GPS軟件接收機的仿真與實現(xiàn)

1、第 I 頁畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文GPS 軟件接收機的仿真與實現(xiàn)軟件接收機的仿真與實現(xiàn)學學 院：地質(zhì)工程與測繪學院院：地質(zhì)工程與測繪學院專專 業(yè)：測繪工程業(yè)：測繪工程第 II 頁摘 要隨著GPS的升級和新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，相比較傳統(tǒng)GPS接收機，GPS軟件接收機具有的成本低、靈活性高等優(yōu)點越來越突出。它使用軟件方法和少量硬件即可實現(xiàn)信號接收處理，可以直接由運行在微處理器上的Matlab程序完成信號處理，因此具有良好的靈活性、可移植性及可擴展性。因此，研究GPS軟件接收機的仿真平臺具有重要意義。本文重點對GPS軟件接收機的捕獲和跟蹤部分進行了研究，并在Matlab中進行了定位解算。本文在掌握

2、GPS 軟件接收機原理的基礎上，實現(xiàn)了對信號的仿真、捕獲、跟蹤及定位。捕獲部分為了提高 GPS 軟件接收機的定位速度和定位精度，選用了在Matlab 環(huán)境下執(zhí)行時間短、性能高的并行碼相位搜索捕獲算法。跟蹤部分將碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)組合在一起，降低了跟蹤環(huán)路的復雜度。載波跟蹤環(huán)路則選用了對1800相位轉(zhuǎn)換不敏感的 Costas 環(huán)，以保證載波跟蹤環(huán)路對信號的正確跟蹤。最后在Matlab 環(huán)境下，編寫了捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)處理等程序，用軟件方式實現(xiàn)了對用戶的定位，并對定位結(jié)果進行了分析概括，驗證了所有算法的可行性，討論了不足之處，為后續(xù)軟件接收機的相關研究工作奠定了良好的基礎。關鍵詞：GPS，軟件接收

3、機，仿真，捕獲，跟蹤，同步第 III 頁目 錄摘 要 .IABSTRACT.II第一章 緒論.11.1 GPS 發(fā)展概況與組成.11.2 GPS 的組成.11.2.1 GPS 空間衛(wèi)星星座部分.21.2.2 地面控制部分.21.2.3 用戶設備部分.31.3 GPS 接收機的發(fā)展概況.31.4 軟件接收機的特點及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.41.4.1 軟件接收機的結(jié)構(gòu)特點.41.4.2 軟件接收機的發(fā)展現(xiàn)狀.61.5 課題研究的意義.61.6 論文研究的主要內(nèi)容.7第二章 GPS 信號的產(chǎn)生和結(jié)構(gòu) .92.1 GPS 信號的產(chǎn)生.92.2 GPS 信號結(jié)構(gòu).102.2.1 載波信號.102.2.2 C/

4、A 碼和 P 碼 .102.2.3 導航電文.132.2.4 GPS 衛(wèi)星信號的調(diào)制.142.3 本章小結(jié).14第三章 GPS 信號的捕獲 .153.1 GPS 信號捕獲原理.153.2 GPS 軟件接收機捕獲算法.153.2.1 串行搜索捕獲算法.153.2.2 并行頻域搜索捕獲算法.163.2.3 并行碼相位搜索捕獲算法.173.3 本章小結(jié).19第四章 GPS 信號的跟蹤 .204.1 解調(diào)過程.204.2 鎖相環(huán)原理.214.3 載波跟蹤.224.4 碼跟蹤.244.5 本章小結(jié).24第五章 GPS 軟件接收機的 MATLAB 實現(xiàn).265.1 并行碼相位搜索捕獲算法的 MATLAB

5、實現(xiàn)及捕獲結(jié)果.265.2 GPS 信號跟蹤的 MATLAB 實現(xiàn)及跟蹤結(jié)果.295.3 軟件接收機的定位結(jié)果.345.4 本章小結(jié).35總結(jié)與展望.37致 謝.38第 IV 頁參考文獻.39附錄.41共 46 頁 第 1 頁第一章緒論本章簡略介紹了 GPS(Global Positioning System)的相關知識，介紹了軟件定義無線電技術，闡述了軟件接收機國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，最后一節(jié)介紹了本文的主要研究內(nèi)容及研究思路。1.1 GPS 發(fā)展概況與組成GPS全球定位系統(tǒng)，其全稱為定時和測距地導航衛(wèi)星(NANSTAR.Navigation System Timing and Ranging)。

6、是美國從上世紀70年代開始研制，歷時21年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)18。它具有全球覆蓋、連續(xù)全天候工作、高精度和能為高動態(tài)平臺提供服務等特點，可以提供軍用和民用兩種服務，并與1995年初達到了全運行能力1。1999年1月，美國政府宣布了在新的GPS衛(wèi)星信號中增加兩個民用信號L2C和L5的提案，這些新增信號將會大大增加民用用戶的精度，為全球的民用、商用和科研用戶提供幫助，截止目前，新的GPSIII計劃又提出了重新評估整個GPS體系結(jié)構(gòu)，以滿足直到2030年的民用和軍用用戶的需求。相對于GPS，目前存在的其他衛(wèi)

7、星導航系統(tǒng)還包括俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、歐盟的伽利略系統(tǒng)和我國的北斗導航系統(tǒng)，它們分別為不同的政府和部門提供服務2。1.2 GPS 的組成GPS是由美國國防部為軍事目的建立的、陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性(陸地海洋航空和航天)、全球性、全天候連續(xù)性和實時性的導航定位和定時的功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。GPS定位系統(tǒng)主要由三部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控部分、用戶設備三部分。GPS聯(lián)合計劃辦公室對這些組成部分的正式計劃性術語分別是空間段、控制段和用戶設備區(qū)段?？臻g星座部分包括在軌衛(wèi)星，它們向用戶設備

8、提供測距信號和數(shù)據(jù)電文。地面控制部分更新衛(wèi)星的時鐘校正量、星歷，以及其他用于確定用戶位置、速度和時間的參數(shù)。此外還對衛(wèi)星進行跟蹤和維護，維持衛(wèi)星的軌道布局，并監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況和信號的完好性3。用戶接收設備部分完成導航、授時等功能。三者各有獨立的功能和作用，但又是有機配合、缺一不可的整體系統(tǒng)。圖1.1顯示了GPS定位系統(tǒng)的三個組成部分及相互關系。共 46 頁 第 2 頁圖1.1 GPS系統(tǒng)組成1.2.1 GPS 空間衛(wèi)星星座部分GPS空間衛(wèi)星星座的基本配置由24顆分布在6個等間隔軌道平面上的衛(wèi)星組成。每個軌道平面上有4顆衛(wèi)星，它們按與地球赤道面成55度的相同方向運行。衛(wèi)星的這種特定分布保證了在

