（精密仪器及机械专业论文）基于FPGA的GNSS软件接收机算法设计与实现.pdf

11111111 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 i lll1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1i i i i 17 6 0 7 9 9 t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fg n sss o f t w a r e r e c e i v e r a l g o r i t h mb a s e d o nf p g a at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y t a n gx i n - - h u a s u p e r v i s e db y p r o e f s s o rc h e nx i y u a n s c h o o lo fi n s t r u m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ，n a n j i n g ，p r c h i n a j u n e2 0 1 0 创性声明 研究生签名：盥蠢峄日 期：坐 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：蔓亟鞋导师签名： 期：伽，d ，6 ，岁 摘要 摘要 在美国g p s 的现代化、欧洲g a l i l e o 系统的出现、俄罗斯g l o n a s s 的复兴和中国“北斗 二代”部署的大背景下，软件接收机的研究已经称为一个必然的趋势。 本文以g p s 为对象，阐述了p r n ( 伪随机码) 生成、g p s 信号调制过程、接收机前端的下 变频、采样等基本原理，同时详细分析了g p s 信号捕获、跟踪过程。 在g p s 信号捕获环节中，为了能使算法适用于实际的硬件开发，改进了g p s 捕获算法包 括补零计算、循环相关改进、降采样。实验结果显示，补零计算可以弥补算法中采样点不基 于2 的不足，循环相关改进可以减少卷积的计算量，降采样可以减少整体计算数据量。三种 改进算法的误差都在理论范围之内，不影响捕获的最终结果。 在g p s 信号跟踪环节中，主要推导了锁相环( p l l ) 、延迟锁定环( d l l ) 、锁频环( f l l ) 的模型，而且同时改进了跟踪环路，采用了f l l 辅助p l l 完成跟踪的方法，前期f l l 与p l l 共同工作，后期p l l 独立工作。实验结果显示了该辅助方法的可行性与优越性( f l l 能够辅 助p l l 快速跟踪上目标卫星以防失锁) 。最后提出了各环路编程实现过程中的要点问题。 最后探讨了v i r t e x 2 pf p g a 开发板原理，详细说明了s y s t e mg e n e r a t o r 中的x i l i n x 模块的 结构及参数配置。为了能在f p g a ( 可编程门阵列) 上实现g p s 信号并行捕获算法，采用了 前面补零计算来弥补算法中采样点不基于2 的不足，降采样来减少整体数据量，并且在 s i m u l i n k 环境下运用基于f p g a 的应用软件s y s t e mg e n e r a t o r 进行了并行捕获算法的f f t 模 块、虚数乘法模块，平方模块等搭建编程，同时采用了m a t l a b 中的m 文件将采样数据仿真 成模拟信号导入完成仿真实验，并将仿真结果与m a t l a b 结果进行了相应的比较和分析，得到 与m a t l a b 结果同样的捕获频率，虽码相位具有误差，但通过具体分析，该码相位误差由补零计 算和降采样引起，证实了s y s t e mg e n e r a t o r 在f p g a 实现捕获算法可行性。 、 本文研究的基于s y s t e mg e n e r a t o r 的f p g a 开发，为以后软件接收机的后序硬件开发奠定 了基础。 关键字：g p s 接收机；捕获；跟踪；f l l ；f p g a ；s y s t e mg e n e r a t o r 摘要 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h em o d e m i z a t i o no ft h eg p s t h ep r e s e n to fe u r o p e a ng a l i l e os y s t e m t h er e v i v a lo fr u s s i a ng l o n a s sa n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec h i n e s es e c o n d g e n e r a t i o nb e i d o u s y s t e m ，t h es t u d yo fs o f t w a r er e c e i v e rh a sb e c o m eat r e n d i nt h