GPS衛(wèi)星捕捉及跟蹤算法研究

唐光杰，張仁杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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GPS衛(wèi)星捕捉及跟蹤算法研究

唐光杰，張仁杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

為了能完成衛(wèi)星定位，需要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行捕獲、追蹤。文中針對(duì)帶有C/A碼的L1頻段的GPS信號(hào)進(jìn)行定位研究，捕獲能從接收的信號(hào)中粗略地估算出可見(jiàn)衛(wèi)星的信號(hào)參數(shù)，用于幫助接收機(jī)初始化跟蹤環(huán)路，并開(kāi)始跟蹤信號(hào)。碼跟蹤和載波跟蹤模塊則將這些參數(shù)細(xì)化，跟蹤后即可解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，算法可準(zhǔn)確快速地從32顆衛(wèi)星中捕捉和跟蹤預(yù)定的衛(wèi)星信號(hào)。

C/A碼；GPS; 捕捉算法；跟蹤算法

TANG Guangjie, ZHANG Renjie

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

GPS正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)際衛(wèi)星數(shù)目約為30顆，而根據(jù)接收機(jī)所處地理位置的不同，每一時(shí)刻的可見(jiàn)衛(wèi)星也是在不斷的變化，所以接收機(jī)首先要做的就是識(shí)別當(dāng)前所有的可見(jiàn)衛(wèi)星，并確定信號(hào)頻率和碼相位的粗略值，為下一步對(duì)信號(hào)的跟蹤做準(zhǔn)備。其中衛(wèi)星信號(hào)的頻率不同于它的標(biāo)稱(chēng)值，因?yàn)槭艿叫l(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，當(dāng)衛(wèi)星速度達(dá)到最大值時(shí)，產(chǎn)生的多普勒頻移可高達(dá)5 kHz。碼相位則表示了當(dāng)前數(shù)據(jù)段中C/A碼開(kāi)始的位置[1]。

本設(shè)計(jì)是針對(duì)使用帶有C/A碼的L1頻段的GPS信號(hào)進(jìn)行定位。盡管本設(shè)計(jì)沒(méi)有做射頻前端的信號(hào)處理工作，但所使用的數(shù)據(jù)都是基于真實(shí)的GPS數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件"GPSdata-DiscreteComponents-fs38_192-if9_55.bin" 中的數(shù)據(jù)由美國(guó)科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用其設(shè)計(jì)的專(zhuān)用射頻采集前端采集獲得[2]。

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的信號(hào)處理是基于通道結(jié)構(gòu)的，一個(gè)單一的接收機(jī)通道概要如圖1所示。

圖1 接收機(jī)通道

1 GPS信號(hào)的捕獲算法研究

本設(shè)計(jì)采用的捕獲方法是CDMA系統(tǒng)中常用的一種捕獲算法，其框圖如圖2所示。這種方式是基于接收信號(hào)與本地產(chǎn)生偽碼序列及本地載波的乘積。大體分為以下幾步：(1)接收信號(hào)首先與本地產(chǎn)生的偽碼序列相乘；(2)與本地產(chǎn)生載波相乘產(chǎn)生I支路信號(hào)；(3)與本地產(chǎn)生載波的90°相移信號(hào)相乘產(chǎn)生正交Q支路路信號(hào)；(4)I、Q支路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)1 ms，即C/A碼周期的時(shí)間積分后，平方相加；(5)同時(shí)對(duì)I、Q支路信號(hào)進(jìn)行研究，輸出接收信號(hào)與本地產(chǎn)生信號(hào)的相關(guān)值；(6)判斷相關(guān)值是否超過(guò)了預(yù)設(shè)門(mén)限，若超過(guò)，則轉(zhuǎn)入跟蹤過(guò)程。

圖2 捕獲算法框圖

1.1 積分與平方

串行搜索的最后一部分是余弦和正弦信號(hào)分別相乘后進(jìn)行積分和平方。其中，平方是為了獲得信號(hào)功率；積分則是將對(duì)應(yīng)于處理數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的所有38 192個(gè)點(diǎn)的值相加。如果本地偽碼與接收信號(hào)偽碼完全對(duì)齊，且本地載波頻率與接收信號(hào)頻率相匹配，則得到的輸出值比不滿(mǎn)足這些條件的結(jié)果要大得多。圖3(a)為對(duì)應(yīng)于一個(gè)不可見(jiàn)星的捕獲結(jié)果，圖3(b)顯示的是對(duì)應(yīng)于一顆可見(jiàn)星的捕獲結(jié)果[3-4]。

圖3 捕獲后的輸出信號(hào)

其中，第19顆星為不可見(jiàn)星，第21顆為可見(jiàn)星。顯然，在對(duì)不可見(jiàn)星的捕獲中，沒(méi)有一點(diǎn)的幅度能夠超過(guò)門(mén)限值500，所以表示相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果均較小，即沒(méi)有完全自相關(guān)的點(diǎn)，捕獲失敗。而對(duì)可見(jiàn)星的捕獲中，可得到一個(gè)明顯的相關(guān)峰輸出。

1.2 捕獲仿真結(jié)果

對(duì)32顆衛(wèi)星的捕獲結(jié)果如圖4所示。其中，橫坐標(biāo)代表32顆衛(wèi)星的PRN號(hào)，即1～32，縱坐標(biāo)用于度量捕獲的結(jié)果，Acquisition signals代表捕獲到了信號(hào)，Not acquired signals代表未捕獲到的信號(hào)。顯然，此刻可見(jiàn)衛(wèi)星號(hào)為：3,6,9,15,18,21,22,26。

