北斗導航 | GPS原理與接收機設計——白雲劍（信號的捕獲與跟蹤）

博主github：https://github.com/MichaelBeechan
博主CSDN：https://blog.csdn.net/u011344545

參考文獻及代碼下載：GPS北斗雙模原理代碼及書籍
博主創建了一個QQ交流羣，歡迎感興趣的你加入，謝謝！！！

羣名稱：北斗、GPS導航交流羣
羣 號：963812898

上回書說道：
GPS接收機將天線接收到的衛星信號經射頻前端處理後變成了數字中頻信號。

接上回，下面將討論接收機基帶數字信號處理功能模塊對數字中頻信號的處理。

接收機的每個通道對於其所跟蹤的那顆可視衛星的信號處理過程可大體分爲捕獲、跟蹤、位同步和幀同步四個階段。

1、信號跟蹤原理

接收機在跟蹤某顆可視衛星的信號之前，首先需要捕獲到給衛星信號。（注：捕獲內容將從後續博客介紹）捕獲基本功能：從接收信號中搜索、捕獲各顆可視衛星的信號，並從中獲得對當前這些衛星信號的載波頻率和CA碼相位的粗略估計值，然後各個相應的信號通道就從捕獲階段進入跟蹤階段。在此，我們假設某一信號通道已經成功捕獲了某一可視衛星信號後進入跟蹤階段。

在信號跟蹤階段，信號通道從捕獲階段獲得的對當前這個衛星信號載波頻率和碼相位的粗略估計值出發，通過跟蹤環路逐步精細對這兩個信號參量的估計，同時輸出對信號的各種測量值，再順便解調出信號中的導航電文數據比特。簡單地講，接收機對衛星信號的跟蹤是一個與該接收信號同步的二維信號的複製過程。

GPS衛星首先利用僞碼（CA碼）對所要播發的數據碼進行擴頻調製，再將僞碼和數據嗎的組合碼通過BPSK機制對載波（L1）進行調製。在信號接收端，如果接收機內部能同時複製出相應的載波和僞碼信號，並且兩者又分別與接收到的該信號中的載波和僞碼保持同步一致，那麼複製載波和接收信號進行混頻可以實現載波剝離及將信號下變頻到基帶，而複製僞碼與接受信號進行相乘可以實現僞碼剝離和信號解擴，這時在接收信號中剩下的只是數據碼。

在跟蹤信號的同時，接收機可以根據複製載波信號的參數獲得該衛星信號的多普勒頻移和載波相位測量值，又可以根據複製僞碼的參數獲得該衛星信號的碼相位和僞距測量值。

由於衛星與接收機之間的相對運動以及衛星時鐘與接收機晶體振盪器的頻率漂移等原因，接收到的衛星信號的載波頻率和碼相位會隨着時間的推移而變化，並且這些變化通常又是不可預測的。因而信號跟蹤環路一般需要以閉環反饋的形式實現週期性地連續運行，以達到對衛星信號的持續鎖定。

信號跟蹤環路實際上是由載波跟蹤環路（載波環）和碼跟蹤環路（碼環）兩部分組成，他們分別用來跟蹤接收信號中的載波與僞碼。

1.1 碼環

碼環通過其內部的碼發生器儘量複製出一個與接收信號中的CA碼相一致的CA碼，然後讓兩者做相關運算，以剝離GPS接收信號中的CA碼，同時也提高了原本淹沒在噪聲中的GPS信號的信噪比。基於CA碼的良好自相關特性，碼環接着檢測其複製的CA碼與接收CA碼之間的一致性程度，從而調整複製的CA碼的相位，使得它在下一時刻仍與接收的CA碼的相位相一致。