i sp a p e r , g p si st o o ka ss t u d yo b je c t t h eb a s i ck n o w l e d g eo f p s e u d or a n d o mn o i s e ( p 剐叼， t h em o d u l a t i o no fg p ss i g n a l ，t h et e c h n o l o g yi n v o l v e di ns i g n a lc o n d i t i o n i n gi n c l u d i n gf r e q u e n c y d o w nc o n v e r s i o na n ds a m p l i n ga r es t u d i e d ，m e a n w h i l e ，t h ep r o c e s s e so fg p ss i g n a la c q u i s i t i o na n d t r a c k i n ga r ea n a l y z e d 1 1 1g p ss i g n a la c q u i s i t i o n ，i no r d e rt oa d a p tt h ea l g o r i t h mt ot h ei m p l e m e n t a t i o ni nh a r d w a r e ， t h ea l g o r i t h mi s i m p r o v e db yt h em e t h o d so fz e r op a d d i n g ，m o d i f i e da c q u i s i t i o nb yc i r c u l a r c o r r e l a t i o n , r e d u c i n gs a m p l i n gr a t e t h r o u g ht h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s ，i ts h o w st h a tz e r o p a d d i n gc a i ls o l v et h el i m i t a t i o no fd a t aw h i c hi sn o tb a s e do n2 州m o d i f i e da c q u i s i t i o nb yc i r c u l a r c o r r e l a t i o nc a nr e d u c et h en u m b e r si n v o l v e di nc o n v o l u t i o n r e d u c i n gs a m p l i n gr a t ec a nl i g h t e nt h e w h o l el o a no fp r o g r a mc o m p u t a t i o n a n dt h ee r r o r sf r o mt h et h r e ea d v a n c e da l g o r i t h ma r e a c c e p t a b l ei nt h e o r yw h i c hw o n ti n f l u e n c et h ef i n a lr e s u l t i ng p st r a c k i n g ，t h em o d e l so fp l l ，d l l ，f l la r ep r o v e d a tt h es a m et i m et h ep l li s i m p r o v e du s i n gf l lt oa s s i s tp l l i nt r a c k i n g a tb e g i n n i n g ，f l la n dp l lw o r kt o g e t h e r , a f t e ra w h i l e p l lw o r k ss i n g l y 、) i r i t h o u tf l l n l er e s u l ts h o w st h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h i s m o d i f i e dm e t h o d ( f l lc a na s s i s tp l lt ot r a c kt h es a t e l l i t eq u i c k l yt oa v o i dt h ec a s en o ti nal o c k s t a t e ) l a t e r , t h ek e yp o i n t si np r o g r a m m i n ga r ed i s c u s s e d a tl a s t t h ep r i n c i p l eo fv i r t e x 2 pi sd i s c u s s e d t h es t r u c t u r ea n dt h ep a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no f