目錄：4.1衛星定位接收機組成與分類

4.2接收機的射頻部分組成及工作原理

4.3GNSS接收機的信號捕獲

4.4GNSS接收機的信號跟蹤

4.5定位導航解算方法

4.6衛星導航軟件接收機原理和架構

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院1第1頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院2分類第2頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院3(1)導航型接收機主要用于對運動物體的定位與導航，可以實時給出用戶的位置和速度。通常用民碼(如GPS的C/A碼)進行偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±10m。價格相對便宜，應用廣泛。根據應用領域，可進一步分為：車載型接收機、航海型接收機、航空型接收機和星載型接收機。按工作場景來分，分為三類：第3頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院4主要用于定位精度要求較高的工程領域，如精密大地測量和精密工程測量。通常采用載波相位測量值進行相對定位，定位精度很高，能達到厘米級。結構和較為復雜，價格相對較貴。主要用于提供高精度的時間服務和頻率控制。通過利用導航衛星提供的高精度時間標準進行授時，通常用于天文臺及無線通信中時間同步。例如：基于CDMA體制移動通信系統，就是通過GPS所提供的時間標準進行全網授時的。(3)授時型接收機(2)測量型接收機第4頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院5只能接收單一頻點的GNSS導航信號，例如，GPSL1單頻定位接收機只能接收GPS衛星發射的L1頻點的導航信號，而不能接收GPS衛星發射的其它頻點上的導航信號。GNSS單頻接收機不能有效消除電離層延遲對導航信號傳輸的影響。單頻接收機通常適用于短基線(一般小于15km)的精密定位。能夠同時接收兩個頻點上的GNSS導航信號。例如，GPS雙頻接收機可以同時接收GPS衛星的L1頻點和L2頻點。GNSS雙頻接收機能夠利用電離層對兩個頻點導航信號傳輸時延的不同，有效消除電離層延遲對定位結果造成的影響。GNSS雙頻接收機可用于基線長達幾千公里的精密定位。按工作頻率來分，分為兩類：單頻接收機(2)雙頻接收機第5頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院6導航定位接收機只能接收來自某一特定衛星導航定位系統的導航信號，而不能接收其它衛星導航定位系統的信號。例如：GPS單模接收機只能接收和處理來自GPS衛星發射的導航信號，而不能接收和處理來自Galileo、GLONASS和BeiDou等衛星導航定位系統的導航信號。衛星導航定位發展初期，只有GPS一個衛星導航定位系統，因而所有的接收機都是單模的，但是隨著衛星導航系統的多樣化發展，單模接收機正逐漸被能夠接收多個衛星導航定位系統信號的多模接收機所取代。按接收機對不同衛星導航定位系統的兼容性來分，可分為兩類：(1)單模接收機第6頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院7利用兩個或者多個衛星導航定位系統進行定位，將兩個或者多個導航系統的衛星當作一個系統來使用。增加了衛星的數量，大大提高了接收機的導航定位精度及可用性、連續性。這些優點使雙模或多模接收機成為GNSS接收機研發的一個主要發展方向。目前，世界上已經有很多接收機生產廠家設計并生產了這種能夠兼容多種衛星定位系統的多模接收機，例如GPS/GLONASS雙模接收機、GPS/Galileo雙模接收機等。我國的東方聯星公司已經推出了能夠同時兼容GPS、BeiDou和GLONASS三種衛星定位系統的多模接收機產品CNS100-B1B3GG，該產品支持三系統聯合定位、雙系統聯合定位及單系統定位等多種模式，并同時接收四個頻點的衛星導航信號。(2)多模接收機第7頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院8按定位接收機的通道數來分類，可分為兩類：只包含有一個接收機通道，通過接收機內部的定時控制機制，用一個接收機通道轉換完成捕獲、跟蹤和提取來自不同GNSS衛星的導航信號，進而完成定位，也稱為序貫跟蹤通道接收機。隨著用戶對導航定位實時性要求的越來越高，單通道接收機已經不能滿足大多數應用需求，因而，目前的接收機幾乎都是多通道接收機。(1)單通道接收機第8頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院9一般都包含至少4個以上的接收機通道，能夠同時捕獲、跟蹤和處理至少4顆以上衛星發射的導航信號。目前大多數接收機都是多通道接收機，并且接收機通道數都在12個以上，能夠同時處理接收到的12顆衛星發射的導航信號。具有較好的實時性，能夠滿足對導航定位的實時性要求較高的應用需求。硬件結構要比單通道接收機復雜，也被稱為平行跟蹤通道接收機。(2)多通道接收機第9頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院10相關型接收機——指的是偽碼相關型接收機，通過偽隨機碼的互相關處理實現對擴頻碼的解擴，并提取出導航信息，進而得到偽距觀測值，完成位置的計算。(2)平方型接收機——利用對載波信號的平方處理去掉導航信號中的調制信號，恢復完整的載波信號，進而通過載波相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，得到偽距觀測值。(3)混合型接收機——混合型接收機是綜合了相關型接收機和平方型接收機的優點，既可以通過碼相位的測量得到偽距，也可以通過載波相位測量得到偽距。按接收機工作原理來分，可分為三類：第10頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院11硬件接收機——衛星導航定位接收機的天線、射頻前端、信號處理、信息提取和定位解算等所有功能模塊都是基于硬件來實現的，并且隨著集成電路技術的發展，這類硬件接收機模塊越來越小型化，并且定位實時性較高。傳統衛星定位接收機都是硬件接收機。按衛星定位接收機的實現方式，可分為兩類：(2)軟件接收機——衛星導航定位接收機的天線和射頻前端部分用硬件實現，而后續的捕獲、跟蹤等信號處理部分以及后面的信息提取和導航定位解算部分都是通過軟件無線電技術來實現的。