9、地球表面和近地空間任一點、任何時刻均可同時觀測到至少4顆GPS衛(wèi)星，情況好時最多可觀測到n顆。通過測量這些衛(wèi)星播發(fā)的信號到達用戶接收機的時間，用戶可以用4顆衛(wèi)星確定出自己的位置。每顆GPS衛(wèi)星都攜帶有高穩(wěn)定度的兩臺伽原子鐘和兩臺艷原子鐘，為用戶提供準確定時，并保持與GPS系統(tǒng)時同步。衛(wèi)星上的S波段接收機用于接收地面注入站的數(shù)據(jù)和指令，L波段雙頻發(fā)射機用于向GPS用戶發(fā)射包括衛(wèi)星星歷時鐘校正參數(shù)、電離層傳輸延遲校正參數(shù)等信息的導航信號4。GPS 系統(tǒng)采用碼分多址體制將 24 顆衛(wèi)星分開，每顆衛(wèi)星以相同的頻率和同樣的調(diào)制方式使用各自唯一的偽隨機碼發(fā)射信號。偽隨機碼是一種周期性的可復制的、具有良好自

10、相關特性的二進制偽隨機序列。1.2.2 地面控制部分地面監(jiān)控部分由一個主控站，5個全球監(jiān)測站和3個地面控制站組成。每個監(jiān)測站配有GPS接收機，監(jiān)測站的主要任務是對每顆衛(wèi)星進行觀測，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。 主控站采集各個監(jiān)測站傳送來的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算每一顆衛(wèi)星的星歷、時鐘校正量、狀態(tài)參數(shù)、大氣校正量等，并按一定格式編輯成導航電文傳送到注入站。地面控制站也稱作地面天線，地面控制站與衛(wèi)星之間有通信鏈路。由主控站傳來的衛(wèi)星星歷和時鐘參數(shù)以S波段射頻上行注入到各個衛(wèi)星19。共 46 頁 第 3 頁1.2.3 用戶設備部分用戶設備部分的核心是GPS接收機，處理由衛(wèi)星發(fā)射的L波段信號。GPS接收機

11、可以捕獲到用戶當前位置所能觀測到的待測衛(wèi)星信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，提取出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文。對獲得的導航電文中的廣播星歷、衛(wèi)星時鐘修正等參數(shù)進行處理而實時地計算出用戶的三維位置，甚至三維速度和時間。1.3 GPS 接收機的發(fā)展概況GPS 接收機，作為 GPS 系統(tǒng)中的地面用戶設備，是與人們獲取 GPS 信號并應用于自己生活的方式與媒介，所以接收機的發(fā)展則是 GPS 系統(tǒng)發(fā)展不可缺少的一部分。從第一臺商用 GPS 接收機面世至今己有近 30 年。早期的 GPS 接收機基于模擬信號處理，采用微

12、處理器做應用計算工作。由于使用了大量的模擬器件，早期的GPS 接收機體積非常龐大。隨著 1989 年第二階段衛(wèi)星投入使用，GPS 接收機實現(xiàn)了用微處理器和一個附加的集成電路來完成原來所有由模擬信號處理來完成的工作。隨著集成電路技術的成熟，現(xiàn)代 GPS 接收機采用特定用途的 ASIC 進行信號處理，并采用高速微處理器進行應用計算，實現(xiàn)了由模擬器件到數(shù)字固態(tài)器件的轉(zhuǎn)變。這種利用集成電路制造的 GPS 接收機功能強大而且體積比較小，具有許多優(yōu)點。上述GPS 接收機均采用了大量模擬器件或集成電路來實現(xiàn)，通常稱這種采用硬件來實現(xiàn)的接收機為傳統(tǒng) GPS 接收機5。從目前國內(nèi)外 GPS 接收機應用的情況來看

13、，GPS 接收機己經(jīng)嵌入到了我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多用品中，例如蜂窩電話、個人數(shù)字助理和汽車等，其應用范圍從為計算機網(wǎng)絡提供同步的參考時間源涉及到了無人駕駛車輛的導航。同時，對于商用和軍用方面，GPS 接收機在陸用、航空、海事和空間引導等各個領域的應用越來越廣泛，為用戶定位、導航和監(jiān)測發(fā)揮著巨大的作用。伽利略計劃是歐洲提出的民用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制計劃。伽利略計劃的最終目標是建立一個獨立的，性能優(yōu)于 GPS，與現(xiàn)有全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有互用性的民用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)計劃從 2008 年開始投入正式運行，2005 年 12 月 28日，伽利略計劃首顆實驗衛(wèi)星“GIOVE.A”順利發(fā)射升空。中國與歐

14、盟于 2004 年10 月 9 日在北京簽署中歐伽利略計劃技術合作協(xié)議，成為參加該計劃 的第一個非歐盟成員國6。2003 年 5 月 25 日，我國在西昌將第三顆“北斗一號”送入太空，與 2000 年發(fā)射的前兩顆一起構(gòu)成了我國完備的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，即北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Compass Navigation Satellite System） ，簡稱 CNSS7。目前改進型的“北斗二號”共 46 頁 第 4 頁正在研制中，計劃 2007 年初發(fā)射兩顆北斗導航衛(wèi)星，2008 年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的需求，并進行系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗，逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。可為我國陸地、海洋、空中

15、和空間的各類軍事和民用提供多種業(yè)務保障，尤其對提高我國國防現(xiàn)代化有著重要的意義。無論是 GPS 還是計劃中的伽利略系統(tǒng)和北斗導航系統(tǒng)，用戶部分的核心都是導航接收機，可以預計，隨著新一代全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的建立，需要開發(fā)適用于新一代導航衛(wèi)星的接收機。新一代導航接收機與現(xiàn)有的 GPS 接收機是不兼容的，用戶向下一代導航接收機的過渡將面臨巨大的升級費用?，F(xiàn)代數(shù)字 GPS 接收機多是基于數(shù)字信號處理專用芯片和高速微處理器構(gòu)成的，采用 ASIC 處理數(shù)字中頻信號來實現(xiàn)跟蹤及解調(diào)等工作，其速度較快，但算法固定且不容易改變硬件架構(gòu)，當算法改變時，必須重新進行芯片設計，代價高昂。軟件無線電跟 GPS 接收機

