GPS软件接收机的仿真与实现

1、第 I 页毕毕 业业 论论 文文GPS 软件接收机的仿真与实现软件接收机的仿真与实现学学 院：地质工程与测绘学院院：地质工程与测绘学院专专 业：测绘工程业：测绘工程第 II 页摘 要随着GPS的升级和新的卫星导航系统的发展，相比较传统GPS接收机，GPS软件接收机具有的成本低、灵活性高等优点越来越突出。它使用软件方法和少量硬件即可实现信号接收处理，可以直接由运行在微处理器上的Matlab程序完成信号处理，因此具有良好的灵活性、可移植性及可扩展性。因此，研究GPS软件接收机的仿真平台具有重要意义。本文重点对GPS软件接收机的捕获和跟踪部分进行了研究，并在Matlab中进行了定位解算。本文在掌握

2、GPS 软件接收机原理的基础上，实现了对信号的仿真、捕获、跟踪及定位。捕获部分为了提高 GPS 软件接收机的定位速度和定位精度，选用了在Matlab 环境下执行时间短、性能高的并行码相位搜索捕获算法。跟踪部分将码跟踪环和载波跟踪环组合在一起，降低了跟踪环路的复杂度。载波跟踪环路则选用了对1800相位转换不敏感的 Costas 环，以保证载波跟踪环路对信号的正确跟踪。最后在Matlab 环境下，编写了捕获、跟踪和数据处理等程序，用软件方式实现了对用户的定位，并对定位结果进行了分析概括，验证了所有算法的可行性，讨论了不足之处，为后续软件接收机的相关研究工作奠定了良好的基础。关键词：GPS，软件接收

3、机，仿真，捕获，跟踪，同步第 III 页目 录摘 要 .IABSTRACT.II第一章 绪论.11.1 GPS 发展概况与组成.11.2 GPS 的组成.11.2.1 GPS 空间卫星星座部分.21.2.2 地面控制部分.21.2.3 用户设备部分.31.3 GPS 接收机的发展概况.31.4 软件接收机的特点及国内外研究现状.41.4.1 软件接收机的结构特点.41.4.2 软件接收机的发展现状.61.5 课题研究的意义.61.6 论文研究的主要内容.7第二章 GPS 信号的产生和结构 .92.1 GPS 信号的产生.92.2 GPS 信号结构.102.2.1 载波信号.102.2.2 C/

4、A 码和 P 码 .102.2.3 导航电文.132.2.4 GPS 卫星信号的调制.142.3 本章小结.14第三章 GPS 信号的捕获 .153.1 GPS 信号捕获原理.153.2 GPS 软件接收机捕获算法.153.2.1 串行搜索捕获算法.153.2.2 并行频域搜索捕获算法.163.2.3 并行码相位搜索捕获算法.173.3 本章小结.19第四章 GPS 信号的跟踪 .204.1 解调过程.204.2 锁相环原理.214.3 载波跟踪.224.4 码跟踪.244.5 本章小结.24第五章 GPS 软件接收机的 MATLAB 实现.265.1 并行码相位搜索捕获算法的 MATLAB

5、实现及捕获结果.265.2 GPS 信号跟踪的 MATLAB 实现及跟踪结果.295.3 软件接收机的定位结果.345.4 本章小结.35总结与展望.37致 谢.38第 IV 页参考文献.39附录.41共 46 页 第 1 页第一章绪论本章简略介绍了 GPS(Global Positioning System)的相关知识，介绍了软件定义无线电技术，阐述了软件接收机国内外的发展现状，最后一节介绍了本文的主要研究内容及研究思路。1.1 GPS 发展概况与组成GPS全球定位系统，其全称为定时和测距地导航卫星(NANSTAR.Navigation System Timing and Ranging)。

6、是美国从上世纪70年代开始研制，历时21年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统18。它具有全球覆盖、连续全天候工作、高精度和能为高动态平台提供服务等特点，可以提供军用和民用两种服务，并与1995年初达到了全运行能力1。1999年1月，美国政府宣布了在新的GPS卫星信号中增加两个民用信号L2C和L5的提案，这些新增信号将会大大增加民用用户的精度，为全球的民用、商用和科研用户提供帮助，截止目前，新的GPSIII计划又提出了重新评估整个GPS体系结构，以满足直到2030年的民用和军用用户的需求。相对于GPS，目前存在的其他卫

7、星导航系统还包括俄罗斯的全球导航卫星系统、欧盟的伽利略系统和我国的北斗导航系统，它们分别为不同的政府和部门提供服务2。1.2 GPS 的组成GPS是由美国国防部为军事目的建立的、陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性(陆地海洋航空和航天)、全球性、全天候连续性和实时性的导航定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS定位系统主要由三部分组成：空间星座部分、地面监控部分、用户设备三部分。GPS联合计划办公室对这些组成部分的正式计划性术语分别是空间段、控制段和用户设备区段。空间星座部分包括在轨卫星，它们向用户设备

8、提供测距信号和数据电文。地面控制部分更新卫星的时钟校正量、星历，以及其他用于确定用户位置、速度和时间的参数。此外还对卫星进行跟踪和维护，维持卫星的轨道布局，并监测卫星的健康状况和信号的完好性3。用户接收设备部分完成导航、授时等功能。三者各有独立的功能和作用，但又是有机配合、缺一不可的整体系统。图1.1显示了GPS定位系统的三个组成部分及相互关系。共 46 页 第 2 页图1.1 GPS系统组成1.2.1 GPS 空间卫星星座部分GPS空间卫星星座的基本配置由24颗分布在6个等间隔轨道平面上的卫星组成。每个轨道平面上有4颗卫星，它们按与地球赤道面成55度的相同方向运行。卫星的这种特定分布保证了在

