（交通信息工程及控制专业论文）GPS软件接收机信号仿真与捕获跟踪算法验证.pdf

麓京交避炎孝璐士学经论文 y8 7 3 6 3 3 摘要 随辫g p s 系统的迅速发展，骥有的g p s 设豁及信号已无法满足网益 缮长静麓户需求。嚣蘩已诗麓在下代g p s 量毽中糟粕瓤静疆，s 波形， 将寒还可能与g 国n a 瞒、g a 己融甄o 德结合；鞠魄骏予瑗窍酌g p s 攘牧 机需要缀换设街以进j j 二升级，g p s 软件接收机只需改幼软件和圄件，具有 更强的灵溅性朔玎放性。 本文魇辍鹣是完溅完整豹潆s 软佟接收挺匏薅鬻工 睾，郯秘躁信号傍 囊器蒋爽 s 数字孛颧谙号，并赣鞠这些佬囊德号完成对e 潆s 信号豹臻 获和跟踪算法的验证。 在本文豹主体部分阐述了g p s 系绫酌工 睾琢瑾，艚s 信号瓣其钵缀稳， 劳介绍了所要骏 歪的僚母捕获和蹑跺方法的具体穗论。本文所骚验证的楚 平行码襁位避苻伪碍捺获，秘憋蟒斯( c b s t a s ) 载波跟踪环进行裁渡跟黥帮嚣 裙于全辩裁越翡涝鑫缝掏形式麓遥遮镞定嚣d l 佟为玛躁踪环进行镑 码跟踪的算法。 奁藏蓥磷量，详缨说爨+ 罗弼簿秘趱m 船l a 嚣、s i 馘u l 蚤激傍寞嚣境开 发信号臻娶器，并裁用戴傍真器实现a p s 信号虢仿冀，以及僖譬的拣获鄹 跟踪算法的验诞。 投搬黢诞缌累，i 囊噬了上述的捕获和跟踪冀法魁可行的，为岳续工作 奠定了良好翡基础。 关键词：锵s 软件接收税；信譬谤冀器；伪码；载渡 捕获；翼踪 北京交通大学礤七学位论文 a b s t 戳鼙c t w i t hm er 拄p i dd e v e k p m e n to fg p ss y s t e m ，畦l ee x i s t b gg p s 镧i u 译m e n t e 鑫鞋f 静t 氆o e t 爨e 程e v 畦o p m e 转to fl 瓤e 璐o sd 黝越堪s8 纛d 糖e 热霉ww 寰v ee fg p s t oa c h i e v et h eb e t t e rr o s u l to f p h a s e i na d d i t i o n ，t h eg p s m a y c o m b i n ew i t ht 1 1 e g 鞠n a s s 黼dg 觚l l 嚣o + c 删8 端w 褫撞撑c x i s i 憋g p sr e c e i w rw h i 馥 m h s tp u 董l a s e 搬e 黼we q u i p m e n t ，t h es o 最w 猷eg p sr e c e i v e ro n l yh a v 龆t o c h a n 擎氇e 鼬觚，a 辑王t i s m o r e x 稻疆妞y a n d o p e n i n g t h ew o 嫩w eh 轾v ed o n ei st h ep r o 曲a s c 糊r to f 搬ef u l ls o 黼巍瓣 s r e c e i v t h a ti su s et h os i g n a le m _ 1 1 1 a t o rt os i m u l a t et h ed 硒t a li fg p ss i g n a l 髓e 珏，n s e 妇s es i 嚣a l 耋。抬蛙基c 速s i 童i 憾瓤lt 糖c k 堍8 逸。薮疆黜醴壤e s s i g 硌l s ， l 鞋抽e b o d y o f 搬拓p a p e w ec x p 蠢鑫重e t h e t 沁e 哆o f 啦eg _ p s ，t 向玎no f 波蹬ss 睡斌憾鑫c 磷聪黼鑫龇t a c k i n g m 确o d o f ss i 誉挞 诚溉蘸d t ob et e s t t h ea l g o r i m m sw et e s ta r 。p a r a l l e lc o d ep h a s es e a f c ha o q u i s i t i o n ， c o 或a se 娥e r 髓羹i 端 o o p8 n d d d l b a s e dc h 髂et h c 0 确戡w ee x p o u n dh o wt od e v d o pt h es i g n a ls f m u l 8 t o ri 穗 m a = r l a b 、s i m u l i n k ，t 董! i e ns i m u l a f et h ei fd i g i t a lg p s8 i 驴a l su s et h i ss i g n a l s i m u l a t o rm e 魄o da 蛙娃氇et 然t 国e 嫩ea c q u i 羚勰d 糖et a e k i n g a l 鬈。矗h m s a c c o r d i 鞋gt o 也et e 硅gr e s u l t ，证e s e 越g 撕熏h m sa f e 括a s i b l e k 蟹w o 堪s ：s o 触黼鼬s 撑e e i 煅；s i 辨畦e 搬落巍妇；p r n ；e 涮瞄 a c q u i r e ；懈k i n g 北京交通人学硕十学傲论文 1 1 背景 第一章绪论 g p s 足美国围防部为陆、海、空三军研制的新一代卫星导航定位系统是 美国继阿波罗登丹和航天飞机之外的又一庞大的空闻计划它可为全黻赛l 壬 可地区提供全天候的覆盖，提取三维位髯、速度和一维辩闽信患。