（信号与信息处理专业论文）gps接收机多径估计的分析与研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者张锯阐久指导教师鲐喘 日期：庐o f 辱岁r 弓口目 日期2 it 。r d 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 指导教师签名： 逆弓。 日期 z 小i 、0 3 、o ，及 锈m y 7 夕签陟 糕睥 作川史乒 论耻俐瑚 制日 西华大学硕士学位论文 摘要 全球定位系统( o p s ，即g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 与人们的生活息息相关，其具有的特 性如如全球覆盖、连续全天侯工作、能为高动态平台提供服务、以及高精度定位。而 g p s 接收机作为人们使用全球定位系统的接口，与人们关系最为密切，同时也是研究的 重点。 g p s 接收机的工作顺序为信号搜索捕获、信号跟踪、子帧识别、星历和伪距计算、 卫星位置和用户位置计算，从而进行精确定位。而影响伪距观测量精度的主要误差来自 以下几个方面如星历误差、卫星时钟偏差与接收机时钟偏差、电离层干扰、对流层干扰、 多径误差、噪声等等。在某些应用中，多径引入的误差占据了主导地位，其中短多径延 迟信号由于具有较大的幅度且难以通过改进接收机技术加以抑制而带来较大误差。当前 多径抑制技术，来自地面的多径可以通过天线的设计加以抑制。但是来自天线上方的多 径信号难以通过天线设计来抑制，它需要通过接收机的改进或者是信号处理技术来实 现。文章主要分析和研究g p s 多径信号的抑制技术，通过分析倒谱算法、 t e a g e r - k a i s e r ( t k ) 算法和多径估计延迟锁定环( m e d l l ，即m u l t i - p a t he s t i m a t i n gd e l a y l o e kl o o p ) 技术，并结合t k 与m e d l l 两种算法，提出一种m e d l l 的改进算法，同 时估计得出多径信号的参数，最终从接收信号中分离多径信号，减经多径效应的影响，并 且将信号处理算法在数字信号处理器( d s p ，即d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 中实现。 文章首先分析g p s 多径信号的数学结构以及信号的分类，然后介绍接收机的组成 模块以及在多径信号干扰下各个模块受到的影响。在此基础上，对接收机接收到的信号 进行详细分析，利用相关的改进算法进行信号处理。 文章中首先设计一个g p s 信号源用来产生多径信号，通过去除载波，同时与对齐 的本地码进行相关，得出相关函数来。利用t k 和m e d l l 两种算法的结合算法，对多 径信号进行处理。分析了比较了m e d l l 算法和m e d l l 改进算法两种算法的处理结果； 同时举例说明了这两种算法的实现。在m a t l a b 中完成软件算法实现的基础上，在硬 件d s p 当中对算法做进一步的分析，进行定点处理。 关键词：多径；t k ；m e d l l 算法；m e d l l 改进算法；d s p g p s 接收机多径估计的分析与研究 a b s t r a c t i u 1 ，a 1p o s i t i o ns y s t e mi sm o r ea n dm o r ed o s ew i t hp e o p l e sl i f ef r o ms t a r tr u nt i l ln o w o “l 1 c iia si t st b a t u r e sh a v eg l o b a lc o v e r a g e ，c o n t i n u o u s a l l d a yw o r k , h i g hd y n a m i c p l a t f o r mf o r 站r vi “s ，a n dh i g h - p r e c i s i o np o s i t i o n i n g t h eg p sr e c o v e ra st h ei n t e r f a c eo fg l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，p e o p l ea ren o to n l ym o s tc l o s e l yr e l a t e d ，b u ta l s oaf o c u so fs t u d y i h ew o r ko r d e ro fg p sr e c e i v e r si st h es i g n a ls e a r c h a c q u i s i t i o n , s i g n