1、第5章 GPS卫星信号的捕获 第5章 GPS卫星信号的捕获 5.1 5.1 概述概述 5.2 GPS5.2 GPS卫星信号的多普勒效应卫星信号的多普勒效应5.3 GPS卫星信号捕获的考虑卫星信号捕获的考虑5.4 GPS5.4 GPS卫星信号的捕获方法卫星信号的捕获方法 5.5 5.5 MatlabMatlab与与SimulinkSimulink仿真简介仿真简介 5.6 GPS5.6 GPS卫星信号捕获的例子卫星信号捕获的例子 5.7 5.7 关于捕获的一些子程序关于捕获的一些子程序 第5章 GPS卫星信号的捕获 5.1 概概 述述 为了跟踪和解码GPS信号,首先要捕获到GPS信号。将捕获到的G
2、PS信号的必要参数立刻传递给跟踪过程，再通过跟踪过程便可得到卫星的导航电文。GPS卫星处于高速运动中，因此，其频率会产生多普勒频移。载波频率与C/A码的多普勒频移将在下面详细讲述。为覆盖高速卫星预期中的所有多普勒频率范围，捕获方法覆盖的频率范围必须在10 kHz之内。一旦捕获到GPS信号，立刻去测量两个重要参数：C/A码的起始点和载波频率（因为多普勒频移而变化）。接收机接收到的一系列数据往往包含多个卫星信号，每个信号具有不同的C/A码的不同起始点和不同的多普勒频率。第5章 GPS卫星信号的捕获 针对某个特定的卫星信号，捕获过程就是要找到C/A码的起始点，并利用找到的起始点展开C/A码频谱，一旦
3、复现了C/A码的频谱，输出信号将变成连续波（Continuous Wave，CW），于是便得到其载波频率。也就是说，捕获过程就是要获得输入信号的C/A码的起始点和载波频率，然后传递给跟踪过程。捕获与跟踪过程所用到的数据都是从原始的卫星信号经过下变频器（即与中频混频）之后收集到的，其中频（IF）为21.25 MHz,采样频率为5 MHz，信号的中心频率为1.25 MHz。这组数据来源于我们设计的卫星信号接收装置，但是用模拟仿真算法也可以产生类似的数据，以验证本章介绍的卫星信号的捕获算法。第5章 GPS卫星信号的捕获 5.2 GPS卫星信号的多普勒效应卫星信号的多普勒效应GPS卫星绕地球旋转一周的
4、时间是11 h 58 min 2.05 s，从卫星轨道的近似半径可以求得卫星的角速度d/dt和运动速度vs：(5-1)4265601.458 103874/ssr dvkmm sdt421.458 10/11 360058 602.05drad sdt第5章 GPS卫星信号的捕获 这里rs表卫星轨道的平均半径。我们知道，一个太阳日和一个恒星日之间相差3 min55.91 s，在这段时间里，卫星大约运行了914 km(3874 m/s235.91 s)，对应地球表面与卫星的最高点，相应的角度近似为0.045 rad(914/20 192)或2.6。如果卫星接近地平线，相应的角度为0.035 ra
5、d或者2。因此我们可以看出，对于地球表面的固定一点，在每天的同一时间里，卫星位置大约改变22.6。第5章 GPS卫星信号的捕获 如图5-1所示，卫星在位置S处，用户在位置A处，相对用户的卫星角速度vd造成了多普勒频移，其中vd值为：(5-2)sindsvv根据卫星轨道速度，取水平方向的最大值，得到多普勒角速度的最大值为：m/h2078s/m9295602663683874sedmaxrrvvs(5-3)第5章 GPS卫星信号的捕获 图图5-1 卫星运动引起的多普勒频移卫星运动引起的多普勒频移 第5章 GPS卫星信号的捕获 这个值与高速航空卫星的速度相等。由地面设施引起的多普勒频移通常非常小，即
6、使它直接相对卫星运动引起了最大多普勒效应。对由C/A码调制过的频率L1(f=1575.42 MHz），最大的频移为：81575.42 9294.93 10rdmdrf vfkHzc(5-4)这里c是光速。因而，对于一固定观测器来说，最大的多普勒频移是5 kHz。第5章 GPS卫星信号的捕获 如果地面GPS接收设备高速移动，就要考虑进多普勒效应了。要单独产生一个5 kHz的频率范围，接收设备需以2078 m/h的速度相对卫星运动，这个速度将包含最高速度的航空器。因而，在设计GPS接收机时，如果接收机用在低速设备，则认为载波频率的多普勒频移范围在5 kHz；相反地，如果用在高速设备，就要合理假定其