隧簪g p s 系统的迅速发簇，它已被应用于军事和民用领域的所有可能方面并取得了 巨大效应。 下一代g p s 卫星( b l o c ki i ra n di i f ) 将包括新的g p s 波形，以提高军 用和民用中g p s 的性能。目前计划在l 1 和l 2 频率中增加新的m 码信号，这 将提高g p s 对于干扰的鲁棒性。对于民兵l 柬 j l ，计划在g p sl 2 频率中增加 一个新的民麓p r n 鹨( l c ) 或c ，a 码。计翔在l 5 上发送两个p r n 范围的码 文：i n - p h a s e 硝( 浞为1 5 码) ；q u a d r a p h a s e 硝( 记为q 5 码) ；而且为达到更 好的定位效果将束还要考虑与g l o n a s s 、g a l i l e o 相结合。1 目前使用的军用和民用g p s 用户设备( u e ) 因与这些新g p s 波形不兼 容，波段也不兼容，所以必须进行更新。 传统的g p s 接收概将必须戮买器的硬传且改变原来的硬件结构刁能适 应，而将软 牛无线趣技术应用于g p s ，只需遴过改动g p s 接收瓶的软停和固 件，无需改动硬件结构，即可增加g p s 新的频段功能来满足应用要求，实现 g p s 软件接收机的升级以及与g l o n a s s 、g a l i l e o 相结合。 1 2 软件无线电概念 “软件无线毫( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) ”的概念源于砖9 2 年，出 3 - 驰寐交通火学硕十学能论文 j e om i t o 】a 酋次提出。它与传统模拟或数字硬件的最大隧别，穗于它 是对中频采样傣号鲻软俸遴行信专处理( 瑟a d 变换尽霹怒爨逐天线) ，实 褒售惑豹搂渡写发送，懿露燹强戆灵活淫帮开兹毪。 款静无线宅耘恚麓国8 0 年代硬件集中豹数字无线电巍2 0 年及箕后静 多波段，多模式，熬予软件豹无线电转变。相对于过去无线魄设计的固定 应用，软件可编程涎线魄技术具有众多的优势，因为较件可编程环境可在 不改变无线电硬件的情况下得到提高或增强。对于软件可编稷无线电的更 新不并需要硬件的敬炎，丽可以通过网络下载到c d 中。软件无线电概念也 允许用户获得相对磐通的硬件，而通过选择适合他们特殊应用的软件柬得 至n 获褥满足需求的惶惑。途与如今个人电瓣的内在灵活性捆戗”。 g p s 蠲户部分的棱，& 楚g p s 菝牧极。随着数字簧号楚毽按拳鹃发藤，g p s 卫星薅号嚣接蚊邀寒越越肉予采弱赣箨无线毫夔方法n 寒实载。较停无线逮 技术的重要价值钵现程：硬传只楚 睾为无线通信静蒸本平台，谣诲多豹通信 功能则是通过软件来实现的，这就打破了长期以来设备酌邋惰功能实现仅 仅依赖于硬件的发展格髑，而通过软件算法来实现器种功能，使其疑有更 好的可扩展性和成阁环境适应性。 综上所述，g p s 软件无线电的优势主要有以下几点： 高憔能操作 软锌无线电方式中瓣态在数字信号处璞使得可获得高等级精确憷的 g p s 蕊褰毽。对g 黔餐号续擒熬燕等缓访运氇竞诲最谯化懿偿号处联技零疆 连一多撵蔫售号处璞，麴多路径簸夺证菝零，鼗字奄波李蔓攘秘蠢据撼算法 积空润一对问一逶趣娥壤( s 下矗p ) 或空藉一频率一遥疲处理 s f 勰) 方法。 多频率、多模式绦铭 软件无线电的特能简化了附加频率通道和新代码的p 良踪。通过对r f 一 数字前端滤波器籁单澈嶷，可增加新频率。通过固件和软件修敬可增加瑟 4 北京交通人学硕士学髓论文 代码。 灵溪饿联胃受新性 软体谶线电可褥编程的特性允许它通过网件翮软件修改得到璺新，以 适应下一代g p s 接收机和用户需求。 1 。3 本文磷究的譬戆 当g 隅接收瓿浆瘩号处理部分要付诸实藏辩，甏蠢些数摅泉测试宅静 接能，最终翳杯是让g p s 接收枫能够工作在出g p s 天线接收到豹，并通遥藤 端板和a d 转换器处理的真实采样数据上。佩鼹，为了完善信号处理算法， 用实际数据并不是最佳选择。主要是因为瓣法控制和确定真实g p s 数据的所 有属性，耐解决这一问题的有效方法就是使用仿真g p s 信号。本文f 是糕予 这样的翻豹，实现了g p s 信号船仿真，并利用该信譬实现耀应算法的研究和 验 正。 。4 圈处进展 闲外瑷在酷开发了一些基于软件无线f 程的g p s 偿号仿真器。尽管这黪仿 真器具体的仿真实施方法不同，但它们都可以仿真数字中频信号或分桥累 积同步( 1 ) 和正交( q ) 部分。在一些仿真嚣巾，熊够如实遣仿真墩g p s 信号艇撼伪弼，导航电文以及噪声源；蕊农弼外些仿真器中，刘是运 用数学摸戳赢接生成并分析有噪声源豹弼疹嗣雁交鄢分，对载波和伪弼波 形却不进行仿真。出于研究的目的不 司，尽镑噪声对g p s 接收枫有很薰要的 影响，龆势不楚联有仿真器都要谚真噪声源。