便于高性能GNSS接收機的研發，可很方便地將所開發的高性能捕獲、跟蹤和位置解算算法移植到軟件接收機平臺上，進行相關的測試。

通常軟件接收機的實時工作性能要比硬件接收機差。第11頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院124.1衛星定位接收機組成與分類

第12頁/共127頁4.1衛星定位接收機組成與分類

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院13模塊：天線和射頻（RF）前端處理；基帶數字信號處理；定位導航解算；功能：接收導航衛星發射的導航信號，并經過基于硬件或者軟件的信號處理和信息處理，給出用戶位置（P）、速度（V）和時間（T）信息。衛星定位接收機第13頁/共127頁目錄：4.1衛星定位接收機組成與分類

4.2接收機的射頻部分組成及工作原理

4.3GNSS接收機的信號捕獲

4.4GNSS接收機的信號跟蹤

4.5定位導航解算方法

4.6衛星導航軟件接收機原理和架構

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院14第14頁/共127頁天線(1/8)2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院15信號：為保證定位解算時能夠同時利用高仰角和低仰角衛星信號，天線設計應具有較寬的空間角，接收盡可能多的衛星信號。考慮地物遮擋等因素，一般要求天線能夠接收仰角高于5°的所有衛星信號。注意：仰角為90°的衛星與仰角為0°的衛星距離接收機的距離不同，這種距離差異，在不同地點對同一顆衛星的觀測會有所不同，信號強度相差約2.1dB。系統設計需要在選擇接收衛星數量和系統抗干擾性間進行權衡。干擾：由于對衛星定位接收機的干擾信號大多來自于地面，仰角較低，有時要采用較窄的空間角以避免干擾。第15頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院16遠近效應：作為CDMA系統的一種，希望接收到的所有衛星的信號強度一致，以避免互相關干擾，因此定位衛星的發射天線在設計時就適當的減小了中心方向上的增益，使其略小于周邊增益。系統設計需要在選擇接收衛星數量和系統抗干擾性間進行權衡。GPS系統：在地面仰角為5°，40°，90°方向上，衛星發射天線的增益分別為12.1dB，12.9dB和10.2dB左右，綜合發射增益和傳播距離等因素后，當地面觀測仰角為40°左右時接收到的信號強度最大。天線(2/8)

第16頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院17對于無線信道，多徑效應是造成信號失真的重要原因，對于衛星定位系統而言，多徑效應主要來自于地面對于信號的反射。影響接收機環路特性。多徑效應的影響：為了應對多徑效應影響，在天線設計方面有兩種手段：（1）利用衛星定位信號的極化特性。以GPS系統為例，GPS信號采用的是右旋圓極化波，而右旋圓極化波反射后會成為左旋圓極化波。通過這一特性，衛星定位接收機中采用右旋圓極化天線則會對多徑信號產生較好地抑制。（2）由于多徑信號是由地物反射而來，所以其入射仰角較低，系統可以通過減小的天線后瓣，比如加入接地板等方式，來減小多徑信號的影響。由于衛星定位信號的傳播路徑比較簡單，可以通過極化和入射方向等方式抑制多徑干擾，可使衛星定位系統較普通的無線通信系統受多徑干擾的影響更小。天線設計方面的手段：天線(3/8)

第17頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院18有源天線指的是在天線的后端直接連接一個低噪聲放大器（LNA），而無源天線則是單純的天線。由于LNA屬于有源器件，所以有源天線需要饋電線路，以保證天線工作。注意：天線有無單獨的饋電線路不能夠作為判斷其是否是有源天線的依據，因為很多有源天線是通過信號傳輸的同軸電纜進行饋電的，而且在這種情況下，連接有源天線的射頻前端也必需具有饋電能力，若將這種射頻前端直接連接到信號源等試驗設備上，則會造成設備損壞。有源天線和無源天線：天線(4/8)

第18頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院19系統總的噪聲溫度主要取決于第一級器件的噪聲溫度以及第一級放大器的增益。第一級器件的噪聲越低，放大增益越高，系統總的噪聲就越低。天線(5/8)

第19頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院20無源天線：天線與放大器分離，中間存在一段饋線，饋線的噪聲將會完全的加入到系統總噪聲中去，饋線越長，系統噪聲越大。有源天線：放大器直接連接天線，避免了饋線帶來的噪聲影響，而且放大器較大的增益可以有效抑制后面各級電路的噪聲對系統的影響，同時為減少有源天線本身噪聲對系統的影響，天線后端連接的放大器要求較高，不僅要有很大的增益，而且還要具有較低的噪聲系數。系統整體：雖然有源天線在本身的噪聲抑制上不占優勢，但其對于改善系統的整體性能是有幫助的。對于無源天線，在應用中為降低系統的噪聲，而且考慮到接收到的衛星定位信號本身非常微弱，其饋線長度一般不超過1m。天線(6/8)

第20頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院21阻抗匹配問題：高頻電路阻抗匹配問題格外重要，若兩個器件間阻抗不匹配則會導致信號在兩個器件間往復反射，無法有效并可靠的傳遞。不過在實際系統的設計中，阻抗問題并不需要設計者刻意設計，因為標準化的器件都服從各自的行業標準，天線常用的阻抗多為50Ω。體積：天線設計中一條簡單而又重要的規則就是，體積越大，性能越好，可以簡單地表達成如下的公式增益x帶寬÷

體積=常數衛星定位接收機天線的體積也必然是朝著小型化方向發展，但是為提高增益，提高抗多徑能力，天線的尺寸通常會變大，結構變的更復雜。天線(7/8)