a lt r a c k i n g ， s u b - f r a m er e c o g n i t i o n , e p h e m e r i sa n d p s e u d o - - r a n g ec a l c u l a t i o n , c a l c u l a t i o no f s a t e l l i t ep o s i t i o n n 1l o c a t i o no ft h eu s e rt oc o n d u c ta c c u r a t ep o s i t i o n i n g t h ec o n c e p to fp s e u d o r a n g e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h em a i ne r r o rc o m e sf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ，s u c ha se p h e m e r i s e r r o r , s a t e l l i t ec l o c ke r r o ra n dr e c e i v e rc l o c ke r r o r , i o n o s p h e r i cd i s t u r b a n c e s ，t r o p o s p h e r i c i n t e r f e r e n c e ，m u l t i p a t he l t o r s ，n o i s ea n ds oo n i ns o m ea p p l i c a t i o n s ，t h ee l t o ri n t r o d u c e db y m u l t i - p a t ht oh o l dad o m i n a n tp o s i t i o n , i nw h i c hs h o r t - d e l a ym u l t i - p a t hs i g n a l sb r o u g h tg r e a t e l t o r ，谢ml a r g ea m p l i t u d ea n da sd i f f i c u l tt ob es u p p r e s s e db yi m p r o v i n gt h er e v e t c u e e n tm u l t i - p a t hs i g n a l sf r o mt h eg r o u n dc a nb es u p p r e s s e d 谢t l lt h ea n t e n n ad e s i g n e d b u t m u l t i - p a t hs i g n a l sf r o mt h ea n t e n n aa tt h et o pb yt h ea n t e n n ad e s i g n e di sd i f f i c u l tt os u p p r e s s ，i t n e t d st oi m p r o v et h er e c e i v e ro rs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e st oa c h i e v e t h i sp a p e rm a i n l y a n a l y z e da n ds t u d i e dm u l t i - p a t hs i g n a ls u p p r e s s i o n ，b ya n a l y z i n gt h ee e p s t r u mm e t h o d ， t e a g e r k a i s e ra l g o r i t h ma n dt h ee s t i m a t e dm u l t i - p a t hd e l a y - l o c k e dl o o pt e c h n o l o g y , c o m b i n e d w i t ht ka n dm e d l lt w oa l g o r i t h m s ，i m p r o v e dt h ea l g o r i t h mo fm e d l l , a tt h es a m et i m e e s t i m a t e dt h ep a r a m e t e r so fm u l t i - p a t hs i g n a l s ，u l t i m a t e l ys e p a r a t em u l t i - p a t hs i g n a l sf r o mt h e r e c