踪方法，分别阐述　方法的原理及跟踪板弱信号的过程，最后使用ＢＤｓ数据进行动态数据验证，结果表明新方法能够解决极弱ＧＮＳＳ信号的正确跟踪的问题。　【关键词ｌ极弱ＧＮｓｓ信号跟踪载波电文　

卫星导航产业作为全球发展最决的信息产业之一，越来越受到　国家及战略性建设的重视，虽然全球定位系统的卫星发送的导航定　位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源，但对于陆地、海洋和　空间的广大用户而言，需要能够确定地面空间位置的卫星接收机来　接收、跟踪ＧＮＳＳ导航信号（包括ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＢＤ等多模信号），　目前ＧＮＳＳ接收机正在各行各业中得到广泛应用。在高精度精密导　航产业中，为了实现极弱环境下的定位，高灵敏度的导航接收机技　术逐渐成为研究的热点，其包含高灵敏度信号捕获和高灵敏度信号　跟踪两项关键技术，本文主要研究极弱信号的精密跟踪技术。　

１极弱ＧＮＳＳ信号特点　极弱ＧＮＳＳ信号往往是由于信号传播距离远，信号衰减大造成　的。根据信号传播衰减公式：　ＰＳＳＩ（ｄ）＝　一５８．５—１０　３．３　ｌｇ（ｄ）一１０　３．３　ｌｇ（ｆ）（ｄＢｍ）　可知其信号强度约为＜－１５０ｄＢｍ。以某项目中研发的针对特殊　轨道位置所接收的ＧＮＳＳ信号为例，接收信号普遍处于发射天线主　瓣边缘，其信号覆盖区的强度变化非常大，可达到２０ｄＢ左右，信号的　远近效应很大。　由于卫星轨道高度较高，而造成的ＧＮＳＳ卫星信号较弱的现象，　根据经验信号跟踪环路采用增加积分时间来提高跟踪概率，在导航　电文误码率较大时实现起来有较大难度，环路失锁概率较大，因此　必须研究极微弱信号精确跟踪实现技术。　

ｌＦ　图１载波精确跟踪过程图　图２频率精确捕获流程图　

图３相位精确跟踪过程图　网　１．．．．　．．．．．　Ｊ　

２极弱ＧＮＳＳ信号高灵敏度跟踪方法　对于极其微弱的ＧＮＳＳ信号，传统的载波跟踪环路检测概率极　其低，不能满足载波剥离要求，因此，本文首先提出一种采用基于　Ｄｕｆｆｉｎｇ？Ｅ沌振子的多普勒检测与补偿的载波精确跟踪方法。　２．１载波精确跟踪方法　跟踪过程如图１所示。　（１）基于Ｄｕｆｆｉｎｇ￣沌振子频率跟踪方法：利用分层Ｄｕｆｆｉｎｇ￣沌　振子阵列算法，振子参考频率选取在１００Ｈｚ以内，使得检测分辨率在　１Ｈｚ以内，通过时间压缩因子在５ｍｓ时间内精确检测多普勒频率。　其检测流程如图２所示。　（２）相位精确跟踪方法：采用Ｄｕｆｆｉｎｇ混沌振子作为跟踪信号检　测器，锁定Ｄｕｆｆ￣ａｇ混沌振子，通过窄带滤波器与跟踪环路，可以实现　精确跟踪，如图３所示。　对于极微弱ＧＮＳＳ信号采用２Ｏｍｓ￣积分时间进行检相处理。　其步骤如下：（１）采用Ｄｕｆｆｉｎｇ混沌振子阵列进行频率检测，当频率＞　ｌ　Ｈｚ时继续采用Ｄｕｆｆｉｎｇ混沌振子阵列进行频率检测，直到频率　＜ｌＨｚ时进入相位跟踪环路；（２）ＧＮＳＳ信号进行下变频，到载波多普　勒频率偏差＜１Ｈｚ，进入低频窄带滤波器，提高信噪比；（３）进行载波　检相与跟踪。　２．２码精确跟踪方法　考虑到由于信号极其微弱，跟踪环路检测时间较小时，失锁概　率较大，因此，必须加大检测时间，但电文数据位反转会影响其跟　踪，本文提出了一种考虑电文反转的极弱信号码精确跟踪方法。　跟踪过程如图４所示：①跟踪开始时，采用滑动检测方法，利用　最大值方法检测电文同步点。②用２Ｏｍｓ￣据采取超前、及时、滞后三　路进行精确跟踪，得出码相位。　解算过程如下：　（１）滑动检测与电文ｂｉｔ同步：采用１ｍｓ数据滑动，比较其２０ｒＩ１ｓ积　