7、多普勒频移的范围在10 kHz。这些值对于确定捕获过程的搜索频率范围是至关重要的。因此，就有了引言中我们提到的为覆盖高速卫星预期中的所有多普勒频率范围，捕获方法覆盖的频率范围必须在10 kHz之内之说。第5章 GPS卫星信号的捕获 由于C/A码频率非常低，所以C/A码上的多普勒频移也是非常小的。C/A码的频率是1.023 MHz，比载波频率低1540(1575.42/1.023)倍。C/A码的多普勒频率为：681.023 109293.23 10chdcf vfHzc(5-5)如果接收机高速移动，这个值就得取双倍，为6.4 Hz，得到的这个值对跟踪过程（BASS方法）来说是至关重要的，这点我们
8、将在下一章讨论。在BASS跟踪过程中，输入信号与本地产生数据必须要紧密对齐，而C/A码的多普勒频移可能造成输入码与本地生成码的不对齐。第5章 GPS卫星信号的捕获 在数字化卫星信号中，如果数据用5 MHz采样(称为采样频率)，则每个采样之间相隔200 ns（称为采样时间）。在跟踪过程中，我们期望本地生成信号与输入信号未对齐的长度在半个采样时间或近似100 ns之内，若两个信号之间相差超过这个长度，跟踪将失锁，即失去跟踪灵敏性。C/A码的基波时间为977.5 ns或1/1.023106 s，它移动一个周期需花费156.3 ms（1/6.4）。对这句话的理解是：多普勒频移使C/A码的频率由1.02
9、3106变为JP21.023106+6.4，即每秒内多变化了6.4个周期，则多变化一个周期的时间为(1/6.4)ms。第5章 GPS卫星信号的捕获 因此，它移动100ns的数据长度，近似花费16 ms(100156.3/977.5)。在高速导航器中，需每16 ms选择一批数据，以保证输入信号与本地生成码更好地匹配。但是由于输入信号中有噪声，用1 ms的数据可能不能非常精确地匹配，因而可以拓宽输入信号的调整时间，每20 ms选择一批输入信号。对一个低速导航器来说，这个时间可拓宽到40 ms。第5章 GPS卫星信号的捕获 从以上讨论我们知道，输入信号的调整取决于采样频率。采样频率高将缩短调整时间，
10、因为采样时间变短，在半个周期内匹配输入码与本地生成码的时间变短。如果输入信号的强弱和跟踪灵敏度不成问题，则输入信号的调整时间可以拓宽。然而，输入信号与本地生成信号相离必须在半个基波或488.75 ns(977.5/2)之内，这个时间看做是输入信号与本地生成信号相离允许的最大值。C/A码的多普勒频率是6.4 Hz，调整时间可以拓宽到78.15 ms（1/26.4）。第5章 GPS卫星信号的捕获 5.3 GPS卫星信号捕获的考虑卫星信号捕获的考虑 5.3.1 捕获时的最大电文长度捕获时的最大电文长度 C/A码长1 ms，那么至少要用1ms的电文来捕获，甚至只用1 ms的电文来捕获时，都可能发生导航
11、电文相位偏移。如果电文中有数据偏移，电文的下一个1ms将不会含有偏移。因此，为了保证捕获电文中不含有数据偏移，需要用两组连续的电文来捕获，这个电文最大长度是10 ms。如果使用两组连续的10 ms电文来捕获，就保证了在某一组电文中不含相位偏移。第5章 GPS卫星信号的捕获 限制电文长度的第二个因素是C/A码的多普勒效应。如果理想相关峰值是1，当C/A码超前或滞后1/2码时，相关的峰值将降为0.5，对应地，幅值下降6 dB。如上节所讨论的，假定未对准的C/A码允许在半个基波（0.489 s）内,基波频率是1.023 MHz，C/A码上预期的最大多普勒频移是6.4 Hz，那么两个相差6.4 Hz的
12、频率交换半个基波需要78 ms（1/26.4），这个数据远大于10 ms。第5章 GPS卫星信号的捕获 5.3.2 5.3.2 捕获中的频率步长捕获中的频率步长 捕获时的另一个考虑因素是捕获中剥离载波所需的频率。在前文曾提过，需被覆盖的多普勒频率范围是10 kHz，决定覆盖这20 kHz范围的步进频率非常重要。步进频率的大小与捕获中的电文长度紧密相关。如果输入信号与本地混频信号相距1个周期，它们两者没有相关性；如果两者小于1个周期，则它们有部分相关性。随意选取两个信号允许的最大频率相离是0.5个周期，如果电文记录长度为1 ms，一个1 kHz的信号将在1 ms内变换一个周期，为了保持1 ms内
13、的最大频率相离在0.5个周期，步进频率须为1 kHz。在这种情况下，在输入信号与卷积信号之间最大限度的频率相离是500 Hz/s或0.5 Hz/ms，且输入信号刚好在两个频率点之间。如果电文记录长度为10 ms，100 Hz的搜索步进频率就可以满足要求。看待这个问题的一个简单方法是频率相离与电文长度成反向关系。第5章 GPS卫星信号的捕获 由以上的讨论可以得出如下结论：当捕获输入电文为1 ms长时，步进频率是1kHz；当电文为10 ms时，步进频率是100 Hz。从这个简单的讨论可以明显看出，捕获中的操作执行次数与总的数据点并不是成线性比例关系，当电文长度从1 ms上升到10 ms时，电文长度