16、的結(jié)合孕育出了 GPS 軟件接收機，采用軟件無線電思想的軟件接收機，基于相對通用的硬件平臺，通過加載不同的運用程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，可以很好的解決上述問題11。1.4 軟件接收機的特點及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.4.1 軟件接收機的結(jié)構(gòu)特點接收機是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分，是衛(wèi)星導航系統(tǒng)與用戶之間的唯一接口。傳統(tǒng)接收機大多都是基于數(shù)字信號處理的專用芯片和用于快速計算的微處理器構(gòu)成的。其主要結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。天線接收的射頻信號經(jīng)過射頻前端進行放大、混頻、濾波、下變頻，形成中頻信號，然后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字中頻信號。此信號經(jīng)過基帶信號處理模塊和導航解算模塊之后輸出定位結(jié)果，發(fā)送給用戶。在硬件接

17、收接中基帶信號處理采用專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC)實現(xiàn)信號的捕獲和跟蹤。共 46 頁 第 5 頁 天線 RF 定位 結(jié)果圖 1.2 硬件接收機結(jié)構(gòu)圖硬件接收機對信號的處理通過 ASIC 實現(xiàn)，其運算速度快，但算法固定且不容易改變硬件架構(gòu)。當出現(xiàn)新的發(fā)射信號，或者衛(wèi)星發(fā)射的信號結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要由芯片廠商重新設計并更換接收機內(nèi)部的專用芯片才可實現(xiàn)，這樣不僅代價高昂，更嚴重影響了接收機的靈活性。另外，硬件接收機對用戶來說就像一個黑盒子，用戶只能獲得最終處理的數(shù)據(jù)結(jié)果，無法控制其內(nèi)部信號處理過程，一旦出現(xiàn)問題，用戶無法查找

18、原因。為了解決硬件接收機的弊端，將軟件定義無線電引入到衛(wèi)星導航接收機的研究中，實現(xiàn)接收機的軟件化設計。其全新的設計思想和體系結(jié)構(gòu)，打破了以硬件為核心的傳統(tǒng)接收機功能單一、可擴展性差的設計局限13。軟件接收機的結(jié)構(gòu)如圖 1.3所示：天線 數(shù)字 RF IF圖 1.3 軟件接收機結(jié)構(gòu)圖與硬件接收機不同的是，軟件接收機除了射頻前端和 A/D 轉(zhuǎn)換器用硬件實現(xiàn)外，其他功能全部由軟件來實現(xiàn)，包括基帶信號處理過程中對衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤。當出現(xiàn)新的衛(wèi)星信號時，只需要修改軟件，增加對新信號的處理模塊即可，不需要更換或升級硬件。若信號出現(xiàn)失鎖成不能正常捕獲時，可通過軟件調(diào)整不同的捕獲和跟蹤參數(shù)等方法來解決，方便

19、尋找和分析原因。利用軟件接收機通過多個導航定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組合可以加快定位速度，提高定位精度。另外，通過集成軟件接收機與相關的測試分析工具構(gòu)建一個完整的平臺。在此平臺上，可以方便的測試和優(yōu)化接收機的結(jié)構(gòu)、功能、性能，研究信號特性，探討信號處理方法，設計和驗證接收機各組成單元一些關鍵參數(shù)的選擇等?？傊浖邮諜C與硬件接收機相比，成本低，易于實現(xiàn)，具有更高的靈活性、通用性和開放性等優(yōu)點，成為衛(wèi)星導航接收機新的發(fā)展方向。 軟件部分 硬件部分 IFRF前端基帶信號處理導航解算 用戶 接口A/D轉(zhuǎn)換軟件部分 硬件部分 IF RF前端A/D轉(zhuǎn)換基帶信號處理用戶接口導航解算共 46 頁 第 6 頁1.4.2

20、 軟件接收機的發(fā)展現(xiàn)狀近年來越來越多的學者開始關注 GPS 軟件接收機，軟件接收機研究成為導航領域的一個熱點。受元器件發(fā)展緩慢的影響，早期的軟件接收機的研究大多只實現(xiàn)了跟蹤和導航解算軟件化，而基帶信號的相關處理仍需要采用硬件實現(xiàn)。隨著 IC 技術的發(fā)展，軟件接收機的研究越來越趨向于真正的軟件化。射頻前端輸出數(shù)字中頻信號后，信號的捕獲、跟蹤和導航數(shù)據(jù)的解調(diào)與解算全部通過軟件實現(xiàn)。2001 年，美國 Data Fusion Corporation 研發(fā)了一套基于 Matlab/C 的完整的 GPS 單頻軟件接收機開發(fā)測試平臺。2001 年，美國斯坦福大學與瑞典呂勒奧科技大學共同合作開發(fā)了四通道的

21、GPS 實時軟件接收機，之后又合作研究了直接采樣的射頻前端，并設計了 GPS/Galileo 多頻接收機117。2003 年，美國 Center for Remote SensingInc 開發(fā)出一套開放式的 GPS 軟件接收機開發(fā)和測試平臺，通過圖形用戶界面可以對該平臺各個軟件模塊進行連接和配置。2003 年，美國 Cornell 大學開發(fā)出一套 12 通道單頻 GPS實時軟件接收機，在普通 PC 上實現(xiàn)了 12 通道的實時處理。2004 年，丹麥 Alborg大學 GPS 中心研制出基于 Matlab 的 GPS 軟件接收機測試樣機，并在 2005 年的美國導航學會上提出了單頻 GPS 和

22、 Galileo 軟件接收機的研制方案2。2006 年，瑞典的Nordnav 公司開發(fā)山 GPS 軟件接收機 R30。在該軟件接收機中 RF 前端輸出的數(shù)字中頻信號通過 USB2.0 接口輸入至 PC 機進行處理，最多可并行處理 24 個通道的信號，每個信號通道的捕獲門限、相關器數(shù)量及載波相位和碼相位的跟蹤環(huán)路參數(shù)都可獨立設置，而且接收機還支持實時和后處理兩種工作方式，在 PC 上可并行實時處理 12 通道的數(shù)據(jù)1。近幾年我國對接收機的研究和開發(fā)也有了很大進步。北京航空航天大學的金天等人實現(xiàn)了基于 Pentium/AMD 的處理器的 12 通道 GPS 實時軟件接收機。中國科學院光電研究院的廖

23、炳瑜等人實現(xiàn)了基于 FPGA XILINX XC2V3000 和DSPTMS320C6416 的星載雙頻 GPS 軟件接收機2。此外，越來越多的高校和企業(yè)也開始了對軟件接收機進行研究，這將促進我國導航技術的發(fā)展。1.5 課題研究的意義 GPS 軟件接收機較之傳統(tǒng)的 GPS 接收機是一個巨大的進步，它具有以下許多優(yōu)點。1.實用性：實用性：使用軟件方法和少量硬件進行 GPS 信號接收處理。GPS 軟件接收機成本低，開發(fā)速度快，具有高度的可配置性。它只需要進行軟件修改，就可以對接收機進行修改和升級。當出現(xiàn)新的 GPS 信號頻率或使用新的偽隨機碼序列時，只需對接收軟件進行更改就可以適應新的信號。2.靈

