GPS頻域捕獲實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第 16 頁(yè) 共 16 頁(yè) 南 京 理 工 大 學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名:劉南舢學(xué) 號(hào)：0810200227學(xué)院(系):自動(dòng)化專 業(yè):自動(dòng)化朱建良指導(dǎo)教師： 2011 年 06 月目錄1.設(shè)計(jì)要求32.GPS信號(hào)概要 2.1 GPS信號(hào)的構(gòu)成32.2 相關(guān)性3 2.3 多普勒頻移43. 捕獲 3.1 捕獲的目的4 3.2 串行搜索捕獲5 3.2.1 偽碼序列的產(chǎn)生6 3.2.2 載波的產(chǎn)生7 3.2.3 積分和平方7 3.2.4 圖像的篩選74.總結(jié)135.附件146.參考文獻(xiàn)16題目：GPS時(shí)域捕獲算法仿真1 設(shè)計(jì)要求GPS衛(wèi)星信號(hào)包括載波，導(dǎo)航電文，C/A碼三部分，GP

2、S接收機(jī)的信號(hào)捕獲過程就是去除載波，剝離C/A碼的過程，并且載波頻率和C/A碼的估計(jì)值必須小于載波環(huán)和碼環(huán)的遷入范圍。我們主要研究的GPS捕獲方法是串行時(shí)域捕獲法。2 GPS信號(hào)概要21 GPS信號(hào)的構(gòu)成GPS信號(hào)由以下三部分組成：（1）載波，（2）導(dǎo)航數(shù)據(jù)，（3）擴(kuò)頻序列。2.1.1 載波GPS信號(hào)是利用兩個(gè)UHF頻段的載波進(jìn)行傳輸?shù)?，UHF的頻率范圍為500MHz-3GHz。兩個(gè)載頻L1和L2可以由相同的頻率=10.23MHz產(chǎn)生，具體方法如下： =154f0=1575.42MHz =120f0=1227.60MHz以或?yàn)檩d波。2.1.2 導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)包含衛(wèi)星軌道的相關(guān)信息。GPS控制

3、段中的地面站負(fù)責(zé)把這些信息上傳到所有的衛(wèi)星。導(dǎo)航數(shù)據(jù)的比特率為50b/s。2.1.3 擴(kuò)頻序列每個(gè)衛(wèi)星都有兩個(gè)唯一的擴(kuò)頻序列或擴(kuò)頻碼。第一個(gè)是粗捕獲碼（C/A），另外個(gè)是加密精確碼（P(Y)）。C/A碼是一個(gè)1023碼片的序列（一個(gè)碼片對(duì)應(yīng)1bit，稱之為碼片是強(qiáng)調(diào)它不包含任何信息），其周期為1ms，碼速為1.023MHz。P碼的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，碼速率為10.23MHz，且在每次GPS周開始時(shí)重復(fù)。C/A碼只在L1載波上調(diào)制。22 相關(guān)特性C/A碼的兩個(gè)重要相關(guān)特性如下：2.2.1 幾乎沒有互相關(guān)性所有的C/A碼互相之間幾乎沒有相關(guān)性。也就是說衛(wèi)星i和衛(wèi)星k的兩個(gè)碼Ci和Ck的互相關(guān)性如下： 2.2

4、.2 除了零延時(shí)外，幾乎沒有自相關(guān)性 所有的C/A碼幾乎和自己都沒有相關(guān)性， 除了零延時(shí)。這一特性使我們很容易找出什么時(shí)候兩個(gè)碼是嚴(yán)格對(duì)齊的。衛(wèi)星K的自相關(guān)性特性如下： 23 多普勒頻移在GPS中，會(huì)遇到由發(fā)射機(jī)（衛(wèi)星）相對(duì)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移，多普勒頻移會(huì)影響到GPS信號(hào)的捕獲和跟蹤。對(duì)靜止的GPS接收機(jī)來說，在L1頻率上最大的多普勒頻移約為 5kHZ,對(duì)高速移動(dòng)的GPS接收機(jī)，可以假定最大的多普勒頻移為10KHz由于C/A碼的碼率低，其多普勒頻移非常小。C/A碼的碼率為1.023MHz，是L1載波頻率的1 /1054。因此，對(duì)靜止接收機(jī)和高速接收機(jī)C/A碼的多普勒頻移分別為3.2M