图４码精确跟踪过程图　图５码跟踪环路　２０１４年８月下第ｌ６期总第１　９６期　２３　＿＿　信息技术　Ｃｈｉｎａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　表１　８Ｄ跟踪灵敏度、分辨率测试结果　俯号强度　ｌ场景属性　加遗鹰　偏差　礞踪撼果　髂钳摄窄　测试结论　－Ｊ　静止场最　如个数琚郡；Ｉ盐正确跟踪　Ｏ　Ｂ】）曼敬膜：　如　ｔ・数据都能正确跟蹿　０ｏ　ｏ　・Ｊ　８ｄｂｌｌ｜　

・ｉ５Ｓ　静止埔景　个数撩群熊匝确躐踩　Ｏ　４　颠辈分辨皋ｔ　

０　茸中２９个撤据能芷确蹿航　ｊ　３３＃０　０　７８１２３ＨＺ　

・ｌ，’　瑶动ｌ塥景　０　２８　Ｏ　３０个数据都能正确嫌踪　Ｏａｏ　４　再申２８个擞据稚芷佛蹂貅　６　口　

－１　５８　谵动场景　Ｏｊ￥　ｆｌ　茸中体个数据髓　硼ｉ跟踪　０　６７　ｏ　４　茸中２　个数糖能芷确跟踪　ｔ０　・ｌ５　运动蜗鬻　０Ｉ５　Ｏ　苒串　８个数据能正确蹑综　６　７　ｏ　Ｊ　萁巾２’个数据能正确脓琢　１０ｔ６　

增动埚鬻　０　２　ｇ　茸中２８千数据髓正确腺踪　茸中２６十搬搪能正确跟踪　３　３３０ｏ　

分值大小，确定最大值，即出现电文ｂｉｔ同步。　２．０一＊Ｌ　（　）＝　ｃ（ｒ　）　（‘－＇Ｔｙ）　

ｊ＝ｌ　其中，Ｌ为１ｍｓ采样点数。　

若有，ｓ（　）＝ＩＴＩａｘ｛ｓ（ｔｊ），－，＝１，２，…，２０｝，则ｔ　为电文比特同步　点。　（２）码相位精确跟踪：对２０ｍｓ数据进行超前、及时、滞后三路积　分，其处理过程如图５所示。　

３　ＢＤＳ动态数据验证　３．１数据准备　（１）用ＢＤ模拟器配置一个动态场景，即有一个加速度为０．２ｇ，信　号强度为一１５７ｄＢｍ，采集３０ｓ的数据，同时导出多普勒参数；修改场　景时间或地点以采集信号强度为－１５７ｄＢｍ的不同静态场景数据，共　采集３０个数据。（２）在（１）的基础上将信号强度修改为－１５８ｄＢｍ，共采　集３Ｏ个数据，每个数据长度为３０ｓ。（３）在（１）的基础上将加速度修改为　０．２５ｇ，共采集３０个数据，每个数据长度为３０ｓ。（４）在（３）的基础上将信　号强度配置为一１５８ｄＢｍ，共采集３０个数据，每个数据长度为３０ｓ。　３．２测试方法　在跟踪模块中配置卫星序列号（待测数据中该卫星可见）以及配　置中频，即中频配置为：数据中频＋初始多普勒＋Ｘ（ｘ表示：捕获模块　