x i n l i n xm o d e l si ns y s t e mg e n e r a t o ra r es t u d i e d i no r d e rt oi m p l e m e n tt h eg p sp a r a l l e l a c q u i s i t i o na l g o r i t h mi nf p g a t h em e t h o do fz e r op a d d i n gi su s e dt os o l v et h el i m i t a t i o no fd a t a w h i c hi sn o tb a s e do n2 一a n dr e d u c i n gs a m p l i n gr a t ei su s e dt od e c r e a s et h et o t a ln u m b e ro fd a t a b a s e do nt h es i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h es o f t w a r es y s t e mg e n e r a t o ri su s e dt os e tu p 也ef f t m o d u l e ，m u l t i p l i e ro fi m a g i n a r yn u m b e r , s q u a r em o d u l eo ft h ei m p r o v e da c q u i s i t i o na l g o r i t h m ，t h e i n p u ts i g n a li sg e n e r a t e db ym f i l ef r o mt h es a m p l ed a t a , t h et w or e s u l t sf r o mm a t l a ba n df i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，i ts h o w st h a tt h es a m ea c q u i s i t i o n f r e q u e n c yc a nb eg o ti ns y s t e mg e n e r a t o r ，t h o u g ht h ec o d ep h a s ed e v i a t e s al i t t l e ，i ti s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ee r r o ri sc a u s e db yz e r oa d d i n ga n dr e d u c i n gs a m p l i n gr a t e ，i na l l ，a l g o r i t h m r e a l i z a t i o nf e a s i b i l i t yb a s e do nf p g ai sv e r i f i e d k e y w o r d s ：g p sr e c e i v e r ；a e q u i s i t i o n ；t r a c k i n g ；f l l ；f p g a ；s y s t e mg e n e r a t o r 目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 目录一i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外发展现状2 1 3 本文主要内容与结构3 第二章g p s 接收机原理5 2 1g p s 信号5 2 1 1c ，a 码5 2 1 2g p s 载波信号与调制10 2 2g p s 接收机前端j 1 2 2 2 1 下变频1 2 2 2 2 采样1 3 2 3g p s 信号捕获与跟踪一13 2 3 1g p s 信号捕获1 4 2 3 2g p s 信号跟踪15 2 4 _ 、结。1 5 第三章g p s 信号捕获算法及改进16 3 1g p s 捕获算法一1 6 3 1 1 中频采样器1 6 3 1 2 二维捕获1 6 3 1 3 串行捕获。1 7 3 1 4 并行捕获18 3 1 5 模型理论推导1 9 3 2 精细频率估计一2 0 3 3 捕获算法编程实现2 2 3 4 捕获算法的改进及实验结果2 3 3 4 1 补零计算2 3 3 4 2 循环相关改进2 4 3 4 3 降采样2 7 3 5 ，j 、结2 7 第四章g p s 信号跟踪算法研究，2 9 4 1 g p s 信号跟踪2 9 4 1 1 线性模型2 9 4 2 锁相环( p l l ) 3 0 4 2 1p l l 系统模型3 0 4 2 2 等效噪声宽度( n o i s ee q u i v a l e n tb a n d w i d t h ) 3 4 4 2 3p l l 鉴相器3 5 4 2 4p l l 编程实现3 6 4 3 延迟锁定环( d l l ) 3 7 4 3 1d l l 鉴相器的选择3 7 i i i 目录 4 3 2d l