e i v e ds i g n a l ，l e s sa f f e c t e db ym u l t i - p a t he f f e c t s ，a n dt h es i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m s i m p l e m e n t e di nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， p a p e rf i r s ta n a l y z e st h em a t h e m a t i c a ls t r u c t u r e so f m u l t i - p a t hs i g n a la n d i t sc l a s s i f i c a t i o n , a n dt h e nd e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o no f t h er e c e i v e ra n du n d e rt h em u l t i - p a t hs i g n a l si n t e r f e r e n c e i ne a c hm o d u l ea f f e c t e d o nt h i sb a s i s ，d e t a i l e d a n a l y s i st h er e c 埘v e ds i g n a lo f t h er e c e i v e r , a n d t h eu s eo fi m p r o v e da l g o r i t h m si sp r o c e s s i n g f i r s t , t h ea r t i c l ed e s i g nag p ss i g n a ls o u r o gu s e dt og e n e r a t et h em u l t i - p a t hs i g n a l s ，a n d r e m o v a lo ft h ec a r r i e r ，a tt h es a l l l et i m et h el o c a lc o d e so fa l i g n m e n tr e l a t e dt oo p e r a t i o n sw i t h i t ，o b t a i n e dc o r r e l a t i o nf u n c t i o mc o m b i n e dt k a n dm e d l l 铆o a l g o r i t h m s ，m u l t i p a t hs i g n a l s p r o c e s s i n g a n a l y s i sa n dc o m p a r e dt h er e s u l t so ft w oa l g o r i t h m s ，a l s oi l l u s t r a t e st h et w o a l g o r i t h m s c o m p l e t e di ti nt h em a t i 。a ba n db a s e do ni tf u r t h e ra n a l y s i so ft w oa l g o r i t h m s ， f i x e d - p o i n tp r o c e s s i n gi nt h ed s p k e y w o r d s ：m u l t i - p a t h ；t k ；m e d l la l g o r i t h m ；m e d l li m p r o v e da l g o r i t h m ；d s p i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘j 1 9 9 ：i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 国内外现状和发展趋势1 1 3 本文的研究内容与结构2 2 多径信号的相关理论4 2 1 多径信号的概述4 2 2 多径信号的特性和数学模型一5 2 3 多径信号的分类7 2 4 g p s 卫星信号9 2 4 1 伪随机码产生一1l 2 4 2 伪随机码特性1 3 3g p s 接收机概述1 6 3 1 载波跟踪1 8 3 2 相位跟踪19 3 3 码跟踪2 1 3 4 完整的跟踪环路2 7 4 多径抑制算法2 9 4 1 倒谱分析2 9 4 2t e a g e r - k a i s e r 算法3 0 4 3 多径估计延迟锁定环3 2 4 4m e d l l 改进算法3 4 4 5 仿真结果与分析4 0 5 信号的d s p 处理4 8 5 1d s p 的硬件开发平台4 8 5 2d s p 的软件开发4 9 5 3q 格式数据4 9 5 4d s p 编程5 1 5 5 数据的定点表示5 2 5 6 信号仿真处理。