9、地球表面和近地空间任一点、任何时刻均可同时观测到至少4颗GPS卫星，情况好时最多可观测到n颗。通过测量这些卫星播发的信号到达用户接收机的时间，用户可以用4颗卫星确定出自己的位置。每颗GPS卫星都携带有高稳定度的两台伽原子钟和两台艳原子钟，为用户提供准确定时，并保持与GPS系统时同步。卫星上的S波段接收机用于接收地面注入站的数据和指令，L波段双频发射机用于向GPS用户发射包括卫星星历时钟校正参数、电离层传输延迟校正参数等信息的导航信号4。GPS 系统采用码分多址体制将 24 颗卫星分开，每颗卫星以相同的频率和同样的调制方式使用各自唯一的伪随机码发射信号。伪随机码是一种周期性的可复制的、具有良好自

10、相关特性的二进制伪随机序列。1.2.2 地面控制部分地面监控部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。每个监测站配有GPS接收机，监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。 主控站采集各个监测站传送来的数据，根据采集的数据计算每一颗卫星的星历、时钟校正量、状态参数、大气校正量等，并按一定格式编辑成导航电文传送到注入站。地面控制站也称作地面天线，地面控制站与卫星之间有通信链路。由主控站传来的卫星星历和时钟参数以S波段射频上行注入到各个卫星19。共 46 页 第 3 页1.2.3 用户设备部分用户设备部分的核心是GPS接收机，处理由卫星发射的L波段信号。GPS接收机

11、可以捕获到用户当前位置所能观测到的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，提取出GPS卫星所发送的导航电文。对获得的导航电文中的广播星历、卫星时钟修正等参数进行处理而实时地计算出用户的三维位置，甚至三维速度和时间。1.3 GPS 接收机的发展概况GPS 接收机，作为 GPS 系统中的地面用户设备，是与人们获取 GPS 信号并应用于自己生活的方式与媒介，所以接收机的发展则是 GPS 系统发展不可缺少的一部分。从第一台商用 GPS 接收机面世至今己有近 30 年。早期的 GPS 接收机基于模拟信号处理，采用微

12、处理器做应用计算工作。由于使用了大量的模拟器件，早期的GPS 接收机体积非常庞大。随着 1989 年第二阶段卫星投入使用，GPS 接收机实现了用微处理器和一个附加的集成电路来完成原来所有由模拟信号处理来完成的工作。随着集成电路技术的成熟，现代 GPS 接收机采用特定用途的 ASIC 进行信号处理，并采用高速微处理器进行应用计算，实现了由模拟器件到数字固态器件的转变。这种利用集成电路制造的 GPS 接收机功能强大而且体积比较小，具有许多优点。上述GPS 接收机均采用了大量模拟器件或集成电路来实现，通常称这种采用硬件来实现的接收机为传统 GPS 接收机5。从目前国内外 GPS 接收机应用的情况来看

13、，GPS 接收机己经嵌入到了我们日常生活的许多用品中，例如蜂窝电话、个人数字助理和汽车等，其应用范围从为计算机网络提供同步的参考时间源涉及到了无人驾驶车辆的导航。同时，对于商用和军用方面，GPS 接收机在陆用、航空、海事和空间引导等各个领域的应用越来越广泛，为用户定位、导航和监测发挥着巨大的作用。伽利略计划是欧洲提出的民用全球卫星导航系统研制计划。伽利略计划的最终目标是建立一个独立的，性能优于 GPS，与现有全球卫星导航系统具有互用性的民用全球卫星导航系统。该系统计划从 2008 年开始投入正式运行，2005 年 12 月 28日，伽利略计划首颗实验卫星“GIOVE.A”顺利发射升空。中国与欧

14、盟于 2004 年10 月 9 日在北京签署中欧伽利略计划技术合作协议，成为参加该计划 的第一个非欧盟成员国6。2003 年 5 月 25 日，我国在西昌将第三颗“北斗一号”送入太空，与 2000 年发射的前两颗一起构成了我国完备的卫星导航定位系统，即北斗卫星导航系统（Compass Navigation Satellite System） ，简称 CNSS7。目前改进型的“北斗二号”共 46 页 第 4 页正在研制中，计划 2007 年初发射两颗北斗导航卫星，2008 年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。可为我国陆地、海洋、空中

15、和空间的各类军事和民用提供多种业务保障，尤其对提高我国国防现代化有着重要的意义。无论是 GPS 还是计划中的伽利略系统和北斗导航系统，用户部分的核心都是导航接收机，可以预计，随着新一代全球卫星导航定位系统的建立，需要开发适用于新一代导航卫星的接收机。新一代导航接收机与现有的 GPS 接收机是不兼容的，用户向下一代导航接收机的过渡将面临巨大的升级费用。现代数字 GPS 接收机多是基于数字信号处理专用芯片和高速微处理器构成的，采用 ASIC 处理数字中频信号来实现跟踪及解调等工作，其速度较快，但算法固定且不容易改变硬件架构，当算法改变时，必须重新进行芯片设计，代价高昂。软件无线电跟 GPS 接收机