5、Hz和6.4MHz。3 捕獲捕獲的目的是確定可見衛(wèi)星及衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率，碼相位的粗略值。31 捕獲的目的衛(wèi)星由32個(gè)不同的PRN碼進(jìn)行區(qū)分。第二個(gè)參數(shù)是碼相位，指的是偽隨機(jī)碼在當(dāng)前數(shù)據(jù)塊中的時(shí)間同步信息。為產(chǎn)生與接受信號(hào)偽碼相位完全對(duì)齊的本地偽碼，需要知道碼相位，此時(shí)則可從信號(hào)中去除偽碼。兩個(gè)偽碼只有在時(shí)延為零的時(shí)候才能得到最大相關(guān)值，也就是說，兩個(gè)信號(hào)必須完全對(duì)齊才能去除接收信號(hào)中的偽碼。第三個(gè)參數(shù)是載波頻率，在下變頻的情況下指的是中頻。接收到的L1頻點(diǎn)1575.42MHz射頻信號(hào)，在下變頻器中經(jīng)過混頻后可得到中頻信號(hào)。但是，接受信號(hào)的頻率可能偏離預(yù)期值。在視距范圍內(nèi)的衛(wèi)星速度（相對(duì)于接收

6、機(jī)）引起的多普勒頻移可導(dǎo)致接收信號(hào)頻率的升高或降低。在最壞的情況下，頻差有可能打到10kHz。產(chǎn)生本地載波信號(hào)的前提是必須知道接受信號(hào)的頻率，其目的是用于去除接收信號(hào)載波。在通常情況下，搜索得到的最大頻率誤差為500Hz是可以接受的。32 串行搜索捕獲串行搜索捕獲方法是碼分多址系統(tǒng)（CDMA）中經(jīng)常采用的一種捕獲方法。GPS就是一種CDMA系統(tǒng)。圖3_1顯示的是串行搜索算法的框圖。 圖3_1 串行搜索法框圖從圖3_1可以看出，該方法基于接受信號(hào)與本地產(chǎn)生偽碼序列及本地載波的乘積。偽碼發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于某一特定衛(wèi)星的衛(wèi)星的偽碼序列，該序列有一個(gè)特定的碼相位，0到1022碼片。接受信號(hào)首先與本地

7、產(chǎn)生的偽碼序列相乘，然后與本地產(chǎn)生的載波相乘。與本地產(chǎn)生載波相乘之后，產(chǎn)生同相I之路信號(hào)，與本地產(chǎn)生載波的90度相移信號(hào)相移信號(hào)相乘之后產(chǎn)生正交Q之路信號(hào)。I，Q支路信號(hào)分別經(jīng)過1ms，即C/A碼周期的時(shí)間積分后，平方相加，理想情況下，由于C/A碼僅調(diào)制于I支路信號(hào)，所以信號(hào)功率應(yīng)集中在I支路，但是，在這種情況下，衛(wèi)星產(chǎn)生的I支路信號(hào)與解調(diào)后的I支路信號(hào)并不需要一一對(duì)應(yīng)，這是因?yàn)榻邮苄盘?hào)的相位是未知的。因此，為了確定是否檢測(cè)到接受信號(hào)，需要同時(shí)對(duì)I支路和Q支路信號(hào)進(jìn)行研究。輸出為接受信號(hào)與本地產(chǎn)生信號(hào)的相關(guān)值。如果得到的相關(guān)值超過了預(yù)先設(shè)定的門限，即可確定本地產(chǎn)生信號(hào)的載波和碼相位參數(shù)是正確的