l 编程实现3 8 4 4 锁频环( f l l ) 3 8 4 4 1f l l 鉴相器3 9 4 4 2f l l 编程实现3 9 4 4 2f l l 与p l l 结合3 9 4 5 实验结果分析4 0 4 5 1 纯p l l 跟踪卫星结果4 0 4 5 2 等效噪声带宽、阻尼比对跟踪结果影响4 1 4 5 3f l l 辅助p l l 跟踪实验分析4 3 4 6 卅、结4 6 第五章捕获算法的f p g a 仿真实现4 8 5 1f p g a 开发平台4 8 5 2 基于s y s t e mg e n e r a t o r 的f p g a 开发5 0 5 2 1f p g a 开发优点5 0 5 2 2s y s t e mg e n e r a t o r 开发51 5 2 3s y s t e mg e n e r a t o r 模块介绍一5l 5 3 实验测试5 4 5 3 1f f t 模块测试5 4 5 3 2 捕获算法仿真5 7 5 4 卅、结5 9 第六章结论与展望6 0 6 ，1 本文工作总结6 0 6 2 工作展望6 0 致谢6 2 参考文献6 3 攻读硕士期间发表论文6 5 i v 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 1 9 0 1 年无线电信号以莫尔斯码方式成功发送字母“s ”跨越大西洋( 从英格兰到达纽芬兰) ，预 示着无线电世纪的到来，1 9 0 3 年美国怀特兄弟实现了航空飞行，航空也慢慢发展起来，如何应用 无线电导航成为了一个热点研究方向【l 】。 g p s 系统是基于美国在6 0 年代研制使用的“子午仪( t r a n s i t ) 卫星导航系统”和“时间导航 ( t i m a t i o n ) 系统”，于7 0 年代初投入开发的。从g p s 计划的提出到该系统的建成使用，历 经2 0 余年，耗资数百亿美元【2 】。截至2 0 0 4 年7 月2 3 日，在过去的近3 0 年时间里，美国已 经发射了5 0 多颗g p s 导航卫星，形成了目前为止世界上最为完善、应用最广泛的全球卫星 导航系统，并且在海湾战争等一系列局部战争中发挥了重要的作用，使全世界重新开始认识 卫星导航系统的战略意义【列。 近几年，美国g p s 的现代化，俄罗斯g l o n a s s 的复兴和欧洲g a l i l e o 系统的出现即将带 来下一代全球导航卫星定位系统( g n s s ) 。同样中国的北斗系统( b n t s ) 也正在慢慢发展中， b u t s 覆盖范围有限，只能够为中国国内及周边地区的用户提供服务，以后也会通过更多的 卫星组成区域性或者全球性的导航系统1 4 1 。如今，国内导航领域对北斗系统( b n t s ) 的全面 发展已经开始准备，为了能顺利设计、掌握本国自己的导航系统，接收机的研发已经义不容 辞，现在国内高校、公司等开始慢慢研究接收机技术并努力将技术将用于实际的实践开发。 自从1 9 9 2 年5 月，在美国电信系统会议上，来自m i t r e 公司的j o em i t o l a 首先提出了 “s o f t w a r er a d i o s ”概念以来，软件接收机就被受到广泛的关注1 5 1 。软件无线电的基本概念就是 在一个通用硬件平台上，通过软件加载的方式用软件来实现所有无线电系统的通信功能。软 件无线电的基本思想是将宽带模数变换器( a d ) 及数模变换器( d a ) 尽可能地靠近射频天线， 建立一个具有“a d d s p - d a ”模型的通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用 软件技术来实现电台的各种功能模块。目前g p s 接收机由射频前端，用于信号处理的专用集 成电路( a s i c ) 和进行位置解算的c p u 组成。软件可以下载到c p u 改变接收机的性能参数， 然而预先设计的跟踪通道，相关器和控制环路参数已固化到a s i c 中，其灵活性不强。相反， g n s s 软件接收机通过软件实现其信号捕获和跟踪处理而不是硬件，由于软件接收机的开放 性、全面可编程性、和灵活性的特点，在不需要更改硬件的前提下，通过对软件模块的调整 和升级就可以满足不同用户的需要，因此，在整合g n s s 各频段卫星导航数据中，有深远的 意义 6 - 1 0 1 。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一类高集成度的可编程逻辑器件，1 9 8 5 年起源 于美国的x i l i n x 公司，它是一种采用单元型结构的新型p l d 器件，采用c m o s 、s r a m 工 艺制作，在结构上与简单的阵列型p l d 不同，它的内部由许多独立的可编程逻辑单元构成， 各逻辑单元之间可以灵活地相互连接，具有密度高、速度高、编程灵活、可重新配置等优点。 第一章绪论 在这二十几年的发展过程中，f p g a 硬件系统和软件开发工具不断完善且日趋成熟。从最初 的1 2 0 0 个可用门到现在的数百万至上千万的单片f p g a 芯片。