24、活性：靈活性：GPS 軟件接收機也可以在進行修改后用于接收處理新的 GPS 信號和其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號。可以根據(jù)環(huán)境使用不同的門限值或者調(diào)整和修改參數(shù)，共 46 頁 第 7 頁保證接收機在任何情況下都能快速準確地實現(xiàn)定位。隨著美國政府新的 GPS 計劃的提出和其他新的導航系統(tǒng)的出現(xiàn)，GPS 軟件接收機的靈活性越來越顯著。3.高性價比：高性價比：適應于各種衛(wèi)星導航系統(tǒng)；軟件模塊可重復使用；可供教育、研究機構(gòu)研究測試新的軟件算法，評估接收機性能；還可以用來實現(xiàn)比較復雜的算法。4.強適應性強適應性：若新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)出現(xiàn)后，只要對軟件稍做調(diào)整，便可以適應不用的導航系統(tǒng)，而不需要另外購買新的接收機。

25、 5.模塊化設計模塊化設計：部分軟件模塊可以進行復用，從而可以降低開發(fā)的成本8?；谝陨蟽?yōu)點，GPS 軟件接收機的實現(xiàn)必將為其帶來廣闊的應用前景。較之傳統(tǒng)的 GPS 接收機，軟件接收機能快速適應現(xiàn)代化的 GPS 信號和新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它的出現(xiàn)和壯大將為 GPS 定位技術的進一步發(fā)展注入新的活力，是衛(wèi)星導航系統(tǒng)現(xiàn)代化的重要保障。另外，我國正在建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，GPS 軟件接收機修改后便可以應用于北斗定位算法的驗證和開發(fā)。因此，深入研究 GPS 軟件接收機對我國的衛(wèi)星導航事業(yè)也具有促進作用。1.6 論文研究的主要內(nèi)容本文的研究的主要內(nèi)容為 GPS 軟件接收機的仿真與實現(xiàn)。在課題內(nèi)容中重點研究

26、了 GPS 軟件接受機的算法，并用編程語言進行了實現(xiàn)，以及 GPS 軟件接收機的具體設計與實現(xiàn)。論文主要內(nèi)容分為 6 個部分，其中各章內(nèi)容分別為：第 1 章 緒論主要介紹了 GPS 的發(fā)展概況和結(jié)構(gòu)組成、GPS 接收機的發(fā)展概況，闡述了課題的研究意義，給出了本文的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。第 2 章 GPS 信號的產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)本章詳細分析了 GPS 信號的產(chǎn)生過程和 GPS 信號包含的具體內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。第 3 章 GPS 信號的捕獲討論了時域滑動相關算法、基于快速傅里葉變換（FFT）的并行頻域搜索和并行碼相位搜索捕獲算法，對其做了性能對比分析。第 4 章 GPS 信號的跟蹤介紹了鎖相環(huán)原理。碼跟蹤采用非

27、相干延遲鎖定環(huán)（DLL） ，載波跟蹤采用經(jīng)典的 Costas 鎖相環(huán)。第 5 章 GPS 軟件接收機的 MATLAB 實現(xiàn)介紹了用編程語言實現(xiàn) GPS 軟件接收機的算法，并對各個部分進行了成果展示與分析。結(jié)論與展望本章對本文的工作做了總結(jié)，并指出下一步的研究方向。共 46 頁 第 8 頁第二章 GPS 信號的產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)GPS 衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的信號，是一種調(diào)制波，但有別常用的無線電廣播電臺發(fā)送的調(diào)頻調(diào)幅信號，它是利用偽隨機碼傳送導航電文的調(diào)相信號。GPS 衛(wèi)星信號是目前常用的兩種衛(wèi)星導航定位信號之一，它包含有載波信號（L1 和 L2)、測距碼（C/A 碼和 P 碼）和數(shù)據(jù)碼（D

28、 碼，也稱導航電文） 。2.1 GPS 信號的產(chǎn)生GPS 衛(wèi)星播發(fā)的信號在 UHF（Ultra High Frequency）頻段的兩個頻率部分 L1和 L2 上傳播（UHF 頻段覆蓋了從 500MHz 到 3GHz 的所有頻率） 。下圖 2.1 描述了GPS 信號的產(chǎn)生原理： 圖2.1 GPS信號的產(chǎn)生在圖2.1的最左邊，時鐘信號f0=1023MHz分別和154和120相乘產(chǎn)生Ll和L2載波信號。同時時鐘信號f0在左下角限幅器作用后輸入到P(Y)碼生成器和C/A碼生成器。在圖2.1的最底部，數(shù)據(jù)生成器產(chǎn)生導航數(shù)據(jù)。碼生成器和數(shù)據(jù)生成器通過P(Y)碼生成器產(chǎn)生的信號X1同步9。在碼生成器右邊，

29、P(Y)碼生成器和C/A碼生成器分別產(chǎn)生的P(Y)碼和C/A碼分別通過模2加法器和導航數(shù)據(jù)組合。產(chǎn)生的P(Y)碼導航數(shù)據(jù)和C/A導航數(shù)據(jù)輸入到Ll頻率支路的兩個調(diào)制器，通過二進制相移鍵控(BPSK)方法調(diào)制到載波Ll上。P(Y)部分信號衰減3dB后，P(Y)支路和C/A支路相加產(chǎn)生Ll信號。另外一路P(Y)碼導航數(shù)據(jù)輸入到L2頻率支路的調(diào)制器，通過二進制相移鍵控方法調(diào)制到載波L2上，這部分信號衰減6dB后產(chǎn)生L2信號。共 46 頁 第 9 頁2.2 GPS 信號結(jié)構(gòu)2.2.1 載波信號GPS衛(wèi)星測距碼信號和導航電文的傳輸速率都很低，C/A碼、P碼和導航電文的傳輸速率分別為l.023Mbit/s

30、、10.23Mbit/s和50bit/s。且GPS衛(wèi)星離地面約20200km，其電能非常緊張，因此很難將測距碼和導航電文速率很低的信號傳輸?shù)降孛?。解決這一難題的方法就是將測距碼信號和導航電文調(diào)制到L頻段的兩種載波頻率(fL1和fL2)上發(fā)射，其中fL1=154f0=1575.42MHz，波長1=19.03cm，其上調(diào)制C/A碼、P碼和導航電文；fL2=120f0=1227.60MHz，波長2=24.42cm，其上僅調(diào)制C/A碼或者P碼其中一種，或者都不調(diào)制。2.2.2 C/A 碼和 P 碼每個GPS衛(wèi)星發(fā)送的測距碼有兩種：精密測距碼P(Y)碼和粗捕獲碼C/A碼，兩種均為偽隨機碼。偽隨機碼全稱偽