n * 在露蠢戆亵照耀薅囊器中，寿三个嫠襄嚣g 较突穗： l 、巍n a v s ￥s 公霹开发的漱t l 勰g p s 信号嵇真工熬鑫：提供了宠整斡g p s j ! 塞至鎏叁堂堡圭堂垡堡塞 信号仿真、测试和分析工县。能够产生仿囊射频g p s 信号( 如信号强度、伪 陵视、多普勒莘硅多蛰耪逮率) 。魏褥谙号瓣、天线秘f r o n t e 泌馥鞴校对接 毅弱懿g 憝售号豹澎璃纛有摸撅。这秘方法戆不是之楚在予诗舞上蓦髫复 杂，霞惫要禳熬射频g 筠信号； 2 、出e r s 发粕的熬予软件无线电的g p s 信号仿寞器：允许髑户引入各种 斋祥的特殊情形如刚睬闪泺、干扰、堵塞( 即所谓的窄带、宽带和方向， 高动态) ：特殊活动范嘲，波前仿真( 多天线场所、等离子区隰避体、遮 蔽、多径效应翻海洋敝辩) 。 3 、n a v t e c h 发和的撇掘基于软件无线电的系统g p s 相关嚣仿嶷器：包括 输入铸弓仿真嚣帮信号处理器；输入信号仿真器能够仿粪噪声效应，接牧 秘线路参数帮基繁转羧释。餐它鲍真实耀境并不是由卫璧位鬟鞠接收撬鞔 透( 这是薅冀超紧密罨藏系绞掰嚣要戆) 鬏决定兹。 魏羚，还霄纂键一臻学者实现了如下熬一些嵇奏嚣： l 、b u r n s ( 2 2 ) 为研究g p s 软件无线电在抗击窄带于抗方谢的性能实 现的软件无线电g p s 信号仿真器： 2 、s e i t z 和b r a a s c h ( 1 9 9 8 ) 实现了一个高傈真g p s 接收枫仿真嚣，这 个仿真器包含g p s 信号生成器，一个允许信号异常附加的传播谂径以及一个 g p s 接收机模型。 3 、c o r b e l l ( 2 0 ) 开发了一个基于真实卫星秘用户轨迹嬲g p s 信号仿 真器。 4 、塞e o 两e i l ( 2 0 ) 察醛i l i e r 2 0 9 1 ) 合箨实繇戆一令g p s 接鼗掇黪 分季厅表示仿真器，这个仿_ 蠹嚣并不生成任髓载波和伪筠波澎，傻是捺续跟 踪它们豹相位秘姻互芙系生成分耩同步和正交帮分焉的数学模型。 北京交通人学硕士。学位论文 1 5 本文所做的工作 虽然国外已商众多的商业用仿真器，儇是却都不适合本文的研究弱的， 所以有必要自己束实现一个g p s 信号仿真器。 本文用的信号仿真器是用m a t l a b s i m u l i n k 实现的，仿真了g p s 中频数 字信号。 文巾首先仿囊出c a 码、p 码、导航电文，其次分别将c a 码与导航电文、 p 码与导航电文调制到载波上，最后叠翻噪声，多普赣频移，最终缀合戒完 整的g p s 数字中频信号。 本文所实现的仿真器具有直观的用户界面，信号的参数易于修改，与 本文要验证g p s 信号的捕获和跟踪算法的目的相符合。 仿真出完熬的g p s 数字中频信号之后，将仿真信号结果以文件形式保 存，并传输到m a t l a b 晕，最后在m a t l a b 中编码实现g p s 信号的稳获和跟踪， 验证软件g p s 接收税中 f | 获和鞭踩算法。 本文要验证的是采用平行码相位算法进行伪码捕获，非相干全时问超 前一滞后结构形式的延迟锁定环( d d l ) 作为码跟踪环进行伪码跟踪以及科 思塔斯( c o s t a s ) 载波跟踪环进行载波跟踪的捕获和跟踪算法。 i 京交邋入学颈七学桡论文 第二章g p s 系统原理及信号构成 全球定缓系绞留l 痨8 i s i t i 。n i n gs y s t e 旷s p s 楚薅麓瑷饩秘学技术 的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统。它是美潮政府从本世 纪? 0 年代开鲶硪麓、蕊露2 0 年。予1 9 瓣年垒露建成魏一项凌大豁字密及航 天工税。经过我嗣各有关部门避l o 年的使糟表明，g p s 以全天候、高精度、 自动纯、高效益等显著优点，飨众多的学科领域酃带来了一场深刻斡技术 革余 1 2 。1g p s 系统的缝成 g p s 主要巍三夫部分缀残：窝阏星蹙罄分、她嚣整控韶努帮矮户设器。 其组成如图2 1 所示。 圈2 1g 鹣组成 g 黔的空秘翌星壁瓣盛2 l 颗王终卫缀翻3 鬏在辘备麓里璧缝戏，2 灏里 北京交邋人学硕士学位论文 星分蠢在馁恁免孵鲍s 个载遭平溪内，辘遥平均毫度瓷2 0 2 9 瓠e 卫星逡孬 周期为1 1 小对5 8 分，每个孰道平黼分布4 颗卫星。g p s 屋座豹这一轨道森硒 可以保证猩地球上任何时间、任何地点至少可以观测到4 颗卫星( 最多可以 达ll 颗卫璧) ，因此也就保证了涟续、实时的全球导航能力。“” g p s 的地蕊监控系统由一个主接站、三个注入涎秘矗个鼗测站组成。黢 测菇豹主要任务是对每颓卫星避行溪测，著自主控站提供溪澜数据。主羟 站则是整个g p s 系统的神经中糯而注入站定时的将主控站传送的信息注入 各个卫星。 用户设器的核心是g p s 接收机。其功能是接收g p s 卫星信号，获取定位 双溅薰，撵毅零簸电文售惑，经数据处瑾完残导霆莛定位任务。 2 2g p s 系统的信号结构 g p s 卫星信号包括三种信号分黧：载波、鼹个伪随机噪声p r n 码( c a 硒、 p 疆) 彝数撼弱国鹃) “。 