…・・・上接第９页　合理利用的现象，这些对于人类的土地资源来说，都是一种极　大的浪费。除了土地资源之外，还有煤矿资源，坚决制止款开发、乱　开采的现象，并且要加快废旧物资的回收利用。不仅要节约使用的　资源，还要最大程度地回收资源，让资源能够得以二次利用。在对一　些特殊的资源进行使用时，要采用有偿使用的政策，并且制定合理　的资源使用价格，既能够让资源得到充分的利用，又能够达到公平。　还能够让人们意识到资源的重要性，从而提高珍惜资源的意识。除　此之外，还要完善环境与发展的综合决策，实现科学化、规范化的管　理，减少资源的浪费和环境的污染，从而弥补我国资源匮乏的不足，　达到环境可持续发展的目的。　４．３健全相关的法律，构建完善的环境保护法律体系　法律是用来限制人们行为，制定统一、公平的要求的工具。要想　将环境发展可持续性落到实处，就要借助法律的力量，从大局出发，　建立合理的法律体系，对环境保护和资源使用提出一个切实的要　求。各级相关部门要根据中央的环境可持续发展的相关法律主张，　制定自己的法律保护制度，履行义务，尽责任，依法执行环境保护的　各项条例，执法必严，违法必究。让法律成为环境保护的武器，成为　环境可持续发展的保证。　４．４宣传环保知识，强化人民的环保意识　环境保护是每个公民的义务，环境的可持续发展需要每个公民　的力量。因为无论是法律的制定，还是相关规章制度的完善，最后执　２４　２０１４年８月下第１６期总第１９６期　检测出来的频率与真实频率的偏差为ｘ；这里ｘ设置为０和４），配置对　齐的伪码（这里配置为８），导人待测数据到跟踪模块，运行，导出相关　参数：采样点、相关值、相关值峰值、峰值对应的采样点、频率偏差。　采样点作为横坐标，相关值作为纵坐标绘图，看其是否有明显峰值。　３．３测试通过判定　（１）加速度为０．２ｇ时频率偏差小于或等于５Ｈｚ（数据是０．２ｇ，即　１０Ｈｚ／ｓ，跟踪需要用５００ｍｓ的时间进行数据处理，则多普勒变化的　范围为０～５Ｈｚ，但用于计算频率偏差的多普勒是初始多普勒，因此　这里用５Ｈｚ／￣Ｚ为判定界限），加速度为０．２５ｇ时频率偏差小于或等于　６．２５Ｈｚ；（２）在伪码对齐的采样点时相关值出现明显的峰值。　３．４测试结果（如表１）　４结语　：本文分析了传统ＧＮＳＳ信号的跟踪技术，面对新增加的ＧＮＳＳ卫　星，不乏轨道高度较高的卫星出现的卫星信号较弱的情况，容易导　致跟踪失效等情况，针对如何有效抑制载波跟踪环路检测概率低，　提出了一种采用基于Ｄｕｆｆｉｎｇ混沌振子的多普勒检测与补偿的载波　精确跟踪方法；当跟踪环路检测时间较小时，失锁概率较大，因而需　要加大检测时间，但同时考虑电文数据位反转会影响其跟踪，提出　了一种考虑电文反转的极弱信号码精确跟踪方法，利用ＢＤＳ数据进　行动态验证，结果表明新方法相对传统跟踪方法，性能得到一定的　改进，可以达到预期的效果。　