卫星导航系统-第7讲 GPS接收机技术-2

卫星导航系统-第7讲 GPS接收机技术-2

基带信号处理

信号的捕获（粗同步）

目的：

1.找打可见卫星；

2.估计C/A码的相位粗值；

3.估计多普勒频移粗值；

信号捕获是一个三维搜索过程，就是上面的三点；

基本原理

利用C/A码良好的自相关性和互相关性。接收机内部产生的C/A码与接收到的卫星信号完全相同时，利用相关运算实现信号解扩。

为什么要讲多普勒频率呢，因为咋捕获的时候，它会涉及到频率的初始化问题。

多普勒频移是由相对运动来产生的！

接收机和卫星连线上的相对运动会产生多普勒频移；

卫星在上面图中的S处，用户接收机在A点；关键计算卫星运动的速度来AS连线上的分量；

首先看一下卫星的运动速度，Vs=3874m/s；

可以看出Vd和角度theta有关系

可以对上面式子进行求导，就可以求导在某个角度下的最大的vd值；

当theta为13.87度的时候，投影速度vd最大；

由于卫星运动，使得接收机接收到的卫星信号，这个码速率不等于1.023MHz,它会产生偏移，偏移量是3.2Hz;

载波偏移量最大是4.9kHz;

多普勒频移变化率

假设接收机为1g=9.8m/s2的的加速度，那么由于接收机移动产生的多普勒频移变化率为51.5Hz，这比卫星运动引起的多普勒频移要大得多；这就涉及到在一些高动态的运行环境中，那么在基带处理里面就需要采用一些高动态处理方法；

信号捕获的时候多普勒频移搜索的步长

由于GPS卫星相对接收机的径向运动引起的多普勒频移最大为5KHz。

由于接收机载体运动引起的最大多普勒频率为5KHz；

总的多普勒频移为10KHz（不包含由本地晶振精度引起的多普勒）。

通常在捕获过程中使用的多普勒搜索步长为500Hz。

总的多普勒搜索次数为41次；

C/A码搜索步长

C/A码一个周期有1024个码长；

一般C/A码的搜索步长为0.5个码长；

总的C/A码相位搜索次数为2046.

捕获方法：

时间串行捕获

在时间域上是串行的，搜索的方法是在频率单元不同的情况下去搜索码相位，如果没找到，就换下一个频率单元，继续搜索码相位；

最后找到信号的峰值，然后把真实信号捕获；

输入信号

后面的n（t）看不清楚是它的噪声；

A是幅度，D（t）是数据位，C(t)是C/A码，cos()是载波，cos里面前面的f是它的中频，后面是它的多普勒，后面是接收信号的载波相位；

那么本地会产生两路信号，一路是I，另外一路是Q，二者相差90度

本地伪码：C/A = C（t-г）

积分输出

包络监波：

输入信号首先跟本地信号进行载波的混频即相乘，这一步也叫载波过滤，然后再与本地伪码进行相关，之后得到XI和XQ，经过积分清洗，也就是对相关值进行积分，积分周期为码的码周期，然后得到SI和SQ再经过平方后进行相加，得到统计量，最后对其进行判决，判断码相位跟接收的码相位进行对齐，捕获的载波多普勒频率是否在范围内。

可以看出本地初始的伪码跟接收到的伪码是不对齐的，那么需要对本地码进行滑动，通过滑动改变本地伪码的相位，当两个码相差在一个码片范围内的时候，其相关值就能够体现出来，值比较大；

载波滑动

也是通过移动改变本地的载波频率，来进行相关性比较

当它对齐或者频差在一定范围内的时候，其相关性就很大；

门限的影响

信号捕获判决是一个统计的过程，接收的信号有两种情况，一是只包含噪声、二是噪声与扩频信号同时存在，两种情形都有各自的概率密度函数。

上图中，左边是只有噪声的信号，右边波形是噪声和扩频信号同时存在，那中间的虚竖线就是我们要选择的门限，故选取门限是很重要的。采用自适应选择门限来使用当地接收机的噪声水平；

捕获性能评估

捕获概率

虚警概率

漏检概率

捕获判决策略：就是我捕获的统计量，是不是跟门限一比较，大于门限我们就认为它捕获到了呢，下面就是一些判决策略

搜索单元

41个频率搜索单元

2046个码相位搜索单元

总共41×2046个组合

这里还没有涉及到不同卫星的！！！！

它带来的一个问题就是捕获时间非常长；捕获时间很长，也就是说明GPS接收机的启动时间很长；

那么就要想办法提高它的捕获速率；

频率域并行捕获

对41个频率域单元进行并行捕获

频率域并行捕获原理

将时域相关结果经傅里叶变换转换成频域信号，反映相关结果在各个频率成分处的强度，对该频率域信号的幅值大小进行分析，从中找出残余频率值及相对应的载波频率值。若本地伪码与接收伪码相位不一致，其低相关性将抑制变换后的信号幅值，从而判定伪码相位不对齐。若本地伪码与接收伪码相位对齐，变换后的信号幅值将出现明显的峰值，该峰值所对应的傅里叶变换频带频率值即为频率误差。

频率域并行捕获缺点

将时域相关结果与残余频率损耗因子成正比，其幅值随频率误差的增大而降低。尽管N点傅里叶变换理论上能给出N个频带上的检测量，但是在远离中心频率较远的频带上，检测量会遭到较大的衰减，由此导致信号捕获灵敏度性能的变差。

码相位并行捕获

对接收信号进行载波过滤，经过过滤之后，进行傅里叶变换，本地的也进行傅里叶变换取共轭，然后与信号相乘，得到IFFT，再经过检波，得到统计量，，，

比较

传统的硬件接收机采用串行捕获技术，即将接收到的信号与本地产生的参考信号进行自相关，以一定步长搜索所有可能的多普勒频移和所有可能的码相位。

串行捕获运算简单，容易硬件实现，但是计算量非常大，时间串行捕获次数为2046*41。    软件接收机需要采用并行捕获技术。码相位并行捕获次数将搜索空间由频域并行捕获次数2046降低到41次，提高了速度。

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