14、上升10倍，频率点数目也上升了10倍，捕获所需的操作次数上升了不止10倍。因此，实际捕获时，如果强调捕获的速度的话，电文长度需保持在最小值。执行次数的增加，取决于实际捕获所用的方法，下面将讨论具体的捕获方法。第5章 GPS卫星信号的捕获 5.4 GPS卫星信号的捕获方法卫星信号的捕获方法5.4.1 5.4.1 传统捕获方法传统捕获方法 捕获的基本思想就是展开输入信号，找到载波频率。如果相位正确的C/A码与输入信号相乘，输入信号将如图5-2中所示变成一个连续信号。图5-2中最上端是输入信号，这个信号是C/A码编码的射频信号相位，注意到射频信号与C/A码是任意选择的，它们并不代表卫星传输过来的真正
15、的信号。中间的图表示C/A码，其值在1之间。最下端的图是连续信号，代表输入信号与C/A码的乘积，其对应的频谱不再是扩频，而是一个连续信号，这个过程有时称做输入信号的C/A码剥离。第5章 GPS卫星信号的捕获 图5-2 C/A编码的输入信号与本地C/A码相乘 第5章 GPS卫星信号的捕获 一旦输入变成连续信号，通过傅立叶变换可以知晓其频率。如果输入电文长是1 ms，则傅立叶变换的频率分辨率为1 kHz。可以设置一个阈值，即一个门限来判断一个频率分量是否足够大。高于这个门限的最高频率分量就是我们要找的频率。如果用5 MHz使输入信号数字化，1 ms的电文将含有5000个数据点，一个5000点的FF
16、T(快速傅立叶变换)将产生5000个频率分量。然而，5000个频率分量中只有前2500个频率分量包含有用信息，后2500个是前2500个频率分量的复共轭。频率分辨率是1 kHz，因此，FFT覆盖的总频率范围是2.5 MHz，是采样频率的一半。但我们感兴趣的频率范围只有20 kHz，而非2.5 MHz，因此，为了节省计算时间，可以用DFT(离散傅立叶)方法，只计算相隔1 kHz的21个频率分量。第5章 GPS卫星信号的捕获 由于输入信号中C/A码的起始点还未知，因此，必须先找到这个点。为了找到这个点，我们产生本地的一个C/A码，将其数字化为5000个点，且与输入信号点对点相乘，对此乘积的结果进行
17、FFT或DFT，可以找到其频率。为了搜索1 ms的电文，输入电文与本地产生数字化的C/A码必须彼此相对移动5000次。如果使用FFT，需操作5000次，每次操作包含5000个点对点的乘积和一个5000点的FFT。由于只有2500个频率分量提供信息，其余2500个分量提供的是多余的信息，因此，输出的5000点数据 每 个 含 有 2 5 0 0 个 频 率 分 量，这 样，在 频 域 共 有1.25107(50002500)个输出。在这1.25107个输出中最高幅值如果大于预先设定的门限值，则该分量就是期望值。在如此多的数据中寻找最高频率分量也是非常费时的。由于在期望的20 kHz的FFT输出中
18、，只有21个频率分量是我们感兴趣的，总输出可以降低到105 000(500021)个。通过这种方法，可以用时间分辨率为200 ns(1/5 MHz)和1 kHz的频率分辨率找出C/A码的起始点。第5章 GPS卫星信号的捕获 如果使用10 ms的电文，因为信号只需要卷积1 ms，因此需要5000次操作。每次操作包含50 000个点对点乘积和50 000次FFT，总共有1.25108(500025 000)个输出结果。如果在预期的20 kHz范围内只考虑201个频率分量，需从1 005 000(5000201)个结果中挑选，因此可以看出，从1 ms到10 ms操作的增长是非常显著的。寻找C/A码起
19、始点的时间分辨率仍是200 ns，但频率分辨率提高到了100 Hz。第5章 GPS卫星信号的捕获 传统捕获方法是由硬件实现的，硬件主要用以执行以上所讲的处理。假定输入信号用5 MHz数字化，一个可行方法是产生5000点的数字C/A码，并与输入信号点对点相乘，每200 ns执行一次5000点相乘，每200 ns对一个5000点相乘的结果进行FFT频率分析，图5-3示意了该过程。如果C/A码与输入电文匹配，FFT结果中将含有一个强分量，如前所述，这个方法将产生 1.25107(50002500)个输出结果，然而，只有在10 kHz频率范围内的输出结果中挑选，这个约束使得排序过程变简单了。第5章 G
