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GNSS软件接收机的捕获跟踪算法研究
1.引言
全球定位系统（GNSS）是目前最为广泛应用的卫星导航系统。几乎在各个领域都有拓展，如土地测绘、航空航天、导航、地震检测等等。由于GNSS接收机的价格较高，因此在一些应用场景中需要采用软件接收机的方式来实现定位导航。软件接收机一般通过一些捕获跟踪算法来实现对卫星信号的接收和解码。本文旨在探讨GNSS软件接收机中的捕获跟踪算法的原理和应用。
2.GNSS软件接收机
2.1GNSS的信号结构
GNSS的信号结构有许多，如GPS、GLONASS、Galileo等，但它们的信号结构都包含了载波、码和导航消息。信号标准和信号参数的定义由各导航系统的特点和应用所决定，但是每个导航系统的基本设计原理是相似的。以GPS卫星为例，GPS导航信号采用了码分多址（CDMA）调制技术，其中包括L1、L2频段。L1频段信号带有精度为10m的P码和30m的C/A码，以及包含GPS卫星系统时间和状态信息的导航消息。L2频段信号带有精度为2m的P码和包含GPS卫星健康状态和系统时钟偏差信息的主导航消息。
2.2GNSS软件接收机的工作原理
GNSS软件接收机的基本单元由软件定义的跟踪循环组成。每个跟踪循环包含了以下几步骤：
捕获：将来自卫星的信号带通滤波，并利用搜寻算法识别卫星信号，并将它锁定到接收机的本地振荡器。
追踪：继续跟踪卫星信号，并估计接收机和卫星之间的距离。
解码：在追踪到的信号上执行解码操作，并提取出导航消息。
数据处理：利用解码后的导航消息进行位置、速度和时间计算。
2.3GNSS软件接收机的优缺点
GNSS软件接收机与硬件接收机相比具有以下优点：
成本低：硬件接收机厂商会将诸如ADI和GPPS等经过优化的芯片内核与专有硬件结合在一起，使硬件接收机的制造成本非常高且易于受到芯片供应问题的影响。作为对比，软件接收机由标准的计算机器所运行，因此很容易开发、实现和维护，且成本较低。
灵活性高：软件接收机与硬件接收机相比具有更高的灵活性。由于软件接收机是基于通用计算机的，所以可以很容易地进行新的功能添加或改进，升级软件也更为方便，而硬件接收机的升级需要进行大规模物理改装。
共享性：由于软件接收机依靠通用计算机，因此他们是可以共享的，这极大地增强了GNSS信息的获取和分析能力。而硬件接收机是不太可能共享的，这使得部署一组GNSS硬件接收机成本呈指数级增长。
然而，GNSS软件接收机也存在一些缺点，如时间精度低，延迟高，受计算机运算速度和计算机器选择的影响等。
3.捕获跟踪算法
3.1捕获算法
捕获算法负责识别所检测到的信号，并确定是来自哪个卫星。在捕获算法中，我们首先需要搜索整个频平面，以确定每个可能的信号所在的带宽大小和频率。完成搜索后，需要对搜索到的信号进行缓冲，以确定各卫星信号的信号参数（频率、码相位、TeV、指数振幅）。
由于搜索全频率带的整个时间是非常耗时的，为了节省时间，则在进行捕获算法时，需要牺牲搜索空间的准确度，这意味着捕获算法的最大错误率需要扩展到可接受的范围。
3.2跟踪算法
跟踪算法是指当卫星信号被检测到并与本地信号同步后，如何管理接收机必要的调整，匹配和锁定，以跟踪卫星信号。
在跟踪算法中，接收机使用牙刷法或积分法作为频率和事件的控制机制。牙刷法提供了精确的频率和事件跟踪，他使得接收机能够消除瞬时微小变化，而积分法所需计算量较小，更常用于轻负荷设备，例如手持接收机。
4.总结
GNSS软件接收机在全球范围内得到广泛应用，并且由于其灵活性和成本的更低级别，越来越受欢迎。捕获跟踪算法在软件接收机中扮演着重要角色，以识别和跟踪卫星信号为目标。在比较GNSS硬件接收机和软件接收机的优缺点时，我们也应该注意到，在一些场景下，软件接收机是一个很好的选择，但在另一些场景下，硬件接收机具有明显的优势。我们应该根据具体应用场景不同，选择适合的接收机。