衛(wèi)星導(dǎo)航課程論文

1、GPS課程結(jié)課論文一、C/A碼生成GPS信號(hào)中的C/A碼，其實(shí)是一種Gold碼，即通過(guò)兩個(gè)m序列相加得到的，這里的相加和我們常見(jiàn)的加法不同，是一種模2加。GPS系統(tǒng)的官方文檔IS-GPS-200D給出了產(chǎn)生C/A碼的原理。圖2.2C/A碼生成原理圖C/A碼由兩個(gè)m序列構(gòu)成，分別被稱為G1序列和G2序列，每一個(gè)衛(wèi)星使用唯一的C/A碼是通過(guò)將G1序列和一定相位延遲的G2序列模2加得到。圖2.2中有兩個(gè)移位寄存器，每一組的寄存器數(shù)目為10個(gè)，一個(gè)寄存器組對(duì)應(yīng)于,另一組對(duì)應(yīng)于。移位寄存器的工作時(shí)鐘來(lái)自于原子鐘的10.23MHz的10分頻，即1.023MHz。由圖2.2的抽頭設(shè)置可以看出G1和G2的生成

2、多項(xiàng)式1為(2-1-4)(2-1-5)兩個(gè)移位寄存器G1和G2的初相是全“1”且預(yù)先存入寄存器。衛(wèi)星ID號(hào)是根據(jù)G2產(chǎn)生器的兩個(gè)輸出位置來(lái)決定的。GPS系統(tǒng)在最初設(shè)計(jì)時(shí)選擇了37個(gè)PRN碼，其中第132供空間衛(wèi)星使用，第3337為地面應(yīng)用保留。Gold碼被選做GPS信號(hào)的擴(kuò)頻序列是因?yàn)樗囊恍┨匦?，其中最重要的就是它們的相關(guān)特性。C/A碼具有兩個(gè)重要相關(guān)特性9：（1）幾乎沒(méi)有互相關(guān)性：所有的C/A碼相互之間幾乎沒(méi)有相關(guān)性，如圖2.3所示；（2）圖2.4中可以看出：除了零延時(shí)，所有的C/A碼幾乎與自己都沒(méi)有相關(guān)性，這一特性使我們很容易找出何時(shí)兩個(gè)碼是嚴(yán)格對(duì)齊的。圖2.3 PRN1和PRN2 C/

3、A碼的互相關(guān)圖2.4 PRN1 C/A碼的自相關(guān)二、坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星位置是用ECEF坐標(biāo)，而用戶位置經(jīng)常用便于記憶的經(jīng)緯度表示方法，所以需要對(duì)這兩種坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換1. 地心地固（ECEF）坐標(biāo)系ECEF（Earth-Centered Earth Fixed）坐標(biāo)系以地球橢球的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，Z軸指向地球的自轉(zhuǎn)軸北極，X軸指向格林尼治首子午面與赤道的交點(diǎn)，Y軸位于赤道面上，且按右手系與X軸呈夾角。某點(diǎn)位置可用蓋點(diǎn)在各個(gè)軸上的投影（X，Y，Z）來(lái)表示。2. 世界大地（WGS 84）坐標(biāo)系GPS定位系統(tǒng)中所采用的是WGS 84世界大地坐標(biāo)系。WGS84坐標(biāo)系提供了地球形狀的撱球模

4、型，其坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球質(zhì)心；Z軸指向國(guó)家時(shí)間局（BIH）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向；X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)；Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。已知目標(biāo)的大地經(jīng)度、緯度和高度分別為、，計(jì)算目標(biāo)在ECEF坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（,），公式如下17： (5-3-1)(5-3-2)式中= 6378.137km，=0.00669437999014。三、捕獲算法捕獲的基本思想就是展開(kāi)輸入信號(hào)，找到載波頻率。如果正確的C/A碼與輸入信號(hào)相乘,輸入信號(hào)將變?yōu)橐粋€(gè)連續(xù)的正(余)弦信號(hào),一旦輸入信號(hào)變成連續(xù)信號(hào),通過(guò)傅立葉變換可以知曉其頻率。如果輸入電文長(zhǎng)是1ms，則傅立葉變