f p g a 技术结合了微电子技术、 电路技术、e d a 技术，与专用的集成电路a s i c 相比，f p g a 具有灵活性高、设计周期短、 成本低、风险小等优势，因而得到了广泛的应用1 1 1 】，而且用f p g a 替代一般的a s i c 芯片进 行设计已经成为一种发展趋势。 一方面f p g a 可以通过编写代码来实现复杂逻辑电路，另一方面其内部是由规则的逻辑 阵列所组成，这样就可以开发出适应的专用芯片。最近几年里，f p g a 已近成为数字信号处 理系统的核心器件，尤其在数字通信、网络、视频和图像应用领域中1 1 2 】。如今的f p g a 不仅 包含查表法、寄存器、多路复用器、分布式块存储器，而且嵌入了专用的快速加法器、乘法 器和输入输出设备。更重要的一点是f p g a 具有实现高速并行运算的能力，这就使得f p g a 成为高性能的数字信号处理方面的理想器件，如在数字滤波、快速傅立叶变换等方面，f p g a 具有可重新编程的优点，比a s i c 更实用f 1 3 】。 传统的数字信号处理系统核心器件较多使用d s p 处理器，因此数字信号处理系统的设计 者和底层技术人员通常对c 语言和汇编语言很熟悉，但是对硬件描述语言v h d l 或v e r i l o g 并不熟悉，而且硬件描述语言最终要转换成硬件实现，这就要求工程师对硬件有一定的了解， 使用x i l l n u xs y s t e mg e n e r a t o rf o rd s p 可以使上述问题迎刃而解，s y s t e mg e n e r a t o r 是一款 理想的f p g a 开发软件【1 4 1 。 本文主要以g p s 为对象，详细研究了g p s 信号捕获、跟踪以及基于软件s y s t e mg e n e r a t o r 的f p g a 开发，其思想可以贯通于其余导航系统，包括中国自制的北斗系统，与传统的接收 机相比，软件接收机的优点主要有一下几点【1 5 】： 1 、实时功率谱分析。可用于监视天线信号的频谱，检测窄带连续波干扰。 2 、中频数据重演。用户可以经常重复使用采集的原始射频信号，以优化算法和分析结果。 3 、多传感器组合。在软件层面上组合传感器数据；例如，允许用户利用惯性测量器件等 的所有信息，获得“超紧耦合”的g p s i n s 组合导航解。 4 、多相关器输出。允许用户采用先进的鉴相器与滤波器组合跟踪环路；在相关器层面对 反射信号与多径干扰进行分析。 总而言之，软件接收机为以后其他导航系统提供了方便的平台，将研究成本最低化，并 显示出巨大的灵活性和商业潜力。而且为创新提供了一个极好的通道，同时为普通研究者一 个理想的用于教学与研究的平台，能让更多的学者认知并投入其中，使之具有一个美好的未 来。 1 2 国内外发展现状 第一批g p s 接收机研制于2 0 世纪7 0 年代，供d o d ( 美国国防部) 验证g p s 的可行性。 1 9 8 2 年，为精密测量大地而设计的两款g p s 接收机进入市场。麻省理工学院c h a r l e s c c o u n s e l m a n xi i i 设计、s t e i n b r e c h e r 公司制造。 1 9 8 9 年d o d 开始发射数量足以布满星座的b l o c ki i 卫星，并发布了宣布系统运行的计划。从 此，注意力开始向信号处理转移，专用集成电路( a s i c ) 被采用，最终实现了微型化发展i l 】o 经过多年的发展，基于a s i c 硬件接收机技术早已成熟，近几年众多国内外学者开始研究软 2 第一章绪论 件接收机，并同时也取得了一系列明显的成就。理论知识已经慢慢趋于成熟，具有代表性的是 p r a t a pm i s r a ( l i n c o l nt a b o r a t o r y ) 和p e re n g e ( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 的g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( s i g n a l s ， m e a s u r e m e n t s ，a n dp e r f o r m a n c e ) ，对g p s 的基础、信号、接收机等做了详细的解释和理论推掣1 5 1 。 k a ib o r r e 、d e n n i sm a k o s 等所著的as o f t w a r e - d e f i n e dg p sa n dg a l i l e or e c e i v e 从信号处理的基本 知识到在软件接收机的具体应用都描述的非常仔细【1 6 l ，国内也开始紧跟国外的理论发展。 在基础知识之上，国外开始研究算法改进和及其理论分析。1 9 9 7 年8 月，o h i o 大学的d e n n i s m a k o s 在他的博士论文中讨论了g n s s 软件接收机前端模拟信号的接收和模数转化 ( f r o n t e n d ) 的两种设计方案，并且事后处理并验正了卫星信号捕获的f f t 算法的可行性和 跟踪环路的稳定性。