第21頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院22目前比較流行的衛星定位接收天線為四螺旋天線和貼片天線。具有體積較小，易集成的特點。貼片天線：結構簡單，成本低廉，而且具有良好的抗多徑能力，但其對低仰角衛星信號的接收能力不強。四螺旋天線：靈敏度更高，而且對低仰角衛星的接收能力更強，從而改善可見星的空間分布，提高定位精度，不過對多徑效應的影響更加敏感。扼流圈天線：在抗多徑能力和低仰角衛星的接收能力上都很出眾，但其體積限制了其在個人定位領域的應用。衛星定位接收天線有很多不同的構造，比如單極，偶極，螺旋，微帶和扼流圈天線等.天線(8/8)

第22頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院23射頻前端：將天線采集到的射頻信號變換成為方便處理的數字中頻信號，結構包括濾波器、放大器、混頻器、本地振蕩器和模數轉換器，射頻前端

第23頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院24為保證系統性能，系統需要射頻前端的噪聲小、功耗低、增益高，并且具有良好的線性特性。對于弱信號來講，噪聲對信號的影響更為顯著，而對于強信號來說，電路飽和以及系統的非線性問題對信號處理的影響較大。對于衛星定位信號來說，信號強度很低，且信號強度變化范圍不大，這種信號特性，弱化了系統的非線性問題對信號處理的影響。能量消耗角度：由于射頻前端需要處理射頻信號，不可避免的要工作在較高的時鐘頻率之下，這使得射頻前端的耗電量高于接收機上其他任何部件。為降低射頻前端能耗，而不影響其在高頻區的工作性能，可通過降低芯片額定電壓或者采取合理的休眠策略等手段來減少耗電量。對射頻前端的要求：射頻前端

第24頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院25濾波器在射頻前端中，濾波過程是由分布在不同位置的多個濾波器綜合完成的。對于處在前端的濾波器而言，根據串聯系統的噪聲計算公式，其噪聲越小，整個系統的噪聲越低。隨著信號處理的深入，信號的帶寬也會逐級變窄。減小信號的帶寬可以濾除更多的噪聲和干擾，而作為代價，衛星定位信號中的高頻部分也將被濾除，這對后續的相關運算會造成不利的影響。衛星接收機中常用聲表面波（SAW）帶通濾波器（BPF），通帶響應平穩，通帶邊緣陡峭。對于處理微弱的衛星定位信號而言，可以濾除各種干擾。缺點：不利于集成。射頻前端--濾波器

第25頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院26衛星定位接收機天線后的首級器件可以選擇高增益的低噪聲放大器（LNA），或窄帶帶通濾波器。后者可使帶外的噪聲和干擾在放大之前濾除。前者可提供比后者低2~3dB的噪聲指數，但信號中可能存在的強干擾經過放大后能使信號處理電路達到飽和，從而產生新的干擾。射頻前端的放大過程可能是由多級放大器共同完成的，對于各級放大器的增益，需要根據各器件的噪聲指數、功耗和飽和情況來綜合考慮。射頻前端--放大器(1/5)

第26頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院27對于LNA的增益，需要謹慎考慮：采用較高增益的LNA，可以更好的抑制混頻器的噪聲對系統的影響，但其功耗更大，并且存在使混頻器飽和的可能。采用較低增益的LNA，則需要使用低噪聲的混頻器，以減少系統噪聲，而低噪聲的混頻器一般需要使用幅值較大的本地振蕩器，這反而增加了混頻器的功耗，使得這種方案在功耗上不占有優勢。射頻前端--放大器(2/5)

第27頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院28放大器總增益需要滿足的基本原則：使電壓信號充滿ADC的最大輸入電壓。GPS的

頻段信號到達地面的信號強度至少為-130dBm。接收機天線處的熱噪聲功率為：對于一般的衛星定位接收機，噪聲基底一般在-110dBm~-120dBm之間，默認值為=-111dBm（即290K=16.85℃下），噪聲強于GPS的

信號。射頻前端--放大器(3/5)

第28頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院29射頻前端--放大器(4/5)

第29頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院30由于衛星定位接收機接收到的信號電平較低，無法直接使用ADC進行采集，所以射頻前端電路中需要加入放大器對信號進行放大，以匹配ADC的測量能力。由于信號完全淹沒在噪聲之下，所以放大器需要將噪聲的電平放大到ADC的最大量程處，而非將信號的電平放大到最大量程處。射頻前端--放大器(5/5)

第30頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院31混頻器是實現下變頻的核心部件。據結構不同，既可使頻率降低，也可用來使頻率升高，在衛星定位接收機中由于在射頻區內采樣和放大信號會帶來較大的功耗和較高成本，為便于系統進行信號處理，需要對信號進行下變頻處理，因此采用的是的下變頻混頻器。中頻頻率選擇：要能夠容納足夠帶寬的衛星定位信號，對于GPSL1信號來說，信號主峰寬度約為2MHz，則中頻信號的中心頻率至少要大于L1信號的單邊帶寬。較低的中頻頻率，有益于降低后續電路的成本和功耗。較高的中頻頻率，更有利于抑制鏡像頻率的干擾。同時更高的中頻頻率也會使更多的信號高頻分量進入后續電路。當GPS系統中頻頻率為4.309MHz時，大概有90%C/A碼信號能量可通過混頻器。射頻前端--混頻器/本地振蕩器

第31頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院32功能：把模擬信號轉化為適合后端進行處理的數字中頻信號；采樣率選擇：需滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣率必須高于信號最高頻率分量的兩倍，以防發生頻譜的混疊。帶通采樣：由于衛星定位信號屬于帶通信號，所以在采樣率的選擇上不必大于最高頻率的兩倍，而是按照帶通采樣定理，大于信號帶寬B的兩倍即可。4.2.2.4模數轉換器ADC射頻前端--模數轉換器ADC(1/7)