20、PS卫星信号的捕获 图5-3 用C/A码和频率分析进行捕获 第5章 GPS卫星信号的捕获 完成这个操作的另一个方法是通过离散傅立叶变换(DFT),将本地产生码变换成含有C/A码和射频信号的电文。射频是复数，可用ejwt表示。本地码信号由射频与C/A码乘积获得，因此，本地码也是复数。假定L1频率(1575.42 MHz)被转换到21.25 MHz，并用5 MHz数字化，输出频率将会是1.25 MHz;同时假定捕获过程以1 kHz的步长搜索125010 kHz 的频率范围，且总共有21个频率分量，本地码lsi可用下式表示：2ijf tsislC e(5-6)第5章 GPS卫星信号的捕获 其中，s表
21、示卫星的编号；i=1,2,3,21；Cs表示编号为s的卫星的C/A码；fi=1250-10,1250-9,1250-8,1250+10 kHz。本地信号须用5 MHz数字化，产生5000个数据点，这21组数据代表相距1 kHz的21个频率。这些数据与输入信号有关，如果本地产生信号包含正确的C/A码和正确的频率分量，当遇到正确的C/A码相位时，输出结果将会特别高。第5章 GPS卫星信号的捕获 图5-4 通过本地产生C/A码和射频码捕获 第5章 GPS卫星信号的捕获 5.4.2 循环相关捕获方法循环相关捕获方法 1.循环卷积与循环相关循环卷积与循环相关 在讲述循环相关捕获方法之前，首先简单介绍执行
22、相关操作的主要数学运算。如果一个输入信号经过一个线性时不变系统，可由卷积运算得到时域结果，也可由傅立叶变换得到频域结果。如果系统脉冲响应是h(t)，输入信号x(t)可通过卷积产生如下的输出y(t)：()()()()()y tx thdxh td(5-7)第5章 GPS卫星信号的捕获 通过傅立叶变换，y(t)的频域响应为：22()()()()()jftjftY fxh td edtxh td edt d(5-8)令变量t-=u，那么 222()()()()()()()jfufjfY fxh u edu edH fxedH f X f (5-9)第5章 GPS卫星信号的捕获 为得到时域输出，需对Y
23、(f)进行反傅立叶变换，结果可写成：1()()()()()y tx th tFX fH f(5-10)此处，*表示卷积，F-1表示傅立叶反变换。可以发现一个简单的关系，时域的卷积等效于频域的傅立叶变换，或者说频域卷积运算等效于时域傅立叶变换，这两种关系可以写成：(5-11)()()()()x th tX f H f()()()()X fH fx t h t通常称其为傅立叶变换中卷积的二元性。第5章 GPS卫星信号的捕获 这个思想还可用于离散系统。与连续时域表达式不同，响应y(n)可以表达成：10()()()Nmy nx m h nm(5-12)此处，x(m)表示输入信号，h(n-m)是离散时域
24、系统响应。注意到，该式子中，h(n-m)中的时移是循环的，因为离散操作是周期性的。对上式进行离散傅立叶变换(DFT)，结果为：11(2)/0011(2()/(2)/001(2)/0()()()()()()()()()NNjknNnmNNjn m kNjmkNmnNjmkNmY kx m h nm ex mh nm eeH kx m eX k H k(5-13)第5章 GPS卫星信号的捕获 然而，捕获时用到的并不是卷积运算，而是相关运算，它与卷积运算不同。x(n)与h(n)之间的相关表示为：(5-14)10()()()Nmz nx m h nm上式与式(5-12)的惟一不同点就在于h(n+m)中
25、的m前面的符号不同。h(n)是另一信号，而非线性系统的脉冲响应。z(n)的DFT变换为：11(2)/0011(2()/(2)/001(2)/01()()()()()()()()()NNjknNnmNNjn m kNjmkNmnNjmkNmZ kx m h nm ex mh nm eeH kx m eH k Xk(5-15)第5章 GPS卫星信号的捕获 这里X-1(k)表示离散傅立叶反变换。上式还可写成：11(2)/100()()()()()NNjknNnmZ kx nm h m eHk X k(5-16)如果x(n)是实数，x(n)*=x(n)，其中*表示复共轭。有了这个关系，Z(k)的幅值为
