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GPS卫星信号的捕获
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为了跟踪和解码GPS信号,首先要捕获到GPS信号。将捕获到的GPS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±10kHz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。
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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,一旦复现了C/A码的频谱,输出信号将变成连续波(ContinuousWave,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),采样频率为5MHz,。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。
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,从卫星轨道的近似半径可以求得卫星的角速度dθ/dt和运动速度vs:
(5-1)
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这里rs表卫星轨道的平均半径。我们知道,,在这段时间里,卫星大约运行了914km(3874m/s×),对应地球表面与卫星的最高点,(914/20192)°。如果卫星接近地平线,°。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2°~°。
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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)
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:
(5-3)
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图5-1卫星运动引起的多普勒频移
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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=),最大的频移为:
(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±5kHz。
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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±5kHz的频率范围,接收设备需以2078m/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±5kHz;相反地,如果用在高速设备,就要合理假定其多普勒频移的范围在±10kHz。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±10kHz之内之说。
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