儘管不同衛星同時播發中心頻率相同的載波信號，但是由於不同衛星信號被不同的CA碼所調製，因而當接收機的某一信號通道決定跟蹤某一顆被指定的衛星時，它只需要複製這顆衛星的CA碼，並使其與接收信號做相關運算，那麼該通道在CA碼良好自相關性的機制作用下，可將這一衛星信號提取出來，同時又在接近正交的互相關性機制作用下，將其他衛星信號成分壓制成接近於零的噪聲。

1.2 載波環

載波環的目的是盡力使其所複製的載波信號與接收到的衛星載波信號保持一致，從而通過混頻機制徹底地剝離衛星信號中的載波。若複製載波與接收載波不一致，則接收信號中的載波就不能徹底地剝離，也就是說接收信號不能被下變頻到真正的基帶。不僅如此，若複製載波與接收載波不一致，則碼環所得的CA碼自相關幅值也會受到影響（削弱）。

爲了徹底剝離數字中頻輸入信號中的載波，使其從中頻下變頻到基帶，載波環必定包含一個混頻器，並且他所複製的載波必須與輸入載波保持一致。

【相位鎖定環路】

如果載波環通過檢測其複製載波與輸入載波之間的相位差異，然後再相應的調節複製載波的相位，使兩者的相位保持一致（這裏只提及概念，後續將進一步解釋）

【頻率鎖定環路】

如果載波環通過檢測其複製載波與輸入載波之間的頻率差異，然後再相應的調節複製載波的頻率，使兩者的頻率保持一致（這裏只提及概念，後續將進一步解釋）

在碼環和載波環分別徹底地剝離了數字中頻信號中的CA碼和載波後，尚留存在接收信號中的則是完整無損的導航電文數據比特。爲了將導航電文數據比特通過BPSK機制解調出來並且再將一系列比特組成字，接收機在進行信號跟蹤階段後還需要完成位同步和幀同步這兩個階段的任務。只有找到了數據比特邊沿以實現位同步，接收機才能將接收信號一比特一比特的劃分出來。在實現位同步後，只有找到子幀邊沿以實現幀同步，相鄰的每30個數據比特才能正確的劃分成一個個有結構意義的字，並最終從字中解譯出有實用價值的導航電文參數。

1.3 信號的跟蹤

For 輸入的 SIF(n)數字中頻：

1. 與載波環所複製的載波混頻相乘，其中I支路上與正弦複製載波相乘，在Q支路上與餘弦複製載波相乘
2. 在I支路和Q支路上的混頻結果信號i和q又分別於碼環所複製的超前E、即時P和滯後L三份C/A碼做相關運算
3. 相關結果iE，iP，iL，qE，qP，qL經積分-清除器後分別輸出相干積分值IE，IP，IL，QE，QP，QL
4. 即時支路上的相干積分值IP和QP被當做載波環鑑別器的輸入，二其他兩條相關之路上的相干積分值則時長作爲碼環鑑別器的輸入
5. 載波環和碼環分別對他們的鑑別器輸出值fe和DeltaCP進行濾波，並將濾波結果用來調節各自的載波數控振盪器和C/A碼數控振盪器的輸出相位和頻率等狀態，使載波環所複製的載波與接收載波保持一致，同時又使碼環所複製的C/A即時碼與接收C/A碼保持一致，以保證下一時刻接收信號中的載波和C/A碼在跟蹤環路中仍被徹底剝離。
6. 載波環根據其所複製的載波信號狀態輸出多普勒頻移、積分多普勒和載波相位測量值
7. 碼環根據其所複製的C/A碼信號狀態輸出碼相位和僞距測量值
8. 載波環鑑別器還可以額外的解調出衛星信號上的導航電文數據比特。
   
   

虛線之前爲硬件部分、後爲軟件部分

載波剝離發生在僞碼剝離之前
僞碼剝離在前的方式會增加載波剝離的複雜度

2、捕獲與跟蹤

等待（閒置）、捕獲、確認、牽入、跟蹤

3、信號失鎖

4、頻率控制字

預告：神經網絡訓練導航電文數據？能實現嗎？評論區等待

持續更新。。。。。。。