16、的结合孕育出了 GPS 软件接收机，采用软件无线电思想的软件接收机，基于相对通用的硬件平台，通过加载不同的运用程序实现不同的功能，可以很好的解决上述问题11。1.4 软件接收机的特点及国内外研究现状1.4.1 软件接收机的结构特点接收机是卫星导航系统的重要组成部分，是卫星导航系统与用户之间的唯一接口。传统接收机大多都是基于数字信号处理的专用芯片和用于快速计算的微处理器构成的。其主要结构如图 1.2 所示。天线接收的射频信号经过射频前端进行放大、混频、滤波、下变频，形成中频信号，然后经模拟/数字转换器得到数字中频信号。此信号经过基带信号处理模块和导航解算模块之后输出定位结果，发送给用户。在硬件接

17、收接中基带信号处理采用专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC)实现信号的捕获和跟踪。共 46 页 第 5 页 天线 RF 定位 结果图 1.2 硬件接收机结构图硬件接收机对信号的处理通过 ASIC 实现，其运算速度快，但算法固定且不容易改变硬件架构。当出现新的发射信号，或者卫星发射的信号结构发生变化时，需要由芯片厂商重新设计并更换接收机内部的专用芯片才可实现，这样不仅代价高昂，更严重影响了接收机的灵活性。另外，硬件接收机对用户来说就像一个黑盒子，用户只能获得最终处理的数据结果，无法控制其内部信号处理过程，一旦出现问题，用户无法查找

18、原因。为了解决硬件接收机的弊端，将软件定义无线电引入到卫星导航接收机的研究中，实现接收机的软件化设计。其全新的设计思想和体系结构，打破了以硬件为核心的传统接收机功能单一、可扩展性差的设计局限13。软件接收机的结构如图 1.3所示：天线 数字 RF IF图 1.3 软件接收机结构图与硬件接收机不同的是，软件接收机除了射频前端和 A/D 转换器用硬件实现外，其他功能全部由软件来实现，包括基带信号处理过程中对卫星信号的捕获与跟踪。当出现新的卫星信号时，只需要修改软件，增加对新信号的处理模块即可，不需要更换或升级硬件。若信号出现失锁成不能正常捕获时，可通过软件调整不同的捕获和跟踪参数等方法来解决，方便

19、寻找和分析原因。利用软件接收机通过多个导航定位系统的数据组合可以加快定位速度，提高定位精度。另外，通过集成软件接收机与相关的测试分析工具构建一个完整的平台。在此平台上，可以方便的测试和优化接收机的结构、功能、性能，研究信号特性，探讨信号处理方法，设计和验证接收机各组成单元一些关键参数的选择等。总之，软件接收机与硬件接收机相比，成本低，易于实现，具有更高的灵活性、通用性和开放性等优点，成为卫星导航接收机新的发展方向。 软件部分 硬件部分 IFRF前端基带信号处理导航解算 用户 接口A/D转换软件部分 硬件部分 IF RF前端A/D转换基带信号处理用户接口导航解算共 46 页 第 6 页1.4.2

20、 软件接收机的发展现状近年来越来越多的学者开始关注 GPS 软件接收机，软件接收机研究成为导航领域的一个热点。受元器件发展缓慢的影响，早期的软件接收机的研究大多只实现了跟踪和导航解算软件化，而基带信号的相关处理仍需要采用硬件实现。随着 IC 技术的发展，软件接收机的研究越来越趋向于真正的软件化。射频前端输出数字中频信号后，信号的捕获、跟踪和导航数据的解调与解算全部通过软件实现。2001 年，美国 Data Fusion Corporation 研发了一套基于 Matlab/C 的完整的 GPS 单频软件接收机开发测试平台。2001 年，美国斯坦福大学与瑞典吕勒奥科技大学共同合作开发了四通道的

21、GPS 实时软件接收机，之后又合作研究了直接采样的射频前端，并设计了 GPS/Galileo 多频接收机117。2003 年，美国 Center for Remote SensingInc 开发出一套开放式的 GPS 软件接收机开发和测试平台，通过图形用户界面可以对该平台各个软件模块进行连接和配置。2003 年，美国 Cornell 大学开发出一套 12 通道单频 GPS实时软件接收机，在普通 PC 上实现了 12 通道的实时处理。2004 年，丹麦 Alborg大学 GPS 中心研制出基于 Matlab 的 GPS 软件接收机测试样机，并在 2005 年的美国导航学会上提出了单频 GPS 和

22、 Galileo 软件接收机的研制方案2。2006 年，瑞典的Nordnav 公司开发山 GPS 软件接收机 R30。在该软件接收机中 RF 前端输出的数字中频信号通过 USB2.0 接口输入至 PC 机进行处理，最多可并行处理 24 个通道的信号，每个信号通道的捕获门限、相关器数量及载波相位和码相位的跟踪环路参数都可独立设置，而且接收机还支持实时和后处理两种工作方式，在 PC 上可并行实时处理 12 通道的数据1。近几年我国对接收机的研究和开发也有了很大进步。北京航空航天大学的金天等人实现了基于 Pentium/AMD 的处理器的 12 通道 GPS 实时软件接收机。中国科学院光电研究院的廖

23、炳瑜等人实现了基于 FPGA XILINX XC2V3000 和DSPTMS320C6416 的星载双频 GPS 软件接收机2。此外，越来越多的高校和企业也开始了对软件接收机进行研究，这将促进我国导航技术的发展。1.5 课题研究的意义 GPS 软件接收机较之传统的 GPS 接收机是一个巨大的进步，它具有以下许多优点。1.实用性：实用性：使用软件方法和少量硬件进行 GPS 信号接收处理。GPS 软件接收机成本低，开发速度快，具有高度的可配置性。它只需要进行软件修改，就可以对接收机进行修改和升级。当出现新的 GPS 信号频率或使用新的伪随机码序列时，只需对接收软件进行更改就可以适应新的信号。2.灵