31、隨機噪聲碼(PRN Pseudo Random Noise Code)，簡稱偽碼，是一種可以預先確定又可重復產(chǎn)生和復制，具有類似于白噪聲隨機統(tǒng)計特性的二進制碼序列。偽碼的產(chǎn)生方式很多，GPS系統(tǒng)中采用的是由m序列(即最長線性反饋移位寄存器序列)產(chǎn)生的復合碼。m序列是由多級反饋移位寄存器產(chǎn)生的，不同級數(shù)的反饋寄存器以及不同的反饋抽頭都將產(chǎn)生不同的m序列。1.C/A碼的生成原理GPS信號中的C/A碼是序列長度為1023位(碼片數(shù))的Gold碼。Gold碼是m序列的復合碼，由兩個碼長相等、碼時鐘速率相同的m序列優(yōu)選對模2和構(gòu)成。改變產(chǎn)生它的兩個m序列的相對相位，就能得到一個新的Gold序列。Gold

32、碼有較優(yōu)良的自相關和互相關特性，構(gòu)造簡單，產(chǎn)生的序列數(shù)多，廣泛的應用于碼分多址系統(tǒng)10。本GPS軟件接收機使用帶有C/A碼的L1頻段的GPS信號進行定位。GPS信號中C/A碼的碼速率為1.023MHz，周期為1ms。其中每個基碼碼片的寬度為1ms/1023=977.5ns。C/A碼的產(chǎn)生原理如下圖2.2所示：共 46 頁 第 10 頁圖2.2 C/A碼的產(chǎn)生原理根據(jù)C/A碼的產(chǎn)生原理可知，G1的輸出為第10位線性移位寄存器的輸出即MLS輸出，G2的輸出則依賴于相位選擇器，相位選擇器選擇兩個位的輸出經(jīng)過一個模2加法器產(chǎn)生的碼序列為G2的輸出。C/A碼發(fā)生器將G1和G2的輸出作為輸入，在用一個 模

33、2加法器產(chǎn)生C/A碼。每到1023個周期，移位寄存器的值會重置為“1” ，開始產(chǎn)生下一周期的碼。由圖2-5可知，G1和G2的驅(qū)動時鐘為1.023MHz。G1寄存器的生成多項式為： (2.1)10311)(xxxG由式(2.1)可知，寄存器的第3位和第10位的狀態(tài)反饋給輸入。同樣，G2寄存器的生成多項式為： (2.2)109863221)(xxxxxxxGGPS星座中總共有37顆衛(wèi)星，因此要產(chǎn)生37個不同的PRN碼序列。如何產(chǎn)生不同的C/A碼主要取決于G2序列的相位選擇器。表2-1列出了不同衛(wèi)星的對應的不同相位選擇器的選擇。表21 碼相位分配衛(wèi)星ID編號GPS PRN信號編號碼相位選擇碼延遲碼片

34、C/A碼前10個碼片1126514402237616203348717104459817445519171133662101814557718139113188291401454共 46 頁 第 11 頁993101411623101023251150411113415216421212562541750131367255176414147825617721515892571775161691025817761717144691156181825470146719193647116332020474721715212158473174622226947417632323135091063242

35、4465121706252557513174326266851417612727795151770282881051617742929168591127303027860145331313886116253232498621712表中共有5列，第1列是衛(wèi)星的ID（Identity）號，第2列是PRN信號號碼，第3列是碼相位選擇，用于形成G2產(chǎn)生器的輸出，第4列是以碼元數(shù)表示的碼延遲，這個延遲就是MLS和G2輸出之差。一旦碼相位定了，延遲數(shù)也就定了。最后一列為每顆衛(wèi)星的C/A碼的前10位的八進制表，用于檢查產(chǎn)生的C/A碼是否有誤11。 C/A碼之所以用作GPS信號傳輸，是因為它有以下良好的自相關

36、和互相關特性。(1)互相關特性對于衛(wèi)星i和衛(wèi)星k對應的C/A碼Ci(k)和Ck(k)，其互相關函數(shù)如下： 任意 m (2.3)0)()()(10220mlClCmrkliik(2)自相關特性共 46 頁 第 12 頁對于衛(wèi)星k對應的C/A碼Ck(k)，其自相關函數(shù)如下： (2.4)0)()()(10220mlClCmrklkkk1m (2.5)1023)()()(10220mlClCmrklkkk1m由上述特性可以看出，所有的C/A碼之間是幾乎互不相關的。除了完全對齊的情況，所有的C/A碼自身也是幾乎不相關的。這種特性使得很容易找出兩個完全對齊的相同的C/A碼。2.P碼的生成原理P碼的碼速率為

37、10.23MHz，每個基碼碼片約寬97.7ns，對應的空間距離為29.3m。由于其基碼碼片寬度為C/A碼的1/10，所以其測距精度遠遠高于C/A碼，故稱P碼為精密測距碼。P碼的產(chǎn)生原理與C/A碼相似，由兩個碼長互素的子碼x1和x2組成的模2和復碼產(chǎn)生。兩個子碼x1和x2是由24級移位寄存器產(chǎn)生的截短碼，x1和x2的碼速率均為10.23MHz。不同的衛(wèi)星分別對應于不同的P碼。2.2.3 導航電文導航電文是用戶用來定位和導航的數(shù)據(jù)基礎，主要包括衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、工作狀態(tài)信息已經(jīng)C/A碼轉(zhuǎn)到捕獲P碼的信息，這些數(shù)據(jù)以二進制的形式發(fā)送給用戶，因此導航電文又稱為數(shù)據(jù)碼，或稱之為D碼。圖

38、2.3 導航電文的組成格式導航電文的格式如圖2.3所示，它的基本單位是1500bits的一個主幀，導航電文的傳輸速率為50bps，因此，每30s才能夠傳送完一個主幀。每一個主幀包含5個子幀，前三個子幀各有10個字碼，每個字碼30bits；第4、5子幀各有25個頁面，共有37500bits，長達12.5min。第4、5子幀與第1、2、3子幀不同，它需要750s才能傳送完畢全部信息量。共 46 頁 第 13 頁2.2.4 GPS 衛(wèi)星信號的調(diào)制傳統(tǒng)的GPS信號屬于直接序列擴頻信號，信號的調(diào)制過程只是周期性地改變載波的相位，而載波的頻率沒有變化。各模塊都是在以頻率f0=10.23MHz為基準時鐘的基