j a m e sb a o - y e nt s u i 在f u n d a m e n t a l so f g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mr e c e i v e r s as o t t w a r ea p p r o a c h 结合了m a t l a b 分析了软件接收机。并且提出了一种新的信号跟踪方法 _ b a s s ( b l o c ka d j u s t m e n to fs y n c h r o n i z i n gs i g n a l ) 。 基于理论知识的研究的深入，对算法的具体实现的研究也开始慢慢热起来，2 0 0 5 年在美国 l o n gb e a c h , c a l i f o r n i a 的界国际卫星导航会议中h u n - s o oc h os u n g - h y u c ki mg y u - i nj e e 提出 了基于s y s t e mg e n e r a t o r 的软件接收机实现，提出软件在p c 机中无法达到实时性，并对f p g a 中实现理论分析。同样在最近的2 0 0 7 年的国际全球卫星导航会议中t a oh u a n gb i ng u o m a t t h e wt r i n k l e ( 澳大利亚) 也类似的发了基于s y s t e mg e n e r a t o r 的软件接收机实现问题的 文章，主要做了跟踪环路的系统搭建并把它用于教学中。算法的移植和实时性技术仍待提高 和改进【1 7 】。 在国内，对软件接收机的研究也开始慢慢增多，我国电子集团5 4 所、航天7 0 4 所、北京 航空航天大学、国防科技大学、武汉大学、中科院等高校以及多家从事卫星导航设备开发的 公司，都在g p s 接收机的研制方面投入了较大的人力物力，并相继尝试开发g p s 接收机， 其中北航的软件接收机在p c 机上的软件实现技术已经成熟。同样国内将f p g a 大多应用于硬 件接收机，也就是纯粹的用f p g a 来实现a s i c 电路，在用f p g a 实现具体的软件接收机算 法这块研究较少。目前g p s 在我国的科研应用主要有如下明显缺点：( 1 ) 主要采用进口o e m 板作为g p s 接收机内核，并非自主研制；( 2 ) 主要是进行产品的二次开发，如g p s g i s 地理 信息系统。总之而言，国内g n s s 软件接收机的研究还处于起步水平【1 3 捌】。 1 3 本文主要内容与结构 本文主要介绍了g p s 接收机发展背景、g p s 接收机原理、f p g a 芯片结构以及开发原理。 在此基础上通过具体编程实验进行了进一步分析与改进。其中包括g p s 信号捕获算法的改进， g p s 信号跟踪环路的改进，加入了f l l 来辅助p l l 进行跟踪，最后在s i m u l i n k 平台下用s y s t e m g e n e r a t o r 软件仿真实现了捕获算法。 全文共分六章，各部分结构如下： 第一章：绪论介绍g n s s 软件接收机、f p g a 开发的研究背景、意义和国内外研究现状， 概述论文主要内容和论文结构。 第二章：g p s 接收机原理对g p s 信号的产生原理做了详细理论推导，包括c a 码发生器结 构，g p s 信号调制，接收机前端。并介绍了g p s 信号捕获与跟踪，为后面的信号处理打下了 基础。 第一荦绪论 第三章：g p s 信号捕获算法及改进讨论了g p sc a 码信号捕获传统方法，包括串行、并 行捕获，并在此基础上提出了三大改进方法，补零计算、循环相关改进、降采样。并用实验 进行了验证。 第四章：g p s 信号跟踪算法研究主要分析了锁相环( p l l ) 、延迟锁定环( d l l ) 、锁频 环( f l l ) 结构，详细推导了各自鉴别器理论依据。并改进了跟踪环路，采用了f l l 辅助p l l 方式。最后用相应实验进行了论证。 第五章：捕获算法的f p g a 仿真实现主要介绍了f p g a 芯片结构原理，并详细论述了 x i l i n x 模块的参数配置，最后完成了相应实验。 第六章：总结与展望论文完成工作的总结及后续研究的个人意见。 4 第二章g p s 接收机原理 2 1g p s 信号 第二章g p s 接收机原理 g p s 卫星在不停的发射着两种波段的无线电波，分别是l 1 和l 2 波段，l 波段覆盖的频 率波段主要在1 g h z 和2 g h z 之间，l 1 和l 2 波段的中心频率分别是： l i ：五l = 1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 ：无2 = 1 2 2 7 6 0 m h z 。 其中l 1 中包含了两种信号，一个是给平面用的，另一个是需d o d ( d e p a r t m e n to f d e f e m e ) 批准的用户，l 2 上的信号则是专为d o d ( d e p a r t m e n to f d e f e n s e ) 批准的用户服务。 g p s 信号主要有3 种组成：数据码( d 码，或者基带信号) 、测距码( c a 码、p 码) 和 载波信号( l 1 和l 2 ) 。 