2 2 1 载波 载波是一种能携带调制信号的高频振荡波，它的振幅、频率及相位都 襞睫调翱蘩譬戆交恁瑟交恁。g 鹣里蕉霞霹嚣秘不瓣频率戆载波0 l 霸l 2 ，其 中l l 载波出卫星中的原子钟所产生的基准频率( f 。= l o 2 3 疆h z ) 倍频1 5 4 傍丽 形成，l l 的中心频率为1 5 7 5 4 2 m h z ，而载波l 2 由基准频率倍频1 2 0 倍而形成， 中心频率为1 2 2 7 6 m h z ，如图2 2 所示： 滟家交避太澄疆学建论文 辫2 ，2 蕊准颓攀7 。鸟载波l i 及l 2 的共添 耀户器要通过怼载波的多曹狗频移测璺柬精确确定翻醴的三缎遮渤速 发，瑟弑嚣求它稍凝省怒够怒豹频寒魏棼，黠予革颓挟收掇塞淤，较辫瓣 载波频率也霄勘予削弱甑禽爆筵迟。精确确定卫照信号躲魄离艨遮是迸 嚣毒藉壤鞠g 淤灏量豹必要条枯，蕊簸麓尊褰嚣突褒麓方法勰楚筏耀懑缡袋 戆特注遴嚣凝额滚抵。 在一藏懿逶璇譬载波辩谗瓣蹩媾邀运簸穗裁镶号，娄调穰波强达接浚 懿著簿谓窭潺裁僖号蕊，载波就不舞起貉瘸了。毽在垒球是馥系统中，裁 渡豫了曼静静姥送测鼹麓帮撼簸巾文终，本赛氇羧娄摆耱测鼹僻号束使 用。载波稍位测黧的精魔缎瀚，在离精度g p s 定板中有广溅的威用。 2 。2 。2 伪码 在g p s _ 銎整镕母审，溅簇稻憝臻予溅定簸里援至接浚掇瓣鞭离戆：避澍 臻羁。交予奎黪逡稼系统楚攀爱嚣鬻添统，透魏瓣篷秘孛也镪台了瓣耱淫 矮蠢耩篷穗幂秘阏蕊缀弼e 臌强耧 鹚。 蟊鋈2 ，3 鼷示，茹然镶号e 矗褊楚交菠爻l g 2 3 熬g o l 蠢稿蕊璐。g 秘蹙爨鬻 个码长稠蔫、码时静遮率栩同魏珥序捌优选模2 和梅成。键改变蕊个m 序咧糙 砖经移藏霹箨翻令麟黪g l d 垮捌。怼予长疫羹挂= 岔一| 戆港侉梦l l ，镣灏个褥 可跌产生n 个g 弱。g 妈曦蒜豢艇好豹爨嘏美特性，又其有饯巍浆互糟热姆髋， 1 0 ， 北京交通大学硕士学位论文 可供码分多址系统选用。这也是g p s 采用g 码作为e a 码的主要原因。 图2 3e a 鹂结构图 c a 码周期为l m s ，每个周期中都包含有1 0 2 3 个二进制硝的低精度测距 码，每个码持续对蚓( 即褐元宽度) 为l m s 1 0 2 3 = o 。9 7 7 5 1 7 1 l 微秒，堋碰距离 ( 即码元长度光速与时间的乘积) 为2 9 3 米。 c a 码的码续构是公开的，霹供全世爨所有的用户柬使用。标准定位服 务是全球定位系统向全世界的所有用户免费提供的一种服务方式。它是利 用e a 码来测定并从已技美国政府有意降低了精度的卫星广播中来获取观 测瞬问卫星在空删的位置的一种定位方式。 e a 码豹羁元长度为p 码的l o 倍，一般溺距精度为码元长度的酉分之一 左右，因此c a 码的测距精度比p 码低一个数量级，故称为粗码。g p s 接收机 。 1 l e 京变通大学硕+ 学位论文 霹以攫浚瓣漆获e 盎磁。 鸹元妖发小，可以提高测躐精度，丽p 码的粥元长度只蠢2 9 3 采，为 e a 码的十分之一，所以测距精度瓣比c a 码赢得多，赦称为糙码。制用p 码来遂行测鞭并根掘束降低精度的卫星星历来进行的定位称为精密定位服 务攘获p 璃添要花赞键长鲍时耀，掰戳需要在撼获e a 码盼基础上柬撼获p 玛。 2 2 3g p s 卫星的导航电文 导航魄文是卫鬃殴二进制褐的形式发送给豫户的导航是位数爨，它魁 令隶不鹅零麓数蠢滚，导竟莲电文按禳怒羚撵送，簿睽长度兔1 5 0 秘i t + 疆遂 速度为5 0 b i t s ，所以播送一帧呶文历时3 0 s 。 受2 4 为导航电文豹格式攒粼。 其中，个主帧出5 个子帧缀成；每个子帻分别古有l o 个字码；每个字 婚鸯3 e b i t ，藏每个子枣粪含3 0 0b i t ：每令b i t 含2 舀令e 强弱。每令予羧持续 播发辩阕海6 s 。第 、2 、3 子赖每3 0 s ( 静一个主犊) 震复一次，两为了进载 多达2 5 颗卫飘的星历，第4 ，5 子帧备含2 5 页，l ，2 ，3 予帧和4 ，5 子帧的每一页 构成一帧电文，每2 5 帧导航电文组成一个主帧。 艟塞交通人学硕士学位论文 一辅含五个子鞍 l2j45鑫g争 6s 西= = 一个字舍3 0 比特 、 ji 磊赢卜m 图2 4 导航电文格式 2 2 4g p s 卫星信号的调制 2 5 分钟 5 帧 g p s 卫星信号的三种信号分量：载波、测距码( c a 码、p 码) 和数据码 ，【d 鹞) 都是在同一嚣钟频率厶= 1 0 2 3 瓣 i z 控制下产生豹。猩u 嚣f 带中良两 种频率进行传输，这两个频率朝楚l l = 1 5 7 5 4 2 醚h z ，l 2 = 1 2 2 7 6 麓 z 。 数据流和两种伪随机码分别以同相和正交的方式调制在l l 载波上，信 号结构为： s l 1 ( t ) = a p e ( t ) d i ( t ) c o s ( 吼t + 仍t ) + a c g ( t ) d i ( t ) s i n ( 刃l i t + 吼t ) ( 2 1 ) 丽l 2 由p 妈和d 码进行调制其信蛩结构为： s n ( t ) = b p 鼍( ) d i ( 圭) s ( 万l 2 t + 热t ) ( 2 。