第32頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院33實際采樣方式：衛星定位接收機射頻前端的設計中，設計者一般通過采用過采樣的方式來使信號頻譜更加疏散，以減少信號混疊，方便濾波器的設計，從而提高信噪比。過采樣代價：系統功耗增加，同時對后端處理的運算量和運算速度也提出了更高的要求。針對上述的弊端，設計者可以采用變采樣的方式降低信號的采樣率。變采樣過程中首先要對信號進行低通抗混疊濾波。此時信號已經經過數字化，而相對于模擬環境，低通抗混疊濾波更容易在數字環境下實現。濾波完成后再通過降采樣將信號的采樣率降低。射頻前端--模數轉換器ADC(2/7)

4.2.2.4模數轉換器ADC第33頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院34衛星定位接收機中ADC采樣率不可以和信號擴頻碼速率成整數倍關系。當信號采樣率和碼速率成整數倍關系時，衛星定位接收機將對一定的時間偏移量不敏感，因為在該時間偏移內的采樣結果完全一樣，這將會導致定位精度的損失。對于非整倍數采樣，則不存在這一問題。在考慮系統采樣率和擴頻碼速率的關系時需要考慮碼多普勒的影響。以GPS的L1信號為例，C/A碼的碼多普勒在6.32Hz以內，則采樣率要避免與任何（

±6.32）Hz范圍內的整數倍重合。射頻前端--模數轉換器ADC(3/7)

4.2.2.4模數轉換器ADC第34頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院35對ADC量化位數要求：ADC的量化位數與其分辨率相關。n位的ADC的分辨率為2n。量化位數增加，ADC分辨率增加，量化噪聲也會隨之降低。衛星定位接收機ADC位數一般在1~4位之間。因為繼續增加量化位數并不能帶來信噪比顯著的增加。以GPS的信號為例，在有限帶寬的情況下，一位ADC的量化誤差損耗約為3.5dB，兩位ADC的量化誤差損耗約為1.2dB，三位ADC的量化誤差損耗約為0.6dB。由于過多的量化位數會導致后續處理運算量的增加，所以衛星定位接收機的量化位數一般較低。射頻前端--模數轉換器ADC(4/7)

4.2.2.4模數轉換器ADC第35頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院36為有效利用有限的量化位數，必須讓信號時刻充滿ADC的最大量程。由于接收信號強度會隨著溫度和環境變化，所以在ADC前需加入自動增益控制（AGC）電路。衛星定位接收機射頻前端的最后一級放大器件，AGC需要根據信號強度來調整增益。有些低端衛星定位接收機采用一位量化的ADC，這種設計中并不需要。AGC問題：增加量化位數雖然不能在信噪比上有更顯著提高，但對提高信號的抗干擾能力有幫助。對于對抗干擾能力有特殊要求的衛星定位接收機，可以考慮采用較多的量化位數。一般來說，干擾信號會比衛星發出的衛星定位信號強度大很多，如果量化位數較少，真正的衛星定位信號可能會被淹沒在量化誤差中，無法恢復。如果采用較多量化位數，即便干擾信號充滿了ADC量程，真實信號也依然保留在采樣點中，后續電路中可以通過特殊的算法將真實信號恢復出來。抗干擾能力與量化位數的關系：射頻前端--模數轉換器ADC(5/7)

4.2.2.4模數轉換器ADC第36頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院374.2.2.4模數轉換器ADC射頻前端--模數轉換器ADC(6/7)

ADC主要參數：1）分辯率(Resolution)：指數字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數字信號的位數來表示。

2）轉換速率(ConversionRate)：指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時間的倒數。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達到納秒級。注意：采樣時間是指兩次轉換的間隔。為保證轉換的正確完成，采樣速率(SampleRate)必須小于或等于轉換速率。常用單位：ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬次（kilo/MillionSamplesperSecond）。

3）量化誤差(QuantizingError)：由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉移特性曲線與無限分辯率AD（理想AD）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。第37頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院384.2.2.4模數轉換器ADC射頻前端--模數轉換器ADC(7/7)

ADC主要參數：4）偏移誤差(OffsetError)：輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。5）滿刻度誤差(FullScaleError)：滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。6）線性度(Linearity)：實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移。第38頁/共127頁目錄：4.1衛星定位接收機組成與分類

4.2接收機的射頻部分組成及工作原理

4.3GNSS接收機的信號捕獲

4.4GNSS接收機的信號跟蹤

4.5定位導航解算方法

4.6衛星導航軟件接收機原理和架構

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院39第39頁/共127頁擴頻接收機典型結構2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院40第40頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院41衛星定位導航系統的信號處理都是基于通道化結構體系。捕獲過程提供對信號參數的粗略估計，這些參數通過碼跟蹤和載波跟蹤進行精確化；跟蹤完成后，進行導航數據的提取和偽距的計算。第41頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院42第42頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院43每個小方格被稱為一個搜索單元。

在時域上,捕獲電路需要遍歷所有的碼相位，時域搜索的分辨率tbin

一般為接收信號的采樣間隔。在碼域上，捕獲電路需要遍歷所有在軌衛星的PN碼。在確定搜索的頻率步進量fbin

和碼相位步進量tbin

后，系統搜索單元總數Ncell

便可以確定。系統在每個搜索單元上進行搜索的時間被稱為駐留時間Tdwell，系統遍歷所有搜索單元所需的時間記為Ttot。第43頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院44每個小方格被稱為一個搜索單元。