参考文献：　［１］ＲａｐｉｄＩＯ　Ｔｒａｄｅ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ＲａｐｉｄＩＯ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａ－　ｔｉｏｎ　ｒｅｖ．２．Ｏ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１　Ｏ－０５－０６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒａｐｉｄｉｏ．ｏｒｇ．　［２］Ｔｕｎｄｒａ　Ｓｅｍ１ｃＯｎｄｕｃｔＯｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｔｓｉ５７８　ｓｅｒｉａ１　Ｒａｐｉｄ　ＩＯ　ｓｗｉｔｃｈ　ｕｓｅｒ　ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１　０一Ｏ５—１　２］．ｈｔｔｐ：ｆｗｗｗ．ｔｕｎｄｒａ．ｃｏｍ．　［３］王玫。颜勇，张慧峰等．基于＞￣（Ｄｕｆｆｉｎｇ振子差分的微弱信号频率检　测［Ｊ］．电路与系统学报，２Ｏ１　Ｏ，ｌ　５（２）：１　ｌ　８—１　２１．ＤＯＩ：ｌ　０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．　１　００７－０２４９．２０ｌ　Ｏ．Ｏ２．０２１．　［４］金力，崔骁伟，陆明泉等．带相位和频率反馈环路的ＧＮＳＳ弱信号跟　踪技术研究［Ｊ］．武汉大学学报一信息科学版，２０１　１，３６（４）：４１８－４２１．　行的主体还是人。所以广大公民要从意识上提高对环境持续发展的　认识，摒弃陈旧的观念，建立科学文明的生态文明伦理观，践行人与　自然的准则，保护自然、保护环境。可以多多举办这方面的讲座和活　动宣传，号召每个人参与其中，共同保护我们的家园。　４．５转变经济发展方式，促进经济和环境的协调发展　经济发展和环境保护不应该是两个敌对的事情，两者的双赢才　是最好的结果。经济发展是人类进步的表现，但是如果没有了自然的　支持，这一切将会变得没有意义。中国的经济应该从粗放型经济向集　约型转变，合理配置资源，减少经济增长对环境造成的压力。在经济　和环境面前，优先考虑环境保护。采用先进的技术和设备，充分利用　资源，淘汰污染严重的产品和工艺，推出清洁生产和绿色产品，做好　污水、废气的处理工作，确定不会造成危害之后再进行排放。大力发　展新型能源，使用科技的手段来保护环境，促进绿色经济的发展。　总之，环境可持续发展是造福人民、造福子孙后代的决策，我国　从上到下必须大力支持、实践，将环境可持续发展真正落实到自己　的日常行为当中，努力建设“绿色中国”。　参考文献：　［１］杨通进．多元化的环境伦理剖析［Ｊ］．哲学动态，２０００．　［２］王希艳．环境伦理学的美德伦理学视角［０］．２０１　０．　［３］孙道进．马克思主义环境哲学研究［Ｍ］．人民出版社，２００８．　［４３泰勒．雷毅，李小重，高山译．尊重自然：一种环境伦理学的理论［Ｍ］　北京：首都师范大学出版社，２Ｏｌ　０．