2 ) 式中，a p 、b ，、a c 分别为载波l 1 和l 2 的振幅；p i ( t ) 、g i ( t ) 和d i ( t ) 分 13 北京交通人学硕士学能论文 剐为第i 颗g p s 卫爆盼p 鹨、c a 码和d 码；掰和掰。分别为裁渡酉面诬碡百了r 频率；蟊t 累3 娩t 分别掩第i i 囊g p s 卫星豹载波l l 、l 2 静窃稠。 霪2 5 为g 淤信号翁形成结构图： l 2 信号 五篇l 霆2 5g 玛信号能形成 北京交通大学硕士学位论文 第三章捕获和跟踪算法 本文联要验诞懿蔗平行鹚穗缓援索藕获舞法帮瓣愚臻簧( c o s t 8 s ) 载波 跟踪环进行载波跟踪，非相干全时间超前一滞后结构形式的延迟锁定环 ( d 乩) 作为码罐踪环进行镛码跟踪的算法。下面将详细描述这些算法。 3 1 平行码相位搜索策略 g p s 继号耩获巾近来鬻耀豹一茅串方法麓程丽平行码鞠位羧索。 如公式3 1 ，码相位的搜索需要经历1 0 2 3 次，远远高于频率搜索的4 1 次。通过平行频率搜索方法，去掉了必要的4 1 次频率搜索。如果能在诵相 接上镬翅乎嚣搜索臻获，只嚣要4 1 次鼗熊完成撼获，两远远低予平 雪频率 空闻搜索摭获算法的1 0 2 3 次。公式中，1 0 2 3 为粥相位，括号中的为频率。 0 2 3 f 2 堡黧l ，：1 0 2 3 x 4 l 。4 1 9 4 3 、 5 0 0 f n( 3 1 ) 码相便频率 该方法可麓单定义为平行码捆位搜索撼获。以下将搂述该方法的有关 理论。” 3 1 1 平行码糖位搜索理论 捕获的目的怒完成输入信号和p r n 码的相关运算。取代连续搜索捕获 方法中幂l 塌输入信号与其露l 泣3 个不鬻璃褶餐鹃p r n 磷褶乘瓣方式，袋 用输入信号与不变码相位的p r n 码之闷进行循环相关运算的方法将更加 方便。爱弱将分缁通过褥秘时交换实现的循环相关运算方法。 北京交通人学硕十学位论文 具有长度n 的有限长序列x ( n ) 的直接馋利叶变换如下： x g ) = x ( n ) e 一2 以一“ ( 3 - 2 ) 两个具有长度n 的有限长序列x ( n ) 和y ( n ) 的互相关计算如下： z ( n ) = x ( m ) y ( n + m ) ( 3 3 ) 两个具有长菠n 的有限长序列x ( n ) 莘陲y 睡) 的卷积计算如下： z ( n ) = x ( n ) 4 y ( n ) = x ( m ) y ( n m ) ( 3 4 ) 公式3 3 和3 4 表明关于两个有限长度序列的互相关和卷积之m 的唯一 不同是y ( n + m ) 中的符号。通过傅利叶变换可以将卷积转换到频率域。结 合公式3 2 和3 4 给出了x 和y 之问的卷积的d f r 。 z ( 1 【) = x ( m ) y ( n m 2 砒叫n ( 3 5 ) = x ( m ) e 一。2 椭7 n y ( n m ) e m 。m ) m ( 3 6 ) m 2 u n = o 2 x ( k ) y ( k ) ( 3 7 ) 该公式突出了傅利叶变换的卷积相乘特性，时域卷积对应频域乘法，如 下式所示： z ( n ) = x ( n ) 幸y ( n ) ( 3 8 ) 0 f z ( k ) = x ( k ) y ( k ) ( 3 9 ) 公式3 2 和3 3 的组合给出了x 和y 互相关的d f r ： z ( 酗= x ( 嘲y ( n + m ) e 叩鼎州n ( 3 1 0 ) l e 象交通人学硬士学位论文 = x ( m ) e _ j 2 矾耐n y ( n + m ) e 书积n l m 州 ( 3 1 1 ) m = un = 哦+ ( k ) y ( k ) ( 3 1 2 ) 也就是说，时域相关和频域表述之问的关系几乎等同于卷积和它的频率域 表述之划的关系。 难一的不同在于，嚣个输入频率之一鹣傅嗣叶变换斑该在相乘之翦完 成复共轭运算。 旦相关性的频域描述实现了，那么可通过反傅利h t 变换实现时域描 述。图3 1 是平行码相位搜索算法的程序框图 图3 1 平行码相位搜索算法的程序框图 输入信号与本地载波信号相莱。直接与载波相乘生成i 信号，而与相位 偏移9 0 度的载波信号相乘生成q 信号。将i 和q 两个信号结合组成复合 输入信号x ( n ) = i ( n ) + j q ( n ) ，以进行后面的d f t 运算。 与其它攘获算法耀同，码的生成是离线的，浙霈的】) r n 鹃从文件中读 取生产的p r n 妈被转换到频率域，并且结果是复共辍的。 北京交通人学硕十学位论文 输入的倦利叶变换与p r n 码的傅利叶变换楣乘。相乘结果逶过反傅利 时交换转换到跨域。反薅利时变换的绝对输出僮表征了输入和p r n 碣豹稠 关性。 正如平行频率空间搜索捕获方法中提到的，f f t 的输出是复杂的，i f f t 的输出同样也怒复杂的。因此需要对输出作相同的处理。也就是说，将完 成所有组成的绝对值计算。如果在相关性中出现了波峰，那么波蜂的序号 就表示输入信号的p r n 码相位。 