24、活性：灵活性：GPS 软件接收机也可以在进行修改后用于接收处理新的 GPS 信号和其他卫星定位系统的信号。可以根据环境使用不同的门限值或者调整和修改参数，共 46 页 第 7 页保证接收机在任何情况下都能快速准确地实现定位。随着美国政府新的 GPS 计划的提出和其他新的导航系统的出现，GPS 软件接收机的灵活性越来越显著。3.高性价比：高性价比：适应于各种卫星导航系统；软件模块可重复使用；可供教育、研究机构研究测试新的软件算法，评估接收机性能；还可以用来实现比较复杂的算法。4.强适应性强适应性：若新的卫星导航系统出现后，只要对软件稍做调整，便可以适应不用的导航系统，而不需要另外购买新的接收机。

25、 5.模块化设计模块化设计：部分软件模块可以进行复用，从而可以降低开发的成本8。基于以上优点，GPS 软件接收机的实现必将为其带来广阔的应用前景。较之传统的 GPS 接收机，软件接收机能快速适应现代化的 GPS 信号和新的卫星导航系统，它的出现和壮大将为 GPS 定位技术的进一步发展注入新的活力，是卫星导航系统现代化的重要保障。另外，我国正在建设北斗卫星导航系统，GPS 软件接收机修改后便可以应用于北斗定位算法的验证和开发。因此，深入研究 GPS 软件接收机对我国的卫星导航事业也具有促进作用。1.6 论文研究的主要内容本文的研究的主要内容为 GPS 软件接收机的仿真与实现。在课题内容中重点研究

26、了 GPS 软件接受机的算法，并用编程语言进行了实现，以及 GPS 软件接收机的具体设计与实现。论文主要内容分为 6 个部分，其中各章内容分别为：第 1 章 绪论主要介绍了 GPS 的发展概况和结构组成、GPS 接收机的发展概况，阐述了课题的研究意义，给出了本文的主要内容和组织结构。第 2 章 GPS 信号的产生和结构本章详细分析了 GPS 信号的产生过程和 GPS 信号包含的具体内容和结构。第 3 章 GPS 信号的捕获讨论了时域滑动相关算法、基于快速傅里叶变换（FFT）的并行频域搜索和并行码相位搜索捕获算法，对其做了性能对比分析。第 4 章 GPS 信号的跟踪介绍了锁相环原理。码跟踪采用非

27、相干延迟锁定环（DLL） ，载波跟踪采用经典的 Costas 锁相环。第 5 章 GPS 软件接收机的 MATLAB 实现介绍了用编程语言实现 GPS 软件接收机的算法，并对各个部分进行了成果展示与分析。结论与展望本章对本文的工作做了总结，并指出下一步的研究方向。共 46 页 第 8 页第二章 GPS 信号的产生和结构GPS 卫星向广大用户发送的用于导航定位的信号，是一种调制波，但有别常用的无线电广播电台发送的调频调幅信号，它是利用伪随机码传送导航电文的调相信号。GPS 卫星信号是目前常用的两种卫星导航定位信号之一，它包含有载波信号（L1 和 L2)、测距码（C/A 码和 P 码）和数据码（D

28、 码，也称导航电文） 。2.1 GPS 信号的产生GPS 卫星播发的信号在 UHF（Ultra High Frequency）频段的两个频率部分 L1和 L2 上传播（UHF 频段覆盖了从 500MHz 到 3GHz 的所有频率） 。下图 2.1 描述了GPS 信号的产生原理： 图2.1 GPS信号的产生在图2.1的最左边，时钟信号f0=1023MHz分别和154和120相乘产生Ll和L2载波信号。同时时钟信号f0在左下角限幅器作用后输入到P(Y)码生成器和C/A码生成器。在图2.1的最底部，数据生成器产生导航数据。码生成器和数据生成器通过P(Y)码生成器产生的信号X1同步9。在码生成器右边，

29、P(Y)码生成器和C/A码生成器分别产生的P(Y)码和C/A码分别通过模2加法器和导航数据组合。产生的P(Y)码导航数据和C/A导航数据输入到Ll频率支路的两个调制器，通过二进制相移键控(BPSK)方法调制到载波Ll上。P(Y)部分信号衰减3dB后，P(Y)支路和C/A支路相加产生Ll信号。另外一路P(Y)码导航数据输入到L2频率支路的调制器，通过二进制相移键控方法调制到载波L2上，这部分信号衰减6dB后产生L2信号。共 46 页 第 9 页2.2 GPS 信号结构2.2.1 载波信号GPS卫星测距码信号和导航电文的传输速率都很低，C/A码、P码和导航电文的传输速率分别为l.023Mbit/s

30、、10.23Mbit/s和50bit/s。且GPS卫星离地面约20200km，其电能非常紧张，因此很难将测距码和导航电文速率很低的信号传输到地面。解决这一难题的方法就是将测距码信号和导航电文调制到L频段的两种载波频率(fL1和fL2)上发射，其中fL1=154f0=1575.42MHz，波长1=19.03cm，其上调制C/A码、P码和导航电文；fL2=120f0=1227.60MHz，波长2=24.42cm，其上仅调制C/A码或者P码其中一种，或者都不调制。2.2.2 C/A 码和 P 码每个GPS卫星发送的测距码有两种：精密测距码P(Y)码和粗捕获码C/A码，两种均为伪随机码。伪随机码全称伪