在時域上,捕獲電路需要遍歷所有的碼相位，時域搜索的分辨率tbin

一般為接收信號的采樣間隔。在碼域上，捕獲電路需要遍歷所有在軌衛星的PN碼。在確定搜索的頻率步進量fbin

和碼相位步進量tbin

后，系統搜索單元總數Ncell

便可以確定。系統在每個搜索單元上進行搜索的時間被稱為駐留時間Tdwell，系統遍歷所有搜索單元所需的時間記為Ttot。第44頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院45【例4.2】假設接收機對某顆衛星信號的頻率與碼相位的搜索范圍分別設置為±10kHz與1023碼片，采用500Hz的頻率搜索步長和0.5碼片的碼相位搜索步長,試求該二維搜索的搜索單元總數。如果接收機分別配置1個和2046個并行相關器進行搜索，并且在每個搜索單元上的駐留時間為4ms，試求在這兩種相關器配置資源情況下，搜索完整個搜索區間所需的信號搜索時間。第45頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院46捕獲電路核心是相關器：為完成搜索功能，捕獲電路需要在不同頻率偏移下對不同的PN碼進行相關運算。在相關運算中，當輸入信號和本地信號完全同步時，相關器會輸出一個較大的分量，也就是PN碼的自相關峰。當接收信號與本地信號不匹配或不同步時，相關器的輸出值會很小。注意：y(m-n)表示循環移位，所以若本地序列和接收信號序列長度為N時，相關器輸出的相關函數序列長度也為N，若N點中存在一個相關峰，則其位置就反映了兩組信號的相位差。在GNSS信號捕獲電路中，采用的是循環相關的手段。第46頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院474.3.2時域搜索時域搜索結構包括：串行捕獲又叫做時域捕獲，并行捕獲又被稱作頻域捕獲。注意：這里所說的頻域捕獲是指將時域信號變換到頻域進行分析，而非對

頻域進行搜索，頻域捕獲的結果仍然反映的是時域上的延遲。串行捕獲；并行捕獲；第47頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院481.串行捕獲工作原理：信號與本地載波和本地PN碼相乘后，進入積分器對一個周期內的所有采樣點進行累加，累加結果取模則得到相關函數中的一個樣點。若該輸出值大于系統所設的門限值，則判定為信號同步，相關運算到此結束，將參數傳遞給下一級電路。若該采樣點未超過門限值，則將本地PN碼序列進行一個采樣點的延遲后再次進行上述操作，得到下一個相關函數值。串行捕獲結構優勢：占用硬件資源很少；缺點：運算速度慢，實時性差。第48頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院492.并行捕獲將N次碼相位搜索通過傅里葉變換一次完成，大大節約運算時間。將式4.4進行離散傅里葉變換得到Z(k)如下：第49頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院502.并行捕獲第50頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院51并行捕獲結構優勢：速度快，計算量少；缺點：FFT運算所占用的硬件資源較大，使得其硬件開銷較串行捕獲結構更大。由于傅里葉變換為復數運算，所以在這里將數據變為相互正交的I/Q兩路進行FFT會有更高的效益。注意：FFT運算對于采樣點數有嚴格要求，對于GNSS信號捕獲而言，一個PN碼周期中所包含的采樣點數應該是一個以2為底的冪。而系統射頻前端的采樣率并不一定滿足該要求，這就需要信號在進入并行捕獲電路之前經過變采樣處理。2.并行捕獲第51頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院523.頻域搜索頻域搜索是捕獲電路的另一個基本功能，是基于數字下變頻電路實現的，下變頻的過程也被稱為載波剝離。對于GNSS信號來說，時域上的搜索實質上是完成PN碼的同步，即解擴的過程，而頻域上的搜索則是完成解調的過程。乒乓搜索乒乓搜索就是將整個兒搜索頻域分成多個頻槽fbin，并在逐個頻槽上進行相關運算，當相關函數峰值足夠大時，認為本地載波頻率已對準信號頻率。在確定多普勒搜索范圍后，乒乓搜索捕獲算法通常是從該范圍的中間頻槽開始搜索，并向兩端左右交替地擴展搜索范圍。例如：假設多普勒頻移搜索范圍為±5kHz，中心頻率為4MHz，頻槽寬度為500Hz，則系統在展開搜索時，首先將本振頻率調到4MHz上進行搜索，然后依次搜索4.0005MHz，3.9995MHz，4.0010MHz，3.9990MHz等共21個頻槽。這種“圣誕樹”狀的搜索順序，有助于提高接收機快速捕獲衛星信號的概率。第52頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院53本地載波與接收信號載波之間的頻率差fe會在信號檢測量V，即相關峰值中引入值為|sinc(feTcoh)|的損耗，使系統產生漏警，這里的Tcoh表示系統相干累積的時間。3.頻域搜索第53頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院54接收機通常將這種損耗控制在3dB以內，即|sinc(feTcoh)|2=0.5，所以頻率的絕對誤差fe不應超過0.443/Tcoh，即頻槽寬度fbin超過0.886/Tcoh，在實踐中，通常取以2/3作為系數，可以保證每個3dB帶寬之間有一定的重疊，進一步減小系統漏警。3.頻域搜索第54頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院55頻域搜索范圍需要根據接收機工作環境而定。靜止接收機頻域搜索范圍大約在±5kHz之間，動態接收機則需要根據情況擴展搜索范圍。頻域搜索分辨率fbin與捕獲電路的累積時間成反比，一般在幾十赫茲到幾百赫茲不等。以GPSL1信號為例，在系統不進行累積時fbin一般定為500Hz。上述的情況基于系統冷啟動的假設，當系統進行溫啟動或熱啟動時，情況會有所不同。捕獲電路在每個維度的搜索的范圍：檢測概率Pd，虛警概率Pfa以及捕獲速度等。系統設計希望得到更大Pd的和更小的Pfa，而二者之間存在著相互矛盾的關系。Pd及Pfa大小取決于門限值Vt的選取，較大的Vt可以降低Pfa，但Pd也會隨之降低，反之亦然。在捕獲電路設計中，為在保證Pd的條件下降低Pfa，需要對信號進行多次捕獲并進行統計，但這種方法將帶來時間上的額外開銷。GNSS捕獲電路的性能指標：第55頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院56第56頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院57第57頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院584.3.4GNSS弱信號捕獲在室內，叢林，城區等高遮擋的環境下，GNSS接收機收到的信號強度可能會有很大的衰減，弱信號環境下的GNSS信號捕獲問題主要采用信號累積的辦法來提高捕獲靈敏度。基本累積方法：相干累積，非相干累積和差分相干累積。特點：（1）相干累積對捕獲靈敏度的提升效果最顯著，但由于導航數據的存在，以及捕獲速度的代價，使得相干累積的長度不能夠無限延長。（2）硬件系統晶體振蕩器的相噪也是制約累積長度的一個因素，在晶振相噪的影響下，過長時間的信號累積反倒會使捕獲的靈敏度下降。（3）由于上述限制因素，需要通過采用合理的累積策略將幾種基本累積方法結合使用，盡可能提高接收機捕獲靈敏度。第58頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院591.相干累積原理：先對每一個搜索單元上的相關運算結果進行多周期的累加然后平方，即可獲得高信噪比的判決變量。第59頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院601.相干累積設搜索單元(τ,FD