3 1 2 平行码相位搜索方法的输漱 图3 2 给出了平行码相位搜索方法的输出。 ( a ) 卫星6 不可见 北京交通人学硕士学位论文 ( b ) 卫星2 2 可见 图3 2 平行码相位搜索方法的输出 从图中我们可以看出，当卫星6 不可见时，没有出现最大相关峰，无 法进行捕获；而当卫星2 2 可见时，出现了最大相关峰，判定信号被捕获。 与其他的捕获方法相比，平行码相位搜索捕获方法将搜索空间减小到 4 1 个不同的载波频率。对于4 1 个频率中的每一个，都需要完成一次傅利 叶变换和一次反傅利叶变换，因此该方法的运算效率取决于这些函数的执 行情况。通过这种捕获方法估计的参数精确度类似于连续搜索方法的频率 精确度。但是，由于p r n 码相位对每个采样码相位给出了相关值，因此比 其他方法具有更高的精确性。也就是说，如果采样频率是1 0 m h z ，采样的 p r n 码有1 0 0 0 0 个样点，因此，码相位精确度就有1 0 0 0 0 个不同的值，而 非1 0 2 3 个。 北京交通人学硕士学位论文 3 1 3 信号捕获的判定 搜索和捕获过程中如何判定信号是否捕获是捕获问题中的重要内容。 只有准确的判定捕获，系统才能停止搜索，转入跟踪。捕获的判定是根掘 输出信号能量是否超过门限来决定的。 固定积分时间检测就是用于信号能量检测的一种方法，如图3 3 所示。 图3 3 固定积分时间检测器 如图，带通滤波器的输出经平方器，低通滤波器后送入积分时间为t t 的积分器。当本地码相位与输入码相位一致时，积分器输出电压v 超过门 限v r 时，判定信号存在，否则判为不存在。 3 2 跟踪 通过捕获，卫星信号的频率和码偏移参数已大致获得。跟踪的主要目 的是确定这些值，保持跟踪并解调该卫星的导航数据。基本的解调结构如 下图3 4 ： 北京交通人学硕士学位论文 载波信号 的复制 p r n 码的 复制 图3 4 解调结构 如图，该结构用于解调输入信号，以获得导航信息。首先，输入信号 与载波相乘，这将完成信号中载波的去除。下一步中，该信号将与p r n 码 相乘，从而得到导航信息。因此，跟踪模块需要生成两个信息的复制，一 个用于载波，另一个用于p r n 码，以很好地完成跟踪和卫星信号的解调。 以下将详细描述解调方案。 3 2 1 解调 来自卫星的信号可以用下式表示： s 。( t ) = 2 p c ( c 。( t ) d 。( t ) ) c o s ( 2 厅f l t ) + 2 p p l l ( p 。( t ) d 。( t ) ) s i n ( 2 厅f l ，t ) + 扫i ( p 。( t ) d 。( t ) ) c o s ( 2 厅f l ：t ) ( 3 1 3 ) p c ，p p p p 。：是c a 码和p 码信号的功率，c 。( t ) 是对应卫星号k 的 c ，a 序列，p 。( t ) 是对应卫星号k 的p ( y ) 码序列，d 。( t ) 是导航数据序列， 而f l l 和f l 2 分别是l 1 和l 2 的载波频率a 因为前端完成了滤波和下变频处 理，来自日u 端的输出结果可由下式表示： s 。( t ) = 2 p c ( c 。( t ) d 。( t ) ) c o s ( i f t ) + 2 p p l l ( p 。( t ) d 。( t ) ) s i n ( i f t ) ( 3 1 4 ) 。，即为前端下变频所得到的中频。公式3 1 3 是来自某颗卫星的前端输 0 豪交通大学硕士学佼论文 遗描述。 该信号将豳a d 变换器送行采样，毽惫瓣予c ，a 妈的窄辩滤波，p 鹃 将被扭曲。在这摹孛清醒下，公式3 1 3 的最蕊一域褥会被滤掉，瓣扰不缝被 解诵，搿被描述为噪声e 轴) 。在削驺交换簸，翌星信号可班被描述为： s 。( n ) = ( c 。( n ) d 。( n ) ) c o s ( i ，n ) 十e ( n ) ( 3 1 5 ) 上式申，嚣表示簿朗上是蔫散懿。 要获得以j ：信号的导航数掘d 。( n ) ，信罨还鬟被转换虱基辫。翔强3 霹， 载波的去除将通过输入信号和本地载波复制的稠灏。当本地载波复铡和输 入痿号豹载波在颧霉嚣潜藏摆蠢孽重，褥褥鹫疆下公式： s 。( n ) s ( 国l f n ) 篙( c “( n ) d 。( n ) ) c o s ( 棚】f n ) ( 3 1 6 ) = 妻( c 。n ) d 。n ) ) 一去e o s ( 2 强，n ) ( ( n ) d k 国) ) ( 3 1 7 ) 公式中，第一矮为译航信意和瓣淤码藕乘，第二顼为2 搭巾频载波。 该信号的懿露部分将逶过低逯滤波器滤撼，通过低通滤波后得嗣信号： 委* 建渺t 穰) ) ( 3 1 s ) 下一步，将从信号中滤出码c k ( n ) 。这将通过与本地码复制的相关运算 获褥。翅巢褥复制与锩譬中的码吻会，那么袒关瓣簸出为： 抖一l c 。( n ) ( c “( n ) d 2 黼) ) = 粕。( 矬) ( 3 1 9 ) n = o n 秽( 砖是导靛镶崽与售号弱点数n 。 以上躲调的描述仅仅适合于单颗卫星的单信号。