31、随机噪声码(PRN Pseudo Random Noise Code)，简称伪码，是一种可以预先确定又可重复产生和复制，具有类似于白噪声随机统计特性的二进制码序列。伪码的产生方式很多，GPS系统中采用的是由m序列(即最长线性反馈移位寄存器序列)产生的复合码。m序列是由多级反馈移位寄存器产生的，不同级数的反馈寄存器以及不同的反馈抽头都将产生不同的m序列。1.C/A码的生成原理GPS信号中的C/A码是序列长度为1023位(码片数)的Gold码。Gold码是m序列的复合码，由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模2和构成。改变产生它的两个m序列的相对相位，就能得到一个新的Gold序列。Gold

32、码有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，广泛的应用于码分多址系统10。本GPS软件接收机使用带有C/A码的L1频段的GPS信号进行定位。GPS信号中C/A码的码速率为1.023MHz，周期为1ms。其中每个基码码片的宽度为1ms/1023=977.5ns。C/A码的产生原理如下图2.2所示：共 46 页 第 10 页图2.2 C/A码的产生原理根据C/A码的产生原理可知，G1的输出为第10位线性移位寄存器的输出即MLS输出，G2的输出则依赖于相位选择器，相位选择器选择两个位的输出经过一个模2加法器产生的码序列为G2的输出。C/A码发生器将G1和G2的输出作为输入，在用一个 模

33、2加法器产生C/A码。每到1023个周期，移位寄存器的值会重置为“1” ，开始产生下一周期的码。由图2-5可知，G1和G2的驱动时钟为1.023MHz。G1寄存器的生成多项式为： (2.1)10311)(xxxG由式(2.1)可知，寄存器的第3位和第10位的状态反馈给输入。同样，G2寄存器的生成多项式为： (2.2)109863221)(xxxxxxxGGPS星座中总共有37颗卫星，因此要产生37个不同的PRN码序列。如何产生不同的C/A码主要取决于G2序列的相位选择器。表2-1列出了不同卫星的对应的不同相位选择器的选择。表21 码相位分配卫星ID编号GPS PRN信号编号码相位选择码延迟码片

34、C/A码前10个码片1126514402237616203348717104459817445519171133662101814557718139113188291401454共 46 页 第 11 页993101411623101023251150411113415216421212562541750131367255176414147825617721515892571775161691025817761717144691156181825470146719193647116332020474721715212158473174622226947417632323135091063242

35、4465121706252557513174326266851417612727795151770282881051617742929168591127303027860145331313886116253232498621712表中共有5列，第1列是卫星的ID（Identity）号，第2列是PRN信号号码，第3列是码相位选择，用于形成G2产生器的输出，第4列是以码元数表示的码延迟，这个延迟就是MLS和G2输出之差。一旦码相位定了，延迟数也就定了。最后一列为每颗卫星的C/A码的前10位的八进制表，用于检查产生的C/A码是否有误11。 C/A码之所以用作GPS信号传输，是因为它有以下良好的自相关

36、和互相关特性。(1)互相关特性对于卫星i和卫星k对应的C/A码Ci(k)和Ck(k)，其互相关函数如下： 任意 m (2.3)0)()()(10220mlClCmrkliik(2)自相关特性共 46 页 第 12 页对于卫星k对应的C/A码Ck(k)，其自相关函数如下： (2.4)0)()()(10220mlClCmrklkkk1m (2.5)1023)()()(10220mlClCmrklkkk1m由上述特性可以看出，所有的C/A码之间是几乎互不相关的。除了完全对齐的情况，所有的C/A码自身也是几乎不相关的。这种特性使得很容易找出两个完全对齐的相同的C/A码。2.P码的生成原理P码的码速率为

37、10.23MHz，每个基码码片约宽97.7ns，对应的空间距离为29.3m。由于其基码码片宽度为C/A码的1/10，所以其测距精度远远高于C/A码，故称P码为精密测距码。P码的产生原理与C/A码相似，由两个码长互素的子码x1和x2组成的模2和复码产生。两个子码x1和x2是由24级移位寄存器产生的截短码，x1和x2的码速率均为10.23MHz。不同的卫星分别对应于不同的P码。2.2.3 导航电文导航电文是用户用来定位和导航的数据基础，主要包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息已经C/A码转到捕获P码的信息，这些数据以二进制的形式发送给用户，因此导航电文又称为数据码，或称之为D码。图

38、2.3 导航电文的组成格式导航电文的格式如图2.3所示，它的基本单位是1500bits的一个主帧，导航电文的传输速率为50bps，因此，每30s才能够传送完一个主帧。每一个主帧包含5个子帧，前三个子帧各有10个字码，每个字码30bits；第4、5子帧各有25个页面，共有37500bits，长达12.5min。第4、5子帧与第1、2、3子帧不同，它需要750s才能传送完毕全部信息量。共 46 页 第 13 页2.2.4 GPS 卫星信号的调制传统的GPS信号属于直接序列扩频信号，信号的调制过程只是周期性地改变载波的相位，而载波的频率没有变化。各模块都是在以频率f0=10.23MHz为基准时钟的基