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gnss技术依据

gnss技术依据

GNSS（Global Navigation Satellite System）技术是一种基于卫星信号的定位和导航技术，它依赖于一系列的卫星和地面基础设施来提供精确的位置和时间信息。

GNSS技术的依据主要包括以下几个方面：1. 卫星信号：GNSS技术依赖于一系列的卫星发射的信号，这些信号包含有关卫星位置、速度、时间戳和轨道信息的数据。

2. 信号接收器：用户设备上的GNSS接收器捕获这些卫星信号，并测量信号从卫星到接收器的传播时间（延迟），以及信号的相位和频率变化。

3. 多边测量：为了确定位置，GNSS接收器至少需要接收到来自四颗不同卫星的信号。

通过测量多个卫星信号的时间延迟和角度，接收器可以计算出自身的位置、速度和时间。

4. 地面控制站：GNSS系统还包括一系列地面控制站，这些站点用于监控卫星的健康状况、位置和轨道，以及维护星历（卫星位置和速度的精确数据）。

5. 数据处理：GNSS接收器收集的数据需要通过复杂的算法进行处理，以计算用户的位置、速度和时间。

这通常涉及到校正信号延迟，考虑大气折射和其他误差源。

6. 精确度和可靠性：GNSS技术能够提供非常高的精确度，特别是在开放天空条件下，定位误差可以小于几厘米。

此外，GNSS 系统设计为具有高可靠性，以确保在全球任何地方都能提供连续的服务。

7. 全球覆盖：GNSS系统如GPS（全球定位系统）、GLONASS （全球导航卫星系统）、Galileo（伽利略导航卫星系统）和北斗（中国导航卫星系统）都提供了全球覆盖，这意味着用户可以在世界任何地方使用GNSS技术进行定位和导航。

8. 多用途：GNSS技术不仅用于个人导航和地图制作，还广泛应用于航空、海运、陆地运输、农业、建筑、地质勘探、环境监测和灾害响应等多个领域。

GNSS技术的发展和应用依赖于不断的技术创新和系统升级，以适应不断变化和扩展的用户需求。

GNSS专业名词释义

GNSS专业名词释义

Navigation Lectures导航讲座DCW绝对定位（Absolute positioning）：用一台 GNSS信号接收机直接测定一个测站在给定全球大地坐标系（例如 WGS-84世界大地坐标系）内的点位三维坐标；后者是相对于坐标原点的绝对坐标，故称之为“绝对定位”。

近年来，人们常将它称为“单点定位”（single point positioning）。

精度（Accuracy）：它表示一个量的观测值与其真值接近或一致的程度，常以其相应值——误差（Error）予以表述。

对 GNSS卫星导航而言，精度直观地概括为用GNSS信号所测定的载体在航点位与载体实际点位之差；对于 GNSS卫星测地而言，精度是用 GNSS信号所测定的地面点位与其实地点位之差。

捕获（Acquisition）：它是 GNSS信号接收机能够接收和锁定 GNSS信号的能力，这是获取 GNSS观测值的关键一步。

历书（Almanac）：它是一组由卫星导航电文提供的描述所有在轨 GNSS卫星概略位置及其钟差的参数。

每颗 GNSS卫星向用户发送历书数据，用户利用它们不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，以致它们能够构成较理想的空间几何图形，而且依据已知的码分地址能够较快地捕获到所选择的待测卫星。

模糊度（Ambiguity）：例如，当用 GPS第一载波测量时，其载频 fL1=1575.42 MHz，它的相应波长λ=19 cm，用该 19 cm电尺量测从 GPS信号接收机到 GPS卫星的二万余千米距离，其整尺段数（波数）约为1E+8。

如此巨大的波数是无法直接精确测定的，而需用一定的方法求解这个未知数，该未知数称为载波相位测量的模糊度，因为它是从接收机到卫星的载波相位测量的整周期数，在笔者所著的《GPS卫星导航定位原理与方法》和《全球导航卫星系统及其应用》两部著作中将它称为整周模糊度，它的解算是载波相位测量数据处理的一个特殊而又极重要的问题。

如何进行GNSS解算与坐标定位

如何进行GNSS解算与坐标定位

如何进行GNSS解算与坐标定位引言：在当今科技快速发展的时代，全球导航卫星系统（GNSS）已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。