39、礎上產(chǎn)生的，基準頻率f0經(jīng)過限幅器為C/A碼和P碼生成器提供了穩(wěn)定的時鐘，導航數(shù)據(jù)和C/A碼是由P碼發(fā)生器生成的X1歷元控制同步和疊加而成。疊加后的C/A碼和P碼再通過調(diào)制器以BPSK相互正交的調(diào)制方式調(diào)制到載波L1上，即分別調(diào)制在載波L1的同相和正交通道上。P碼部分的信號衰減3dB后，與C/A碼部分信號相加就是L1頻段上發(fā)射的信號。L2頻段上的GPS信號的結(jié)構(gòu)與L1頻段上信號基本一致，但是它通過切換開關僅提供P碼與導航數(shù)據(jù)異或、C/A碼與導航數(shù)據(jù)異或和單獨P碼中的一種12。由此，GPS衛(wèi)星發(fā)射信號的結(jié)構(gòu)分別為：L1 載波上： (2.6)cos()()()sin()()()(11011ttDt

40、PAttDtCAtSLPLCLL2 載波上： (2.7)2cos()()()(22ttDtPBtSLPL圖2.4 信號調(diào)制結(jié)果圖2.3 本章小結(jié)本章介紹了有載波信號、測距碼、D碼組成的GPS信號結(jié)構(gòu)，并詳細介紹了C/A碼的生成原理及GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制，為后續(xù)捕獲和跟蹤技術奠定了基礎。共 46 頁 第 14 頁第三章 GPS 信號的捕獲在傳統(tǒng)GPS接收機中，捕獲部分通常是用專用的集成電路(ASIC)來實現(xiàn)的。而在GPS軟件接收機中，捕獲部分是通過軟件來實現(xiàn)的。本章首先介紹了幾種基本的捕獲算法。隨后給出了一種能在軟件接收機中有效實現(xiàn)捕獲的算法，并在MATLAB中利用算法對一組實際采集的信號進行了

41、捕獲。3.1 GPS 信號捕獲原理在軟件接收機中，捕獲是利用偽隨機碼良好的相關特性，檢測本地C從碼和衛(wèi)星信號偽隨機碼的相關輸出。對某一顆可見衛(wèi)星，當本地C/A碼的碼相位、本地載波的頻率和輸入信號中的碼相位以及載波頻率相匹配時，有最大的相關值。本地C/A碼的碼相位與輸入信號中的碼相位在任何一邊的偏移超過一個碼元時，有最小的相關值。當檢測到最大相關值時便達到了捕獲的目的。通過對GPS信號的捕獲，可以確定犯顆衛(wèi)星中的可見衛(wèi)星，并可計算出可見衛(wèi)星的載波頻率和OA碼的碼相位的粗略值。接收到的GPS信號通常是幾顆可見衛(wèi)星播發(fā)的GPS信號的組合，如下式： (3.1)()()()(21tstststsn上式中

42、表示衛(wèi)星播發(fā)的GPS信號，是接收機接收到的所有顆可見)(tsnn)(tsn衛(wèi)星播發(fā)的GPS信號的組合。當捕獲衛(wèi)星時，輸入信號和本地所產(chǎn)生的不同k)(tsC/A碼序列、不同本地載波序列相乘。利用C/A碼良好的相關特性，通過檢測到的最大相關值，找到可見衛(wèi)星和對應衛(wèi)星的載波頻率和C/A碼的碼相位的粗略值，達到捕獲的目的。其中信號捕獲輸出的C/A碼的碼相位和載波頻率是用于跟蹤的初始條件13。3.2 GPS 軟件接收機捕獲算法對于GPS衛(wèi)星信號有多種捕獲方案，以下幾節(jié)將分別介紹三種捕獲算法：串行搜索捕獲算法，并行頻域搜索捕獲算法和并行碼相位搜索捕獲算法。3.2.1 串行搜索捕獲算法串行搜索捕獲算法在碼分

43、多址(CDMA Code Division Multiple Access)系統(tǒng)中是一種常用的方法。GPS就是一種CDMA系統(tǒng)。下圖3.1給出了串行搜索捕獲算法的基本原理框圖。共 46 頁 第 15 頁圖3.1 串行搜索捕獲算法原理圖由圖3.1可以看出，串行搜索捕獲算法基于本地產(chǎn)生的C/A碼序列、本地振蕩器產(chǎn)生的載波與輸入信號之間的相乘運算。對于一個特定的衛(wèi)星，C/A碼產(chǎn)生器產(chǎn)生一個本地C/A碼序列。這個本地C/A碼序列的碼相位變化范圍是01022個碼元。輸入信號首先和本地產(chǎn)生的C/A碼序列相乘，然后再和本地振蕩器產(chǎn)生的載波相乘。其中和本地振蕩器產(chǎn)生的載波相乘后產(chǎn)生支路，和本地載波偏移900相

44、位后相乘產(chǎn)生I正交的支路。然后支路和支路分別經(jīng)過積分運算和平方運算后相加作為輸出。QIQ理論上，由于C/A碼只在信號上調(diào)制，信號的能量應該在支路。但是由于不II知道接收到的GPS信號的相位，解調(diào)后的信號不一定等于衛(wèi)星產(chǎn)生的信號。所以II為了保證能夠檢測到信號，對支路和支路分別做積分運算是必要的。最后的輸IQ出信號是輸入信號和本地產(chǎn)生信號的相關值。如果輸出大于預先給定的門限值，那么本地產(chǎn)生的載波頻率和C/A碼的相位就是正確的。然后將該載波頻率值和C/A碼的相位值傳遞給跟蹤部分，作為跟蹤部分的初始值。串行搜索捕獲算法中有兩次不同的掃描運算過程。一次是對中頻IF10kHz范圍內(nèi)所有頻率以一定步長的頻

45、率搜索，本論文采用500Hz為步長；一次是對1023個不同的碼相位搜索。這兩次的搜索過程總共有41943次運算。如下式： (3.2)4194341102315001000021023頻率碼相位顯然，41943次運算的運算量非常大。這種耗時的搜索是串行搜索捕獲方法的主要弱點。但是它同時也具有算法簡單，實現(xiàn)起來簡單直接的優(yōu)點14。3.2.2 并行頻域搜索捕獲算法如果能從搜索過程中消除對其中一個參數(shù)的搜索，或者能使對兩個參數(shù)的搜索同時進行，算法性能將會大大提高。這一小節(jié)介紹的并行頻域搜索捕獲算法，就是對一個參數(shù)的搜索。這種方法利用了傅立葉變換將信號從時域變換到頻域。并行頻域搜索捕獲算法的原理圖如下圖