5 4 g p s 接收机多径估计的分析与研究 结论5 8 参考文献5 9 附录信号d s p 处理的c 程序6 1 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 8 致 射6 9 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 基于对g p s 技术发展现状和应用前景的了解，综合自己的兴趣、爱好、能力，在 征得导师同意的情况下，确定本课题。 g p s 系统主要由空间卫星、地面控制和用户接收机三大区段组成。接收机终端是卫 星导航系统的重要组成部分，是卫星导航系统与广大应用的主体一用户的唯一接口，是 市场规模最大和产业化的核心环节，卫星导航应用的价值最终需要通过接收机才能体 现。 本文通过构架一个g p s 仿真平台，为g p s 接收机的软件设计和研究提供强有力的 工具，重点研究g p s 接收机中多路径消除的处理技术，减小多径信号对接收机的影响； 利用d s p 技术，对多径估计算法的实现。 由于多径信号的存在，造成在位置，速度和时间解算上的误差。接收机对信号进行 跟踪，捕获和数据解调方面影响很大。研究多径信号对g p s 定位，g p s 接收机精度的 提高以及g p s 系统误差源抑制方面具有很重要的意义。 1 2 国内外现状和发展趋势 在传统的g p s 接收机研究中，对于抑制多径效应，国内外有很多研究者提出了很 多解决方法，其中有些方法停留在理论阶段，而有些方法抑制效果不佳，不能应用于实 际g p s 接收机进行处理的。多径估计算法有： 最大似然估计：在加性高斯白噪声信道，利用最小二乘法得到多径信号的位置和幅 度的最入似然估计。信号估计和环路结合到一起，能够有效地减小多径误差【l 】。 扩展卡尔曼滤波：利用小范围多天线系统中多径对各天线之间伪距测量值影响的相 关性，采用扩展卡尔曼滤波技术得到多径信号各参数，从接收信号中消去多径信号，以 抑制多径信号影响【2 】。 基于斜率估计( e a r l y l a t e s l o p ，e l s ) 的g p s 接收机多径抑制算法，该算法可以在一 定的预相关带宽的前提下，通过对相关峰两边的斜率进行估计，达到抑制多径造成的跟 踪误差的效果【3 j 。 冲激响应估计算法：一种基于复倒谱分析和同态滤波技术来对抗多径传播引起的衰 落的算法。能有效减小衰落信号与原信号的均方误差。改善多径衰落信道的传输质量【4 】。 g p s 接收机多径估计的分析与研究 t k 算法，对多径信号进行估计，从接收信号中把多径部分去掉，这样也可以减小其影 响。好处是实现简单，缺点是在低信噪比情况下，多径信号估计误差较大，因而得到的跟踪 误差也较大【5 ，6 】。 多径监视思想( m u l t i p a t hi n d i c a t o ，m p i ) 的开环多径抵消算法，用4 个不同码相位 相关器分别与接收信号进行相关，得到4 路相关信号，用它们进行相互运算来到码跟踪误 差，再将结果反馈到码跟踪环路来进行误差修正。在噪声影响下，得到的跟踪误差并不十 分准确【6 1 。 t k - m p i 算法，两个算法的级联。优点有更小的跟踪误差，而且实现复杂度也不是很 大，缺点结果还不够稳定【6 】。 改变天线的位置也可以减小多径，但缺点就是像在飞机上那样固定的天线位置是很 难改变的【2 1 。还有窄相关的盲估计【3 ，峰值跟踪【8 】，多径估计延迟锁定环【3 , 9 a o 等等。 随着美国现代g p s 系统的建立，民用频段g p s 信号的增加，电离层误差的进一步校正， 多路径误差问题已成为提高精度的主要障碍，所以，抗多路径技术正将成为卫星导航应用 领域一个主要研究热点。我所研究的是借鉴r i c h a r dd jv a nn e e 提出的( m u l t i p a t h e s t i m a t i n gd e l a yl o c kl o o p ) 多径估计延迟锁定环算法和t e a g e r - k a i s e r 算法，用最大似然估 计得出多径参数。 1 3 本文的研究内容与结构 论文主要分析了g p s 多径信号结构、g p s 接收机模块、g p s 多径信号抑制算法， 对算法进行仿真分析，并在d s p 中实现。 全文分五章，内容安排如下： 第一章是绪论。介绍了g p s 国内外的现状、论文的背景及意义。 第二章是介绍了多径信号的相关理论知识，包括多径信号的概述，多径信号的特性 和数学模型，多径信号的分类，以及g p s 卫星信号。