)所對應的第

k個積分周期的相關值為

Yk(τ,FD

)，那么經

K個周期的累積之后，判決變量變為在相干累積過程中，不同周期信號間是相關的，所以累積后的功率呈平方倍數增長，而不同周期的噪聲滿足獨立的零均值高斯分布，所以相干積分的過程類似于平均作用，其功率只是線性增加。這樣，經過

個周期的相干累積后，判決變量的信噪比變為原來的K倍。可以將相干累積增益表示為第60頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院61注意：（1）相干累積長度受到導航數據的限制，以GPSL1信號為例，導航數據（D碼）的比特寬度為20ms，即每20ms導航數據比特就可能翻轉一次，所以相干累積的時間不能超過20ms，否則翻轉后的信號求出的相關函數符號與先前的相反，這將導致靈敏度的損失。（2）

K個周期的相干累積會使系統的多普勒頻槽寬度fbin變為原來的1/K，相應的，系統所需要覆蓋的搜索單元也就是原來的K倍，這樣系統的TTFF就與K值得平方成正比，從而使系統在捕獲速度上付出很大的代價。1.相干累積第61頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院622.非相干累積工作原理：非相干累積法是將K個周期的相關平方值進行線性累加，來提高判決變量的信噪比。它沒有利用不同周期信號之間的相位相關性，但是同時也避免了相位模糊對累積結果的影響，即不受導航數據比特翻轉的影響。因此其非相干累積長度不受導航電文數據速率的限制，可以采用更長的累積時間。第62頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院632.非相干累積搜索單元(τ,FD

)的相關值經過K個周期非相干累積后，生成的判決變量表示為第63頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院64特點：盡管非相干累積可以避免相位模糊的問題，但是由于采用了先平方后線性累加的處理，其判決變量的信噪比會受到平方損失影響。若用S表示信號能量，N表示噪聲能量，將之相關平方后有(S+N)2=S2+N2+2SN在平方去除相位相關性的過程中，噪聲和信號是同時被平方的，并且噪聲與信號的交叉乘積項成為新的噪聲引入到判決變量中。所以，非相干累積的增益實際上相當于相同累積時間的相干累積增益減去平方損失的結果。2.非相干累積第64頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院653.差分相干累積差分相干處理最初是為了減小CDMA系統中頻移和衰落引起的相位抖動而提出的。鑒于GNSS信號的傳輸過程也可以看作是慢衰落過程，因此差分相干累積方法被引入到信號捕獲后處理部分。對于經歷了慢衰落過程的導航信號來說，相鄰兩個周期的相位可以認為近似不變。這樣，用差分運算代替平方運算，判決變量就變為第65頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院663.差分相干累積在實際應用中,一般取差分運算結果的實數部分作為最終的判決變量，相應的時域捕獲模塊如下：第66頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院67差分相干累計是利用相鄰周期信號相位的相關性，有效地去除隨機相位的影響，同時相鄰周期的噪聲相關性較差，經過共軛相乘后放大相對較小。因此，差分相干累積法對信噪比的改善效果要優于非相干累積法。另一方面，由于差分相干運算對比特翻轉不敏感，所以也有效地解決了相干累積時間

的選擇問題。如果將相干和差分相干累積結合起來應用，那么就可以選擇較小的相干累積時間

，這樣對頻率槽寬度

可以適當放寬，減小搜索時間和捕獲響應時間。差分相干累積的特點：第67頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院684.半比特累積算法上述三種方法在獨立使用時都面臨著較大的限制，所以在設計中往往通過一些累積算法將兩種以上的方法通過合理的安排進行組合，消除導航數據位反轉帶來的限制，增長信號的累積時間。典型的累積結構主要包括半比特法、全比特法、估計最佳導航數據組合的圓周算法等。第68頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院69工作原理：通過將接收到的信號分割成每10ms一段，進行相干累積，相干累積的結果按照時間順序交替分配給奇偶兩路分別進行非相干累積。累積結果中必然有一組的結果峰值要高于另一組，因為導航數據周期為20ms，在每兩個相鄰的10ms數據段中必然有一個是沒有遇到導航數據位比特反轉的。半比特法中將峰值更高的一組認為是判決變量，通過觀察其峰值是否超越門限來判定信號的有無。4.半比特累積算法第69頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院704.3.5信號確認算法常用方法：Tong搜索和N之M算法。當基本的捕獲過程完成后，系統需要保持當前狀態，對信號進行多次額外的捕獲，并通過多次捕獲的結果來降低系統的虛警概率，并對難以確認的信號追加更多的搜索時間。Tong搜索也被稱作唐搜索，該算法可以對難以確定的信號追加更多捕獲時間，算法流程如下第70頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院71工作原理：（1）Tong搜索包含一個計數變量K，而圖中的A與B分別是該計數變量的門限值和初始值。（2）首先，當接收機在某個搜索單元開始搜索信號時，搜索單元被預制成B；（3）接著，在每次相關運算結束后都將檢測量V與捕獲門限值Vt相比較，若V大于Vt，則K值加1，反之K值減1；（4）當K值達到門限值A時，系統認定信號存在；若K值被減為0，則認定信號不存在；若K值在0和A之間，則停留在此單元繼續搜索。第71頁/共127頁4.3GNSS接收機的信號捕獲