5、換的頻率分辨率為1kHz?？梢栽O(shè)置一個(gè)闕值，即一個(gè)門限來(lái)判斷一個(gè)頻率分量是否足夠大。高于這個(gè)門限的最高頻率分量就是我們要找到的頻率。如果用5MHz使輸入信號(hào)數(shù)字化,1ms的電文將含有5000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),一個(gè)5000點(diǎn)的FFT將產(chǎn)生5000個(gè)頻率分量。然而，5000個(gè)頻率分量中只有前2500個(gè)頻率分量包含有用信息，后2500個(gè)是前2500個(gè)頻率分量的復(fù)共軛。由于輸入信號(hào)中C/A碼的起始點(diǎn)還未知，因此，必須先找到這個(gè)點(diǎn)。為了找到這個(gè)點(diǎn)我們產(chǎn)生本地的一個(gè)C/A碼，將其數(shù)字化為5000個(gè)點(diǎn)，且與輸入信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，對(duì)此相乘的結(jié)果進(jìn)行FFT或DFT，可找到其頻率。為了搜索1ms的電文，輸入電文與本地產(chǎn)生數(shù)

6、字化的C/A碼必須彼此相對(duì)移動(dòng)5000次。如果使用FFT，需操作5000次，每次操作包含5000個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的乘積和一個(gè)5000個(gè)點(diǎn)FFT。由于只有2500個(gè)頻率分量提供信息，其余2500個(gè)分量提供的是多余的信息。因此，輸出的5000點(diǎn)數(shù)據(jù)每個(gè)含有2500個(gè)頻率分量，這樣，在頻域共有個(gè)輸出。在這個(gè)輸出中最高幅值如果大于預(yù)先設(shè)定的門限值，則該分量就是期望值四、鎖相環(huán)（PLL）鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。鎖相環(huán)具有跟蹤能力。如果輸入信號(hào)的頻率變化的速度比較慢，那么這樣的變化就可以被看作是小的階躍響應(yīng)的累積。另

7、外，與其他的負(fù)反饋系統(tǒng)不同，鎖相環(huán)中敏感信號(hào)在環(huán)路中是在變化的。鑒相器把相位轉(zhuǎn)化成電壓或電流，經(jīng)過(guò)濾波器的處理之后，又被壓控振蕩器器從電壓轉(zhuǎn)化為相位。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如下圖所示：鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)Si(t)與反饋信號(hào)So(t)之間的相位e(t)。輸出誤差信號(hào)Ud(t)是相差e(t)的函數(shù),即Ud(t)=fe(t)。環(huán)路濾波器具有低通特性，它可以起到低通濾波器的作用，在環(huán)路中對(duì)輸入噪聲進(jìn)行抑制，并且對(duì)環(huán)路的校正速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，它對(duì)環(huán)路的性能有很大影響，對(duì)環(huán)路調(diào)整起著決定性作用。壓控振蕩器是一

8、個(gè)電壓頻率變換裝置，在環(huán)中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率隨輸入控制電壓線性的變化。實(shí)際中的壓控振蕩器的控制特性只有有限的線性控制范圍，超出這個(gè)范圍之后控制靈敏度將會(huì)下降。當(dāng)Uc（t）隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率w0也隨時(shí)間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持w0=wi的狀態(tài)不變。在鎖定條件下，環(huán)路中的所有信號(hào)都達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，鎖相環(huán)的工作過(guò)程如下：鑒相器產(chǎn)生一個(gè)輸出，其直流值與相位差成正比；環(huán)路濾波器抑制鑒相器輸出信號(hào)中的高頻分量，以便用直流信號(hào)控制壓控振蕩器的頻率。這時(shí)，壓控振蕩器振蕩的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等，且產(chǎn)生一個(gè)固定的相位差。由此，環(huán)路濾波器生成了壓控振蕩器所需要的控制電壓。普通PLL對(duì)180°相移敏感。因?yàn)樾盘?hào)中存在導(dǎo)航比特跳變，GPS接收機(jī)使用的PLL必須對(duì)180°相移不敏感。而科斯塔斯環(huán)的特點(diǎn)就是對(duì)180°相位不敏感，因此對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)引起的相位翻轉(zhuǎn)不敏感。這就是GPS接收機(jī)采用這種載波跟蹤環(huán)的原因。本文中科斯塔