同时分析了g p s 信号的结构基本 原理并在m a t l a b 中仿真分析了g p s 信号。 第三章是g p s 接收机。简要的分析了g p s 接收机的结构并分析了多径估计模块， 以及多径信号对接收机载波跟踪、码跟踪等模块的影响，同时进行计算机的仿真分析得 出结论。 第四章是g p s 多径信号抑制算法的分析与仿真。首先介绍的是倒谱分析算法，t k 算法和m e d l l 算法。找出它们中的优缺点，并联合其中的t k 和m e d l l 算法，得出 一个新的算法，即m e d l l 改进算法，估计得出多径信号的参数。然后分别用m e d l l 算法和m e d l l 改进算法处理多径信号，比较分析它们在不同s n r 的情况下，得出时 2 西华大学硕士学位论文 间估计误差、均方根误差和幅度估计值；同时比较在不同的码片延迟时间下，时间估计 误差和均方根误差。最后得出比较分析的结论。 第五章是g p s 多径信号的d s p 处理。在第四章中详细分析的多径信号处理并在 m a t l a b 中仿真好的算法在d s p 中做信号的定点处理，得出估计的直达信号，同时做 出结论分析。 3 g p s 接收机多径估计的分析与研究 2 多径信号的相关理论 本章论述的是多径信号的相关理论知识，包括多径信号的概述，多径信号的特性和 数学模型，多径信号的分类，以及g p s 卫星信号。 2 1 多径信号的概述 多径信号是指信号经过障碍物的反射和散射之后对原信号进行的复制。而反射信号 由于要经物体的反射所经过的路程总是比直达信号要长，如下图2 1 所示，所以多径信 号经过的路程所花的时间要比直达信号的长，即对直达信号有时间延迟。当多径信号的 时间延迟达到一定程度，例如有一个码片或大于一个码片时，接收机使用窄相关技术容 易解决多径问题，如果能捕获跟踪到直达信号，解出来的多径信号对接收机性能的干扰 就很小。然而，当接收机地处城市中或者比较密集的建筑物之中，其接收机天线的附近 会有物体的反射，造成多径信号的时间延迟比直达信号的时间延迟非常小，例如小于一 个时间码片甚至更小，这种情况会使接收到的合成信号与接收机本地产生的参考信号之 间的相关函数变得不规则，同时会引起接收信号合相位的变化，在伪距和载波相位测量 上引入误差，从而造成位置、速度和时间解算的误差，最终造成接收机精度的减小。图 2 1 显示的是多径信号发生的户外环境【1 2 1 。 遮挡【1 2 】是说直达信号到达接收机穿过障碍物时，有一定的额外衰减，接收机接收的 信号功率减弱。如果多径信号没有经过障碍物的遮挡，那么接收到的多径信号功率可能 会比受遮挡的直达信号要强。这种现象可能会发生在如图2 1 所描绘的户外环境中，也 可能会发生在室内环境里。如此以来，直达信号路径的遮挡和多径对直达信号与多径信 号的相对幅度将会产生组合影响。在某种条件下，直达路径信号的遮挡有可能很严重， 会造成接收机只能跟踪多径信号，引起误差。 同时，接收机接收到的多径信号中，通过捕获或数据解调从而导致性能下降的，也 会引起伪距精度的大幅度降低，从而导致接收机性能的下降。因此，应当更加详细的了 解多径信号的产生，以及它的特性、分类等，才能解决多径信号对接收机性能的影响。 4 o 西华大学硕士学位论文 图2 1 尸外多径环境 f i g 2 1m u l t i - p a t he n v i r o n m e n to u t d o o r 2 2 多径信号的特性和数学模型 多径信号的一种简单的形式是一组分离的反射信号，它们与直达信号相比，在时间 延迟、幅度和载波相位上有着不同。没有多径干扰的直达信号以解析的形式表示为【1 3 】 s ( ，) = x ( t r o ) e - s o e 7 2 露正卜f o ( 2 1 ) 其中，工( f ) 是所发送信号的复包络；是直达信号的幅度；r o 是信号从卫星到接收 机直达的时间；唬是载波相位；z 是载波频率。由公式( 2 1 ) 可以看出，直达信号同 时受到幅度、时间延迟、载波相位的影响，当其中一个参数变化时，直达信号也会随之 改变：当其中的三个参数都变化，那么直达信号就会变成多径信号。 因此，受到多径信号干扰的接收机接收的信号( 忽略噪声和1 = 扰) 经过下变频后其 复包络的数学模型为【1 3 】 s ( f ) = a o e - j 。工( f 一) p 哪唾f 0 + 口。p x ( t - r ) e m i t ( 2 2 ) n = l 其中，是信号的多径数目；是接收到的直达信号幅度；是接收到的多径信 号幅度；是直达信号的传播延迟；z n 是多径反射的传播延迟；九是接收到的直达信号 的载波相位；吮是接收到的反射多径载波相位；z 是相对于载波频率而言接收到的多径 反射频率。由公式( 2 2 ) 可以看出，接收机接收的信号是直达信号与一系列的多径信 号组成的和信号。 