该解调减少了这黧公 式的复杂性，并给出一个简单理想的解调结构。在实际信号中，将会肖来 鑫每个可凳卫星豹影攀j ，导蘩公式中豹噤声璎姆嶷褥更大。 在鹭3 + 4 勰诵结构中，需要强个本逸僚号鹣复饿。为生成髓确豹傣弩 2 2 ! ! 里窒望丛堂堡主堂堡笙苎 复制，需要一定的反馈结构。产生载波复制的反馈环即为载波跟踪环，而 产生精确码复制的反馈环则为码跟踪环。以下章节将介绍这些反馈环。 3 2 2 科思塔斯( c o s t a s ) 载波跟踪环 竺飞卜心重国 l | 瞬一 滞后码跟踪环中的输出i 。鉴别器环的程序将用于查找本地复制载波的相 实现本地载波与输入信号载波几乎相同的精确复制。【7 用于载波跟踪的方法有很多，常用的有平方环、科思塔斯环等。”1 l 交交避人学颈七学傍论文 箍。 纛在辩忍塔新繇溪 辫3 。5 ) 输入黪b p 随僚母分裂与本髓n ( 数控 振荡器) 产生靛褥鼹参考蘩号( 鹅绦分萋帮攘移譬舔嶷嚣匏茁交努蹩) 糖浆， 两令穗豢瓣的输出经低遥滤波嚣麓，葛鞠桊，其缭榘经环黯滤波器嚣箍渤 载波n c o 跟踪输入的载波。与此同时，司相支路豹低通滤波器输出便魑鬻 要麴数攥蕊惑。 稻托予鼍美方垮，辩愿塔觜环实现越来更加麓雄。此外，幽予辱瓶眈特 位豹交巍，溺予戳s 接收机中豹p l 0 对予1 8 0 度豹相位傻移必须楚非敏懑 醣。丽蛰避p l l 霹予1 8 0 度静楗能璃穆菲常敏感。箍科愚塔翅环脊个特 性是：对予1 8 0 发羽栩使编移并不敏感，弱诧辩斯塔斯环对予导簸数掇位 的相位变换也并不敏感，即具有农接收枫颓检测积分区中相对予接收机的 自然靖镑籀位两富瓣耱佼调节筑力。 甄苏，一般壤滋下褒g 醛接牧撬孛哭经焉辩纛塔舞o s t 鑫s ) 载波跟踪 琢。 下嚣港夔罐遴秣戆塔蘩强戆缝橡毒王穆嚣矮。鲫“” 科思塔斯环又称闹栩一正交环，熟作用是为了鼹踪输入信号的载波以实 现高精度测速和导航数据的正确解调。 载波趿黥坪出载波豁捆器、载波繇路滤波嚣秘载波& 鼹筑威。 输入信号经群扩籍避入载波源黥繇，霸本魏载波i 、q 辩鼹邋零亍潺频褥 分裂经过 躐通滤波怎襁暴，得黧糨谯误差信号数据瓣调跌i 潞输懑。载波 多普耪获繇鼹滤波输滋鹚提取。 图( 3 6 ) 中，输入信号为： r ( & ) = 2 p d ( 颤) c o s ( w 蕞十) ( 3 2 0 ) 式中，露纯) 必数辫信息：p 为嚣号功搴；w 麓输入绩学熊频攀；为 北京交通人学硕士学位论文 输入信号初始桷位。 本逮n e o 产生的信号分别为： 上o ( 气) = s i n ( w 气+ 谚) 岛( 屯) = s i n ( w “+ 谚) ( 3 + 2 1 ) ( 3 2 2 ) 圈3 6 秘斯塔斯环绻构框图 i 、舀两路楣乘器的输出分剐为： j ( ) = r ( ) 厶( ) = 2 p c f ( “) c o s ( w + ) c o s ( w + 辨) ：型罢兰d ( “) c 。s 晚+ c 。s ( 2 w f 。+ + 谚) 】 ( 3 + 2 4 ) q 瓴) = ，( f 。) x 岛( ) = 2 j p 靠( 气) c o s ( w 靠+ 多) s i n ( w 气+ 谚) ：半d ( f 。) 【s i n 九+ s i n ( 2 w 气+ + 旃) 】 经过低通滤波器后，高频分量被滤除，只剩下低频分量： l = 西g d ( ) c o s 晚 g = 历g d ( 气) s i n 九 g 为积分嚣堪蘸；戎= 妒一谚为输入载波傣母与本地载波之间的相差。 + 2 5 一 ( 3 2 5 ) l e 蘩交邂_ 夫学矮：k 学使论交 献( 3 。2 5 ) 可淤蚕滋，当杰较小懿， 滔浚惑近镁为2 p g d 敝) ， 焉q 爨输擞遥钕为2 p 8 x 蠢( 蕞) 廷，豳鼗i 路输出静是数掇僖弩，豫q 鼹簸窭魏爨耱整漠麓蘩慧，冀鏊襁鞠线燕： 在固中可以稽出，当实际的糊使误蓑为零和盘1 8 0 发时，撩相器输出 为零。遮藏是科精塔辩琢对于导靛数据位变换鞋孛鹃l 度襁授变按不馘感 懿蘸蘧。 秘慝塔娥锬相垮和蔼逶锬搁环一样，对动态绒力蔗敏感豹，然薅它们 能产生最鞲确的速度测爨傻。对予绘定的信号功率憩平，辩惑蟒精锁糟| 环 与蘑簸频环靛方案耱撼恣提供差锈发黛矮多魏数强解调。囡藏遮楚g 鹣羧 收机载波跟踪环路最希黧的稳惫跟踪模式。然丽，一个良好设计的g p s 接 收辊载波跟踪环姆爆工作在宽频带瓣雯为率鳗懿镟频繇穆环黪闭台起泉。 然磊，它褥逐滋减少载波跟踪臻熟带宽，著遘渡爨宽带锬耩环王终方式。 最嚣，它将恕镞褐环静蘩宽变窄羽舔态工露模式。如粜锁耱环必锬，接收 瓿婚雳灵敏瓣辍像镁定梭测器检溅感这耱蘩凌，势返醚爨镄掇蟮，然嚣鬟 复锁相环闭合过程。 3 2 3 非相干全时间超前。滞詹结构形式的延迟锁定环 羁舔黥蟒秘避熬燕髓信号串褥定辫鹨秘缱斡髅踩。磁鼗踪繇静徐豁爨 与鹞完全一致静复麟。 溪疆稳予碣黪蹙掺坯鼹中载波皴率帮籀霞怒麓壤一致懿，骚黪鑫爨可 工 乍在基鬻铸警上。褫嚣楣于鹃环怒建立在鹃环缭构蒸子载波频率未知遮 一假定基础t 的。在载波偏离额定指数的某个确寇范围内，这种码环必须 链够承受褥往舞麓嚣趱。强牲埘 在多数僚况下载波酌颓率和辎彼并不是精确溉知的先验憾慰，所以躐 北京交通人学硕士掣：能论文 踪接收的刚码必须建立非相干码环。 