传统的GPS(Global Positioning System)接收机包括下变频并采样接收到的无线信号、搜索并捕获视野内的GPS可见卫星、对捕获信号的C/A码和载波进行跟踪、解调出导航数据,以及解算出位置坐标。捕获环节获得信号及其参数的粗略估计值后,跟踪环节对信号的码相位、载波相位和多普勒频移进行精确估计。对载波的估计用于剥离接收信号中的载波并解调出导航比特,对码延迟的估计用于剥离C/A码,计算伪距和位置坐标。跟踪环节是影响定位结果精度的关键环节。在低信噪比下,跟踪环路受到噪声影响无法准确检测出本地复现参数的误差,进而使最终的解出的位置坐标出现大幅波动,造成定位精度降低。在微弱信号下,接收机甚至会彻底失去对信号参数的跟踪,需要重新进入捕获阶段搜索信号。传统的接收机跟踪环路中未能充分利用积分结果中噪声的统计信息来辅助判断跟踪环路的状态。跟踪中通过相关积分值不断校正本地复现参数的过程与卡尔曼滤波中的预测、校正过程十分相似。本文首先讨论了GPS信号的结构与性质,对传统GPS接收机的跟踪环路进行了分析,建立了使用卡尔曼滤波算法代替鉴相器与环路滤波器实现跟踪的模型。模型中使用相干积分和非相干积分结果作为观测值,使用本地C/A码码相位、载波频率、多普勒频移和多普勒频移变化率作为状态量,对码环和载波环分别建立了平方根扩展卡尔曼滤波模型。对模型性能进行的仿真结果表明,载波环和码环都使用卡尔曼滤波模型的跟踪环路在捕获结果准确且侦测出导航数据跳变位的情况下,可以跟踪低至13 dB/Hz的信号。