26、：*()()()()()Z kHk X kH k Xk(5-17)利用上式的这个关系，可得到输入信号与本地产生信号的相关性。如前所述，这个式子提供了循环相关性。第5章 GPS卫星信号的捕获 2.2.循环相关捕获的方法循环相关捕获的方法 上面讨论了循环相关的运算法则，利用这些运算法则就可以执行捕获了。然而实际捕获中，输入电文不是连续到达接收机的，因此循环相关操作适合一组或一批电文。输入电文经过5 MHz的ADC(模拟/数字转换器)采样存储在存储器中，只有1 ms的输入电文用来寻找C/A码的起始点，其搜索频率分辨率即步进频率是1 MHz。第5章 GPS卫星信号的捕获 捕获输入电文，需经过以下几个步
27、骤：(1)对1ms的输入电文x(n)进行快速傅立叶变换FFT，将输入转换到频域，值为X(k)，这里，n=k=0,1,2,4999。(2)取X(k)的复共轭，值为X(k)*。(3)利用式(5-6)，产生21个本地码lsi(n)(i=1,2,21)，本地码包含了卫星s的C/A码和一个复射频信号的乘积，然后用5 MHz采样本地码，本地码的频率fi相距1MHz。(4)对lsi(n)进行FFT，变换到频域中，值为Lsi(k)。(5)将X(k)*与Lsi(k)点对点相乘，结果为Rsi(k)。第5章 GPS卫星信号的捕获(6)对Rsi(k)进行反傅立叶变换，变换到时域中的值为rsi(n)，得到其绝对值|rs
28、i(n)|，总共有105 000(500021)个|rsi(n)|。(7)在输入电文200ns的时间分辨率和载波频率为1 kHz分辨率的条件下，|rsi(n)|最大值中的第n位和第i个载波频率芯给出了C/A码的初始点。第5章 GPS卫星信号的捕获 以上的操作可由图5-5说明。图5-5所示结果是时域中的，且只给出21个本地码的其中一个。可认为输入电文与本地电文位于两个圆柱体表面，为了去匹配输入电文，本地码要旋转5000次。换句话说，一个圆柱体相对于另一个圆柱体旋转5000次。在每一步，5000个输入电文与5000个本地电文点对点相乘，相乘结果加到一起。包含本地码与输入码所有可能的乘积需5000步
29、，乘积中最高幅值将被记录下。最高幅值如果同时大于预置门限值的话，就是我们的期望值。第5章 GPS卫星信号的捕获 图5-5 循环相关捕获示意图 第5章 GPS卫星信号的捕获 3.循环相关捕获的改进方法循环相关捕获的改进方法 循环相关捕获的改进方法与上面介绍的捕获方法的惟一区别就是傅立叶变换FFT的长度减小了一半。上一节的循环相关方法的第(3)步产生本地码lsi(n)，由于lsi(n)是复量，故其频谱是不对称的，如图5-6所示。第5章 GPS卫星信号的捕获 图5-6 本地产生信号频谱图 第5章 GPS卫星信号的捕获 从图5-6中显而易见，其信息包含在前半频谱图中，后半部分只含有非常少量的信息，从而
30、，循环相关的捕获方法可以做如下修改：(1)对1ms的输入电文x(n)进行快速傅立叶变换FFT，将输入转换到频域，值为X(k)，这里，n=k=0,1,2,4999。(2)取X(k)的前2500(k=0,1,2,4999)个值的复共轭，值为X(k)*。(3)利用式(5-6)，产生21个本地码lsi(n)(i=1,2,21)，每个lsi(n)有5000个数据点。第5章 GPS卫星信号的捕获 (4)对lsi(n)进行FFT，变换到频域中，值为Lsi(k)。(5)Lsi(k)的后半部只含有少量信息，因此，取前半部分的Lsi(k)，与X(k)*点对点相乘，结果为Rsi(k)(k=0,1,2,4999)。(
31、6)对Rsi(k)进行反傅立叶变换，变换到时域中的值为rsi(n)，并求出其绝对值|rsi(n)|，总共有52 500(250021)个|rsi(n)|。第5章 GPS卫星信号的捕获 (7)|rsi(n)|的最大值如果大于预置门限值的话就是我们的期望值。第i个频率就是分辨率1kHz的载波频率，第n位就是分辨率400ns的C/A码的初始点。(8)由于这种方法寻找C/A码起始点的时间分辨率是400 ns，可以通过比较第n位的幅值与(n-1)和(n+1)位幅值，将分辨率提高到200ns。该方法中，从第(5)步到第(7)步，只有2500个数据点的操作，而非5000个。第(7)步挑选最大幅值的过程由于只