无论是导航、测绘、农业还是航空等领域，都离不开GNSS定位技术。

而GNSS解算与坐标定位是GNSS技术的核心。

本文将介绍如何进行GNSS解算与坐标定位，以及其应用领域和方法。

一、什么是GNSS解算与坐标定位GNSS解算与坐标定位是一种利用全球导航卫星系统进行位置测量的技术。

它通过接收来自多颗卫星的信号，并对信号进行处理、解算，从而确定接收器的位置。

通常，GNSS解算与坐标定位是通过计算接收器与卫星之间的距离以及卫星的位置来确定接收器的三维坐标。

二、GNSS解算与坐标定位的应用领域GNSS解算与坐标定位被广泛应用于以下领域：1. 导航与定位：人们使用GNSS技术进行车辆导航、船舶定位、航空导航等。

通过定位信息，我们可以方便地找到目的地。

2. 测绘与地理信息系统（GIS）：在测绘领域，GNSS解算与坐标定位用于确定地物的位置和形状，并用于绘制地图。

在GIS中，坐标定位用于将位置信息与地理特征相关联，以帮助分析地理数据。

3. 精密农业：农民可以利用GNSS解算与坐标定位技术进行精准种植、施肥和灌溉，从而提高农作物的生产效率和质量。

4. 建筑与施工：在建筑和施工领域，GNSS解算与坐标定位技术可用于确定建筑物的位置、地基的稳定性等，以确保建筑物的准确性和安全性。

5. 自动驾驶和航空航天：自动驾驶汽车和航空航天器需要精确的位置信息，以避免碰撞和导航。

三、GNSS解算与坐标定位的方法GNSS解算与坐标定位有多种方法，常用的有单点解算、差分解算和载波相位解算。

1. 单点解算：单点解算是最基本的解算方法，它通过接收多颗卫星的信号，计算每颗卫星与接收器之间的距离，再通过三角测量方法确定接收器的位置。

然而，由于信号传播过程中存在误差，单点解算的精度较低。

2. 差分解算：差分解算是通过接收同一个卫星的信号，同时接收一个参考站（已知位置）的信号，从而消除信号传播中的误差。

GNSS测量技术的误差源与补偿方法

GNSS测量技术的误差源与补偿方法

GNSS测量技术的误差源与补偿方法GNSS（全球导航卫星系统）是目前人类使用最广泛的定位导航技术之一。

它利用一组卫星系统，通过接收来自卫星的微弱信号，测量接收设备的位置和速度。

然而，由于各种误差源的存在，GNSS测量结果可能会产生一定的误差。

因此，了解和控制这些误差源，并采取相应的补偿方法，对于确保GNSS测量的准确性和可靠性非常重要。

1. 天线相位中心偏差GNSS接收机的天线是接收卫星信号的重要部分。

由于天线结构和材料的差异，不同频率的信号在经过天线时会产生相位中心偏差。

这种偏差会导致测量结果的误差。

为了补偿天线相位中心偏差，可以使用校准数据和模型来进行修正。

2. 多径效应多径效应是指GNSS信号在传播过程中被地面、建筑物、树木等物体反射或散射后到达接收机的现象。

由于反射信号的延迟和干扰，多径效应会导致测量结果的偏差。

为了减小多径效应的影响，可以采用天线设计、信号处理和滤波等方法来提高GNSS接收机对多径信号的鉴别能力，并通过多普勒频移来区分直达和反射信号。

3. 电离层延迟电离层延迟是指GNSS信号在穿过大气中的电离层时发生的相位延迟。

由于电离层中的电子密度不均匀性，导致信号的传播速度发生变化，从而影响测量结果的精确性。

为了补偿电离层延迟引起的误差，可以使用双频技术和电离层模型来进行修正。

4. 卫星轨道误差卫星轨道误差是指卫星实际运行轨道与预测轨道之间的差异。

由于外部扰动和测量误差等因素的影响，卫星轨道可能会发生偏离，从而导致测量结果的偏差。

为了消除卫星轨道误差的影响，可以使用差分技术和精密轨道模型来进行修正。

5. 时钟误差时钟误差是由于接收机和卫星钟的不完美而引起的误差。

由于时钟精度的限制，卫星钟和接收机钟的频率可能会发生偏差，进而导致测量结果的误差。

为了补偿时钟误差，可以利用差分技术和外部参考钟来进行修正。

在补偿GNSS测量误差的方法中，差分技术是一种常用且有效的方法。

差分技术利用两个或多个接收机同时观测卫星信号，并通过接收机之间的信号差异来消除误差。