5 g p s 接收机多径估计的分析与研究 大多数情况下，因为卫星和接收机是随时运动的，而且也会有产生多径信号的物体 运动，公式( 2 2 ) 中的每个参数都是随时间变化的，所以，可以使用一个参数把多径 直达路径联系起来，将公式( 2 2 ) 改写为如下形式【1 3 】 s o ) = 口o p 一炳 x o 一) + 在。p 一7 九x ( t - r o 一乞) 】 ( 2 3 ) n - - i 其中，。= 是多径一直达信号的幅度比( m d r ) ；乞= l 一是多径反射的额外 迟；丸是接收到的不同信号分量的载波相位。 从公式( 2 3 ) 可以看出，它的一种特殊情况是直达路径与地球表面近似相切( 例如卫 位于地平线附近) 的传播几何，这样可能会由地平线附近的一个大物体反射形成一个 配性的多径信号，其额外延迟的量级小于信号带宽的倒数，仅仅是载波周期的小部分。 果反射系数有足够高，没有其它多径，则x ( t - z o 一亏) x ( t - r o ) 。所以公式( 2 3 ) 可 似表示为【1 3 】 r ( t ) a o e - y # o 1 - a l e 吖 】x ( t - t o ) ( 2 4 ) 其中， i ；= 2 砸f 是非常小的，如果反射信号有足够强，口。的值接近于1 时，方括 里的值将远远小于1 。多径信号的延迟非常小，造成的伪距误差是可以忽略的，但是 为其几乎消除了直达信号，从而相对于自由空间传播的情形，会造成接收信号功率的 降【1 3 1 。 文章便于分析，在仿真接收信号时，将多径信号加载在正弦或者余弦载波上。同时 定多径信号与直达信号的载波频率相同，并且不考虑信号中的导航数据，载波频率偏 量为0 ，则接收信号可表示为如下形式【1 4 】 m ，( f ) = a 。c ( t - r ) e o s ( c o t + q k ) + n t n = o ( 2 5 ) 其中，肘是多径信号的数目；口。是接收到的信号幅度；是接收信号的传播延迟： 是接收到的载波相位；下标n = 0 ，代表的是直达信号，下标聆= 1 ，2 ，朋，代表的是 径信号；c ( f ) 是扩频码；缈载波频率：是噪声。由公式( 2 5 ) 可以看出，接收的信 其实是个实信号，它考虑的只是接收机里跟踪环路的一路信号，这是为了方便分析多 信号而仿真的。 6 西华大学硕士学位论文 2 3 多径信号的分类 卫星信号发送到接收机时，经过障碍物反射和散射信号会衰减，直达信号和反射信 号也会互相干扰。如果反射信号与直达信号的相位相同，相加后的信号幅度会增加，大 于其中任何一个分量的幅度，叫做相长干涉建设性干扰；若反射信号与直达信号的相位 相反，相加后的信号幅度减小，叫做相消干涉破坏性干扰15 1 。这就是多径信号的两种 类型。其详细描述如下： 假如只有一条多径信号，无噪声干扰，公式( 2 5 ) 变为( 1 5 】： r ( t ) = 口o c ( t - t o ) c o s ( c o t + 死) + 口l c ( t r i ) c o s ( w t + 萌1 ) ( 2 6 ) 其中，c o s ( 矽) = 研e x p ( 力) 】，则公式( 2 6 ) 更改为1 5 】： r ( t ) = r e a o c ( t - r o ) + 口l c ( 一q ) e x p ( ( 办一吮) ) 】e x p ( 研+ 办) ) ( 2 7 ) 将两个信号分量之间的瞬时相位差定义为：g ( t ) = 办一九，那么d l l 中累加器的输 出可近似为【1 5 】： 几口。足( t o f 万) + 口l 足( r l r + 6 ) e x p j y ( f ) 】 ( 2 8 ) 其中；为时间的估计值，令占= r o 一，则儿( f ) 的包络为l 咒( f ) i ，包络鉴别器的输出 为 占( f ) = l y 一( t ) l - l y + ( f ) l ( 2 9 ) 正如先前所说，和信号幅度取决于直达信号分量与反射信号分量的相对相位沙( f ) 。 当e x p j g ( t ) 】= 1 时，为建设性干扰，并且 i 儿( f ) i = 口。足( 占万) + 口l r ( 占+ q 一万) ( 2 1 0 ) 当e x p j g z ( t ) 】= 一1 时，为破坏性干扰，并且 i 收o ) = 口。兄( 占万) 一口。足( g + 毛一f o 艿) ( 2 1 1 ) 假如接收机不停的移动同时相对相位实时改变，那么接收信号的包络会因两个信号 分量的干扰而随着时间变化不断变化。为了测量幅度的变化，定义信号的相对幅度为【1 6 1 口：旦( 2 1 2 )口= olz g p s 接收机多径估计的分析与研究 下文中所说的幅度衰减即为信号的相对幅度值。实际当中，直达信号分量的幅度要 大于反射信号分量的幅度，相当于公式( 2 3 ) 中的应。，因此口 l 。图2 2 显示的是有 一条多径信号干扰的建设性干扰和破坏性干扰两种情况的相关曲线图。 