39、础上产生的，基准频率f0经过限幅器为C/A码和P码生成器提供了稳定的时钟，导航数据和C/A码是由P码发生器生成的X1历元控制同步和叠加而成。叠加后的C/A码和P码再通过调制器以BPSK相互正交的调制方式调制到载波L1上，即分别调制在载波L1的同相和正交通道上。P码部分的信号衰减3dB后，与C/A码部分信号相加就是L1频段上发射的信号。L2频段上的GPS信号的结构与L1频段上信号基本一致，但是它通过切换开关仅提供P码与导航数据异或、C/A码与导航数据异或和单独P码中的一种12。由此，GPS卫星发射信号的结构分别为：L1 载波上： (2.6)cos()()()sin()()()(11011ttDt

40、PAttDtCAtSLPLCLL2 载波上： (2.7)2cos()()()(22ttDtPBtSLPL图2.4 信号调制结果图2.3 本章小结本章介绍了有载波信号、测距码、D码组成的GPS信号结构，并详细介绍了C/A码的生成原理及GPS卫星信号的调制，为后续捕获和跟踪技术奠定了基础。共 46 页 第 14 页第三章 GPS 信号的捕获在传统GPS接收机中，捕获部分通常是用专用的集成电路(ASIC)来实现的。而在GPS软件接收机中，捕获部分是通过软件来实现的。本章首先介绍了几种基本的捕获算法。随后给出了一种能在软件接收机中有效实现捕获的算法，并在MATLAB中利用算法对一组实际采集的信号进行了

41、捕获。3.1 GPS 信号捕获原理在软件接收机中，捕获是利用伪随机码良好的相关特性，检测本地C从码和卫星信号伪随机码的相关输出。对某一颗可见卫星，当本地C/A码的码相位、本地载波的频率和输入信号中的码相位以及载波频率相匹配时，有最大的相关值。本地C/A码的码相位与输入信号中的码相位在任何一边的偏移超过一个码元时，有最小的相关值。当检测到最大相关值时便达到了捕获的目的。通过对GPS信号的捕获，可以确定犯颗卫星中的可见卫星，并可计算出可见卫星的载波频率和OA码的码相位的粗略值。接收到的GPS信号通常是几颗可见卫星播发的GPS信号的组合，如下式： (3.1)()()()(21tstststsn上式中

42、表示卫星播发的GPS信号，是接收机接收到的所有颗可见)(tsnn)(tsn卫星播发的GPS信号的组合。当捕获卫星时，输入信号和本地所产生的不同k)(tsC/A码序列、不同本地载波序列相乘。利用C/A码良好的相关特性，通过检测到的最大相关值，找到可见卫星和对应卫星的载波频率和C/A码的码相位的粗略值，达到捕获的目的。其中信号捕获输出的C/A码的码相位和载波频率是用于跟踪的初始条件13。3.2 GPS 软件接收机捕获算法对于GPS卫星信号有多种捕获方案，以下几节将分别介绍三种捕获算法：串行搜索捕获算法，并行频域搜索捕获算法和并行码相位搜索捕获算法。3.2.1 串行搜索捕获算法串行搜索捕获算法在码分

43、多址(CDMA Code Division Multiple Access)系统中是一种常用的方法。GPS就是一种CDMA系统。下图3.1给出了串行搜索捕获算法的基本原理框图。共 46 页 第 15 页图3.1 串行搜索捕获算法原理图由图3.1可以看出，串行搜索捕获算法基于本地产生的C/A码序列、本地振荡器产生的载波与输入信号之间的相乘运算。对于一个特定的卫星，C/A码产生器产生一个本地C/A码序列。这个本地C/A码序列的码相位变化范围是01022个码元。输入信号首先和本地产生的C/A码序列相乘，然后再和本地振荡器产生的载波相乘。其中和本地振荡器产生的载波相乘后产生支路，和本地载波偏移900相

44、位后相乘产生I正交的支路。然后支路和支路分别经过积分运算和平方运算后相加作为输出。QIQ理论上，由于C/A码只在信号上调制，信号的能量应该在支路。但是由于不II知道接收到的GPS信号的相位，解调后的信号不一定等于卫星产生的信号。所以II为了保证能够检测到信号，对支路和支路分别做积分运算是必要的。最后的输IQ出信号是输入信号和本地产生信号的相关值。如果输出大于预先给定的门限值，那么本地产生的载波频率和C/A码的相位就是正确的。然后将该载波频率值和C/A码的相位值传递给跟踪部分，作为跟踪部分的初始值。串行搜索捕获算法中有两次不同的扫描运算过程。一次是对中频IF10kHz范围内所有频率以一定步长的频

45、率搜索，本论文采用500Hz为步长；一次是对1023个不同的码相位搜索。这两次的搜索过程总共有41943次运算。如下式： (3.2)4194341102315001000021023频率码相位显然，41943次运算的运算量非常大。这种耗时的搜索是串行搜索捕获方法的主要弱点。但是它同时也具有算法简单，实现起来简单直接的优点14。3.2.2 并行频域搜索捕获算法如果能从搜索过程中消除对其中一个参数的搜索，或者能使对两个参数的搜索同时进行，算法性能将会大大提高。这一小节介绍的并行频域搜索捕获算法，就是对一个参数的搜索。这种方法利用了傅立叶变换将信号从时域变换到频域。并行频域搜索捕获算法的原理图如下图

46、3.2所示：共 46 页 第 16 页图3.2 并行频域搜索捕获算法原理图图3.2中，输入信号首先和本地产生的C/A码序列相乘。对于一个特定的卫星，C/A码的相位介于01022个码元之间。然后对相乘后的信号进行傅里叶变换，使其变换到频域。进行傅里叶变换时，可以通过离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)实现。其中FFT比DFT的运算速度快，但是FFT要求输入序列的长度等于2的正整数次幂15。3.2.3 并行码相位搜索捕获算法相比较以500Hz为步长的载波频率搜索总量41，码相位的搜索总量1023是比较大的。上节介绍的并行频域搜索捕获方法中，通过将信号在频域的搜索并行化方式，消除了对4

