环境监测技术中GPS的捕获和跟踪阶段有什么作用？

Posted 2021-10-02 瑞奇Ricky

环境监测设备在应用和测试GPS芯片或者模块时，研发或者测试人员都会遇到捕获和跟踪这两个词，但是很多人都只是简单的知道有这两个阶段，并不知道这两个阶段到底是在干些什么，对于环境监测设备的开发有什么作用，下面主要聊聊以下问题。

环境监测设备是以物联网技术为基础，能够通过各种传感器和GPS定位芯片对资产所处的环境进行实时监测。环境监测设备能够对资产所处的温度、湿度、光照条件进行监测，还能通过GPS对实时位置以及运动轨迹进行记录。因此研究GPS芯片或模块的捕获和跟踪阶段，对于设备的优化具有重要意义。

GPS捕获和跟踪阶段的简介：
笼统的说，当接收机搜索到某颗卫星信号，相应的接收通道就从捕获阶段进入跟踪阶段；而后一旦由于跟踪环对信号失锁后（信号环境变差），接收通道又从更重阶段返回到捕获阶段。

为了更细致的区分差异，先简单了解一下GPS的导航电文在卫星中做了哪些处理在发送出去的，同样在接收机的接收端也需要对信号做相应的反处理，才能获得导航电文数据，从而才能进行定位计算。
图中GPS的导航电文是50bit/s的数据，另外有一组速率为1.023MBit/s的伪随机码，称为C/A码。两数据相互异或处理后就形成了一个新的数据，这个数据可理解成1.023MBit/s被50bit/s调制所得，其根本的目的是扩频处理。这个处理后的C/A码被GPS的1575.42MHz的频率进行BPSK调制后发送出去。相反，在接收机处理时，首先就需要进行解扩处理，解扩的过程就是相关的过程，将本地的C/A码与接收到的BPSK信号在不同相位差上做相关运算，直到两者同步为止，从而完成解扩。试想一下，将图中的BPSK信号和伪随机C/A码相乘后，这样就剩下了只有导航电文调制的载波信号了。继续进行载波信号的解调处理就可以得到最终的GPS导航电文数据。


有了上面的了解，现在对捕获和跟踪的理解就容易了。
在GPS捕获过程中，也就是搜星过程，其基本的目的就是获得输入信号C/A码的起始相位并补捉正确的载波频率。在捕获中，GPS接收机要不断的将本地的参照码和输入信号的接收码的相位差小于一个码元的宽度，且收发码的时钟频率基本一致，同时载波相互对准。或者说，捕获就是实现输入信号和本地信号的粗同步，既要同步上伪码C/A码相位，又要同步上载波。
在GPS跟踪过程中，由于之前捕获的粗略同步，我们就可以使用跟踪通道的伪码跟踪环和载波跟踪环对GPS信号进行跟踪，载波跟踪环是用来补偿多普勒效应引起载波频率发生动态偏移；伪码跟踪环是为了防止伪随机码的起始时间回随着卫星与接收机间距离的变化而变化。使本地的伪码相位和解调频率与接收的GPS信号准确同步，在解扩过程中也使用最大的相关状态输出。所以，跟踪就是一方面从伪码中提取伪距观测量，另一方面从导航电文中获取轨道数据，从而完成跟踪定位。

针对环境监测设备中GPS的捕获和跟踪阶段有什么作用的问题，通过笔者以上的解释希望对后面的用户有所帮助。