32、用到一半的输出而简化了。因此这种方法节省了操作时间。仿真结果表明，这种方法的信噪比略低于常规循环相关捕获方法1.1dB，这可能是由于丢弃频域内后半部分信号引起的。第5章 GPS卫星信号的捕获 5.4.3 5.4.3 延迟与累积捕获方法延迟与累积捕获方法 基于延迟与累积的捕获方法是为了去除输入信号中的频率信息。去除了频率信息，只需用本地C/A产生码去寻找输入信号C/A码的起始点，一旦找到其起始点，就可由FFT或DFT得到其频率。从理论角度看，这是个非常吸引人的方法，然而，运用到实际中处理GPS信号，还需进一步研究。这种方法讨论如下。首先，我们假定输入信号s(t)是复量，因此表示为：2()()jf
33、tss tC t e(5-18)第5章 GPS卫星信号的捕获 这里，Cs(t)表示卫星s的C/A码。输入信号的延迟表达式为：2()()()jf tss tC t e(5-19)*22()2()()()()()jftjf tjfssns t s tC t C teeC t e()()()nssC tC t C t表示延迟时间，s(t)与延迟表达式的复共轭的乘积为：(5-20)这里的 (5-21)第5章 GPS卫星信号的捕获 戈尔德码(Gold Code)与其延迟的乘积可以看做是一个“新码”。这个“新码”也属于戈尔德码家族。仿真结果表明，利用其自相关和交叉相关可找到“新码”的起始点。“新码”的起始
34、点与C/A码的起始点相同。式（5-20）有意思的地方在于它的频率自变性，即频率变化不受其他变量支配，因为f和t都是常量，因而ej2f项是常量，因此，只需搜索“新码”的起始点。尽管这种方法非常吸引人，但它要求输入信号必须是复量，由于收集到的输入电文都是实数，因而必须将它们转化成复数。第5章 GPS卫星信号的捕获 为避免将实数信号转化成复数信号的额外计算，我们可以采用如下方法。输入信号为()()sin(2)ss tC tft这里，Cs(t)表示卫星s的C/A码。输入信号的延迟表达式为：()()sin 2()ss tC tf t(5-23)s(t)与延迟s(t-)的乘积是：()()()()sin(2
35、)sin 2()()cos(2)cos2(2)2ssns t s tC t C tftf tC tfft(5-24)第5章 GPS卫星信号的捕获 Cn(t)是式(5-21)的定义。式(5-24)含有两项：一个直流项和一个高频项。通常，可以滤去高频。为使式(5-24)可用，|cos(2f)|必须接近单位1。理论上，很难做到这点，因为频率f未知，然而，由于频率在125010 kHz之内，选择一个延迟时间来满足这个条件是完全可能的。例如，可选择21250103=，如此=0.410-6s=400 ns。输入电文用5MHz数字化，采样时间是200 ns(1/5 MHz)。在这个条件下，|cos(2f)|
36、=|cos()|=1。如果频率偏离10 kHz，其相关值|cos(2f)|=|cos(2126010340010-6)|=0.9997，非常接近单位1。第5章 GPS卫星信号的捕获 因此这个方法可以应用到实际电文中，惟一的约束是不可以像式(5-20)中那样任意选择延迟时间，但可以选择延迟不是很长的0.4s的倍数，例如=1.6 s，当频率偏移10kHz时，|cos(2f)|=0.995。可以看出，如果对中心频率1250kHz用一个长延迟的话，|cos(2f)|会下降很快。如果延迟过长，|cos(2f)|可能不再接近1。这个方法的问题是当两个带噪声的信号相乘时，噪底会上升，搜索1ms的电文将捕获不
37、到某个卫星。第5章 GPS卫星信号的捕获 图 5-7 相位偏移对延迟和累积捕获方法的影响(a)无相位偏移；(b)相位偏移两位 第5章 GPS卫星信号的捕获 5.4.4 长记录电文的相干处理长记录电文的相干处理寻找弱信号的方法通常是增加捕获的电文长度，这样做的好处是提高了信噪比，对此的一个简单解释是，长2 ms的电文的FFT产生500 Hz的频率分辨率，而1 ms的电文的FFT产生1 kHz的频率分辨率。由于信号在频谱展开后带宽窄，因而信号强度并不会因为相对窄的频率分辨率而降低，降低频率分辨率带宽反而将噪声降低了一半，因此，信噪比上升了3 dB。第5章 GPS卫星信号的捕获 长记录电文相干处理的
38、思想是利用很少的数据点执行快速傅立叶变换(FFT)。利用10ms的电文(或50 000个数据点)来说明这个思想。电文的中心频率是1.25 MHz，输入信号将被转换成一个基带信号和一个2.5 MHz的高频带。如果将高频带用滤波器滤去，将只需处理基带信号。假定此时已经滤去高频信号，基带信号是带C/A码的输入的下变频信号，将这个信号与C/A码点对点相乘。如果到达了C/A码的正确相位，输出将变成连续信号，由多普勒效应引起的最大频率范围在10 kHz。既然这个信号的带宽是20 kHz，我们就可以用其2.5倍的频率来采样，即用50 kHz采样该信号。10 ms的电文在此采样频率下只产生500个数据点。然而