47、1个可能的载波频率进行必要的搜索过程。如果能使捕获过程在相位域并行化，那么相比较并行频域搜索捕获方法中的1023次搜索，这种情况下只需要搜索41次。下面介绍的并行码相位捕获算法就是用到了以上提到的并行化码相位搜索过程的办法。捕获的目的就是为了对输入信号和一个C/A码序列做相关运算。相比较串行搜索捕获方法中输入信号分别和1023个不同码相位的C/A码序列相乘，对输入信号和具有不同码相位偏移的C/A码序列做循环互相关更方便。下面是一种通过傅立叶变换实现循环相关的方法。两个长度同为N的有限长序列和的离散傅立叶变换和计算如)(nx)(ny)(kX)(kY下： (3.6)10/2)()(NnNknjen

48、xkX (3.7)10/2)()(NnNknjenykY两个长度同为N的有限长序列和的循环互相关计算如下：)(nx)(ny)(nz (3.8)1010)()(1)()(1)(NmNmnmymxNnmymxNnz下面的分析中均省略了中的缩放因子，的N点离散傅立叶变换)(nzN1)(nz计算如下：)(kZ共 46 页 第 17 页NknjNmNnenmymxkZ/21010)()()(10/ )(210/2)()(NnNnmkjNmNkmjenmyemx (3.9)()(kYkX式中是的复共轭。)(kX)(kX由以上分析可以看出，两个序列)和)的循环互相关的傅立叶变换)(nx)(ny)(nz可以用

49、这两个序列的频域表达式的复共扼和表示。然后再对)(kX)(kX)(kY取反傅立叶变换，就可以得到序列和的循环互相关的表达式：)(kZ)(nx)(ny)(nz (3.10)()(1kZFnz下图3.4是并行码相位搜索捕获算法的原理图：图3.4 并行码相位搜索捕获算法原理图图3.4中，输入信号首先和不同相位的两路本地载波相乘，和本地载波相乘后的产生支路信号，和本地载波偏移900相位后的信号相乘产生支路信号。然后支IQI路和支路作为一路复输入信号进行傅立叶变换。本地C/A码经Q)()()(njQnInx过傅立叶变换后取共轭，然后其共轭和输入信号)经过傅立叶变换得到的信号相)(nx乘。通过反傅立叶变换

50、将这部分相乘后的信号转换到时域，最后通过取绝对值得到输入信号和C/A码之间的相关值。绝对值的大小代表了输入信号和C/A码相关性的强弱，通过找出结果中的一个最大值，确定出输入信号和C/A码相关性最好时C/A码的各种状态信息。相比较前面的捕获方法，并行码相位搜索捕获方法将搜索量减少到了对41个不同载波频率的搜索。每次捕获时，C/A码的傅立叶变换只需要计算一次，41个不同的载波频率分别要进行傅立叶变换和反傅立叶变换。所以并行码相位搜索捕获算法的计算效率主要依赖于上述过程的实现。并行码相位搜索捕获算法参数估计的频率精度和串行搜索捕获算法相同。对于C/A码相位，由于并行码相位搜索捕获算法对每个抽样的码相

51、位都给出了相关值，其精度大于以上两种方法。因为如果抽样频率是10MHz，一个抽样后的1ms的C/A码序列有10000个点，所以对于一个码相位的计算结果有10000个值。相比较前面两种方法的1023个值，其码相位的精度是明显增大共 46 页 第 18 页的。和其他捕获方法一样，并行码相位搜索捕获算法可以直接通过方框图3.4实现。相比较前面的两种捕获算法的方框图，并行码相位搜索捕获算法的原理图中几乎没有添加新的模块，这样许多元件就可以在这种方法的实现中复用16。3.3 本章小结本章介绍了信号捕获的基本原理和常用的几种基本的捕获方法，并对捕获中的有关参数进行了分析。随后给出了在本文研究的软件接收机中

52、有效实现捕获的算法，并在Matlab中利用该算法对一组实际采集的信号成功进行了捕获。3.1节详细介绍了进行GPS信号捕获的基本原理。3.2节介绍了三种捕获算法，其中串行搜索捕获算法基于本地产生的C/A码序列、本地振荡器产生的载波与输入信号之间的相乘运算。串行搜索捕获算法中有两次不同的扫描运算过程。一次是对中频IF10kHz范围内所有频率以一定步长的频率搜索，本论文采用500Hz为步长，一次是对1023个不同的码相位搜索。这种耗时的搜索是串行搜索捕获方法的主要弱点，但是它同时也具有算法简单，实现起来简单直接的优点。并行频域搜索捕获算法利用了傅立叶变换将信号从时域变换到频域，通过将信号在频域的搜索

53、并行化，消除了对41个可能的载波频率的搜索过程，只对1023个不同的码相位进行了搜索，减少了搜索量，但计算效率没有明显提高。并行频域搜索捕获算法中载波频率的精度是1Hz，比串行搜索捕获算法500Hz的精度高。并行码相位捕获算法通过傅立叶变换实现循环相关，使得捕获过程在相位域并行化，将搜索量减少到了对41个不同载波频率的搜索，运算效率较高，适合软件接收机设计。这种捕获算法对每个抽样的码相位都给出了相关值，其精度明显大于串行搜索捕获算法和并行频域搜索捕获算法，其频率精度和串行搜索捕获算法相同。共 46 页 第 19 页第四章第四章 GPS 信号的跟踪信号的跟踪完成信号捕获以后，得到的载波频率和C/