8、，轉(zhuǎn)入跟蹤過程。3.2.1 偽碼序列的產(chǎn)生圖3_1顯示，串行搜索捕獲方法的首要任務(wù)是接受信號(hào)與本地產(chǎn)生偽碼序列相乘，因此需要產(chǎn)生本地偽碼，所有可能的偽碼序列均離線產(chǎn)生，而不是在信號(hào)捕獲過程中產(chǎn)生。在本次的課程設(shè)計(jì)中，本地的偽碼序列由GetCACode.m產(chǎn)生的，本來偽碼發(fā)生器是利用二進(jìn)制數(shù)據(jù)0，1實(shí)現(xiàn)的，但是在實(shí)際處理中用的是-1和1。每個(gè)衛(wèi)星產(chǎn)生4096個(gè)數(shù)，部分截圖如下： 圖3_2 部分本地偽碼序列3.2.2 載波的產(chǎn)生捕獲的第二步是與本地載波相乘。載波發(fā)生器需要產(chǎn)生相位差為90度的兩路載波信號(hào)，即余弦波和正弦波信號(hào)。在本次課程設(shè)計(jì)中，我們是通過 carrier = exp(1i*2*pi

9、*(0:Len-1)*(fc+dopplor)/fs)產(chǎn)生的，其中Len為gpsdata的長(zhǎng)度，fc為0.42MHz，fc為信號(hào)中心頻率，dopplor為多普勒頻移，剛開始設(shè)置為-4000，增量為200。fs為8.184MHz，fs為信號(hào)采樣頻率。然后在加一部信號(hào)的強(qiáng)化： for k=1:floor(length(gpsdata_ddc)/Q) gpsdata_ddc_CIC(k) = sum(gpsdata_ddc(k-1)*Q+1:k*Q); end接著利用如下程序分出正弦和余弦波： sine=real(gpsdata_ddc_CIC); %虛部 cosine=imag(gpsdata_d

10、dc_CIC); %實(shí)部3.2.3 積分和平方串行搜索捕獲方法的最后一部分是與正弦和余弦信號(hào)分別相乘后進(jìn)行積分和平方。平方主要是為了獲得信號(hào)功率。積分則是將對(duì)應(yīng)于處理數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的所有38192個(gè)點(diǎn)的值相加。平方在積分過程之后進(jìn)行。最后一步是將I支路和Q支路的兩個(gè)平方值相加，然后在開方。如果本地偽碼與接受信號(hào)偽碼完全對(duì)齊，同時(shí)本地產(chǎn)生載波頻率與接收信號(hào)頻率相匹配，則得到的輸出值比不滿足這些條件的結(jié)果要大得多。 for q=1:1023 for k=1:1023 %積分 Comp1(q)=Comp1(q)+LoCAcode(q-1+k)*sine(k); Comp2(q)=Comp2(q)+LoCA

11、code(q-1+k)*cosine(k); end Comp(q)=sqrt(Comp1(q)*Comp1(q)+Comp2(q)* Comp2(q); %平方和，開方 end首先程序?qū)⒈镜貍未a序列與載波信號(hào)逐位進(jìn)行相乘并相加，即卷積。然后本地的偽碼序列從第2位開始與載波的第一位相乘，以此類推，這就相當(dāng)于本地偽碼序列循環(huán)左移了一位。循環(huán)卷積1023次后就可算出1023個(gè)相關(guān)值。然后令多普勒頻移加200，再進(jìn)行循環(huán)卷積，直到多普勒頻移從-4000到3800為止。這樣就可以算出40*1023的相關(guān)性矩陣。利用mesh函數(shù)畫出圖像即可獲得圖像，見圖3_3和圖3_4。 圖3_3 1號(hào)衛(wèi)星的圖像 圖3

12、_4 9號(hào)衛(wèi)星的圖像從上面兩張圖可以看出，有些衛(wèi)星可以捕獲的信號(hào)，有些衛(wèi)星不能捕獲到信號(hào)。因此，我們還要設(shè)定一些條件來判斷是否捕獲到了衛(wèi)星信號(hào)。3.2.4 圖像的刪選由已給程序知，當(dāng)峰值為平均值的4倍的時(shí)候，我們認(rèn)為GPS捕捉到了衛(wèi)星，那么由圖像知，并不是所有衛(wèi)星都被捕捉到了，那么首先我們要算出最大值和平均值。我們用了如下語(yǔ)句來計(jì)算最大值和平均值：avg= sum(yy(:)/numel(yy); a,l=max(yy(:);p,q=ind2sub(size(yy),l) 其中yy是相關(guān)性的矩陣。yy（：）是把一個(gè)矩陣轉(zhuǎn)換成一個(gè)向量形式。sum(yy(:)是計(jì)算矩陣所有元素的和，numel(y