其中，横轴表示的是采样间隔，纵轴表示的是幅值。这是通过信号的相关函数来表 示的信号。图2 2 ( a ) 中，不规则的实线表示直达信号与多径信号的和信号；规则的三 角形实线表示直达信号，规则的三角形虚线表示多径信号。从图中可以看出，和信号与 直达信号、多径信号两者的相位有关系。多径信号与直达信号在相位相同和相反的情况 下，其多径信号的幅度值都会变小了，而和信号的幅度也随之改变。当多径信号与直达 信号相位相同时，和信号的幅度变大，同时大于其中任何一条信号的幅值；当多径信号 与直达信号相位反向时，和信号幅度减小，同时它的幅值大于多径信号小于直达信号的 幅值。如2 2 ( b ) ，只是在图2 2 ( a ) 的基础上加上噪声，因此在噪声干扰的情况下， 和信号的曲线变得圆滑了，幅度值也随之变大。 醚 罂 蜊 鉴 无噪声相长千涉 采样 无噪声相消千涉 图2 2 ( a ) 相长相消干涉 f i g 2 2 ( a ) g r o w s t h ed e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c e 西华大学硕士学位论文 醚 ! 霉 雠 謇 带噪声的相长千涉 采样 带嗓声的相消干涉 另样 图2 2 ( b ) 相长相消干涉( 噪声) f i g 2 2 ( b ) g r o w s t h ed e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c e ( n o i s e ) 2 4 g p s 卫星信号 g p s 卫星信号是通过二进制相移键控或者它的扩展直接序列扩频的调制方法，将导 航电文和伪随机码调制到载波上进行传播的信号。它主要由三个部分构成：载波、导航 电文和伪随机码。其中传统的g p s 信号结构如表2 1 所示【1 2 1 。 表2 1 传统g p s 信号结构 t a b 2 1t h es 仇l c n h i eo ft r a d i t i o n a lg p ss i g n a l 信号优先级主次 信号命名 l ll 2 载波频率( m h z ) 1 5 7 5 4 21 2 2 7 6 0 p r n 码( 兆码片秒) p ) = l o 2 3 和c a = 1 0 2 3p ) = 1 0 2 3 和c a = i 0 2 3 导航电文调制( b p s ) 5 05 0 在l 2p ( y ) 码上一般调制有5 0 h z 的导航数据电文，但控制区段可以关掉这一调制。 其三个组成部分详细阐述如下： ( 1 ) 载波 9 g p s 接收机多径估计的分析与研究 g p s 卫星信号是利用两个载波进行传输的，即l 1 和l 2 。载波l l 的频率f 和l 2 的频率c 都是由卫星原子钟所产生的厶( 1 0 2 3 h m z ) 的基准频率通过倍频所得，其中 矗为1 5 4 厶( 即1 5 7 5 4 2 m h z ) ，无为1 2 0 f 0 ( 即1 2 2 7 6 0 m h z ) 。由于卫星和接收机之 间的相对运动，实际到达接收机的g p s 信号会有多普勒效应，最大多普勒频移为 + 1 0 k h z ，通过测量多普勒频移可以确定接收机的三维运动速度。在高精度g p s 定位中， 载波可作为一种测距信号使用，从而大幅度提高测距精度。另外，使用两个载波频率发 送卫星信号可以实现对电离层产生的附加延时进行双频校正【l 。 上述是信号在传播时的载波，而接收机在进行捕获跟踪时也会产生本地载波，与接 收机接收到的信号相关，进行剥离载波的计算。图2 3 所示为本地产生的i 、q 两路载 波信号，其中实部为i 路信号，虚部为q 路信号。由图可以看出，其载波就是有正弦信 号和余弦信号组成的。 趔 扭田 鲁 趔 i _ 噩 兽 载波( 实部) 采样点 图2 3 本地载波 f i g 2 3 l o c a le a r r i e r ( 2 ) 导航电文 导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。它包含卫星的星历、工作状况、时钟 改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由c a 码捕获p 码等导航信息，也是由卫星 1 0 两华大学硕士学位论文 信号中解调出来的数据码。这些信息以5 0 b i t s 的数据流调制在载波上，数据采用不归零 ( n r z ) 的二进制码【l 。 ( 3 ) 伪随机码 每颗卫星发送两组唯一的伪随机码：c a 码和p 码。其中，c a 码共有1 0 2 3 个码 片，采用1 0 2 3 m b p s 的速率发送，l m s 重复一次；p 码共有2 3 5 x 1 0 1 4 个码片，采用 1 0 2 3 m b p s 的速率发送，重复周期是7 天【1 7 1 。