用户是用g p s 接收机来接收g p s 卫星信号，然后经过捕获跟踪等一系列相关处理来测 出信号传播的时间延迟，从而得到相应的伪距( 因为含有误差) ，从而完成定位等一系列功能。 2 1 1c a 码 g p s 卫星信号主要有两种伪随机码( p s e u d o r a n d o mn o i s e ，p r n ) ，他们分别是 c a ( c o a r s e a c q u i s i t i o n ) 码和p 码，本文中主要讨论c a 码，c a 码是用于分址、捕获卫星信 号和粗测距，具有一定的抗干扰能力，提供给民用。 g p sc a 码是属于g o l d 码的伪随机码，信号是两个1 0 2 3 位的p r n 序列g l 和( 3 2 产生 的，其中，g 1 和g 2 都是由1 0 位最大长线性移位寄存器组成，并且又同一个1 0 2 3 m h z 的时 钟来驱动。 r 户k ：。1 发生器! 11 奄藿寄离幕：! 驾巴藕南爨 i 皿= q ；蕤器； 图2 1g p sc a 码发生器 两个产生器工作的基本原理一样，由带适当反馈的移位寄存器构成，如果移位寄存器位 数为n ，则产生的序列长度为2 n 1 。g l 和g 2 都是由1 0 位寄存器组成，所以对应产生的序列长度 为2 1 0 1 = 1 0 2 3 。反馈电路是由模2 加法实现的。两个移位寄存器g 1 和g 2 的初值是全“l ”且预先 置入寄存器。卫星表示号( i d ) 是根据g 2 发生器的两个输出位置来决定的( 图2 1 ) 。总共有 3 7 个不同的输出序列，其中3 2 个序列可为3 2 颗卫星的c a 码所利用，且目前只有2 4 颗卫星在 运作，另外5 个c a 码保留作为其他用途。 第二章g p s 接收机原理 表2 1c a 码相位分配规定 卫星c a 码卫星c ，a 码卫星c i a 码卫星 c a 码 p r n 抽头 p r n 抽头 p i t n 抽头 p r n 抽头 号选择号选择号选择号选择 l2o61 1 3o4 2 l5o83 l 308 23o71 25o62 26o93 2 4o9 34081 36o72 3lo3 3 35o1 0 45o91 47o82 44o63 44o1 0 5lo91 580 92 55o73 51o7 62061 6901 02 66083 62 国8 71081 71o42 7 7o9 3 7401 0 8 2o91 82052 88ol o 930l o1 93o62 9106 1 02032 04o73 02o7 这组c a 码的码长、周期和数码率均相同。即： 码长：n = 2 1 0 0 1 - - 1 0 2 3 b i t 周期：t = l m s 数码率：1 0 2 3 m b i t s 由此可以推断出码元宽度为：t o2 斋嘉m s = 0 9 7 7 5 2 p s ，这样一个码元对应的距离为： 3 1 0 s 0 9 7 7 5 2 1 0 _ 6 ：2 9 3 3 m 。 由于c a 码相对于p 码比较短，所以易于捕获。在g p s 定位中，为了捕获c a 码，以测定卫 星信号的传播延迟，需要对所有的c a 码逐个搜索，通过c a 码捕获卫星后，获得导航电文后， 便可以很容易地捕获p 码( 也是利用p 码进行定位的思路) 。c a 码的码元宽度较大，一个码元 误差对应的测距误差为2 9 3 3 m ，由于精度较低，故c a 码也称为粗码。 在用c 语言或者m a t l a b 进行c a 码发生器编程的时候，用两个长度为1 0 的一维数组代替g 1 和g 2 且i j 可，然后根据具体的c a 码发生器结构进行具体的反馈操作，模2 加法采用除2 取余算 法即可，如图2 1 所示。 6 第二章g p s 接收机原理 霄 舌 已 铸 零 褥 蠢 图2 2c a m 的频谱图( 将1 0 2 3 位扩h 茈1 6 3 6 7 位后的c a 码) g p s 信号采用c a 码是利用了其相关特性，该特性类似于数学中的三角函数的正交性， 所谓的三角函数系【2 2 j ： l ，c o s x ，s i n x ，c o s 2 x ，s i n 2 x ，c o s n x ，s i n n x ， 在区间 一万，万】上正交，就是在三角函数系中任何不同的两个函数的乘积在区间【一万，万】上 的积分等于零，即： i c o s o c s i n n x = o ( k 胛，k ，刀= 1 ，2 ，3 ，)( 2 - 1 ) 其中区间卜刀，万】可以改成任何长度为2 ，r 的区间。 前面提过在对g p s 信号进行捕获的时候，需要对所有的c a 码逐个搜索，这样做的目的 是为了能搜索到可见星，因为不同的c a 码对应着不同的卫星，相当于一个对号入座的过程， 恰恰类似与三角函数正交性的c a 码的相关特性提供了基础。 如果码是正交的，则互相关的值就是零，g o l d 码虽然不是正交，但是接近于正交，这意 味其互相关值不为零，但是非常小。 从第k 颗卫星得到的码的时间平均时问相关函数x ( t ) 如下： _ r o ) = ：le 础石。o 弦o f ) 西( 2 2 ) 1 c o d e ” 下面根据时间偏移和码元周期的关系来进行讨论【1 7 】： 首先，来看下时间偏移是码元周期的整数倍的情况，即f = z z ： 7 一 第二章g p s 接收机