39、，我们是用5 MHz采样的，产生了50 000个数据点。我们可以每100个数据点取一次平均值作为一个新的数据点，这个取均值的过程等价于一个低通滤波器，因此，它去除了乘法运算后的1.25 MHz连续信号中的高频分量，同样，也去除了接收机收集到的信号中含有的噪声信号。第5章 GPS卫星信号的捕获 这个方法可以用如下10ms的电文的例子来说明：(1)将10ms长的输入信号与本地生成1.25 MHz的复合连续信号相乘，并用5 MHz采样。因为输出最大频率是10 kHz，我们可以将此时的输出称做低频输出。频率近似为2.5 MHz的高频分量将被滤波除去，因而可以忽略它。这时，得到了50 000个数据点。(
40、2)将这些输出数据与10个C/A码点对点相乘，总共得到50 000个数据点。(3)将每100个相邻数据点取其均值，变成一个新的数据点，这个过程滤去了频率近似为2.5 MHz的高频分量。第5章 GPS卫星信号的捕获(4)对新产生的500个数据点进行FFT变换，找到频率内的最高输出，这个操作产生的频率输出中，只有250个输出有用。(5)将本地生长码相对低频输出移动一个数据点，然后重复步骤(3)和(4)。由于每毫秒产生一次C/A码，我们需要操作5000次，而非50 000次。(6)在频域中，总共得到1.250106(2505000)个输出，大于预置门限值的最高幅值就是期望值，从这个值可以得到C/A码
41、的起始点和多普勒频移。由此得到的频率分辨率是100 Hz。尽管上述方法简单易懂，但循环相关的捕获方法也可以用很少的操作来达到同样的目的。第5章 GPS卫星信号的捕获 5.4.5 5.4.5 精频估计的基本概念精频估计的基本概念 从1 ms电文中得到的频率分辨率大约是1 kHz，对跟踪环来说，这个值太粗糙了。适合跟踪过程的频率必须在几十Hz之内。通常，跟踪环的频宽是几Hz，用DFT(或FFT)计算精细频率（Fine Frequency）是不可取的。因为为了得到10 Hz的分辨率，需100 ms的电文记录，如果每毫秒有5000个数据点，100 ms就有500 000个数据点，其FFT操作将是非常费
42、时的。另外，100 ms电文的相位偏移的概率也相对高。第5章 GPS卫星信号的捕获 得到适合跟踪环的精细频率分辨率(Fine Frequency Resolution)（以后简称精频）的方法是通过相位关系。一旦输入信号中剥离了C/A码，输入就将变成连续波形。如果在m时刻，1ms电文中最高频率分量是Xm(k)(k表示输入信号的频率分量),则可由DFT输出得到输入信号的初始相位m(k)：)(Re()(Im(tan)(1kXkXkmmm(5-25)第5章 GPS卫星信号的捕获 Im和Re分别表示虚部和实部。让我们假定在m时刻之后很短时间的n时刻，1ms电文的DFT分量Xn(k)也是最强分量，因为输入
43、分量在很短时间内不会迅速变化。n时刻输入信号的初始相位角和频率分量k为：)(Re()(Im(tan)(1kXkXknnn(5-26)这两个相位角可用来计算精频：)-(2)()(mnkkfmn(5-27)第5章 GPS卫星信号的捕获 这个方程式给出了一个比从DFT得到的要精确得多的频率分辨率。为了保持其值的惟一性，n(k)-m(k)的相位差必须小于2。如果相位差是最大值2，带宽就是1/(n-m)。这里的(n-m)是两组连续电文之间的延时。第5章 GPS卫星信号的捕获 5.4.6 5.4.6 消除精频测量中的不确定性消除精频测量中的不确定性尽管求解精频的基本方法都是基于式(5-27)，但是具体实现
44、它，则有几种略微相异的方法。如果每毫秒取DFT的第k个分量，频率分辨率是1 kHz，精频测量的不确定宽度也是1 kHz。在图5-8(a)中，给出了5个频率分量，它们之间相隔1 kHz。如果输入信号如图5-8(b)所示落在了两个频率分量之间，由于系统中噪声的影响，将不能确定其相位。第5章 GPS卫星信号的捕获 图5-8 频域内的不确定区域（a）频率相离;（b）输入信号 第5章 GPS卫星信号的捕获 为了去除这种不确定性，有两个解决方法。第一个方法是加速DFT操作过程。如果每0.5 ms执行一次DFT操作，不确定带宽是2 kHz。在频率分辨率为1 kHz和不确定带宽为2 kHz的条件下，确定一个精