伪随机码在g p s 信号中占有重要地位，下 节将详细介绍伪随机码的产生与特性。 2 4 1 伪随机码产生 g p s 卫星发送两种伪随机码：粗捕获码( c a 码) 和精码( p 码) 。前者是民用的， 后者只限于供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用。因此，文章为方便分析研究 多径信号只考虑c a 码的阐述。g p s 信号中包含c a 码，即戈尔德码【l7 1 ，带有噪声特性， 可以扩展频谱作用，其序列长度为1 0 2 3 位( 码片数) ，码片速率是1 0 2 3 m z ，序列的 重复周期是l m s 。如图2 4 描述了g p sc a 码发生器的结构方案【1 2 1 。 图2 4c a 码发生器 f i g 2 4 t h ec ac o d eg e n e r a t o r 一一 一i 西曩圈一 g p s 接收机多径估计的分析与研究 c a 码设计规范要求g 1 移位寄存器的反馈抽头连到第3 级和第1 0 级，这些寄存器 的状态用异或电路相互合并，并反馈到第l 级。每颗卫星独特的c a 码是g 1 直接输出 序列和经过时延的g 2 输出序列的异或结果。g 2p r n 码中等效的时延效果是由相位选 择逻辑模块中的选择两个抽头的位置异或而获得的，其输出为g 2 i 。每个c a 码p r n 号与g 2 上的两个抽头位置相关。其中描述两个寄存器的多项式是g 1 = x 1 04 - x 34 - l 和 g 2 = x 1 04 - x 9 + x 8 + x 6 + x 3 + x 2 + l 。表2 2 对于所有规定的g p sp r n 号给出了这些 抽头对【l l , 1 2 。 表2 2c a 码的码相位分配 t a b 2 2t h ep h a s ed i s t r i b u t i o no fc ac o d e p r n 号c a 抽头选择p r n 号c a 抽头选择p r n 号c a 抽头选择 1 2 。682 ，91 58 ，9 23 ，7 93 ，1 01 69 ，1 0 34 ，81 02 ，31 71 ，4 4 5 ， 9 l l3 ，41 82 ，5 51 ，91 25 ，61 9 3 ，6 62 ，1 01 36 ，72 04 ，7 71 ，81 47 ，8 2 15 ，8 p l 斟号 c a 抽头选择p l 州号c a 抽头选择p r n 号c ，a 抽头选择 2 2 6 ，92 77 。93 24 ，9 2 3l ，32 88 ，l o 3 3 +5 ，1 0 2 4 4 ，62 91 ，63 4 +4 ，1 0 2 55 ，73 02 ，7 3 5 +1 ，7 2 66 ，83 13 ，83 6 +2 ，8 3 7 +4 ，l o 由表2 2 可以看出，为了产生2 号卫星的c a 码，g 2 寄存器必须选择3 和7 作为 延迟抽头，只有这样，g 2 输出序列才比最大长度序列输出延迟4 7 1 个码元。图2 5 显示 的2 号卫星产生的c a 码的仿真图，其中横轴表示的是采样的样本点，纵轴表示的是幅 值。由图2 5 可以看出c a 码是一组包含+ 1 和1 的二进制序列，它是+ 1 与1 组成的方 波形状。 1 2 西华大学硕士学位论文 捌 馨 c a 码p r n = 2 采样点 图2 52 号卫星的c l a 码 f i g 2 5 t h ec ac o d eo fs a t e l l i t e 2 4 2 伪随机码特性 对于g p s 信号来说，约9 0 的信号功率集中在约2 m i - i z 带宽里。同时c a 码还有 两个重要的相关特性【l 7 】：几乎没有互相关性：所有的c a 码互相关之间几乎没有相关性； 除了零延时外，几乎没有自相关性：所有的c a 码几乎和自己都没有相关性，除了零延 时。由于c a 码有独特的相关特性，是下文中的多径信号抑制算法的基础，因此，它的 相关特性在多径信号处理中占有特殊地位。 忽略导航数据，g p sc a 码信号的自相关函数是【1 2 】 11 0 2 3 蹦力2 赢，鳅崛。竹矽f ( 2 1 3 ) 其中，g ( f ) 作为时间t 的函数的c a 码g o l d 码序列；砭。表示c a 码的码片周期 ( 9 7 7 5 n s ) ；f 表示在自相关函数中时间移动的相位。表2 2 所示c a 码自相关的一些数 据【1 2 】。从表中的数据可以看出c a 码在其相关时间段以外与其自身是充分不相关的，典 型情况下除外【1 2 】。上文中对多径信号分类分析是通过c a 码的相关特性进行的。图2 6 所示接收机捕获跟踪信号时与本地码的相关。其中横轴表示采样间隔，纵轴表示幅值。 g p s 接收机多径估计的分析与研究 表2 2c a 码自相关数据 t a b 2 2t h ed a t ao fc ac o d e