46、3.2所示：共 46 頁 第 16 頁圖3.2 并行頻域搜索捕獲算法原理圖圖3.2中，輸入信號首先和本地產(chǎn)生的C/A碼序列相乘。對于一個特定的衛(wèi)星，C/A碼的相位介于01022個碼元之間。然后對相乘后的信號進行傅里葉變換，使其變換到頻域。進行傅里葉變換時，可以通過離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)。其中FFT比DFT的運算速度快，但是FFT要求輸入序列的長度等于2的正整數(shù)次冪15。3.2.3 并行碼相位搜索捕獲算法相比較以500Hz為步長的載波頻率搜索總量41，碼相位的搜索總量1023是比較大的。上節(jié)介紹的并行頻域搜索捕獲方法中，通過將信號在頻域的搜索并行化方式，消除了對4

47、1個可能的載波頻率進行必要的搜索過程。如果能使捕獲過程在相位域并行化，那么相比較并行頻域搜索捕獲方法中的1023次搜索，這種情況下只需要搜索41次。下面介紹的并行碼相位捕獲算法就是用到了以上提到的并行化碼相位搜索過程的辦法。捕獲的目的就是為了對輸入信號和一個C/A碼序列做相關運算。相比較串行搜索捕獲方法中輸入信號分別和1023個不同碼相位的C/A碼序列相乘，對輸入信號和具有不同碼相位偏移的C/A碼序列做循環(huán)互相關更方便。下面是一種通過傅立葉變換實現(xiàn)循環(huán)相關的方法。兩個長度同為N的有限長序列和的離散傅立葉變換和計算如)(nx)(ny)(kX)(kY下： (3.6)10/2)()(NnNknjen

48、xkX (3.7)10/2)()(NnNknjenykY兩個長度同為N的有限長序列和的循環(huán)互相關計算如下：)(nx)(ny)(nz (3.8)1010)()(1)()(1)(NmNmnmymxNnmymxNnz下面的分析中均省略了中的縮放因子，的N點離散傅立葉變換)(nzN1)(nz計算如下：)(kZ共 46 頁 第 17 頁NknjNmNnenmymxkZ/21010)()()(10/ )(210/2)()(NnNnmkjNmNkmjenmyemx (3.9)()(kYkX式中是的復共軛。)(kX)(kX由以上分析可以看出，兩個序列)和)的循環(huán)互相關的傅立葉變換)(nx)(ny)(nz可以用

49、這兩個序列的頻域表達式的復共扼和表示。然后再對)(kX)(kX)(kY取反傅立葉變換，就可以得到序列和的循環(huán)互相關的表達式：)(kZ)(nx)(ny)(nz (3.10)()(1kZFnz下圖3.4是并行碼相位搜索捕獲算法的原理圖：圖3.4 并行碼相位搜索捕獲算法原理圖圖3.4中，輸入信號首先和不同相位的兩路本地載波相乘，和本地載波相乘后的產(chǎn)生支路信號，和本地載波偏移900相位后的信號相乘產(chǎn)生支路信號。然后支IQI路和支路作為一路復輸入信號進行傅立葉變換。本地C/A碼經(jīng)Q)()()(njQnInx過傅立葉變換后取共軛，然后其共軛和輸入信號)經(jīng)過傅立葉變換得到的信號相)(nx乘。通過反傅立葉變換

50、將這部分相乘后的信號轉(zhuǎn)換到時域，最后通過取絕對值得到輸入信號和C/A碼之間的相關值。絕對值的大小代表了輸入信號和C/A碼相關性的強弱，通過找出結(jié)果中的一個最大值，確定出輸入信號和C/A碼相關性最好時C/A碼的各種狀態(tài)信息。相比較前面的捕獲方法，并行碼相位搜索捕獲方法將搜索量減少到了對41個不同載波頻率的搜索。每次捕獲時，C/A碼的傅立葉變換只需要計算一次，41個不同的載波頻率分別要進行傅立葉變換和反傅立葉變換。所以并行碼相位搜索捕獲算法的計算效率主要依賴于上述過程的實現(xiàn)。并行碼相位搜索捕獲算法參數(shù)估計的頻率精度和串行搜索捕獲算法相同。對于C/A碼相位，由于并行碼相位搜索捕獲算法對每個抽樣的碼相

51、位都給出了相關值，其精度大于以上兩種方法。因為如果抽樣頻率是10MHz，一個抽樣后的1ms的C/A碼序列有10000個點，所以對于一個碼相位的計算結(jié)果有10000個值。相比較前面兩種方法的1023個值，其碼相位的精度是明顯增大共 46 頁 第 18 頁的。和其他捕獲方法一樣，并行碼相位搜索捕獲算法可以直接通過方框圖3.4實現(xiàn)。相比較前面的兩種捕獲算法的方框圖，并行碼相位搜索捕獲算法的原理圖中幾乎沒有添加新的模塊，這樣許多元件就可以在這種方法的實現(xiàn)中復用16。3.3 本章小結(jié)本章介紹了信號捕獲的基本原理和常用的幾種基本的捕獲方法，并對捕獲中的有關參數(shù)進行了分析。隨后給出了在本文研究的軟件接收機中

52、有效實現(xiàn)捕獲的算法，并在Matlab中利用該算法對一組實際采集的信號成功進行了捕獲。3.1節(jié)詳細介紹了進行GPS信號捕獲的基本原理。3.2節(jié)介紹了三種捕獲算法，其中串行搜索捕獲算法基于本地產(chǎn)生的C/A碼序列、本地振蕩器產(chǎn)生的載波與輸入信號之間的相乘運算。串行搜索捕獲算法中有兩次不同的掃描運算過程。一次是對中頻IF10kHz范圍內(nèi)所有頻率以一定步長的頻率搜索，本論文采用500Hz為步長，一次是對1023個不同的碼相位搜索。這種耗時的搜索是串行搜索捕獲方法的主要弱點，但是它同時也具有算法簡單，實現(xiàn)起來簡單直接的優(yōu)點。并行頻域搜索捕獲算法利用了傅立葉變換將信號從時域變換到頻域，通過將信號在頻域的搜索

53、并行化，消除了對41個可能的載波頻率的搜索過程，只對1023個不同的碼相位進行了搜索，減少了搜索量，但計算效率沒有明顯提高。并行頻域搜索捕獲算法中載波頻率的精度是1Hz，比串行搜索捕獲算法500Hz的精度高。并行碼相位捕獲算法通過傅立葉變換實現(xiàn)循環(huán)相關，使得捕獲過程在相位域并行化，將搜索量減少到了對41個不同載波頻率的搜索，運算效率較高，適合軟件接收機設計。這種捕獲算法對每個抽樣的碼相位都給出了相關值，其精度明顯大于串行搜索捕獲算法和并行頻域搜索捕獲算法，其頻率精度和串行搜索捕獲算法相同。共 46 頁 第 19 頁第四章第四章 GPS 信號的跟蹤信號的跟蹤完成信號捕獲以后，得到的載波頻率和C/