45、细频率就不存在不确定的问题了。但是这种方法使DFT操作增加了一倍。解决这个问题的第二个方法是，如果输入是连续信号的话，采用一种幅值比较方案，而非加快DFT操作速度。如图5-8(b)所示，输入信号落在两个频率槽之间。假定X(k)的幅值略高于X(k-1)，将X(k)代入式(5-26)和式(5-27)，得到精细分辨率。输入频率与X(k)的值相差接近500 Hz。第5章 GPS卫星信号的捕获 正确的结果是输入频率比X(k)低500Hz，由于噪声的存在，我们可能错误地认定是输入频率比X(k)高了500 Hz。然而，输入频率X(k)和X(k-1)是非常接近的，且它们比X(k-1)要强得多。因此，如果输入最
46、高频率槽是X(k)，且相位计算在不确定区域范围内，这个区域接近于X(k)与X(k-1)的中心或者X(k)与X(k+1)的中心，这时就比较X(k-1)与X(k+1)两者之间的相位。如果X(k-1)大于X(k+1)，输入频率就是低于X(k)的;否则，就认为输入频率高于X(k)。如此，精频的准确性由相位决定，但是频率差值的符号由最高频率分量邻近的两个频率分量的幅值决定。第5章 GPS卫星信号的捕获 然而，问题比这要略为复杂一些，因为两组连续数据间可能由于导航电文引起了180的相位偏移。如果发生了这种情况，输入信号就不能被看做连续信号对待了。这种可能性使不确定宽度延迟了1ms，且限制在250Hz。频率
47、相距250Hz对应的相位角是/2。如果频率相距+250 Hz，相位角是+/2，然而导航电文引起的相位偏移将使相位角变成+/2(+/2-)，相应地引起-250 kHz的频率变换。如果在寻找精频时不考虑相位偏移，这个结果将变成500 kHz。第5章 GPS卫星信号的捕获 为了避免这个问题，频率不确定的最大值必须小于250Hz。如果频率最大相差是200 Hz(这个值是实验选取的)，则相应的相位角的差是2/5，如图5-9所示。如果存在相位偏移，相位差了3/5(|(2/5)|)，这个值要比2/5大得多。这样来看，相位差可以用来确定精频而不产生错误的频率偏移。如果相位差大于2/5，就从结果中减去以保证频率
48、差小于2/5。为了保持频率在200 kHz之内，X(k)中的k值之间的最大距离将是400 kHz。如果输入是在两个邻近的k值当中，则输入信号跟两边的k值都相距200 kHz。第5章 GPS卫星信号的捕获 图 5-9 相位差小于2/5将不会造成频率误差 第5章 GPS卫星信号的捕获 图 5-10 从两个相位角得到的角度差 第5章 GPS卫星信号的捕获 讨论的最后一点是将X(k)的实部和虚部转化成相位角。通常，相位角的范围在之间。式(5-26)和式(5-27)中的两个相位角都将用这种方式得到，两个相位角的角度差可以是02间的任何值，如图5-10所示。由于200 kHz允许的最大相位角差是2/5，这
49、两个相位角的角度差必须等于或小于2/5。如果结果大于2/5，可以从结果中加上或减去2，其绝对值就肯定小于2/5了。如果将噪声考虑进去，2/5门限值可以适当放宽，如用2.3/5，意味着其差必须等于或小于2.3/5这个值。如果这样处理后的值仍然大于这个门限值，就意味着两个连续毫秒数据间有相位偏移了，必须从结果中减去。当然，得到的角度值也还要经过加减2，以保证最后得到的值小于门限值。第5章 GPS卫星信号的捕获 由以上讨论可知，在某一确定卫星中需要经过下面几个步骤来找出它的C/A码起始点和载波频率：(1)对1 ms的输入执行循环相关操作，某个确定的C/A码起始点可以从这些循环相关里找到，载波频率可以
50、以1 kHz的分辨率得到。(2)找到最高频率分量X(k)，在同一个毫秒数据内的两个分量，一个比X(k)中的k值低400 kHz，一个比k值高400 kHz，对这两个分量执行DFT操作。三个输出X(k-1),X(k),X(k+1)中的最高输出将被指定为新的X(k)，并用这个新的X(k)作为DFT分量来求解精频。第5章 GPS卫星信号的捕获 (3)从C/A码起始点处开始选择连续几个毫秒的数据，我们随意选择为5ms，将这些数据与5组连续C/A码相乘，结果肯定是一个5 ms长的连续信号。但是在任意1 ms数据中，都有可能含有一个相位偏移。(4)从所有输入数据中找出Xn(k)，其中n=1,2,3,4,5