圖4 捕獲仿真結(jié)果

2 GPS信號(hào)的跟蹤算法研究

GPS衛(wèi)星首先利用偽碼(C/A碼)對(duì)所要播發(fā)的數(shù)據(jù)碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，再將偽碼與數(shù)據(jù)碼的組合碼通過(guò)BPSK機(jī)制對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。因此，在信號(hào)接收端，接收機(jī)要同時(shí)復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號(hào)相一致的載波和偽碼信號(hào)。其中，復(fù)制載波與接收信號(hào)進(jìn)行混頻可以將信號(hào)下變頻到基帶，而復(fù)制偽碼與接收信號(hào)進(jìn)行相乘可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)解擴(kuò)。如此，便得到了接收信號(hào)中的數(shù)據(jù)碼[5-7]。

2.1 載波跟蹤

為產(chǎn)生準(zhǔn)確的載波信號(hào)，鎖相環(huán)或者鎖頻環(huán)常用于跟蹤載波信號(hào)。GPS接收機(jī)常采用到的是Costas環(huán)，其特點(diǎn)是對(duì)180°相位不敏感，這也保證了導(dǎo)航數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)其造成影響。

圖5 Costas環(huán)結(jié)構(gòu)

如圖5所示，Cotas環(huán)內(nèi)包括兩個(gè)乘法器，一個(gè)是本地載波和與C/A碼相乘后的輸入信號(hào)相乘形成I支路，另一個(gè)是經(jīng)過(guò)90°相移本地載波和與C/A碼相乘后的輸入信號(hào)相乘形成Q支路。其主要目的是通過(guò)對(duì)載波發(fā)生器加上反饋回路，從而將能量保留在I支路。

2.2 碼跟蹤

碼跟蹤環(huán)的作用是保持對(duì)信號(hào)中特定碼的相位跟蹤，其輸出是和輸入信號(hào)中的偽碼完全相同并且對(duì)齊的序列。本設(shè)計(jì)的接收機(jī)中采用了一種Early-Late跟蹤環(huán)的延遲鎖定環(huán)(DLL)。DLL的基本思想是輸入信號(hào)和3個(gè)不同相位的碼做相關(guān)，如圖6所示。

圖6 碼跟蹤環(huán)的結(jié)構(gòu)

輸入信號(hào)首先和一個(gè)完全對(duì)齊的本地載波相乘后轉(zhuǎn)換到基帶，相乘后的信號(hào)I和超前(E)、即時(shí)(P)、滯后(L)3個(gè)不同的碼序列分別相乘，其中P序列的初始相位是捕獲得到C/A碼相位，E、L序列的相位與P序列的相位相差為±1/2個(gè)碼元。最后第2個(gè)乘法器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)積分濾波運(yùn)算輸出IE,IP和IL，這3個(gè)值的大小代表了輸入信號(hào)中的PRN碼和本地C/A碼的相關(guān)程度，通過(guò)對(duì)相關(guān)結(jié)果IE,IP,IL的比較，可找到最大的相關(guān)結(jié)果，從而得到C/A的初始相位[8]。

2.3 跟蹤算法仿真

如圖7所示，在對(duì)衛(wèi)星的跟蹤圖中，圖7(a)是載波跟蹤環(huán)路原始的PLL鑒別器的幅度響應(yīng)；圖7(b)和圖7(d)分別是碼跟蹤環(huán)路中，原始DLL鑒別器的幅度響應(yīng)和對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤后的DLL鑒別器的幅度響應(yīng)。從圖7可看出，由于跟蹤環(huán)路中噪聲的存在，載波跟蹤環(huán)路中原始的PLL鑒別器的幅度響應(yīng)均碼跟蹤環(huán)路中原始的DLL鑒別器的幅度響應(yīng)都不為零。跟蹤結(jié)果為下一步的導(dǎo)航解算提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息[9]。

圖7 跟蹤仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

為了能完成衛(wèi)星定位，需要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行捕獲、追蹤。捕獲的目的是從接收的信號(hào)中粗略地估算出那些可見(jiàn)衛(wèi)星的信號(hào)參數(shù)，用于幫助接收機(jī)初始化跟蹤環(huán)路，并開(kāi)始跟蹤信號(hào)。捕獲給出了信號(hào)參數(shù)的粗略估計(jì)，而碼跟蹤和載波跟蹤模塊則將這些參數(shù)細(xì)化。跟蹤后即可解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。本文針對(duì)帶有C/A碼的L1頻段的GPS信號(hào)進(jìn)行定位研究，給出了捕捉算法和跟蹤算法的原理，介紹了跟蹤原理中的Costas環(huán)、碼跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，文中方法可準(zhǔn)確快速地捕捉和跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。

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Research on Capture and Tracking Algorithm of GPS Satellite

The satellite positioning requires the capture and tracking of satellite signals. In this paper a C/A code of L1 band GPS signals were located. The visible satellite signal parameters that can be roughly estimated from the received signal are captured for the receiver to initialize the tracking loop and start tracking the signal. Parameter refinement is performed by the code tracking and carrier tracking module, after which the navigation data are demodulated. Simulation results show that the proposed method is accurate and fast in capturing and tracking the scheduled satellite signals from 32 satellites.

C/A code; GPS; capture algorithm; tracking algorithm

2016- 01- 13

全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(201310252012)

唐光杰(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：通信技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.010

TN911.72

A

1007-7820(2016)10-033-03