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院72注意事項：A和B的選取需要考慮速度，檢測概率和虛警概率之間的平衡。門限值A的取值一般在8~12之間，對于強信號捕獲需要采用更小的A值。B值越小，搜索速度越快。在某些特殊情況下，Tong搜索檢測法會出現長時間的循環，而無法給出定論的情況，針對這種現象，往往在系統中加入搜索次數的上限，當搜索次數過多時，系統強制跳轉到下一個搜索單元上重新開始搜索。第72頁/共127頁目錄：4.1衛星定位接收機組成與分類

4.2接收機的射頻部分組成及工作原理

4.3GNSS接收機的信號捕獲

4.4GNSS接收機的信號跟蹤

4.5定位導航解算方法

4.6衛星導航軟件接收機原理和架構

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院73第73頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院74第74頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院75信號跟蹤階段：信號通道從捕獲階段獲得的當前這個衛星的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，同時輸出對信號的測量值，然后解調出信號中的導航電文數據比特。跟蹤主要分為兩部分：載波跟蹤和碼跟蹤，它們分別用于跟蹤接收信號中的載頻和偽碼。第75頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院76載波跟蹤環的目的：盡量使所復制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。若復制載波與接收載波不一致，則接收信號中的載波就不能被徹底剝離，則接收信號不能被下變頻到真正的基帶。若復制載波與接收載波不一致，會導致碼環所得到的C/A碼自相關幅值受到削弱。4.4.1載波跟蹤環

第76頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院77如果載波環通過檢測其復制載波與輸入載波之間的相位差異，然后再相應地調節復制載波的相位，使兩者的相位保持一致，那么這種載波環跟蹤的形式稱為相位鎖定環路；4.4.1載波跟蹤環

如果載波環通過檢測其復制載波與載波之間的頻率差異，然后再相應地調節復制載波的頻率，使兩者頻率保持一致，那么這種載波環的實現形式稱為頻率鎖定環路。相位鎖定環路；頻率鎖定環路第77頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院78一個典型鎖相環主要由相位鑒別器(鑒相器)、環路濾波器和壓控振蕩器(VCO)三部分構成。相位鎖定環路基本原理

(1/7)第78頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院79相位鎖定環路基本原理(2/7)

第79頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院80相位鎖定環路基本原理(3/7)

環路濾波器是一個低通濾波器，其目的在于降低環路中的噪聲，使濾波結果既能真實的反映濾波器輸入信號的相位變化情況，又能防止由于噪聲的緣故而過激地調節壓控振蕩器。當鑒相器輸出信號

經過一個理想的低通濾波器后，它的高頻信號成分和噪聲被濾除，于是濾波器的輸出信號第80頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院81相位鎖定環路基本原理(4/7)

盡管輸入信號的初相位通常會隨著時間的不同而變化，但當信號被鎖相環鎖定時，不僅輸出信號的角頻率相同

，而且輸出信號的相位值也與輸入信號很接近，此時有：鑒相結果的濾波值與輸入、輸出信號之間的相位差

成線性正比關系。注意：如果相位差很大時，線性化過程不成立。第81頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院82相位鎖定環路基本原理

(5/7)鑒相結果濾波后，環路濾波器輸出信號接著作為輸入到壓控振蕩器的控制電壓信號。壓控振蕩器的基本功能是產生一定頻率的周期震蕩信號，且信號頻率變化量與控制信號的大小成正比。壓控振蕩器控制關系為：第82頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院83相位鎖定環路基本原理

(6/7)由于角頻率對時間的積分為相位變化量，那么角頻率變化率的積分就相當于初相位的變化量。因此可得VCO輸出信號的瞬間初相位為：第83頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院84相位鎖定環路基本原理(7/7)

只要鎖相環輸入與輸出信號之間的相位存在一個不等于零的差異

，那么不等于零的鑒相結果濾波值隨后就會相應地調整壓控振蕩器輸出信號頻率。鎖相環正是通過重復不斷地鑒別輸入與輸出信號之間的相位差異，并相應地調整輸出信號的頻率，從而達到使輸出信號相位與輸入信號相位保持一致的目的。第84頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院85GNSS接收機載波相位跟蹤環路-Costas環

第85頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院86Costas環路鑒相器

第86頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院87Costas載波相位跟蹤環路鑒相器的比較

第87頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院88頻率鎖定環路

鎖相環復現輸入衛星的相位和頻率以完成載波剝離功能。鎖頻環(FLL)則通過復現近似的頻率以完成載波剝離過程，典型情況下允許輸入載波信號相位的翻轉。鎖頻環也稱為自動頻率控制環。鎖頻環功能：復制載波與接收載波之間的頻率保持一致，卻不要求兩者在相位上保持一致。注意：考慮用戶運動、接收機基準頻率漂移和噪聲等不定因素，鎖相環所復制的載波與接收載波之間時不時地存在頻率差異

，導致兩者之間的相位差異會隨著時間的推移而變化。第88頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院89頻率鎖定環路

注意：角頻率誤差估算式的成立隱含一個假設，即相鄰兩段相位的相干積分時間必須對應于同一個數據比特時沿。鎖頻環的頻率誤差鑒別結果經環路濾波器的濾波后，施加在載波數控振蕩器的輸入端，從而調節載波數控振蕩器上讀到其所復制的載波頻率，從而推斷出該接收信號的多普勒頻移。第89頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院90頻率鎖定環路