在g p s 接毅橇中，妈跟踪环是一个髂为趣自f 一满压跟踪环的延遥锁楣 环d l l 。本文选用的就是非相干全时间超前一滞后结构形式的延迟锁定环 ( 叩l ) 作为码跟踪环。 d l l 的目的是将输入信号与三个码复制相关，如图3 7 所示： 图3 7 d l l 结构图 图3 7 中，通过输入信号与相吻合的本地复制载波相乘，c ，a 码下变频 到基带。然后，信号与三个复制码相乘。三个复制码通常由圭片的片空间 生成。在完成第二二次相乘后，三个输入将作艇合，它们的结果表明了特定 的复制码与输入信号码之间豹相关性。 北京交通人学硕士学位论文 图3 8 三个本地码生成并和输入信号作相关 图3 8 为三个本地码生成并和输入信号作相关的结果图。从图中我们可 以看出：在图3 8 ( a ) 中延迟复制有最好的相关性，因此，应增加码相位。 在图3 8 ( b ) 中瞬时复制码有最高的相关性，延迟和超前复制码有相似的 相关性。 三个相关输出i e ，i p ，i l 将作比较，以得出相关性最好的一个。图3 _ 8 位码跟踪的一个例子。在图3 8 a 中，延迟码有最好的相关性，因此该码相 位必须增加。在图3 8 b 中，最高的峰位于瞬时复制码处，而超前和延迟复 制码有相似的相关性。在这种情况下，就能正确地跟踪码相位。 在本地载波被锁相和锁频的情况下，图3 7 具有三个相关器的d l l 是 最佳选择。但是，当载波有相位误差时，信号将变得更加复杂，使得d l l 对于码的跟踪变得更加困难。因此，g p s 接收机中的d l l 通常设计如图 3 9 ： 2 r 北京交通人学硕十学位论文 图3 9 g p s 接狡枫巾瓣上结构 图3 9 中的设计具有这样的优势，它独立于本地载波相位。如架本撼载 波与输入信号同相，那么所有的能量将集中到同相端。如果本地载波相位 与输入信号相比有了偏移，那么能量将在同相和积分端之间变换。 如果需要调整码偏移，那么d l l 就需要一个连接p r n 码生成器的反 馈通道。表3 1 是一些常焉的可出于反馈的上鉴相器。 类鉴相嚣特性 型 d = i e i l 最简单的鉴相器，不需要q 部 致分的处理，但需要一个良好的 性载波跟踪环，以实现最佳的功 能。 北京交通人学硕士学位论文 非 d = ( i ：+ q ：) 一( i ：+ q ：) 超前和延迟功率相减。中等程 度的计算量。该鉴相器的反馈 致在1 2 片内与一致鉴相器相 性同。 归一化的超前和延迟功率相 d 一黼i ；+ q ：) + ( i i + q ：) 减。计算量大。该鉴相器具有 很好的特性：当片错误大于 1 2 片k ，将能够使d l l 实现 对噪声信号的保持跟踪。 d = i p ( i e i l ) + q p ( q e q l ) 计算量低。这是唯一的使用六 个相关输出的d l l 鉴相器。 上表给出了一个一致性和三个非一致性的鉴相器。对于d l l 鉴相器的 要求将取决于应用类型和信号的噪声情况。鉴相器的反馈如下图3 1 0 所示： 北京交通人学硕士学位论文 图3 1 0 鉴相器的反馈 图3 1 0 给出了使用标准相关器的一致性鉴相器和三个非一致性鉴相 器。在一1 5 到一o 5 之间由上到下的曲线分别是归一化的超前和延迟功率相 减的鉴相器、一致性鉴相器、超前和延迟功率相减的鉴相器以及使用六个 相关输出的d l l 鉴相器。 该图的信号是来自卫星的没有任何噪声的信号，并且超前，瞬时和延 迟之问的片长为1 2 片。超前，瞬时和延迟之间的片长决定了延迟锁相环 中的噪声带宽。如果片空间大于1 2 片，那么d l l 应该有更好的噪声鲁 棒性，反之，一个具有较小片空间的d l l 会更加精确。目前的g p s 接收 机，片空间可以在接收机跟踪信号时进行调节。其优势在于，一旦信号的 信噪比突然降低，接收机将在相关器中使用更宽的片空问以处理更嘈杂的 信号，因此能避免可能出现的码的失锁。 北京交通人学硕十学位论文 第四章g p s 信号仿真 4 1g p s 软件接收机系统组成 本文研究的g p s 软件接收机的组成结构如图4 1 所示： 图4 1g p s 软件接收机的组成结构 完整的g p s 软件接收机的工作原理为：g p s 原始信号由天线接收进来， 在前端板下变频后，由模数转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号， 最后将数字巾频信号保存到能被m a t l a b 读取的文件中。送入p c 机中用 m a t l a b 编码实现伪码捕获和跟踪。 m a t l a b 编码实现伪码捕获和跟踪。 京交通u 大学硕士学能论文 4 ，2 本文所作部分 强4 2 本文搿作部分 本文所做的部分如图4 2 所示。即利用信号仿真器对由天线接收进来 并且已经过下变频及模数转换的g p s 中频数字信号的仿真，以及对g p s 信 号的捕狭及跟踪。 以上工作均是在p c 机中的m a t l a b s i m u l i n k 环境下完成的。 4 3g p s 信号仿真 符合本文研究目的的信号生成器必须包含以下与下变频和信号采