54、A码相位只是对GPS信号的粗略估计。跟踪部分的主要目的就是得到更精确的载波频率和C/A码相位，保持对信号的跟踪和解调出特定卫星的导航数据。下图4.1是一个基本的解调原理图。图4.1 解调原理图图4.1给出了从输入信号中解调出导航信息的基本原理。首先，输入信号和一个载波信号相乘，相乘后可以消除输入信号中的载波。然后将消除载波后的信号和C/A码相乘，相乘后输出导航信息。由以上过程可以看出，跟踪模块必须产生载波信号和C/A码信号来完成准确的跟踪和卫星信号的解调。下面是对GPS信号解调过程的详细描述。4.1 解调过程设和分别是卫星播发的L1载波频率和L2载波频率，是卫星对应的1Lf2LfkkCkC/A

55、码序列，是卫星对应的P(Y)码序列，是导航数据序列，、，和kPkkDCP1PLP是C/A部分信号和P(Y)码部分信号的功率。卫星播发的GPS信号)可以表2PLPk)(tsk示为：)2sin()(2)2cos()()(2)(111tfDtPPtftDtCPtsLkkPLLkkCk (4.1)2sin()()(222tftDtPPLkkPL在经过含有滤波部分和下变频部分的前端接收设备后，接收到的如下：)(tsk (4.2)sin()()(2)cos()()(2)(1ttDtPPttDtCPtsIFkkPLIFkkCk其中输入信号中的载波经过前端接收设备后下变频成中频。IF该信号然后经过A/D转换被

56、采样。由于在经过窄带滤波器时，P码失真变形。所以在经过A/D转换后的信号中以噪声表示。式（4.2）中的信号经过A/D转换后)(ne如下： (4.3)()cos()()()(nennDnCnsIFkkk其中表示该信号在时域是离散的，大小为的正整数倍。nsf1共 46 页 第 20 页要从经过A/D转换后的信号中提取出导航数据，必须将该信号转换到基带。)(nDk图4.1中所示，首先通过输入信号和本地载波相乘去除输入信号中的载波。如果本地载波的频率和相位和输入信号中载波的频率和相位相同，它们相乘后如下：)cos()cos()()()cos()(nnnDnCnnsIFIFkkIFk (4.4)()()

57、2cos(21)()(21nDnCnnDnCkkIFkk上式中第一项是导航信息和C/A码相乘，第二项中含有频率为2倍中频的载波信号。式（4.4）中相乘后得到的信号通过一个低通滤波器后第二项被滤除，得到信号 (4.5)()(21nDnCkk然后通过将去除载波后的信号和本地C/A码做相关运算去除信号中的码。如果)(nCk本地C/A码和输入信号的中的码序列和码相位完全相同，相关运算后的输出如下： (4.6)()()()(10nNDnDnCnCkNnkkk其中是导航信息和信号中点的总数的乘积。)(nNDkN以上只是对一颗卫星的一个信号的解调分析，这样减少了公式的复杂度，给出了解调过程的一种简单思路。在

58、实际信号中，接收到的信号是由许多可见卫星播发的信号组成的。图4.1中，解调时需要产生本地载波和本地C/A码两个信号。要产生这两个完全准确的信号，就必须对其加一些反馈。通常称产生本地载波的反馈环路为载波跟踪环，产生本地C/A码的反馈环路为码跟踪环。4.2 锁相环原理锁相环是一个相位负反馈误差闭环控制系统，主要用于调节本地晶体振荡器的输出频率来和输入信号的频率相匹配的环路，由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。鉴相器是一个误差检测单元，比较输入相位与输出相位后得到误差信号。鉴相器特性多种多样，不同的锁相环的区别主要在于鉴相器的选取。环路滤波器实质上低通滤波器，它滤除误差信号的高频分量，输出一

59、个信号去控制压控振荡器的频率。环路滤波器的阶数既决定了锁相环的性能又决定环路的阶数，若选用n阶滤波器，则其锁相环路为n+1阶。压控振荡器是一个线性调频振荡器，其振荡频率在工作区域内随控制信号作线性变化。由环路滤波器输出的控制信号控制振荡器的输出频率，使之与输入频率同步。基本锁相环如图4.2所示，实际应用中的各种形式的环路都是由基本环路演变而来的。 共 46 页 第 21 页(a) (b)图4.2 基本锁相环(a) 时域结构 (b)S域结构图4.2(a)是锁相环的时域结构，图，4.2(b)是经过拉普拉斯变换得到的S域结构。由于相位与频率之间存在积分的关系，为了便于分析，设输入相位为，压控振)(t

60、i荡器的输出相位为，相位比较器测量两者的相位差，放大器为相位比较器的)(tf0k增益，低通滤波器滤除环路中的噪声。4.3 载波跟踪载波跟踪环的主要作用是对码跟踪环的输出信号进行解调，得到导航电文数据，同时得到载波Doppler频移观测量，用于对接收机进行高精度测速。要成功的解调出导航数据，必须产生完全准确的本地载波信号。通常采用相位锁定环(PLL Phase Locked Loop)和频率锁定环(FLL Frequency Locked Loop)来跟踪一个载波信号。PLL是通过测量本地载波相位和输入载波之间的相位差来保持对输入信号相位的跟踪。FLL是通过测量本地载波频率和输入载波之间的频率差