FLL功能：輸出最直接的多普勒頻移測量值；鎖頻環通過載波積分器輸出積分多普勒測量值。若給定一個初始值，則積分多普勒測量值就變成了載波相位測量值

?。注意：盡管鎖頻環也產生了載波相位測量值，但是由于未進行相位差異校正，而是經由多普勒頻移對時間的積分得到，因而這種載波相位測量值沒有鎖相環的載波相位測量值那樣精確。第90頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院91頻率鎖定環路鑒相器

第91頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院92頻率鎖定環路鑒別器的比較

第92頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院93碼環功能：復制出一個與接收信號中的測距碼相一致的碼，從而剝離GNSS信號中的測距碼，同時提高了原本淹沒在噪聲中的GNSS信號的信噪比。4.4.2碼跟蹤環

當它們之間相位一致時，自相關值會達到最大，而相關運算后的信號功率也達到最強；否則當兩者相位不一致時，它們之間的自相關值會很小，相關后信號功率會很低，該衛星信號也很難被碼環所跟蹤。第93頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院94延遲鎖定環的工作原理

第94頁/共127頁2023/11/14哈爾濱工業大學通信技術研究所954.4GNSS接收機的信號跟蹤

延遲鎖定環的工作原理

第95頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院962.常用延遲鎖定環鑒別器

碼環鑒別器通常利用下面公式進行非相干積分以相關器間距為0.5碼片的常規接收機為例，介紹常見的碼環鑒別器。第96頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院972.常用延遲鎖定環鑒別器

上式假定了接收機得到的自相關幅值的最大值為1；否則，對上式進行單位化，得到如下更為常用的鑒別公式(1)非相干超前減滯后幅值法：第97頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院982.常用延遲鎖定環鑒別器

單位化計算公式(2)非相干超前減滯后功率法：第98頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院992.常用延遲鎖定環鑒別器

因為在非相干超前減滯后幅值法中的自相關幅值E和L需經過開根號運算才能求得，而這種非相干超前減滯后功率法確可以免去開根號運算（平方運算與開根號運算相抵消！），所以后者的計算量比前者有所減少；由于自相關幅值曲線與功率曲線不重合，因而非相干超前減滯后功率法會產生一定的鑒相誤差。(2)非相干超前減滯后功率法：第99頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院1002.常用延遲鎖定環鑒別器

直接利用超前、時和滯后三條支路上的相干積分值。具體計算公式為(3)似相干點積功率法：特點：所需計算量比前兩種非相干型鑒別器都要低，但是它至少需要三對相關器，而不再是兩對。第100頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院1012.常用延遲鎖定環鑒別器

當載波環采用鎖相環的形式并且鎖相環工作在穩態時，接收信號的所有功率全都集中在I支路上，Q

支路上的信號接近為0。則式（4.31）有：(4)相干點積功率法：單位化的計算公式為：第101頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院1022.常用延遲鎖定環鑒別器

由上兩式所表達的相干點積功率法計算最為簡單，然而它要求信號的功率集中在I支路上。如果載波環采用鎖相環，或者作為載波環的鎖相環還未達到穩態，那么接收信號的一部分功率會在Q支路中流失，這使得I支路上輸出的信號功率未能達到最大，從而導致該鑒別器性能的下降。在信號強度較弱的情況下，鎖相環解調數據錯誤率的比特較高，此時Ip

的正負號不再可靠。這會導致該鑒頻器失效。采用相干點積功率法作為鑒別器的碼環被稱為相干碼環，但實際上大多數接收機都采用非相干形式的碼環和鑒別器。(4)相干點積功率法：第102頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院1034.4.3載波環輔助碼環

第103頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院1044.4.3載波環輔助碼環

載波環輸出結果經過一個比例器k后與碼環濾波器的輸出結果加在一起。它們的和用來部分控制C/A碼數控振蕩器的輸出狀態，碼環的這種運行方式被稱為載波輔助。由于不論是鎖相環還是鎖頻環，載波環的測量精度比碼環的測量精度要高出好幾個數量級。載波環是一種跟蹤較緊密的環路，來自載波環的多普勒頻移測量值能較為準確、即時的反映出接收機在其與衛星連線方向上的相對運動速度。特點：第104頁/共127頁4.4GNSS接收機的信號跟蹤

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院1054.4.3載波環輔助碼環

這種來自載波環的速度信息被用來輔助碼環控制碼環數控振蕩器輸出碼率快慢，那么就基本上能消除碼環所承受的動態應力。而碼環本身僅需糾正剩下的、只是緩慢變化的碼環初始跟蹤誤差和電離層延時變化等對碼相位的影響，進而允許接收機采用一個更為狹窄的碼環帶寬，以降低碼環噪聲量和提高碼相位的精度。為了提高噪聲性能和動態性能，碼環通常采用載波輔助的形式，并且已經成為環路設計中的一項常用技術。特點：第105頁/共127頁目錄：4.1衛星定位接收機組成與分類

4.2接收機的射頻部分組成及工作原理

4.3GNSS接收機的信號捕獲

4.4GNSS接收機的信號跟蹤

4.5定位導航解算方法

4.6衛星導航軟件接收機原理和架構

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院106第106頁/共127頁4.5定位導航解算方法

2023/11/14哈爾濱工業大學電子與信息工程學院107衛星定位接收機在完成了對導航信號的捕獲和跟蹤處理之后，就可以通過定位導航解算模塊進行導航信息的提取和最終的位置解算。定位導航解算模塊通過調用號處理模塊共同完成定位解算功能，其中星座選擇、衛星瞬時位置速度計算，用戶概略坐標及確坐標計算等是解算