13、y)是矩陣中所有的元素個(gè)數(shù)。因此平均值avg=sum(yy(:)/numel(yy)。而a,l=max(yy(:)是把矩陣中最大的數(shù)賦給M，并且把這個(gè)數(shù)所在的位置賦給了，因?yàn)榇藭r(shí)yy（：）是一個(gè)向量形式，所以必須加一句p,q=ind2sub(size(yy),l)，把最大值所在位置的索引值轉(zhuǎn)換成矩陣的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。之后再判斷最大值a與平均值avg的關(guān)系即可。 if a/avg>THR figure(m); mesh(yy); end 但是這樣我們發(fā)現(xiàn)，依然輸出的是32張圖片，原因是Comp(q)=Comp1(q)*Comp1(q)+Comp2(q)* Comp2(q);平方和之后，使得

14、a非常大，很容易大于avg4倍，于是我改變了THR,把4改為16，輸出如下6張圖。這樣輸出一下6張圖： 圖3_5 第9號(hào)衛(wèi)星的圖像 圖3_6 第15號(hào)衛(wèi)星的圖像 圖3_7 第18號(hào)衛(wèi)星的圖像 圖3_8 第21號(hào)衛(wèi)星的圖像 圖3_9 第26號(hào)衛(wèi)星的圖像 圖3_10 第27號(hào)衛(wèi)星的圖像4 總結(jié)一開始，完全不知道這個(gè)課題是在說什么。還好后來朱老師講了一下，讓我知道了基本的原理，有了大致的思路。但是，由于之前沒有接觸過MATLAB的編程，有了思路也無法編程，在這里要感謝老大姚怡超的悉心教導(dǎo)和幫助。也讓我領(lǐng)略了MATLAB的仿真的強(qiáng)大，與語(yǔ)言封裝的集成性。之前一開始，由于程序設(shè)計(jì)的問題，長(zhǎng)時(shí)間的不出圖像

15、，后來改進(jìn)了程序，出圖的速度雖然有所加快，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于頻域捕獲算法。通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我了解了MATLAB軟件，也知道了GPS的工作原理，了解了時(shí)域和頻域捕獲算法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。增強(qiáng)了應(yīng)用和實(shí)踐的能力，為以后的學(xué)習(xí)工作打下了基礎(chǔ)。附件 （程序代碼）GPSInf_Acq = zeros(32,3);yy = zeros(40,1023);zz = zeros(40,1023);dopplorrange = 4000;gpsdata_ddc_CIC=zeros(4096);sine=zeros(4096);cosine=zeros(4096);for m = 1:32 LoCAcode = G

16、etCACode(m,N); % GetCACode(PRN,LEN) dopplor = -dopplorrange; while(dopplor<dopplorrange) Comp1=zeros(1023); Comp2=zeros(1023); Comp=zeros(1023); %載波偏移 carrier = exp(1i*2*pi*(0:Len-1)*(fc+dopplor)/fs); gpsdata_ddc = gpsdata.*carrier; for k=1:floor(length(gpsdata_ddc)/Q) % CIC Q倍抽取濾波器 gpsdata_ddc_C

17、IC(k) = sum(gpsdata_ddc(k-1)*Q+1:k*Q); end sine=real(gpsdata_ddc_CIC); %虛部 cosine=imag(gpsdata_ddc_CIC); %實(shí)部 for q=1:1023 for k=1:1023 %積分 Comp1(q)=Comp1(q)+LoCAcode(q-1+k)*sine(k); Comp2(q)=Comp2(q)+LoCAcode(q-1+k)*cosine(k); end Comp(q)=sqrt(Comp1(q)*Comp1(q)+Comp2(q)* Comp2(q); %平方和，開方 end yy(dopplor+4000)/200+1,:)=Comp(1:1023); dopplor = dopplor + 200; GPSInf_Acq(m,1)=1; GPSInf_Acq(m,2)=1; GPSInf_Acq(m,3)=dopplor; end yy(dopplor+40