54、A碼相位只是對GPS信號的粗略估計。跟蹤部分的主要目的就是得到更精確的載波頻率和C/A碼相位，保持對信號的跟蹤和解調(diào)出特定衛(wèi)星的導航數(shù)據(jù)。下圖4.1是一個基本的解調(diào)原理圖。圖4.1 解調(diào)原理圖圖4.1給出了從輸入信號中解調(diào)出導航信息的基本原理。首先，輸入信號和一個載波信號相乘，相乘后可以消除輸入信號中的載波。然后將消除載波后的信號和C/A碼相乘，相乘后輸出導航信息。由以上過程可以看出，跟蹤模塊必須產(chǎn)生載波信號和C/A碼信號來完成準確的跟蹤和衛(wèi)星信號的解調(diào)。下面是對GPS信號解調(diào)過程的詳細描述。4.1 解調(diào)過程設和分別是衛(wèi)星播發(fā)的L1載波頻率和L2載波頻率，是衛(wèi)星對應的1Lf2LfkkCkC/A

55、碼序列，是衛(wèi)星對應的P(Y)碼序列，是導航數(shù)據(jù)序列，、，和kPkkDCP1PLP是C/A部分信號和P(Y)碼部分信號的功率。衛(wèi)星播發(fā)的GPS信號)可以表2PLPk)(tsk示為：)2sin()(2)2cos()()(2)(111tfDtPPtftDtCPtsLkkPLLkkCk (4.1)2sin()()(222tftDtPPLkkPL在經(jīng)過含有濾波部分和下變頻部分的前端接收設備后，接收到的如下：)(tsk (4.2)sin()()(2)cos()()(2)(1ttDtPPttDtCPtsIFkkPLIFkkCk其中輸入信號中的載波經(jīng)過前端接收設備后下變頻成中頻。IF該信號然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被

56、采樣。由于在經(jīng)過窄帶濾波器時，P碼失真變形。所以在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的信號中以噪聲表示。式（4.2）中的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后)(ne如下： (4.3)()cos()()()(nennDnCnsIFkkk其中表示該信號在時域是離散的，大小為的正整數(shù)倍。nsf1共 46 頁 第 20 頁要從經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的信號中提取出導航數(shù)據(jù)，必須將該信號轉(zhuǎn)換到基帶。)(nDk圖4.1中所示，首先通過輸入信號和本地載波相乘去除輸入信號中的載波。如果本地載波的頻率和相位和輸入信號中載波的頻率和相位相同，它們相乘后如下：)cos()cos()()()cos()(nnnDnCnnsIFIFkkIFk (4.4)()()

57、2cos(21)()(21nDnCnnDnCkkIFkk上式中第一項是導航信息和C/A碼相乘，第二項中含有頻率為2倍中頻的載波信號。式（4.4）中相乘后得到的信號通過一個低通濾波器后第二項被濾除，得到信號 (4.5)()(21nDnCkk然后通過將去除載波后的信號和本地C/A碼做相關運算去除信號中的碼。如果)(nCk本地C/A碼和輸入信號的中的碼序列和碼相位完全相同，相關運算后的輸出如下： (4.6)()()()(10nNDnDnCnCkNnkkk其中是導航信息和信號中點的總數(shù)的乘積。)(nNDkN以上只是對一顆衛(wèi)星的一個信號的解調(diào)分析，這樣減少了公式的復雜度，給出了解調(diào)過程的一種簡單思路。在

58、實際信號中，接收到的信號是由許多可見衛(wèi)星播發(fā)的信號組成的。圖4.1中，解調(diào)時需要產(chǎn)生本地載波和本地C/A碼兩個信號。要產(chǎn)生這兩個完全準確的信號，就必須對其加一些反饋。通常稱產(chǎn)生本地載波的反饋環(huán)路為載波跟蹤環(huán)，產(chǎn)生本地C/A碼的反饋環(huán)路為碼跟蹤環(huán)。4.2 鎖相環(huán)原理鎖相環(huán)是一個相位負反饋誤差閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要用于調(diào)節(jié)本地晶體振蕩器的輸出頻率來和輸入信號的頻率相匹配的環(huán)路，由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。鑒相器是一個誤差檢測單元，比較輸入相位與輸出相位后得到誤差信號。鑒相器特性多種多樣，不同的鎖相環(huán)的區(qū)別主要在于鑒相器的選取。環(huán)路濾波器實質(zhì)上低通濾波器，它濾除誤差信號的高頻分量，輸出一

59、個信號去控制壓控振蕩器的頻率。環(huán)路濾波器的階數(shù)既決定了鎖相環(huán)的性能又決定環(huán)路的階數(shù)，若選用n階濾波器，則其鎖相環(huán)路為n+1階。壓控振蕩器是一個線性調(diào)頻振蕩器，其振蕩頻率在工作區(qū)域內(nèi)隨控制信號作線性變化。由環(huán)路濾波器輸出的控制信號控制振蕩器的輸出頻率，使之與輸入頻率同步?；炬i相環(huán)如圖4.2所示，實際應用中的各種形式的環(huán)路都是由基本環(huán)路演變而來的。 共 46 頁 第 21 頁(a) (b)圖4.2 基本鎖相環(huán)(a) 時域結(jié)構(gòu) (b)S域結(jié)構(gòu)圖4.2(a)是鎖相環(huán)的時域結(jié)構(gòu)，圖，4.2(b)是經(jīng)過拉普拉斯變換得到的S域結(jié)構(gòu)。由于相位與頻率之間存在積分的關系，為了便于分析，設輸入相位為，壓控振)(t

60、i蕩器的輸出相位為，相位比較器測量兩者的相位差，放大器為相位比較器的)(tf0k增益，低通濾波器濾除環(huán)路中的噪聲。4.3 載波跟蹤載波跟蹤環(huán)的主要作用是對碼跟蹤環(huán)的輸出信號進行解調(diào)，得到導航電文數(shù)據(jù)，同時得到載波Doppler頻移觀測量，用于對接收機進行高精度測速。要成功的解調(diào)出導航數(shù)據(jù)，必須產(chǎn)生完全準確的本地載波信號。通常采用相位鎖定環(huán)(PLL Phase Locked Loop)和頻率鎖定環(huán)(FLL Frequency Locked Loop)來跟蹤一個載波信號。PLL是通過測量本地載波相位和輸入載波之間的相位差來保持對輸入信號相位的跟蹤。FLL是通過測量本地載波頻率和輸入載波之間的頻率差